当前位置： 加速装置 >> 加速装置发展 >> 基于低温技术的汽车储氢系统研究综述
做家
张志宇，王峰，赵耀中，吕敏，卢涵
泉源
低温与特气；旺材氢燃料电池
知圈
进“燃料电池社群”，请加微，备注燃料电池
概要：储氢系统是氢能汽车的关键分系统之一。在航天运载火箭液氢燃料胜利运用的根底上，欧洲、美国、日本及中京都对液氢或低温高压氢气做为氢能汽车的储氢方法，开展过不同水准的协商做事，完结了多种本领门径的气瓶研发、供气系统开采、车辆集成、加注系统研发和行驶实验，并推出部份基于低温本领储氢的树范或定型车辆。文章对车载低温储氢供气整车、系统结媾和做事表面、关键部件研发处境等实行了归纳，并对关联车辆实验处境实行先容。经历对照剖析，提议了我国在汽车用低温储氢本领范围的协商方位。
引言跟着寰球产业化里程放慢，化石燃料损耗量日趋添加，对处境产生的混浊越来越严峻，殷切须要搜求纯洁燃料做为替换。氢制取道路各类、纯洁无混浊、可积聚运送、还具备最高的品质能量密度，能量变化效率较高，被以为是来日纯洁高效燃料之一，氢燃料启动火箭、飞机、火车、汽车、燃气轮机等都已在本领和工程上成为实际。氢燃料电池汽车(FCV)具备高效率和近零排放的特征，将在新动力汽车中攻下急迫身分已成为不争的本相，多个国度都投入大批的资本和人力，实行本领研发和运用树范做事。
与初期的内燃机氢能汽车比拟，燃料电池氢能汽车能量变化表面虽有差别，但氢气的经济保存供应照样是其动力系统的瓶颈之一。由于常温常压下氢体积能量密度低，一般须要加压或降温后本领备经济操纵的前提，如火箭带动机供氢的唯独表面，即是通太低温液化完结较高密度，进而提升燃料箱的储重比。多国对汽车用液氢和低温高压储氢系统前后开展了大批的协商，本文紧要对美国、欧洲、日本和华夏在这方面的协商处境实行先容和对照剖析，为我国在该范围的协商和进展方位做参考。
1车用液氢保存系统本领协商处境
高压氢气、金属氢化物、液氢是今朝几种凿凿可行的车载氢动力保存法子，与前两者比拟，液氢贮氢在能量密度、加注速率、续驶里程、加快功用和最高车速等汽车功用方面都更具上风。早在上世纪70年月，L.O.Willioams经历对照得出论断以为，氢能汽车势必会采取液氢保存方法。其劣势在于，氢液化经历中须要损耗大批电能，约为氢自己能量的40%，且在加注经历和车辆永劫间中止行驶时都邑产生挥发损失。因此，车用液氢供气系统的中心是，在满意带动机做事参数请求的同时，液氢在车上怎样完结永劫间无损保存和提升欺诈效率，其系统谋划、绝热构造打算及材料、平安打算、加注方法及配置、经济性等一贯是协商的急迫体例。
1.1整车研发与考证
欧洲、美国、日天职别对车载液氢积聚系统实行过不同水准的协商，开采了数十款液氢动力型号汽车，部份车型处境如表1所示，涵盖乘用车、大巴车和载货车，并开展了一系列实验和测试做事，为液氢在车上推行运用补偿了阅历。
表1部份采取液氢供气系统的车型处境
年，名驹公司(BMW)展出的BMWh双燃料汽车，其氢系统就采取液态保存。后续推出的7系列液氢动力车型(BMWhL)完结了小数量的临盆和寰球树范，该车型是今朝为止唯独采取液氢表面并可量产的车型，此外车型均属于在研发或实验样车。此外，日本的武藏9号液氢燃料冷藏运送车具备榜样代表性，其外表相片如图1所示，由武藏产业学院、岩谷公司和日野汽车产业公司协做开采。液氢从储罐送出后，投入蓄冷器内气化，蓄冷器汲取的冷量提供应货箱制冷，使货箱保持(0±5)℃，带动机低速做事或驻车后，蓄冷器满载冷量可保证货箱保持冷藏温度3h。该车既欺诈了氢积聚的化学能，氢液化时能耗还以冷量的表面得到部份回收，提升了能量欺诈效率，为氢能汽车能量归纳欺诈供应了较好思绪。
