氫能源在電動汽車中的應用綜述

氫能源是在當今電動汽車中，比較受歡迎的能源之一，本文將總結(jié)氫能源在電動汽車中的各種應用以及對汽車設計所造成的影響。

1　從氫氣生產(chǎn)到燃料電池汽車的二氧化碳排放路徑評估利用[1]

在這項研究中，作者研究了最先進的燃料電池（FC）技術，并確定較少污染的技術。然后對燃料電池電動汽車（FCEV），純電池電動汽車和內(nèi)燃機汽車的環(huán)境影響進行建模。燃料電池電動汽車使用氫氣作為能源。最好的選擇是在大型集中式工廠的蒸汽甲烷重組（SMR）或煤氣化中進行制取，并同時使用碳捕獲和碳儲存(CSS)技術。從氫氣生產(chǎn)地向加油站輸送氫氣的最好方法是通過管道輸送氫氣，但是它們的建造將具有相當大的成本?，F(xiàn)有的輸送方式是在較短的行程中將氫氣壓縮進行公路運輸，如果是較長的行程，則將氫氣進行液化。

在2020/2025年之后，F(xiàn)CEVs是比內(nèi)燃機汽車（ICE）更好的選擇，到2030年達到歐洲的目標。當氫氣在大型集中式工廠生產(chǎn)，通過管道或卡車以壓縮狀態(tài)交付時，情況類似。預計氫氣在液化后通過公路運輸?shù)那榫霸谝粌赡陜?nèi)與壓縮管道或道路運輸相比具有相當?shù)呐欧趴冃?。在生產(chǎn)路徑中使用SMR可以提供比運行標準內(nèi)燃機ICE車輛更好的排放解決方案，而且還可以滿足歐洲目標。我們還計算，直到2033年，通過壓縮氫氣，通過公路運輸或通過管道輸送的FCEV的使用比同等收費的電動汽車（EV）污染更小。同樣，與CCS煤氣化相比，為電動汽車提供了降低（或相當）二氧化碳排放的途徑。但是，如果在加油站現(xiàn)場為FCEV生產(chǎn)氫氣，總排放量明顯高于EV所獲得的排放量。

2　燃料電池汽車氫燃料基礎設施[2]

燃料電池動力系統(tǒng)將氫轉(zhuǎn)化為電力來驅(qū)動車輛，其效率大約是傳統(tǒng)車輛的兩倍。氫燃料電池車輛通常能夠長途旅行（即超過500公里或300英里的續(xù)駛里程），并且短暫的加油時間與常規(guī)車輛相當。

本文評估了全球氫燃料基礎設施網(wǎng)絡的發(fā)展情況。匯編了目前燃料電池汽車技術發(fā)展狀況的數(shù)據(jù)?？偨Y(jié)了氫燃料基礎設施、技術路線、站點規(guī)劃以及燃料電池汽車發(fā)展市場的資金來源。本文重點介紹燃料電池汽車氫燃料的基礎設施，但并未涉及生產(chǎn)氫所需的系統(tǒng)或過程。由于在這些地區(qū)進行了更廣泛的研究和活動，大部分的數(shù)據(jù)和分析研究都是基于加利福尼亞州、歐洲、日本和韓國的工作。包括在這個評估中的是能源公司、汽車制造商、車站開發(fā)商和政府的投資，這可能為未來幾年燃料電池汽車市場的快速增長鋪平道路。最后討論基于這一評估，分析公共政策和投資戰(zhàn)略的影響，以指導氫能基礎設施的部署。

氫基礎設施網(wǎng)絡在汽車制造商、氫氣供應商和政府共同感興趣的地方繼續(xù)開發(fā)，為更多的燃料電池汽車部署鋪平道路。美國能源部最近的分析提供了全球氫能基礎設施發(fā)展狀況的全球統(tǒng)計數(shù)據(jù)。截至2016年底，全球至少有150個氫氣站建成，其中加州，德國和日本各有50多個。世界各地眾多的公司提供設備和建設站點。其中包括空氣產(chǎn)品公司、林德、液化空氣、殼牌和道達爾等?，F(xiàn)有的氫基礎設施大部分是在過去幾年中發(fā)展起來的。在大多數(shù)情況下，開發(fā)商已經(jīng)試圖估計當?shù)氐娜剂想姵剀囕v部署數(shù)量作為預測燃料需求的手段。作者根據(jù)各地政府部門和氫氣協(xié)會的數(shù)據(jù)，回顧關鍵市場的進展情況。

