氫燃料汽車儲氫的四種方式

發(fā)布時間：

2022-05-31

燃料電池車雖然是電驅(qū)動的，沒有發(fā)動機只有電機，但它的結(jié)構(gòu)和燃油車更像，燃料電池需要氫氣來發(fā)電，所以需要“油箱”——一套儲氫裝置來為他提供氫氣。燃料電池將氫氣和空氣在內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)之后產(chǎn)生電能供給電機驅(qū)動車輛。

　　燃料電池車雖然是電驅(qū)動的，沒有發(fā)動機只有電機，但它的結(jié)構(gòu)和燃油車更像，燃料電池需要氫氣來發(fā)電，所以需要“油箱”——一套儲氫裝置來為他提供氫氣。燃料電池將氫氣和空氣在內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)之后產(chǎn)生電能供給電機驅(qū)動車輛。

　　

氫燃料電池汽車結(jié)構(gòu)

 

　　而區(qū)別于油箱的是，這套儲氫裝置技術(shù)含量相當(dāng)高。和純電動車受困于鋰電池能量密度和充電時間一樣，燃料電池車同樣面臨著能量密度的困擾。

　　因為氫氣密度實在太小，1kg的氫氣在常溫常壓下有差不多11立方米那么大，不可能放到車上應(yīng)用，因此，必須用各種技術(shù)手段提高氫氣儲存的密度。

　　目前，儲氫裝置大致可以分為三類，第一類是高壓氣態(tài)儲氫。使用的儲氫瓶主要分為四種：純鋼制金屬瓶(I型)、鋼質(zhì)內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞瓶(II型)、鋁內(nèi)膽纖維全纏繞瓶(III型)和塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶(IV型)。

　　高壓儲氫的優(yōu)點是儲存耗能低，成本較低，充放氣速度快，常溫下可以利用減壓閥直接調(diào)控氫氣的釋放速度應(yīng)對汽車在行駛中不同的工況需求。

　　

氫燃料汽車儲氫結(jié)構(gòu)

 

　　明顯，對于高壓儲氫，壓力越大，單位體積儲氫越多。目前行業(yè)前沿的是700Bar高壓IV型儲氫瓶，這一壓力差不多相當(dāng)于700米深海底的壓力，作為對比輪胎充氣壓力只有2.5Bar，一般潛水艇的最大潛深只有300米。因此高壓氣態(tài)儲氫對于罐體材質(zhì)和密封有著較高的要求。

　　比如Mirai的儲氫罐有四層結(jié)構(gòu)，鋁合金制成罐體，內(nèi)部襯塑料內(nèi)膽，外面包裹碳纖維強化塑料(CFPR)保護(hù)層，保護(hù)層外邊還有玻璃纖維減震層。裝有5kg氫氣的氫氣罐本身就會重達(dá)100多千克，儲氫質(zhì)量百分比僅有5%左右。體積密度同樣不容樂觀。

　　再引入一個專有名詞，氫脆。氫脆是指氫氣會在高溫高壓(300℃和30MPa)下，會滲透入金屬材料，引起金屬力學(xué)性能下降、誘發(fā)裂紋或產(chǎn)生滯后斷裂。目前的氫瓶都有這種風(fēng)險，使用壽命有限。

　　而且要為這種高壓氫罐充氫，就意味著需要更高壓的加氫裝置，以及與之配套的供應(yīng)運輸體系……

　　雖然有著各種各樣的缺點，但這套技術(shù)還是目前最為成熟，要求、成本相對最低儲氫方案，現(xiàn)在所有的燃料電池車，豐田的Mirai、現(xiàn)代的NEXO等等都是采用了這種方案。

　　第二種是液化儲氫。液氫的密度是常溫常壓中氣態(tài)氫的845倍。但是氫氣不像氮氣，二氧化碳，可以通過加壓實現(xiàn)液化，氫氣液化的臨界溫度低至-234攝氏度，高于臨界溫度再高的壓力都無法將氫氣液化。這就直接否決了車上直接使用液氫儲存的可能。

　　不過液氫倒是在純度以及長距離大規(guī)模運輸方面有較好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，車上用不了，但加氫站倒是有可能用得上。

　　第三種是固態(tài)儲氫。

　　

固態(tài)儲氫材料分析

 

　　和鋰電池在向固態(tài)電池發(fā)展一樣，儲氫技術(shù)也在向固態(tài)儲氫發(fā)展。固態(tài)儲氫還可以繼續(xù)細(xì)分，一種是通過活性炭、碳納米管、碳納米纖維碳基材料進(jìn)行物理性質(zhì)的吸附氫氣。以及金屬有機框架物(MOFs)、共價有機骨架(COFs)這種具有微孔網(wǎng)格的材料捕捉儲存氫氣，以上這些材料目前還在實驗室研究階段。

　　還有一種是利用金屬氫化物儲氫。金屬氫化物儲氫最大的優(yōu)勢在于體積密度相當(dāng)高，單位體積的金屬可以儲存常溫常壓下近千體積的氫氣，體積密度甚至優(yōu)于液氫。

　　POWERPASTE就是用的這種方式。金屬儲氫的原理有些類似氫脆現(xiàn)象，氫氣在一定條件下滲透進(jìn)入金屬內(nèi)部，與金屬發(fā)生反應(yīng)生成金屬氫化物，以原子狀態(tài)儲存于金屬結(jié)晶點內(nèi)。這個過程是可逆的，從而實現(xiàn)了氫氣的吸、放。反應(yīng)式如下：

　　

金屬儲氫反應(yīng)式

 

　　式中，M代表金屬元素。

　　金屬儲氫已經(jīng)有了相當(dāng)長的研究史，我們常用的鎳氫充電電池就是典型的金屬氫化物應(yīng)用。

　　氫氣與多數(shù)金屬都能夠發(fā)生化合反應(yīng)，意味著大部分金屬都有儲氫能力。但金屬儲氫技術(shù)為了實現(xiàn)吸放氫的可控和可逆性，往往需要多種金屬組成合金，一部分是吸氫能力強的金屬(A類)如Mg、Ti、Zr、Ca、Re等，另一部分是吸氫能力弱的金屬(B類)如Fe、Co、Ni、Cr等，調(diào)節(jié)反應(yīng)生成熱與分解壓力。

　　幾十年來，已經(jīng)發(fā)展出多種合金，綜合下來吸放氫條件、體積密度、質(zhì)量密度、成本等合適工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)量不多，主要有：鎂系、鑭鎳稀土系、鈦系、鋯系。

　　

固態(tài)儲氫

 

　　其中以分子量較輕的金屬鎂作為基礎(chǔ)的鎂系合金為首。鎂系合金具有較高的儲氫質(zhì)量和體積密度，而且鎂儲量較大，成本低。但是鎂系儲氫合金吸放氫條件較為苛刻，如POWERPASTE的報道中描述的，需要在350 °C左右的高溫和五到六倍的大氣壓下發(fā)生反應(yīng)，形成氫化鎂。

　　另外，POWERPASTE產(chǎn)物在250℃高溫下也能穩(wěn)定同樣也代表了產(chǎn)物活化條件高，想要在車載條件下釋放氫氣較為困難。

　　但是，體積上得天獨厚的優(yōu)勢仍然使金屬儲氫成為一個熱門發(fā)展趨勢，尤其是對于燃料電池車。有朝一日，燃料電池車只需要到加氫站去換裝有儲氫合金的盒子就能完成補能，換下來的盒子內(nèi)的儲氫合金經(jīng)過處理，重新補氫灌裝就可以重新銷售。這種充滿想象力的前景的確令人向往。