图1武藏9号冷藏车外表相片
依据表1中所述车型本质道路运转实验数据测算，液氢储氢车辆的续驶里程最远能够到达km，表了解液氢车辆的卓越的燃料本领经济性。经历整车实验，还阐了解液氢储氢汽车的驾驶功用和平安功用。
1.2车载液氢气瓶构造及系统
液氢在车辆上的运用，气瓶功用是中心要素之一。列国研发经历中，车载液氢气瓶泉源各类，初期有的直接采取实验室杜瓦瓶实行测试，或是对车用液化自然气瓶实行改革，也有为协商考证项目特地打算的气瓶。经历对这些液氢气瓶的测试与改良，为后续的气瓶研发供应了大批阅历和质料补偿。
1.2.1欧洲协商处境
上世纪70年月，基于火箭研发和发射运用液氢的阅历，德国和法国起头研发更小、更简捷的合适氢能汽车用液氢气瓶，那时思索的合用方针囊括大巴车和小客车。经历量年进展，用于汽车上的液氢气瓶已完结储能密度达22MJ/kg、日挥发率低于1%的精良功用。德国梅赛尔公司研发了大巴车用液氢气瓶，其材质为不锈钢，单个气瓶长5m、直径0.42m，灵验容积L，最高做事压力0.5MPa。与相同形状尺寸的20MPa常温紧缩氢气瓶对照，储氢量是后者的2.7倍，而分量却惟独后者的40%，阐了解液氢储氢系统的上风。
在另一个燃料电池大巴车项目中，德国开采了三个气瓶并联而成、总储量L的液氢保存设施，装配于车顶部，该设施还完结了齐备主动化的加注和回收。在这些运用系统研发里程中，梅赛尔公司和BMW公司合营对大巴车用液氢气瓶开展了大批的平安协商与测试做事，体例囊括过载、震荡、真空生效、撞击、穿刺、火烧等，特为对平安法子的成果实行了对照赛验考查，保证了运用的牢固性。同时，德国林德公司和法国液空公司等还研发了一系列乘用车液氢保存气瓶，用于欧洲和美国的多个树范协商项目。为满意车辆本质运转工况，无损积聚工夫是液氢气瓶的关键参数之一。纵然选择最佳的绝热机谋，L气瓶的无损积聚工夫也仅能保持在3d左右，容量越小，无损积聚工夫越短，运用车型限制性较大。
为此，林德公司冷量回收本领，完结了车辆停放时液氢无损保存12d的纪录，其气瓶构造旨趣如图2所示。在气瓶向带动机供气时，采取气化换热器得到液化空气，保存冷量。泊车后，气瓶不做事时，液化空气投入夹层空间外侧，汲取外界漏热，进而完结更长的液氢无损积聚工夫。
图2液化空气轮回方法气瓶旨趣暗示1.2.2美国协商处境
上世纪80年月初，做为美国动力部(Depart-mentofEnergy，DOE)“替换燃料执行项目”的一部份，LASL同联邦德国航空航天协商实验院(DFVLＲ)、新墨西哥动力协商所(NMEI)合营，对氢能汽车实行了为期两年半的实验协商做事，该项实验的紧要职责是协商车载液氢保存和加注。测试的液氢气瓶囊括两件，并采取通用(GM)公司别克款“世纪”汽油内燃机轿车做为载体实行了路试，气瓶与原车汽油箱参数如表2所示。
表2LASL实验用液氢气瓶参数
第一件气瓶是DFVLＲ以前研发的车用立式气瓶，存在挥发损失严峻、低液位供气压力不够、供气温度摇动过大、加注损失高和工夫长等紧要缺点。以后，特地为项目研发的第二件气瓶改成卧式构造，不光容积更大，还克复了第一件气瓶的部份不够。一是在容器内添加了内部电加热安装;二是拉长体例器撑持，并在多层绝热材料间添加两层0.8mm厚铜屏隔热，将日挥发损失消沉到4%;三是添加了加注预冷旁通管路。气瓶构造外表见图3。
