作者 | 張志宇，王 峰，趙耀中，呂 敏，盧 涵

來(lái)源 | 低溫與特氣；旺材氫燃料電池

摘要：儲(chǔ)氫系統(tǒng)是氫能汽車(chē)的關(guān)鍵分系統(tǒng)之一。在航天運(yùn)載火箭液氫燃料成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，歐洲、美國(guó)、日本及中國(guó)都對(duì)液氫或低溫高壓氫氣作為氫能汽車(chē)的儲(chǔ)氫方式，開(kāi)展過(guò)不同程度的研究工作，實(shí)現(xiàn)了多種技術(shù)路線(xiàn)的氣瓶研制、供氣系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、車(chē)輛集成、加注系統(tǒng)研制和行駛試驗(yàn)，并推出部分基于低溫技術(shù)儲(chǔ)氫的示范或定型車(chē)輛。 文章對(duì)車(chē)載低溫儲(chǔ)氫供氣整車(chē)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作模式、關(guān)鍵部件研制情況等進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)相關(guān)車(chē)輛試驗(yàn)情況進(jìn)行介紹。通過(guò)對(duì)比分析，提出了我國(guó)在汽車(chē)用低溫儲(chǔ)氫技術(shù)領(lǐng)域的研究方向。

引言

隨著全球工業(yè)化進(jìn)程加快，化石燃料消耗量日益增加，對(duì)環(huán)境造成的污染越來(lái)越嚴(yán)重，迫切需要尋找清潔燃料作為替代。氫制取途徑多樣、清潔無(wú)污染、可儲(chǔ)存運(yùn)輸、還具有最高的質(zhì)量能量密度，能量轉(zhuǎn)化效率較高，被認(rèn)為是未來(lái)清潔高效燃料之一，氫燃料驅(qū)動(dòng)火箭、飛機(jī)、火車(chē)、汽車(chē)、燃?xì)廨啓C(jī)等都已在技術(shù)和工程上成為現(xiàn)實(shí)。氫燃料電池汽車(chē)(FCV)具有高效率和近零排放的特點(diǎn)，將在新能源汽車(chē)中占據(jù)重要地位已成為不爭(zhēng)的事實(shí)，多個(gè)國(guó)家都投入大量的資金和人力，進(jìn)行技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用示范工作。

與早期的內(nèi)燃機(jī)氫能汽車(chē)相比，燃料電池氫能汽車(chē)能量轉(zhuǎn)化形式雖有區(qū)別，但氫氣的經(jīng)濟(jì)存儲(chǔ)供應(yīng)依然是其動(dòng)力系統(tǒng)的瓶頸之一。 由于常溫常壓下氫體積能量密度低，通常需要加壓或降溫后才具備經(jīng)濟(jì)使用的條件，如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)供氫的唯一形式，就是通過(guò)低溫液化實(shí)現(xiàn)較高密度，從而提高燃料箱的儲(chǔ)重比。多國(guó)對(duì)汽車(chē)用液氫和低溫高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)先后開(kāi)展了大量的研究，本文主要對(duì)美國(guó)、歐洲、日本和中國(guó)在這方面的研究情況進(jìn)行介紹和對(duì)比分析，為我國(guó)在該領(lǐng)域的研究和發(fā)展方向作參考。

1 車(chē)用液氫存儲(chǔ)系統(tǒng)技術(shù)研究情況

高壓氫氣、金屬氫化物、液氫是目前幾種切實(shí)可行的車(chē)載氫能源存儲(chǔ)方法，與前兩者相比，液氫貯氫在能量密度、加注速度、續(xù)駛里程、加速性能和最高車(chē)速等汽車(chē)性能方面都更具優(yōu)勢(shì)。早在上世紀(jì)70年代，L.O.Willioams通過(guò)比較得出結(jié)論認(rèn)為，氫能汽車(chē)必然會(huì)采用液氫存儲(chǔ)方式。 其劣勢(shì)在于，氫液化過(guò)程中需要消耗大量電能，約為氫本身能量的40%，且在加注過(guò)程和車(chē)輛長(zhǎng)時(shí)間停止行駛時(shí)都會(huì)產(chǎn)生蒸發(fā)損失。因而，車(chē)用液氫供氣系統(tǒng)的核心是，在滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)要求的同時(shí)，液氫在車(chē)上如何實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)損存儲(chǔ)和提高利用效率，其系統(tǒng)方案、絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料、安全設(shè)計(jì)、加注方式及設(shè)備、經(jīng)濟(jì)性等一直是研究的重要內(nèi)容。

