氢燃料汽车储氢的四种方式


发布时间:

2022-05-31

燃料电池车虽然是电驱动的,没有发动机只有电机,但它的结构和燃油车更像,燃料电池需要氢气来发电,所以需要“油箱”——一套储氢装置来为他提供氢气。燃料电池将氢气和空气在内部电化学反应之后产生电能供给电机驱动车辆。

  燃料电池车虽然是电驱动的,没有发动机只有电机,但它的结构和燃油车更像,燃料电池需要氢气来发电,所以需要“油箱”——一套储氢装置来为他提供氢气。燃料电池将氢气和空气在内部电化学反应之后产生电能供给电机驱动车辆。

氢燃料电池汽车结构

  而区别于油箱的是,这套储氢装置技术含量相当高。和纯电动车受困于锂电池能量密度和充电时间一样,燃料电池车同样面临着能量密度的困扰。

  因为氢气密度实在太小,1kg的氢气在常温常压下有差不多11立方米那么大,不可能放到车上应用,因此,必须用各种技术手段提高氢气储存的密度。

  目前,储氢装置大致可以分为三类,第一类是高压气态储氢。使用的储氢瓶主要分为四种:纯钢制金属瓶(I型)、钢质内胆纤维环向缠绕瓶(II型)、铝内胆纤维全缠绕瓶(III型)和塑料内胆纤维缠绕瓶(IV型)。

  高压储氢的优点是储存耗能低,成本较低,充放气速度快,常温下可以利用减压阀直接调控氢气的释放速度应对汽车在行驶中不同的工况需求。

氢燃料汽车储氢结构

  明显,对于高压储氢,压力越大,单位体积储氢越多。目前行业前沿的是700Bar高压IV型储氢瓶,这一压力差不多相当于700米深海底的压力,作为对比轮胎充气压力只有2.5Bar,一般潜水艇的最大潜深只有300米。因此高压气态储氢对于罐体材质和密封有着较高的要求。

  比如Mirai的储氢罐有四层结构,铝合金制成罐体,内部衬塑料内胆,外面包裹碳纤维强化塑料(CFPR)保护层,保护层外边还有玻璃纤维减震层。装有5kg氢气的氢气罐本身就会重达100多千克,储氢质量百分比仅有5%左右。体积密度同样不容乐观。

  再引入一个专有名词,氢脆。氢脆是指氢气会在高温高压(300℃和30MPa)下,会渗透入金属材料,引起金属力学性能下降、诱发裂纹或产生滞后断裂。目前的氢瓶都有这种风险,使用寿命有限。

  而且要为这种高压氢罐充氢,就意味着需要更高压的加氢装置,以及与之配套的供应运输体系……

  虽然有着各种各样的缺点,但这套技术还是目前最为成熟,要求、成本相对最低储氢方案,现在所有的燃料电池车,丰田的Mirai、现代的NEXO等等都是采用了这种方案。

  第二种是液化储氢。液氢的密度是常温常压中气态氢的845倍。但是氢气不像氮气,二氧化碳,可以通过加压实现液化,氢气液化的临界温度低至-234摄氏度,高于临界温度再高的压力都无法将氢气液化。这就直接否决了车上直接使用液氢储存的可能。

  不过液氢倒是在纯度以及长距离大规模运输方面有较好的经济效应,车上用不了,但加氢站倒是有可能用得上。

  第三种是固态储氢。

固态储氢材料分析

  和锂电池在向固态电池发展一样,储氢技术也在向固态储氢发展。固态储氢还可以继续细分,一种是通过活性炭、碳纳米管、碳纳米纤维碳基材料进行物理性质的吸附氢气。以及金属有机框架物(MOFs)、共价有机骨架(COFs)这种具有微孔网格的材料捕捉储存氢气,以上这些材料目前还在实验室研究阶段。

  还有一种是利用金属氢化物储氢。金属氢化物储氢最大的优势在于体积密度相当高,单位体积的金属可以储存常温常压下近千体积的氢气,体积密度甚至优于液氢。

  POWERPASTE就是用的这种方式。金属储氢的原理有些类似氢脆现象,氢气在一定条件下渗透进入金属内部,与金属发生反应生成金属氢化物,以原子状态储存于金属结晶点内。这个过程是可逆的,从而实现了氢气的吸、放。反应式如下:

金属储氢反应式

  式中,M代表金属元素。

  金属储氢已经有了相当长的研究史,小金体育最新常用的镍氢充电电池就是典型的金属氢化物应用。

  氢气与多数金属都能够发生化合反应,意味着大部分金属都有储氢能力。但金属储氢技术为了实现吸放氢的可控和可逆性,往往需要多种金属组成合金,一部分是吸氢能力强的金属(A类)如Mg、Ti、Zr、Ca、Re等,另一部分是吸氢能力弱的金属(B类)如Fe、Co、Ni、Cr等,调节反应生成热与分解压力。

  几十年来,已经发展出多种合金,综合下来吸放氢条件、体积密度、质量密度、成本等合适工业生产的数量不多,主要有:镁系、镧镍稀土系、钛系、锆系。

固态储氢

  其中以分子量较轻的金属镁作为基础的镁系合金为首。镁系合金具有较高的储氢质量和体积密度,而且镁储量较大,成本低。但是镁系储氢合金吸放氢条件较为苛刻,如POWERPASTE的报道中描述的,需要在350 °C左右的高温和五到六倍的大气压下发生反应,形成氢化镁。

  另外,POWERPASTE产物在250℃高温下也能稳定同样也代表了产物活化条件高,想要在车载条件下释放氢气较为困难。

  但是,体积上得天独厚的优势仍然使金属储氢成为一个热门发展趋势,尤其是对于燃料电池车。有朝一日,燃料电池车只需要到加氢站去换装有储氢合金的盒子就能完成补能,换下来的盒子内的储氢合金经过处理,重新补氢灌装就可以重新销售。这种充满想象力的前景的确令人向往。

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