图3LASL第二件气瓶外表该气瓶另一个急迫变动是废除了水浴气化器，改成空温式换热器。但由空温式换热器性质所决意，出口温度一般比处境温度低40K左右，当车辆永劫间满负荷做事时，例如永劫间上斜坡，带动机进气温度会低至K，其并未齐备管理带动机供气温度不稳固题目。该实验项目对改装结尾的液氢车总共实行了17个月路试，路程累计达km，前后实行了65次液氢加注，取患有大批的成绩补偿。随后的树范项目中，GM公司发表了氢动一号(欧宝)液氢车，该车型在寰球范围内实行了运转展现，气瓶参数如表3。
表3GM氢动一号液氢气瓶参数
1.2.3华夏协商处境
在航天运载及其氢氧带动机本领的进展里程中，我国液氢保存和运送设施本领也取患有长足提高。大地保存容器、运送容器及真空运送管道等都产生了小范围的胜利运用，遏制了液氢理化性质、低温材料、测控仪器及平安遏制等方面的本领，为液氢的社会运用奠基了根底。由于我国氢能汽车协商起步较晚，还没有车用液氢储罐结尾一齐研发过程。年，在国度“课题”的撑持下，自助集成了一套液氢气瓶实验旨趣样机，开展了部份实验做事，参数如表4。
表4我国首台液氢气瓶实验旨趣样机参数
该气瓶采取液氮实行了挥发率实验，并理论剖析策画了液氢挥发率为8.36%。看来，我国车载液氢气瓶的研发做事处于起步阶段，本领水准与发财国度还存在较大差异，大批的关键本领须要冲破和考证。
1.3供气系统压力遏制方法
由于液氢保存于低温液体状况，须要经历相变、温度调度、压力调度等环节，氢气本领供动力安装操纵，因此对各参数的完结较此外储氢方法要繁杂一些。供气压力的遏制是液氢积聚系统的中心本领之一，在液氢系统的进展里程中，产生了多种系统增压方法。
1.3.1气化器自生增压方法
如图4所示，左边为外置气化器自生增压方法。液氢经历外置加热气妆扮置后，返回气瓶气枕空间增压。该方法存在一个严峻缺点，由于汽车用气瓶自己的液位差较小，加之液氢的密度小，导致气化启动力不够，导致这类方法增压难以到达预期的供气成果。
图4气化器自生增压与电加热增压方法旨趣暗示1.3.2内置电加热增压方法
另一种方法为内置电加热增压，系统如图4右边所示。采取蓄电池或燃料电池产生的电能，经历配置在气瓶内部的加热丝产生热量，来添加对外供气须要的能量。该方法存在两点显然不够，一是添加系统电能损耗;二是电缆和加热丝穿过真空层表里壁，轻易引发真空密封生效。
1.3.3部份气体回流换热增压方法
同自生增压和电加热增压方法相对照，部份气体回流换热增压方法做事更为牢固，旨趣如图5所示。在体例器中配置换热盘管，体例器排出的液氢经水浴换热器加热后，一部份经旁路返回内部盘管，经历换热对气瓶内添加热量，进而保持气瓶压力。这部份温度消沉后的气体引出气瓶，再次经历水浴换热器升温后，与主路氢气一起投入带动机或燃料电池。该方法的液、气滚动启动力来自于气瓶和用气点的压力差，其紧要上风在于:一是增压用的能量能够齐备来自带动机冷却水和外界处境的热量;二是体例器未添加任何轻易生效的部份，牢固性高。
图5部份回流换热增压方法1.3.4气体紧缩机增压方法
日本最先的液氢系统采取空温式气化器自生增压，但在武藏2号实验车上操纵的处境并未齐备到达预期成果。后来为了保证供气压力，在系统上添加了一台气体紧缩机，完结经换热器换热升温后的氢气直接投入气瓶增压，并取患有较好成果。这类方法一贯运用到武藏5号实验车。
1.3.5液氢泵增压谋划
日本自武藏2号实验后便起头研发用于供应带动机进口压力的液氢泵，其出口压力可到达8MPa，从武藏6号起头得到运用。采取泵增压方法，其优瑕玷如下:好处:供应方法相同于常温燃料，出口压力能够依据动力安装须要打算;并且能完结神速调理，更轻易完结车辆变工况请求;气瓶内自己压力不必高于动力安装进口压力。瑕玷:系统构造相对繁杂，且同时存在常温文低温处境的疏通部件，研发难度大;因泵装配导致气瓶漏热量添加。