1.1 整車(chē)研發(fā)與驗(yàn)證

歐洲、美國(guó)、日本分別對(duì)車(chē)載液氫儲(chǔ)存系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)不同程度的研究，開(kāi)發(fā)了數(shù)十款液氫動(dòng)力型號(hào)汽車(chē)，部分車(chē)型情況如表1所示，涵蓋乘用車(chē)、大巴車(chē)和載貨車(chē)，并開(kāi)展了一系列試驗(yàn)和測(cè)試工作，為液氫在車(chē)上推廣應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。

表1 部分采用液氫供氣系統(tǒng)的車(chē)型情況

1979年，寶馬公司(BMW)展出的BMW520h雙燃料汽車(chē)，其氫系統(tǒng)就采用液態(tài)存儲(chǔ)。后續(xù)推出的7系(參數(shù)|圖片)列液氫動(dòng)力車(chē)型(BMW745hL)實(shí)現(xiàn)了小批量的生產(chǎn)和全球示范，該車(chē)型是目前為止唯一采用液氫模式并可量產(chǎn)的車(chē)型，其余車(chē)型均屬于在研制或試驗(yàn)樣車(chē)。另外，日本的武藏9號(hào)液氫燃料冷藏運(yùn)輸車(chē)具有典型代表性，其外觀照片如圖1所示，由武藏工業(yè)學(xué)院、巖谷公司和日野汽車(chē)工業(yè)公司共同開(kāi)發(fā)。液氫從儲(chǔ)罐送出后，進(jìn)入蓄冷器內(nèi)氣化，蓄冷器吸收的冷量提供給貨箱制冷，使貨箱保持(0±5)℃，發(fā)動(dòng)機(jī)低速工作或駐車(chē)后，蓄冷器滿(mǎn)載冷量可確保貨箱保持冷藏溫度3h。該車(chē)既利用了氫儲(chǔ)存的化學(xué)能，氫液化時(shí)能耗還以冷量的形式得到部分回收，提高了能量利用效率，為氫能汽車(chē)能量綜合利用提供了較好思路。

圖1 武藏9號(hào)冷藏車(chē)外觀照片

根據(jù)表1中所述車(chē)型實(shí)際道路運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)算，液氫儲(chǔ)氫車(chē)輛的續(xù)駛里程最遠(yuǎn)可以達(dá)到1000km，證明了液氫車(chē)輛的良好的燃料技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)整車(chē)試驗(yàn)，還證實(shí)了液氫儲(chǔ)氫汽車(chē)的駕駛性能和安全性能。

1.2 車(chē)載液氫氣瓶結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)

液氫在車(chē)輛上的應(yīng)用，氣瓶性能是核心因素之一。各國(guó)研發(fā)過(guò)程中，車(chē)載液氫氣瓶來(lái)源多樣，初期有的直接采用試驗(yàn)室杜瓦瓶進(jìn)行測(cè)試，或是對(duì)車(chē)用液化天然氣瓶進(jìn)行改造，也有為研究驗(yàn)證項(xiàng)目專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的氣瓶。通過(guò)對(duì)這些液氫氣瓶的測(cè)試與改進(jìn)，為后續(xù)的氣瓶研制提供了大量經(jīng)驗(yàn)和資料積累。

