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车载储氢系统发展现状(一)

时间:2011-07-14 17:10:16来源:中国氢能源网

 

 

燃料电车的商业化有三个瓶颈:燃料电池的成本和耐久性;氢气的来源及相应的基础设施;车载的储氢系统。DOE在修正其目标后,要求到2015年系统的储氢质量达到7.5%,体积储氢密度达到70g/L,旧的目标是5.5%,储氢密度是40g/L[1],一次加氢后的续航里程要达到300英里(约500公里)。综观目前所有实际可用的车载储氢或制氢技术,包括高压储氢、液氢储氢、金属氢化物储氢、吸附储氢以及车载甲醇重整制氢装置、汽油重整制氢装置和天然气重整装置,无一能完全满足这些指标。因此,为了推动燃料电池的商业化进程,各个国家,包括政府研究机构和各大汽车公司,都开始对氢源技术系统研究给予高度重视。本文将就燃料电池电动车车载储氢技术的发展现状和存在问题作一介绍和讨论。
1 高压储氢
目前高压氢气罐仍是主流,一般有35Mpa(代表车型:本田 FCX Clarity)和70Mpa(丰田FCHV-adv),一般是由碳纤维复合材料组成的新型轻质耐压储氢容器:铝内胆外面缠绕碳纤维的材料。但这类高压钢瓶的主要缺点是需要较大的体积和如何构筑理想的圆柱形外形; 另外, 还需要解决阀体与容器的接口及快速加氢等关键技术。因此高压压缩储氢容器还需要进一步发展[2]。同时受限于氢气本身的密度,其储氢量很难大幅度的提高。如图1所示,为了达到500公里的一次续航里程,采用70Mpa的储氢压力,其储氢系统要有125kg,体积要达到260L[3]。

 

图4 丰田FCHV-adv(储氢量达到6.1kg,高压罐分成4个较细的罐,置于后车座下及行李舱底板下)
低温液态储氢
低温液态储氢具有较高的体积能量密度,常温、常压下液氢的密度为气态氢的845倍, 其体积能量密度比压缩储存要高好几倍, 与同一体积的储氢容器相比, 其储氢质量大幅度提高。若仅从质量和体积上考虑, 液氢储存是一种极为理想的储氢方式。但是由于氢气液化要消耗很大的冷却能量, 液化过程所需的能耗约是储存氢气热值的50% , 增加了储氢和用氢成本。另外, 液氢储存容器必须使用超低温用的特殊容器(如下图所示), 由于液氢储存的装料和绝热不完善, 容易导致较高的蒸发损失, 因而技术复杂、储氢成本高。

 

 

 

 

图6 F800 Style概念车(四个液态储氢槽在底盘传动轴的左右与后方,共可存放5.2公斤氢燃料

以下举两个具体的实例:
2.1 宝马7系(Hydrogen 7)氢内燃机车

去年年底,宝马汽车公司宣布将逐渐放弃其在氢内燃机发动机(采用低温液态氢)方面的研究,转而将注意力集中于燃料电池电动汽车的开发。这种储氢系统存在    很多的问题。

燃料罐位于后座与尾厢之间,采用双层壁式结构,包括在2 毫米厚的不锈钢板以及内罐和外罐之间30毫米厚的真空超隔热层。这种结构极大地降低了热量传递,中间层可提供相当于约17米厚的styropor(一种聚苯乙烯)的隔热效果。此外,内罐和外罐之间的连接部件采用碳纤维夹层,极大地避免了热量传递。宝马表示,这种隔热技术的效果是在实际应用中前所未有的,举个简单的例子,如果往这种燃料罐中加入煮沸的咖啡,可以保温80天以上,然后才会降到适宜饮用的温度。如此高效的隔热作用可使在3-5巴压力作用下的液态氢长时间保持在约-250°C的恒定温度。即使是微量蒸发的氢气,也会经由蒸发管理系统,以合理的压力并进行净化后才排出。
由于燃料罐中的温度如此低,从燃料罐中汽化的气态氢必须利用来自发动机冷却系统管
路的、为此而提供的热量进行预热,然后才能进入燃料混合过程之中。所以, 除了从储气罐
到发动机的氢气管道外,增加了一部分附加的发动机冷却回路。冷却液流过一个氢气一冷却
液热交换器,将氢加热到大气温度。大部分氢气进入发动机,一小部分氢气流回到液氢储存
系统,将它的热量传给液氢后又重新回到流入发动机的氢气主流中。这样能防止行驶过程中
因液氢蒸发引起的压力降。
存在的问题:
(1)储存的是-253 摄氏度的液氢,这一压缩过程要消耗所载能量的三分之一, 而且储
存的液氢也不稳定,可能只需三个星期就会蒸发一空。
(2)需要在后行李箱位置安装一个氢存储罐,重量达到250公斤,这使Hydrogen 7留
给车主的行李空间只有原来的1/3。
(3)需要种种措施防止氢气泄露带来的危险导致车辆的成本难以控制,并且使用者还
由此面临种种随之而来的麻烦,比如购买氢动力车之后,不能把它停在密封的车库或地下停
车场里,除非车库专门改善通风条件或装上氢气探测器。
2.2奔驰F800 Style概念车
在今年的北京车展上,奔驰首次在亚洲展出其F800 Style概念车。这款车拥有 “双模”驱动模式:插电式混合动力驱动和氢燃料电池驱动。在配备插电式混合动力系统情况下,F800 Style概念车百公里耗油仅2.9升,二氧化碳排放量也低至68克/公里,其新一代燃油直喷V6发动机和混合动力模块可共同输出约300千瓦(409马力)的功率,最高时速可达每小时250公里,续航能力达到700公里;在配备F-CELL氢燃料电池动力系统情况下,F800 Style概念车的输出功率可以达到约100千瓦(136马力),产生近290牛•米的扭矩,最长行驶里程能够达到近600公里,充分满足了日常实用的要求,其燃料电池装置在车头位置。

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