1.3.6热夸大器方法
这类方法是采取遏制夹层真空度来保持供气压力，其旨趣如图6所示。
图6热夸大器方法旨趣暗示在外容器上配置一个与夹层联结的金属储氢小室，所操纵储氢金属在常温下能够到达很高的真空度。储氢金属加热时，释放出数毫克的氢气，夹层的压力飞腾，处境热量经历夹层导入体例器。中止加热后，氢气火速被储氢金属吸附，真空压力和夹层绝热才略复原。这类方法通太小功率的加热，便可对容器内部输入较大热流，损耗电能仅为压力保持总能量的5%，是以，这类表面能够称为热夸大器。
1.4带动机供氢气温度的保证
带动机供气温渡太高或太低都不利于其平常做事，特为是对燃料电池的影响较大。容易的空温式气化器在永劫间做事后，受霜冰等影响会使供气温渡太低，而氢气在经历水浴换热器加热时，偶然也存在冰冻影响供气温渡太低，还偶然会涌现由于工况变动导致氢气过热至80℃以上的处境，这将消沉带动机或燃料电池的功用。为防止此题目产生，日本科研人员创造了一种低温气搀和器，能够完结－～60℃区间随意温度请求的气体输出。这类安装的灵验性在三辆小客车上曾经胜利得到考证。该安装还可完结供气温度的神速调理，因此，它能适应内燃机功率神速变动的须要，也能满意燃料电池供气温度稳固的请求。
1.5配套加注配置设备
德国开采了液氢加氢关联本领，囊括加氢过程、加氢机、加氢枪等等，能够完结全主动和人为加注两种表面，只要要2min就能够加满L的气瓶。该加氢系统和液氢车辆在慕尼黑机场实行了树范运用。
2低温高压氢气积聚系统协商处境汽车采取高压低温氢气保存的好处，一是对加注系统的宽广适应性，车辆操纵和根底设备都完备较大天真性，二是兼具液氢保存和高压保存的好处，在较小容量的气瓶上也可完结高密度永劫间无损积聚，三是平安性较高。系统在打算时，绝热气瓶最低做事温度为20K，做事压力到达35MPa，能够加注液氢、常温紧缩氢气和低温紧缩氢气。
乘用车上采取低温高压方法实行氢积聚具备优秀的功用，气瓶体积储氢密度达43g/L，分量储氢密度达7.3%，其爆破能量只相当于常温高压气体的1/8，且完备真空外容器二次防备的功用。20世纪90年月起头，美国劳伦斯利弗摩尔国度尝试室（LLNL)在DOE的援助下，开展了铝内胆碳纤维环绕的III型低温高压氢气瓶平安性协商］，已研发出3代复合储氢气瓶，并同林德公司合营开采了用于高压加注的液氢泵。LLNL开采的第三代低温高压储氢系统参数如表5。
表5LLNL第三代低温高压储氢系统参数
年，LLNL在一辆丰田Prius上装配了低温高压氢气系统，该系统到达了DOE提议的早年分量储氢密度方针，体积储氢密度与DOE方针差异在10%之内。经历实验阐明，该车低温氢加注量为10kg，最长续驶里程到达km。在随后的一次加注液氢后测试中，无损保存工夫到达6d，对实验实行剖析以为，气瓶的漏热量在加注后的4周内能够稳固的遏制在3～4W，进而能够完结低温高压气瓶无损积聚工夫长达3周。
德国名驹公司在21世纪初也开展了低温高压储氢本领的协商，后果以为，高压低温氢保存，能够完结更低的挥发损失并到达永劫间无损积聚，关于袖珍容器操纵有重视要意义，不过关于大型、规律运转的车辆，采取液氢保存系统在分量、体积、成本等方面存在较大上风，并能灵验防止显著的挥发损失。