1.2.1歐洲研究情況

上世紀(jì)70年代，基于火箭研制和發(fā)射應(yīng)用液氫的經(jīng)驗(yàn)，德國(guó)和法國(guó)開(kāi)始研制更小、更輕便的適合氫能汽車(chē)用液氫氣瓶，當(dāng)時(shí)考慮的適用對(duì)象包括大巴車(chē)和小客車(chē)。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，用于汽車(chē)上的液氫氣瓶已實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能密度達(dá)22MJ/kg、日蒸發(fā)率低于1%的優(yōu)良性能。德國(guó)梅賽爾公司研制了大巴車(chē)用液氫氣瓶，其材質(zhì)為不銹鋼，單個(gè)氣瓶長(zhǎng)5m、直徑0.42m，有效容積350L，最高工作壓力0.5MPa。 與相同外形尺寸的20MPa常溫壓縮氫氣瓶比較，儲(chǔ)氫量是后者的2.7倍，而重量卻只有后者的40%，證實(shí)了液氫儲(chǔ)氫系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

在另一個(gè)燃料電池大巴車(chē)項(xiàng)目中，德國(guó)開(kāi)發(fā)了三個(gè)氣瓶并聯(lián)而成、總儲(chǔ)量600L的液氫存儲(chǔ)裝備，安裝于車(chē)頂部，該裝備還實(shí)現(xiàn)了完全自動(dòng)化的加注和回收。在這些應(yīng)用系統(tǒng)研制歷程中，梅賽爾公司和BMW公司合作對(duì)大巴車(chē)用液氫氣瓶開(kāi)展了大量的安全研究與測(cè)試工作，內(nèi)容包括過(guò)載、振動(dòng)、真空失效、撞擊、穿刺、火燒等，尤其對(duì)安全措施的效果進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)考核，確保了應(yīng)用的可靠性。同時(shí)，德國(guó)林德公司和法國(guó)液空公司等還研制了一系列乘用車(chē)液氫存儲(chǔ)氣瓶，用于歐洲和美國(guó)的多個(gè)示范研究項(xiàng)目。為滿(mǎn)足車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行工況，無(wú)損儲(chǔ)存時(shí)間是液氫氣瓶的關(guān)鍵參數(shù)之一。即使采取最好的絕熱手段，150L氣瓶的無(wú)損儲(chǔ)存時(shí)間也僅能保持在3d左右，容量越小，無(wú)損儲(chǔ)存時(shí)間越短，應(yīng)用車(chē)型局限性較大。

為此，林德公司冷量回收技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛停放時(shí)液氫無(wú)損存儲(chǔ)12d的記錄，其氣瓶結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。在氣瓶向發(fā)動(dòng)機(jī)供氣時(shí)，采用氣化換熱器獲得液化空氣，存儲(chǔ)冷量。停車(chē)后，氣瓶不工作時(shí)，液化空氣進(jìn)入夾層空間外側(cè)，吸收外界漏熱，從而實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的液氫無(wú)損儲(chǔ)存時(shí)間。

圖2 液化空氣循環(huán)方式氣瓶原理示意

1.2.2美國(guó)研究情況

上世紀(jì)80年代初，作為美國(guó)能源部(Depart-mentofEnergy，DOE)“替代燃料實(shí)施項(xiàng)目”的一部分，LASL同聯(lián)邦德國(guó)航空航天研究試驗(yàn)院(DFVLＲ)、新墨西哥能源研究所(NMEI)合作，對(duì)氫能汽車(chē)進(jìn)行了為期兩年半的試驗(yàn)研究工作，該項(xiàng)試驗(yàn)的首要任務(wù)是研究車(chē)載液氫存儲(chǔ)和加注。測(cè)試的液氫氣瓶包括兩件，并采用通用(GM)公司別克1979款“世紀(jì)”汽油內(nèi)燃機(jī)轎車(chē)作為載體進(jìn)行了路試，氣瓶與原車(chē)汽油箱參數(shù)如表2所示。

表2 LASL試驗(yàn)用液氫氣瓶參數(shù)

