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氫燃料汽車儲氫的四種方式

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2021/3/10     瀏覽次數:    

    燃料電池車雖然是電驅動的,沒有發動機只有電機,但它的結構和燃油車更像,燃料電池需要氫氣來發電,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部電化學反應之后產生電能供給電機驅動車輛。


氫燃料電池汽車結構


而區別于油箱的是,這套儲氫裝置技術含量相當高。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,不可能放到車上應用,因此,必須用各種技術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,第一類是高壓氣態儲氫。使用的儲氫瓶主要分為四種:純鋼制金屬瓶(I型)、鋼質內膽纖維環向纏繞瓶(II型)、鋁內膽纖維全纏繞瓶(III型)和塑料內膽纖維纏繞瓶(IV型)。

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



氫燃料汽車儲氫結構



明顯,對于高壓儲氫,壓力越大,單位體積儲氫越多。目前行業前沿的是700Bar高壓IV型儲氫瓶,這一壓力差不多相當于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。因此高壓氣態儲氫對于罐體材質和密封有著較高的要求。

比如Mirai的儲氫罐有四層結構,鋁合金制成罐體,內部襯塑料內膽,外面包裹碳纖維強化塑料(CFPR)保護層,保護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100多千克,儲氫質量百分比僅有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℃30MPa)下,會滲透入金屬材料,引起金屬力學性能下降、誘發裂紋或產生滯后斷裂。目前的氫瓶都有這種風險,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運輸體系……

雖然有著各種各樣的缺點,但這套技術還是目前最為成熟,要求、成本相對最低儲氫方案,現在所有的燃料電池車,豐田的Mirai、現代的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氫的845倍。但是氫氣不像氮氣,二氧化碳,可以通過加壓實現液化,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模運輸方面有較好的經濟效應,車上用不了,但加氫站倒是有可能用得上。

第三種是固態儲氫。

固態儲氫材料分析



和鋰電池在向固態電池發展一樣,儲氫技術也在向固態儲氫發展。固態儲氫還可以繼續細分,一種是通過活性炭、碳納米管、碳納米纖維碳基材料進行物理性質的吸附氫氣。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勢在于體積密度相當高,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象,氫氣在一定條件下滲透進入金屬內部,與金屬發生反應生成金屬氫化物,以原子狀態儲存于金屬結晶點內。這個過程是可逆的,從而實現了氫氣的吸、放。反應式如下:


金屬儲氫反應式


式中,M代表金屬元素。

金屬儲氫已經有了相當長的研究史,我們常用的鎳氫充電電池就是典型的金屬氫化物應用。

氫氣與多數金屬都能夠發生化合反應,意味著大部分金屬都有儲氫能力。但金屬儲氫技術為了實現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,調節反應生成熱與分解壓力。

幾十年來,已經發展出多種合金,綜合下來吸放氫條件、體積密度、質量密度、成本等合適工業生產的數量不多,主要有:鎂系、鑭鎳稀土系、鈦系、鋯系。


固態儲氫


其中以分子量較輕的金屬鎂作為基礎的鎂系合金為首。鎂系合金具有較高的儲氫質量和體積密度,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生反應,形成氫化鎂。

另外,POWERPASTE產物在250℃高溫下也能穩定同樣也代表了產物活化條件高,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勢仍然使金屬儲氫成為一個熱門發展趨勢,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,換下來的盒子內的儲氫合金經過處理,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。

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