据德国名驹报导，关于容积L的气瓶，高压低温保存方法的无损积聚工夫能够到达20～40d，而采取保守构造同容积的液氢保存方法，无损积聚工夫则只可到达3～5d。关于氢容量在4～8kg的袖珍气瓶，高压低温保存方法无损积聚工夫均可达7～20d，加之其加注范例的天真性，险些可满意一齐乘用车的运用功况。年，名驹推出了BMW5系氢燃料电池车型，其燃料积聚方法即为低温高压氢气，同期慕尼黑建成了能够同时加注70MPa高压氢气和30MPa低温氢气的多功用加氢站，以协做该车型实行树范考证。
3剖析议论3.1集体本领评估
欧、美、日经历半个世纪接续的协商和实验，在车载液氢储供气系统和低温高压储氢系统方面都取患有较大成效，固然今朝并未产生大范围的贸易化推行运用，但这些本领的贮藏是来日氢能车辆范围化进展不行或缺的构成部份。从本领老练度方面思索，以液态表面积聚的系统已能满意车辆本质操纵的请求，特为合适于大中型燃料电池营运车辆，一是其携氢量大，液氢的挥发率相对较低，二是其规律性操纵的特征，能够完结车辆无挥发氢气排放，三是在整车遏制上，今朝的燃料电池和动力电池搀和构型，能够完结部份挥发氢气变化为电力暂存，进一步拉长无损积聚工夫，进而齐备能够满意这一类车辆的运转请求。
由于大部份袖珍乘用车运转的规律性较差，受液氢系统的无损积聚工夫束缚，导致集体燃料操纵效率不高。而低温高压氢气积聚方法能够完结更长的无损积聚工夫，还能够依据不同的运转谋划加注不同表面的燃料，能完结燃料高效率操纵和车辆操纵表面的灵验聚集。因此，液氢和低温高压氢两种本领是满意多种车型须要的灵验管理谋划。汽车低温储氢本领在欧、美、日已根底遏制，且已完结了部份液氢保存和低温高压保存车辆的定型和树范。国内车用液氢气瓶本领协商还处于起步阶段，而低温高压储氢本领刚起头投入论证阶段，后续在研发和树范方面尚有大批做事须要开展。
3.2后续协商方位和须要冲破的关键本领
经历对照，我国须要在如下方面开展要点协商和冲破。
1．聚集我国氢动力汽车进展的思绪，应先行针对商用车辆须要，研发大储量液氢供气系统。基于现有液氢容器和运用系统本领，经历汲取聚集海外阅历和成绩，实行系统适应性打算和实验考查，遏制车载液氢气瓶高功用绝热、轻量化、做事稳固性及集体谋划等。
2．部份回气增压方法系统相对容易，牢固性高，归纳功用相对优胜，可做为前期攻关的紧要协商方位。
3．汽车低温系统用关键零部件的开采，囊括1．0～35MPa的车用低温截至阀、平安阀、止回阀、经济阀、换热器等。
4．将低温高压氢气保存系统关键本领归入预研谋划，特为要对低温复合材料功用开展协商，是这类高功用气瓶开采的根底。
5．开展低温氢的冷量搜集、保存和运用系统，以及与整车聚集协商，可提升动力欺诈效率。
6．车载低温储氢本领协商的同时，并行开展液氢、低温高压氢气的加注本领协商。进展液态、低温高压气和常温高压气多种表面的加注本领，是提升加注经历氢气欺诈效率、消沉氢能运用成本的道路。加站用液氢用高压柱塞泵、潜液泵及离心泵等中心本领应提早开展攻关。
4论断跟着燃料电池汽车运用范围拉长，车载低温储氢表面或许成为干流运用，响应发财国度在该邻域开展了大批的协商、考证和树范做事，取患有不少急迫成绩。相较于发财国度，我国在该本领范围还存在较大差异。基于我国现有的本领、燃料电池干流车型和根底设备前提归纳思索，短期内能够完结液氢储氢供气系统关键本领和响应配套本领的遏制，且有机遇寰球范围内领先完结范围化运用。从车辆的多种运用表面角度思索，低温高压氢本领、归纳加注本领、冷量回收本领等，也是氢能车辆进一步推行须要要点协商的体例。
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