第一件氣瓶是DFVLＲ之前研制的車(chē)用立式氣瓶，存在蒸發(fā)損失嚴(yán)重、低液位供氣壓力不足、供氣溫度波動(dòng)過(guò)大、加注損失高和時(shí)間長(zhǎng)等主要缺陷。之后，專(zhuān)門(mén)為項(xiàng)目研制的第二件氣瓶改為臥式結(jié)構(gòu)，不僅容積更大，還克服了第一件氣瓶的部分不足。一是在容器內(nèi)增加了內(nèi)部電加熱裝置;二是延長(zhǎng)內(nèi)容器支撐，并在多層絕熱材料間增加兩層0.8mm厚銅屏隔熱，將日蒸發(fā)損失降低到4%;三是增加了加注預(yù)冷旁通管路。氣瓶結(jié)構(gòu)外觀見(jiàn)圖3。

圖3 LASL第二件氣瓶外觀

該氣瓶另一個(gè)重要變化是取消了水浴氣化器，改為空溫式換熱器。但由空溫式換熱器性質(zhì)所決定，出口溫度通常比環(huán)境溫度低40K左右，當(dāng)車(chē)輛長(zhǎng)時(shí)間滿(mǎn)負(fù)荷工作時(shí)，比如長(zhǎng)時(shí)間上陡坡，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度會(huì)低至180K，其并未完全解決發(fā)動(dòng)機(jī)供氣溫度不穩(wěn)定問(wèn)題。該試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)改裝完成的液氫車(chē)總計(jì)進(jìn)行了17個(gè)月路試，行程累計(jì)達(dá)3633km，先后進(jìn)行了65次液氫加注，取得了大量的成果積累。隨后的示范項(xiàng)目中，GM公司發(fā)布了氫動(dòng)一號(hào)(歐寶)液氫車(chē)，該車(chē)型在全球范圍內(nèi)進(jìn)行了運(yùn)行展示，氣瓶參數(shù)如表3。

表3GM氫動(dòng)一號(hào)液氫氣瓶參數(shù)

1.2.3 中國(guó)研究情況

在航天運(yùn)載及其氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中，我國(guó)液氫存儲(chǔ)和輸送裝備技術(shù)也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。 地面存儲(chǔ)容器、運(yùn)輸容器及真空輸送管道等都形成了小規(guī)模的成功應(yīng)用，掌握了液氫理化性質(zhì)、低溫材料、測(cè)控儀器及安全控制等方面的技術(shù)，為液氫的社會(huì)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。由于我國(guó)氫能汽車(chē)研究起步較晚，還沒(méi)有車(chē)用液氫儲(chǔ)罐完成所有研制流程。2003年，在國(guó)家“863課題”的支持下，自主集成了一套液氫氣瓶試驗(yàn)原理樣機(jī)，開(kāi)展了部分試驗(yàn)工作，參數(shù)如表4。

表4 我國(guó)首臺(tái)液氫氣瓶試驗(yàn)原理樣機(jī)參數(shù)

該氣瓶采用液氮進(jìn)行了蒸發(fā)率試驗(yàn)，并理論分析計(jì)算了液氫蒸發(fā)率為8.36%。可見(jiàn)，我國(guó)車(chē)載液氫氣瓶的研制工作處于起步階段，技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在較大差距，大量的關(guān)鍵技術(shù)需要突破和驗(yàn)證。

1.3 供氣系統(tǒng)壓力控制方式

由于液氫存儲(chǔ)于低溫液體狀態(tài)，需要經(jīng)過(guò)相變、溫度調(diào)整、壓力調(diào)整等步驟，氫氣才能供動(dòng)力裝置使用，因而對(duì)各參數(shù)的實(shí)現(xiàn)較其他儲(chǔ)氫方式要復(fù)雜一些。供氣壓力的控制是液氫儲(chǔ)存系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，在液氫系統(tǒng)的發(fā)展歷程中，形成了多種系統(tǒng)增壓方式。

1.3.1 氣化器自生增壓方式

如圖4所示，左側(cè)為外置氣化器自生增壓方式。液氫通過(guò)外置加熱氣化裝置后，返回氣瓶氣枕空間增壓。該方式存在一個(gè)嚴(yán)重缺陷，因?yàn)槠?chē)用氣瓶本身的液位差較小，加之液氫的密度小，導(dǎo)致氣化驅(qū)動(dòng)力不足，致使這種方式增壓難以達(dá)到預(yù)期的供氣效果。