3　氫和燃料電池汽車全球技術法規(guī)中的氫監(jiān)測要求[3]

聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會全球技術法規(guī)（GTR）第13號（氫和燃料電池車輛全球技術法規(guī)）是規(guī)定氫能車輛，特別是燃料電池電動車輛（FCEV）安全要求的定義文件。GTR第13號已正式通過，將作為北美（由美國牽頭）、日本、韓國和歐盟的FCEV安全國家監(jiān)管標準的基礎。GTR定義了這些車輛的安全要求，包括在使用中和碰撞后條件下車輛允許氫氣含量的規(guī)范以及某些正常運行模式下車輛排氣中的允許氫氣排放水平。但是，為了納入國家法規(guī)，即具有法律約束力，必須有驗證符合具體要求的方法。在一個合作項目中，美國國家可再生能源實驗室和荷蘭能源與運輸研究所聯(lián)合研究中心一直在評估和開發(fā)分析方法，可以用來驗證氫氣釋放的符合GTR中規(guī)定的要求。

GTR 13號有幾個氫氣監(jiān)測要求。在NREL和JRC傳感器實驗室工作證明了商用傳感器技術可用于驗證是否符合GTR的要求。這些發(fā)現(xiàn)被提供給美國交通運輸部（DOT），并因此提供給GTR委員會和氫氣社區(qū)。已經(jīng)證明了在碰撞測試之后驗證燃料系統(tǒng)完整性的方法，而FCEV廢氣分析儀的開發(fā)目前正在開發(fā)中，分析儀的低成本傳感器已經(jīng)確定。

4　燃料電池車輛的氫氣質(zhì)量標準[4]

本文涉及氫氣加氫點分配的氫氣純度，預期符合ISO 14687-2標準（第2.2節(jié)）中包含的技術規(guī)格。ISO 14687-2將計量需求定義為：“由于燃料電池汽車（FCV）及相關技術正在迅速發(fā)展，所以ISO 14687的這一部分需要根據(jù)技術進步進行必要的修改，以減少約束檢測的限制”。ISO 14687-2標準列出了顆粒和13種氣體化合物（氨、Ar、CO、CO2、甲醛、甲酸、H2O、He、N2、O2、總鹵代化合物（HCl）總烴類化合物、總硫化合物），在供應燃料電池電動車輛（FCEV）的氫氣中不應超過規(guī)定值。目前推薦的方法并不適用于所有13種氣體成分，這主要是由于檢測濃度極限太低。在這些低的濃度下監(jiān)測這些參數(shù)既耗時又昂貴，因為它需要建立多種采樣和分析技術，新的方法將在需要時開發(fā)。通過定義方法的相關性能特征（選擇性、測量不確定性、量化限制、工作范圍、穩(wěn)健性、正確性和精度...），實驗室將能夠根據(jù)所研究的參數(shù)選擇合適的分析方法。西班牙國家測量研究所參考氣體實驗室（CEM）分析了真實樣品中的氬（Ar），氦（He），氮（N2）和氧（O2）的雜質(zhì)。樣品由氫氣生產(chǎn)廠提供，采用甲烷重組（SMR），電解或氯堿工藝獲得氫氣。對具有代表性的一些氫氣生產(chǎn)廠的氫氣樣品進行分析將證實當前的專業(yè)知識，并用分析數(shù)據(jù)驗證生產(chǎn)過程風險評估。將使用最先進的方法在氫氣樣品中測量ISO 14687-2的13個氣體參數(shù)（顆粒除外），以達到上述標準中規(guī)定的最高精度值。如果測量值低于規(guī)定值，則采用最低檢測限的分析方法測量氫氣樣品中的雜質(zhì)濃度。

樣品的雜質(zhì)分析使用帶有熱導檢測器的色譜分離技術進行。重量法制備的氣體標樣與樣品的對比最終確定了氧氣，氦氣，氬氣和氮氣中的雜質(zhì)水平低于ISO 14687-2中的閾值。

5　燃料電池汽車的儲熱器儲氫系統(tǒng)[5]

