靳殷實：燃料電池汽車對供氫系統(tǒng)有嚴格要求

我們習(xí)慣于追隨氫燃料汽車帶來的一系列熱點，但是真正去探究產(chǎn)業(yè)熱點背后的原因和未來挑戰(zhàn)，可能才是對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大推動。

車載供氫系統(tǒng)為燃料電池汽車提供氫源，保障燃料電池汽車安全、可靠、穩(wěn)定運行，是燃料電池汽車的重要組成部分。目前除了高壓氣瓶供氫方式之外，還有固態(tài)儲氫，包括化學(xué)氫化物儲氫和物理吸附儲氫；有機液體儲氫；化學(xué)制氫，包括鋁粉制氫、甲醇制氫、硼氫化鈉制氫、氨制氫、乙醇制氫等多種供氫方式。對此，我們認為燃料電池汽車對車載供氫系統(tǒng)有多方面的要求。

安全是第一要素

氫氣既是燃料，又是?；罚哂幸兹家妆奈锢砘瘜W(xué)特性，所以車載供氫系統(tǒng)的安全性是第一位的。首先滿足GBT 24549－2009 《燃料電池電動汽車 安全要求》，GBT 26990－2011《燃料電池電動汽車 車載氫系統(tǒng) 技術(shù)條件》，GBT 29126－2012《燃料電池電動汽車 車載氫系統(tǒng) 試驗方法》，GB／T 35544－2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》等標準的相關(guān)安全要求。車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶必須經(jīng)過常溫壓力循環(huán)試驗 、未爆先漏試驗 、槍擊試驗 、極端溫度壓力循環(huán)試驗 、火燒試驗 、加速應(yīng)力爆破試驗、 跌落試驗等試驗的考核。

如果采用了非高壓氣瓶供氫方式，還需要根據(jù)現(xiàn)場具體的制氫供氫的物理化學(xué)特性，及相關(guān)安全標準，采取相應(yīng)的有效措施，保障系統(tǒng)的安全。比如說采取甲醇水溶液制氫，就要考慮甲醇水溶液的可燃性風(fēng)險，并采取相應(yīng)的安全措施。

滿足燃料電池發(fā)動機的多種要求

燃料電池發(fā)動機的供氫要求是多方面的，包括以下要求

第一，氫氣純度要求。燃料電池發(fā)動機對氫氣品質(zhì)要求，可以參照GB／T 37244－2018《質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用燃料 氫氣》的要求。

如果采用了現(xiàn)場制氫供氫的方式，那么氫氣品質(zhì)的要求就更為重要，氫氣的提純就成為供氫系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。

第二，供氫系統(tǒng)快速啟動。汽車的啟動需要在短時間完成，這就要求供氫系統(tǒng)快速響應(yīng)，對于高壓氣瓶供氫容易實現(xiàn)，但是對于現(xiàn)場制氫供氫，就會有一定的困難，在動力系統(tǒng)控制上采取用蓄電池供電可以適當?shù)膹浹a這一問題，但如果啟動時間太久，就不利于使用。

第三，供氫壓力方面。對于高壓氣瓶供氫容易實現(xiàn)，對于現(xiàn)場制氫供氫，如果壓力過低，可以配置氫氣加壓泵來滿足要求。

第四，供氫流量方面。汽車運行時功率的改變，也要求供氫流量跟隨改變，對于高壓氣瓶供氫容易實現(xiàn)，但是對于現(xiàn)場制氫供氫，往往最適合的是穩(wěn)定的恒流量輸出，增大和減小供氫流量都有困難，如果這個調(diào)節(jié)范圍太小，那么燃料電池的只能是恒功率發(fā)電，在動力系統(tǒng)控制上用蓄電池進行功率調(diào)節(jié)彌補，適應(yīng)于增程式技術(shù)路線。對于鋁粉制氫，一旦制氫反應(yīng)開始，就不能停止，流量調(diào)節(jié)也很困難，反應(yīng)容器制氫完之后，要除去反應(yīng)物，而且體積較大，反應(yīng)物除去之后投放鋁粉，這些情況下停止供氫氣。

第五，供氫溫度方面。對于高壓氣瓶供氫容易符合要求，但是對于現(xiàn)場制氫供氫，往往產(chǎn)生的氫氣溫度偏高，如有機液體儲氫，脫氫時溫度為160℃，低溫燃料電池就不能使用，必須先降溫。

儲氫率和儲氫密度不可太低

儲氫率是供氫系統(tǒng)的儲氫量除以供氫系統(tǒng)的重量百分比，儲氫密度是供氫系統(tǒng)的儲氫量除以供氫系統(tǒng)的體積，這兩者是表征供氫系統(tǒng)的供氫能力的重要技術(shù)指標。需要指出的是，它們指的是系統(tǒng)，對于非高壓氣瓶供氫方式，還應(yīng)該包括儲氫介質(zhì)、介質(zhì)容器、反應(yīng)容器、加熱裝置、冷卻裝置、提純裝置、加壓裝置、控制系統(tǒng)等部件。目前國內(nèi)廣泛使用的35MPa3型高壓氣瓶，儲氫率是4．5wt％，豐田的是70MPa4型高壓氣瓶，儲氫率是5．7wt％，對于高壓氣瓶供氫系統(tǒng)，重量和體積基本集中在氣瓶上，供氫系統(tǒng)儲氫率和儲氫密度會增大一些。所以對于非高壓氣瓶供氫系統(tǒng)，要從系統(tǒng)上全面考慮，如果僅以材料的儲氫率，代替系統(tǒng)的儲氫率，表面上數(shù)值很高，實際上其供氫能力很低，系統(tǒng)重量太重，體積太大，誤導(dǎo)客戶。

保障供氫系統(tǒng)循環(huán)壽命

對于高壓氣瓶，循環(huán)壽命超過1萬次，使用壽命超過15年。而對于有機液體儲氫，隨著使用次數(shù)增加儲氫率會降低。

考量供氫系統(tǒng)的經(jīng)濟性

包括供氫系統(tǒng)裝置的經(jīng)濟性、制氫和耗材的經(jīng)濟性。供氫系統(tǒng)裝置一般會隨著生產(chǎn)批量的增加而降低，而制氫成本和消耗材料的成本卻不會降低多少。

現(xiàn)場制氫往往需要消耗能量，如某種有機液體儲氫，脫氫時消耗能量，折合電能為每公斤氫氣消耗11kWh。

明析不同供氫方式優(yōu)缺點

對于非高壓氣瓶供氫，需要從系統(tǒng)上全面考慮，除了上述要求之外，還要考慮如制氫工藝的復(fù)雜性、制氫材料是否容易獲得、能否適應(yīng)車載環(huán)境，在安全方面，參照高壓氣瓶的部分試驗要求，能否適應(yīng)。

每一種供氫方式都有突出的優(yōu)點，但也有不足之處，根據(jù)其特點，會有適合使用的地方，如金屬儲氫，雖然儲氫率低，但是安全性好，用在潛艇上燃料電池動力系統(tǒng)非常好；液體有機物儲氫用在大規(guī)模儲存運輸上很有優(yōu)勢。

隨著技術(shù)的不斷進步，各種儲氫方式會找到適合自己的應(yīng)用場合，國內(nèi)多家機構(gòu)也在努力嘗試，不排除在局部特定場合替代高壓氣瓶應(yīng)用于燃料電池汽車，我們期望這種情況能早日到來。

作者靳殷實