圖4 氣化器自生增壓與電加熱增壓方式原理示意

1.3.2 內(nèi)置電加熱增壓方式

另一種方式為內(nèi)置電加熱增壓，系統(tǒng)如圖4右側(cè)所示。采用蓄電池或燃料電池產(chǎn)生的電能，通過(guò)設(shè)置在氣瓶?jī)?nèi)部的加熱絲產(chǎn)生熱量，來(lái)補(bǔ)充對(duì)外供氣需要的能量。該方式存在兩點(diǎn)明顯不足，一是增加系統(tǒng)電能消耗;二是電纜和加熱絲穿過(guò)真空層內(nèi)外壁，容易引起真空密封失效。

1.3.3 部分氣體回流換熱增壓方式

同自生增壓和電加熱增壓方式相比較，部分氣體回流換熱增壓方式工作更為可靠，原理如圖5所示。在內(nèi)容器中設(shè)置換熱盤(pán)管，內(nèi)容器排出的液氫經(jīng)水浴換熱器加熱后，一部分經(jīng)旁路返回內(nèi)部盤(pán)管，通過(guò)換熱對(duì)氣瓶?jī)?nèi)補(bǔ)充熱量，從而保持氣瓶壓力。這部分溫度降低后的氣體引出氣瓶，再次通過(guò)水浴換熱器升溫后，與主路氫氣一同進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)或燃料電池。該方式的液、氣流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于氣瓶和用氣點(diǎn)的壓力差，其主要優(yōu)勢(shì)在于:一是增壓用的能量可以完全來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水和外界環(huán)境的熱量;二是內(nèi)容器未增加任何容易失效的部分，可靠性高。

圖5 部分回流換熱增壓方式

1.3.4 氣體壓縮機(jī)增壓方式

日本最早的液氫系統(tǒng)采用空溫式氣化器自生增壓，但在武藏2號(hào)試驗(yàn)車(chē)上使用的情況并未完全達(dá)到預(yù)期效果。后來(lái)為了保證供氣壓力，在系統(tǒng)上增加了一臺(tái)氣體壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)換熱器換熱升溫后的氫氣直接進(jìn)入氣瓶增壓，并取得了較好效果。這種方式一直應(yīng)用到武藏5號(hào)試驗(yàn)車(chē)。

1.3.5 液氫泵增壓方案

日本自武藏2號(hào)試驗(yàn)后便開(kāi)始研制用于提供發(fā)動(dòng)機(jī)入口壓力的液氫泵，其出口壓力可達(dá)到8MPa，從武藏6號(hào)開(kāi)始得到應(yīng)用。采用泵增壓方式，其優(yōu)缺點(diǎn)如下:優(yōu)點(diǎn):供應(yīng)方式類(lèi)似于常溫燃料，出口壓力可以根據(jù)動(dòng)力裝置需求設(shè)計(jì);而且能實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)，更容易實(shí)現(xiàn)車(chē)輛變工況要求;氣瓶?jī)?nèi)本身壓力不用高于動(dòng)力裝置入口壓力。缺點(diǎn):系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，且同時(shí)存在常溫和低溫環(huán)境的運(yùn)動(dòng)部件，研制難度大;因泵安裝導(dǎo)致氣瓶漏熱量增加。

1.3.6 熱放大器方式

這種方式是采用控制夾層真空度來(lái)維持供氣壓力，其原理如圖6所示。

圖6 熱放大器方式原理示意

在外容器上設(shè)置一個(gè)與夾層連接的金屬儲(chǔ)氫小室，所使用儲(chǔ)氫金屬在常溫下可以達(dá)到很高的真空度。儲(chǔ)氫金屬加熱時(shí)，釋放出數(shù)毫克的氫氣，夾層的壓力上升，環(huán)境熱量通過(guò)夾層導(dǎo)入內(nèi)容器。停止加熱后，氫氣迅速被儲(chǔ)氫金屬吸附，真空壓力和夾層絕熱能力恢復(fù)。這種方式通過(guò)小功率的加熱，即可對(duì)容器內(nèi)部輸入較大熱流，消耗電能僅為壓力維持總能量的5%，因此，這種模式可以稱(chēng)為熱放大器。