本文基于低溫吸附劑，開發(fā)用于燃料電池車輛的氫儲存系統(tǒng)的評估的數(shù)值模型，并且針對實驗數(shù)據(jù)進行驗證。模型同時解釋吸附熱力學方程和熱，質(zhì)量和動量守恒方程。還應用氫的真實氣體熱力學性質(zhì)。將模型預測與活性炭和MOF-5?系統(tǒng)的充放電數(shù)據(jù)進行比較。該模型的應用包括詳細的有限元分析模擬和完整的車輛系統(tǒng)分析，將吸附劑系統(tǒng)與壓縮氣體，金屬氫化物和化學儲氫系統(tǒng)進行比較，基于80 kW燃料電池，使用標準驅(qū)動循環(huán)進行評估。美國能源部組建了優(yōu)秀氫儲存工程中心（HSECoE），將材料開發(fā)和氫氣儲存技術相結(jié)合，共同解決所有在輕型車輛應用中的車載氫存儲問題。

在參數(shù)分析中使用完整的系統(tǒng)模型，比較吸附材料及其條件、壓力容器類型、內(nèi)部換熱器和操作條件等特定選項下的預期系統(tǒng)設計性能?？紤]到各種物理和工程限制，系統(tǒng)設計選項從幾十億降低到數(shù)百萬個選項。然后根據(jù)這些設計方案估算系統(tǒng)成本，體積容量和并對重量進行排序。使用這些排序，選擇了兩個系統(tǒng)設計，即HexCell和MATI系統(tǒng)設計。此外，參數(shù)分析的趨勢和比較為改進領域和未來研究方向提供指導。注意，在對HSECoE進行上述參數(shù)分析之前，由于缺乏可用的實驗數(shù)據(jù)，幾種吸附劑材料被排除在考慮之外。使用本工作中描述的工具，現(xiàn)在可以評估這些材料是否有必要的數(shù)據(jù)。

6　中型和重型市場氫燃料電池電動車的設計[6]

應用氫燃料電池技術，降低中型和重型車輛（MHDV）的污染物排放標準，溫室氣體排放和石油消耗。本文研究中考慮到氫燃料電池的應用范圍，氫燃料電池MHDV是否會受到空間或重量限制，為了探索車輛的續(xù)駛里程、尺寸、商業(yè)和燃料經(jīng)濟性與氫燃料電池技術之間的關系，需要一種方法來確定車輛上的氣態(tài)氫燃料的近似可用的體積。車輛儲罐的位置以及儲罐的相對尺寸直接有助于潛在的車輛續(xù)駛里程。

開發(fā)了氫燃料電池電動卡車的研究方法，將質(zhì)量和尺寸限制與車輛使用和燃料經(jīng)濟聯(lián)系起來。為12輛樣車創(chuàng)造了一個設計空間，跨越了構成MHDV市場大部分的許多車輛重量級別和商業(yè)用途。這個設計空間捕捉了車輛可能存在的潛力和限制，這取決于可用的車載氫氣儲存量和燃油經(jīng)濟性。提供了有關350bar和700bar儲存壓力下所需儲氫量的理想范圍，儲罐位置的儲存潛力以及車輛最大和最小續(xù)駛里程估算值。

結(jié)果表明，大多數(shù)MHDV具有足夠的空間用于將儲氫罐安裝在駕駛室后面和/或底盤下方，以容納每個車輛部分日常續(xù)駛里程的90%，盡管識別標準尺寸，設計和這些組件的放置可能是有挑戰(zhàn)性的。

[1]Flora Ognissanto.Evaluation of the CO 2 emissions pathway from hydrogen production to fuel cell car utilisation[J].Iet Intelligent Transport Systems,2017,11(7):360-367

[2]Nicholas P.Lutsey.Developing hydrogen fueling infrastructure for fuel cell vehicles:A status update[J].https://www.researchgate.net/publication/320211164

[3]W.Buttner.Hydrogen monitoring requirements in the global technical regulation on hydrogen and fuel cell vehicles[J].International Journal of Hydrogen Energy,2017

[4]Andrés Rojo.Metrology for sustainable hydrogen energy applications.Hydrogen quality specification for fuel cell vehicles[J].International Congress of Metrology,2017:08003

[5]Dr.David Tamburello.CRYO-ADSORBENT HYDROGEN STORAGE SYSTEMS FOR FUEL CELL VEHICLES[J].Asme Fluids Engineering Division Summer Meeting,2017:V01BT08A005

[6]James Kast.Designing hydrogen fuel cell electric trucks in a diverse medium and heavy duty market[J].Research in Transportation Economics,2017