燃料电池汽车对车载供氢系统有多方面的要求

我们习惯于追随氢燃料汽车带来的一系列热点，但是真正去探究产业热点背后的原因和未来挑战，可能才是对产业发展的最大推动。
车载供氢系统为燃料电池汽车提供氢源，保障燃料电池汽车安全、可靠、稳定运行，是燃料电池汽车的重要组成部分。目前除了高压气瓶供氢方式之外，还有固态储氢，包括化学氢化物储氢和物理吸附储氢；有机液体储氢；化学制氢，包括铝粉制氢、甲醇制氢、硼氢化钠制氢、氨制氢、乙醇制氢等多种供氢方式。对此，我们认为燃料电池汽车对车载供氢系统有多方面的要求。
安全是第一要素
氢气既是燃料，又是危化品，具有易燃易爆的物理化学特性，所以车载供氢系统的安全性是第一位的。首先满足GBT 24549－2009 《燃料电池电动汽车 安全要求》，GBT 26990－2011《燃料电池电动汽车 车载氢系统 技术条件》，GBT 29126－2012《燃料电池电动汽车 车载氢系统 试验方法》，GB／T 35544－2017《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》等标准的相关安全要求。车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶必须经过常温压力循环试验 、未爆先漏试验 、枪击试验 、极端温度压力循环试验 、火烧试验 、加速应力爆破试验、 跌落试验等试验的考核。
如果采用了非高压气瓶供氢方式，还需要根据现场具体的制氢供氢的物理化学特性，及相关安全标准，采取相应的有效措施，保障系统的安全。比如说采取甲醇水溶液制氢，就要考虑甲醇水溶液的可燃性风险，并采取相应的安全措施。
满足燃料电池发动机的多种要求
燃料电池发动机的供氢要求是多方面的，包括以下要求：
第一，氢气纯度要求。燃料电池发动机对氢气品质要求，可以参照GB／T 37244－2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料 氢气》的要求。
如果采用了现场制氢供氢的方式，那么氢气品质的要求就更为重要，氢气的提纯就成为供氢系统中的重要环节。
第二，供氢系统快速启动。汽车的启动需要在短时间完成，这就要求供氢系统快速响应，对于高压气瓶供氢容易实现，但是对于现场制氢供氢，就会有一定的困难，在动力系统控制上采取用蓄电池供电可以适当的弥补这一问题，但如果启动时间太久，就不利于使用。
第三，供氢压力方面。对于高压气瓶供氢容易实现，对于现场制氢供氢，如果压力过低，可以配置氢气加压泵来满足要求。
第四，供氢流量方面。汽车运行时功率的改变，也要求供氢流量跟随改变，对于高压气瓶供氢容易实现，但是对于现场制氢供氢，往往最适合的是稳定的恒流量输出，增大和减小供氢流量都有困难，如果这个调节范围太小，那么燃料电池的只能是恒功率发电，在动力系统控制上用蓄电池进行功率调节弥补，适应于增程式技术路线。对于铝粉制氢，一旦制氢反应开始，就不能停止，流量调节也很困难，反应容器制氢完之后，要除去反应物，而且体积较大，反应物除去之后投放铝粉，这些情况下停止供氢气。
第五，供氢温度方面。对于高压气瓶供氢容易符合要求，但是对于现场制氢供氢，往往产生的氢气温度偏高，如有机液体储氢，脱氢时温度为160℃，低温燃料电池就不能使用，必须先降温。
储氢率和储氢密度不可太低
储氢率是供氢系统的储氢量除以供氢系统的重量百分比，储氢密度是供氢系统的储氢量除以供氢系统的体积，这两者是表征供氢系统的供氢能力的重要技术指标。需要指出的是，它们指的是系统，对于非高压气瓶供氢方式，还应该包括储氢介质、介质容器、反应容器、加热装置、冷却装置、提纯装置、加压装置、控制系统等部件。目前国内广泛使用的35MPa3型高压气瓶，储氢率是4．5wt％，丰田的是70MPa4型高压气瓶，储氢率是5．7wt％，对于高压气瓶供氢系统，重量和体积基本集中在气瓶上，供氢系统储氢率和储氢密度会增大一些。所以对于非高压气瓶供氢系统，要从系统上全面考虑，如果仅以材料的储氢率，代替系统的储氢率，表面上数值很高，实际上其供氢能力很低，系统重量太重，体积太大，误导客户。
保障供氢系统循环寿命
对于高压气瓶，循环寿命超过1万次，使用寿命超过15年。而对于有机液体储氢，随着使用次数增加储氢率会降低。
考量供氢系统的经济性
包括供氢系统装置的经济性、制氢和耗材的经济性。供氢系统装置一般会随着生产批量的增加而降低，而制氢成本和消耗材料的成本却不会降低多少。
现场制氢往往需要消耗能量，如某种有机液体储氢，脱氢时消耗能量，折合电能为每公斤氢气消耗11kWh。
明析不同供氢方式优缺点
对于非高压气瓶供氢，需要从系统上全面考虑，除了上述要求之外，还要考虑如制氢工艺的复杂性、制氢材料是否容易获得、能否适应车载环境，在安全方面，参照高压气瓶的部分试验要求，能否适应。
每一种供氢方式都有突出的优点，但也有不足之处，根据其特点，会有适合使用的地方，如金属储氢，虽然储氢率低，但是安全性好，用在潜艇上燃料电池动力系统非常好；液体有机物储氢用在大规模储存运输上很有优势。
随着技术的不断进步，各种储氢方式会找到适合自己的应用场合，国内多家机构也在努力尝试，不排除在局部特定场合替代高压气瓶应用于燃料电池汽车，我们期望这种情况能早日到来。