1.4 發(fā)動(dòng)機(jī)供氫氣溫度的保證

發(fā)動(dòng)機(jī)供氣溫度過(guò)高或過(guò)低都不利于其正常工作，尤其是對(duì)燃料電池的影響較大。純粹的空溫式氣化器在長(zhǎng)時(shí)間工作后，受霜冰等影響會(huì)使供氣溫度過(guò)低，而氫氣在經(jīng)過(guò)水浴換熱器加熱時(shí)，有時(shí)也存在冰凍影響供氣溫度過(guò)低，還有時(shí)會(huì)出現(xiàn)因?yàn)楣r變化導(dǎo)致氫氣過(guò)熱至80℃以上的情況，這將降低發(fā)動(dòng)機(jī)或燃料電池的性能。為避免此問(wèn)題發(fā)生，日本科研人員發(fā)明了一種低溫氣混合器，可以實(shí)現(xiàn)－100～60℃區(qū)間任意溫度要求的氣體輸出。這種裝置的有效性在三輛小客車(chē)上已經(jīng)成功得到驗(yàn)證。該裝置還可實(shí)現(xiàn)供氣溫度的快速調(diào)節(jié)，因而，它能適應(yīng)內(nèi)燃機(jī)功率快速變化的需要，也能滿(mǎn)足燃料電池供氣溫度穩(wěn)定的要求。

1.5 配套加注設(shè)備設(shè)施

德國(guó)開(kāi)發(fā)了液氫加氫相關(guān)技術(shù)，包括加氫流程、加氫機(jī)、加氫槍等等，能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)和人工加注兩種模式，只需要2min就可以加滿(mǎn)100L的氣瓶。該加氫系統(tǒng)和液氫車(chē)輛在慕尼黑機(jī)場(chǎng)進(jìn)行了示范應(yīng)用。

2 低溫高壓氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)研究情況

汽車(chē)采用高壓低溫氫氣存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)，一是對(duì)加注系統(tǒng)的廣泛適應(yīng)性，車(chē)輛使用和基礎(chǔ)設(shè)施都具備較大靈活性，二是兼具液氫存儲(chǔ)和高壓存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)，在較小容量的氣瓶上也可實(shí)現(xiàn)高密度長(zhǎng)時(shí)間無(wú)損儲(chǔ)存，三是安全性較高。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，絕熱氣瓶最低工作溫度為20K，工作壓力達(dá)到35MPa，可以加注液氫、常溫壓縮氫氣和低溫壓縮氫氣。

乘用車(chē)上采用低溫高壓方式進(jìn)行氫儲(chǔ)存具有優(yōu)異的性能，氣瓶體積儲(chǔ)氫密度達(dá)43g/L，重量?jī)?chǔ)氫密度達(dá)7.3%，其爆破能量只相當(dāng)于常溫高壓氣體的1/8，且具備真空外容器二次防護(hù)的功能。20世紀(jì)90年代開(kāi)始，美國(guó)勞倫斯利弗摩爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL)在DOE的資助下，開(kāi)展了鋁內(nèi)膽碳纖維纏繞的III型低溫高壓氫氣瓶安全性研究］，已研制出3代復(fù)合儲(chǔ)氫氣瓶，并同林德公司合作開(kāi)發(fā)了用于高壓加注的液氫泵。LLNL開(kāi)發(fā)的第三代低溫高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)參數(shù)如表5。

表5 LLNL第三代低溫高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)參數(shù)

2007年，LLNL在一輛豐田Prius(參數(shù)|圖片)上安裝了低溫高壓氫氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)達(dá)到了DOE提出的當(dāng)年重量?jī)?chǔ)氫密度目標(biāo)，體積儲(chǔ)氫密度與DOE目標(biāo)差距在10%以?xún)?nèi)。通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)，該車(chē)低溫氫加注量為10kg，最長(zhǎng)續(xù)駛里程達(dá)到650km。在隨后的一次加注液氫后測(cè)試中，無(wú)損存儲(chǔ)時(shí)間達(dá)到6d，對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行分析認(rèn)為，氣瓶的漏熱量在加注后的4周內(nèi)可以穩(wěn)定的控制在3～4W，從而能夠?qū)崿F(xiàn)低溫高壓氣瓶無(wú)損儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3周。

德國(guó)寶馬公司在21世紀(jì)初也開(kāi)展了低溫高壓儲(chǔ)氫技術(shù)的研究，結(jié)果認(rèn)為，高壓低溫氫存儲(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)更低的蒸發(fā)損失并達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間無(wú)損儲(chǔ)存，對(duì)于小型容器使用有著重要意義，但是對(duì)于大型、規(guī)律運(yùn)行的車(chē)輛，采用液氫存儲(chǔ)系統(tǒng)在重量、體積、成本等方面存在較大優(yōu)勢(shì)，并能有效避免顯著的蒸發(fā)損失。

據(jù)德國(guó)寶馬報(bào)道，對(duì)于容積150L的氣瓶，高壓低溫存儲(chǔ)方式的無(wú)損儲(chǔ)存時(shí)間可以達(dá)到20～40d，而采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)同容積的液氫存儲(chǔ)方式，無(wú)損儲(chǔ)存時(shí)間則只能達(dá)到3～5d。對(duì)于氫容量在4～8kg的小型氣瓶，高壓低溫存儲(chǔ)方式無(wú)損儲(chǔ)存時(shí)間都可達(dá)7～20d，加之其加注類(lèi)型的靈活性，幾乎可滿(mǎn)足所有乘用車(chē)的應(yīng)用工況。2015年，寶馬推出了BMW5(參數(shù)|圖片)系氫燃料電池車(chē)型，其燃料儲(chǔ)存方式即為低溫高壓氫氣，同期慕尼黑建成了可以同時(shí)加注70MPa高壓氫氣和30MPa低溫氫氣的多功能加氫站，以配合該車(chē)型進(jìn)行示范驗(yàn)證。

3 分析討論

3.1 整體技術(shù)評(píng)價(jià)

歐、美、日經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)持續(xù)的研究和試驗(yàn)，在車(chē)載液氫儲(chǔ)供氣系統(tǒng)和低溫高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)方面都取得了較大成就，雖然目前并未形成大規(guī)模的商業(yè)化推廣應(yīng)用，但這些技術(shù)的儲(chǔ)備是未來(lái)氫能車(chē)輛規(guī)模化發(fā)展不可或缺的組成部分。從技術(shù)成熟度方面考慮，以液態(tài)形式儲(chǔ)存的系統(tǒng)已能滿(mǎn)足車(chē)輛實(shí)際使用的要求，尤其適合于大中型燃料電池營(yíng)運(yùn)車(chē)輛，一是其攜氫量大，液氫的蒸發(fā)率相對(duì)較低，二是其規(guī)律性使用的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛無(wú)蒸發(fā)氫氣排放，三是在整車(chē)控制上，目前的燃料電池和動(dòng)力電池混合構(gòu)型，可以實(shí)現(xiàn)部分蒸發(fā)氫氣轉(zhuǎn)化為電力暫存，進(jìn)一步延長(zhǎng)無(wú)損儲(chǔ)存時(shí)間，從而完全可以滿(mǎn)足這一類(lèi)車(chē)輛的運(yùn)行要求。

由于大部分小型乘用車(chē)運(yùn)行的規(guī)律性較差，受液氫系統(tǒng)的無(wú)損儲(chǔ)存時(shí)間限制，致使整體燃料使用效率不高。而低溫高壓氫氣儲(chǔ)存方式可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的無(wú)損儲(chǔ)存時(shí)間，還可以根據(jù)不同的運(yùn)行計(jì)劃加注不同形式的燃料，能實(shí)現(xiàn)燃料高效率使用和車(chē)輛使用模式的有效結(jié)合。因而，液氫和低溫高壓氫兩種技術(shù)是滿(mǎn)足多種車(chē)型需求的有效解決方案。汽車(chē)低溫儲(chǔ)氫技術(shù)在歐、美、日已基本掌握，且已實(shí)現(xiàn)了部分液氫存儲(chǔ)和低溫高壓存儲(chǔ)車(chē)輛的定型和示范。國(guó)內(nèi)車(chē)用液氫氣瓶技術(shù)研究還處于起步階段，而低溫高壓儲(chǔ)氫技術(shù)剛開(kāi)始進(jìn)入論證階段，后續(xù)在研發(fā)和示范方面還有大量工作需要開(kāi)展。

3.2 后續(xù)研究方向和需要突破的關(guān)鍵技術(shù)

通過(guò)比較，我國(guó)需要在以下方面開(kāi)展重點(diǎn)研究和突破。

1．結(jié)合我國(guó)氫能源汽車(chē)發(fā)展的思路，應(yīng)先行針對(duì)商用車(chē)輛需求，研制大儲(chǔ)量液氫供氣系統(tǒng)?；诂F(xiàn)有液氫容器和應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)，通過(guò)吸收結(jié)合國(guó)外經(jīng)驗(yàn)和成果，進(jìn)行系統(tǒng)適應(yīng)性設(shè)計(jì)和試驗(yàn)考核，掌握車(chē)載液氫氣瓶高性能絕熱、輕量化、工作穩(wěn)定性及整體方案等。

2．部分回氣增壓方式系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，可靠性高，綜合性能相對(duì)優(yōu)越，可作為前期攻關(guān)的主要研究方向。

3．汽車(chē)低溫系統(tǒng)用關(guān)鍵零部件的開(kāi)發(fā)，包括1．0～35MPa的車(chē)用低溫截止閥、安全閥、止回閥、經(jīng)濟(jì)閥、換熱器等。

4．將低溫高壓氫氣存儲(chǔ)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)納入預(yù)研計(jì)劃，尤其要對(duì)低溫復(fù)合材料性能開(kāi)展研究，是這類(lèi)高性能氣瓶開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。

5．開(kāi)展低溫氫的冷量收集、存儲(chǔ)和應(yīng)用系統(tǒng)，以及與整車(chē)結(jié)合研究，可提高能源利用效率。

6．車(chē)載低溫儲(chǔ)氫技術(shù)研究的同時(shí)，并行開(kāi)展液氫、低溫高壓氫氣的加注技術(shù)研究。發(fā)展液態(tài)、低溫高壓氣和常溫高壓氣多種模式的加注技術(shù)，是提高加注過(guò)程氫氣利用效率、降低氫能應(yīng)用成本的途徑。加站用液氫用高壓柱塞泵、潛液泵及離心泵等核心技術(shù)應(yīng)提前開(kāi)展攻關(guān)。

4 結(jié)論

隨著燃料電池汽車(chē)應(yīng)用規(guī)模增長(zhǎng)，車(chē)載低溫儲(chǔ)氫模式可能成為主流應(yīng)用，相應(yīng)發(fā)達(dá)國(guó)家在該鄰域開(kāi)展了大量的研究、驗(yàn)證和示范工作，取得了很多重要成果。相較于發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域還存在較大差距。基于我國(guó)現(xiàn)有的技術(shù)、燃料電池主流車(chē)型和基礎(chǔ)設(shè)施條件綜合考慮，短期內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)液氫儲(chǔ)氫供氣系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和相應(yīng)配套技術(shù)的掌握，且有機(jī)會(huì)全球范圍內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。從車(chē)輛的多種應(yīng)用模式角度考慮，低溫高壓氫技術(shù)、綜合加注技術(shù)、冷量回收技術(shù)等，也是氫能車(chē)輛進(jìn)一步推廣需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容。