固態(tài)合金儲(chǔ)氫在軌道交通上的應(yīng)用分析

馬 丹，唐艷麗

(中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412000)

1 概述

氫能是未來(lái)最有發(fā)展前景的新型能源之一，隨著氫燃料電池和電動(dòng)汽車的迅速發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化，車載氫源技術(shù)的研究已經(jīng)引起許多國(guó)家的廣泛關(guān)注，但氫介質(zhì)的儲(chǔ)存和運(yùn)輸問(wèn)題是制約氫能動(dòng)力車推廣應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，也是目前的主要技術(shù)障礙，研制合適的儲(chǔ)氫工藝以用于車載儲(chǔ)氫裝置是必須要面對(duì)的問(wèn)題。

目前的儲(chǔ)氫方式主要有氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)儲(chǔ)氫。氣態(tài)儲(chǔ)氫是高壓壓縮氫氣存儲(chǔ)在高壓氣瓶中，是目前車載氫系統(tǒng)常見(jiàn)的儲(chǔ)氫方式。車載35 MPa儲(chǔ)氫罐的質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度為3%，70 MPa時(shí)達(dá)4.5%，氣態(tài)儲(chǔ)氫的體積密度偏低，提高壓力又會(huì)帶來(lái)安全隱患，安全系數(shù)低。液態(tài)儲(chǔ)氫具有更高的儲(chǔ)氫密度，但液化過(guò)程所需的能耗是儲(chǔ)存氫氣熱值的50%，該儲(chǔ)氫方式對(duì)液化制冷系統(tǒng)和儲(chǔ)氫的杜瓦瓶要求較高，且自揮發(fā)問(wèn)題難以避免[1-2]。固態(tài)儲(chǔ)氫能量密度高且安全性好，單位體積儲(chǔ)氫密度高，可高達(dá)40～50 kg/m3，是相同溫度、壓力條件下氣態(tài)氫的1 000倍，被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的一種氫氣儲(chǔ)存方式[3]。

圖1中示意性地比較了3種儲(chǔ)氫技術(shù)儲(chǔ)存4 kg氫氣時(shí)所需的體積。通過(guò)比較，固態(tài)儲(chǔ)氫儲(chǔ)存所占的體積最小，其儲(chǔ)氫體積密度最高，符合移動(dòng)式氫源對(duì)儲(chǔ)氫容器的要求。

圖1 三種儲(chǔ)氫技術(shù)存儲(chǔ)4 kg氫時(shí)所需體積比較[3]

將固態(tài)儲(chǔ)氫應(yīng)用于軌道交通車輛，可提高車輛的儲(chǔ)氫量，增加續(xù)航里程，提升氫能使用安全性，屬于首次開(kāi)展且無(wú)可借鑒的應(yīng)用嘗試。并且該項(xiàng)目屬于中國(guó)中車股份的重點(diǎn)項(xiàng)目，針對(duì)固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)進(jìn)行研究，掌握其在軌道交通車輛的應(yīng)用技術(shù)具有重要意義。

2 固態(tài)合金儲(chǔ)氫

固態(tài)合金儲(chǔ)氫是一種基于固態(tài)儲(chǔ)氫材料為介質(zhì)的技術(shù)，在一定溫度和氫氣壓力條件下，儲(chǔ)氫材料能夠大量“吸收”氫氣，即與氫反應(yīng)生成氫化物，同時(shí)放出熱量。加熱時(shí)，這些生成的氫化物又會(huì)分解，并將儲(chǔ)存的氫“釋放”出來(lái)。氫氣的“吸收”和“釋放”過(guò)程是可逆的，可以重復(fù)循環(huán)進(jìn)行，也就是實(shí)際應(yīng)用中汽車的反復(fù)“加氫”與“供氫”過(guò)程。儲(chǔ)氫瓶和合金儲(chǔ)氫裝置的工作原理如圖2所示。

圖2 合金儲(chǔ)氫瓶和合金儲(chǔ)氫裝置的工作原理

固態(tài)合金儲(chǔ)氫由于其儲(chǔ)氫密度高、污染小、安全系數(shù)高且吸放氫反應(yīng)的可逆性和高的安全性，被認(rèn)為是最理想的車載氫材料之一[4]。氫能儲(chǔ)入合金中時(shí)，不僅不需要消耗能量，反而會(huì)放出熱量。儲(chǔ)氫合金釋放氫時(shí)所需的能量也不高，且工作壓力低，操作簡(jiǎn)便、安全，因此是最有前途的儲(chǔ)氫介質(zhì)[5]。儲(chǔ)氫合金作為車輛氫燃料的儲(chǔ)存器，目前處于研究試驗(yàn)階段。德國(guó)氫燃料汽車，采用200 kg的TiFe合金儲(chǔ)氫，里程130 km。日本豐田汽車公司采用儲(chǔ)氫合金提供氫的方式，汽車時(shí)速高達(dá)150 km/h，行駛距離超過(guò)300 km[6]。

3 固態(tài)合金儲(chǔ)氫和氫燃料電池系統(tǒng)在軌道交通上的應(yīng)用研究

3.1 軌道交通氫燃料電池系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求

氫燃料電池能源動(dòng)力系統(tǒng)具備噪音低、啟動(dòng)快捷等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)溫控設(shè)計(jì)的燃料電池電源系統(tǒng)，可以在炎熱及嚴(yán)寒的狀態(tài)下穩(wěn)定工作，壽命可達(dá)5 000～10 000 h，并能保持良好的安全性和穩(wěn)定性。 隨著氫燃料電池技術(shù)的不斷發(fā)展完善，氫能車輛成為軌道交通新產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域極具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品，對(duì)儲(chǔ)氫容器的要求也越來(lái)越高。

圖3 氫燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖[7]

軌道交通車輛功率需求等級(jí)為100～1 000 kW，具有功率需求大，續(xù)航里程長(zhǎng)，啟動(dòng)速度快等特點(diǎn)。軌道交通主要車型的特點(diǎn)和需求如下：城軌車輛，安裝在車頂(低地板)，車頂安裝空間、體積有限，重量有限；動(dòng)車組，安裝在車頂，相對(duì)安裝空間、體積不受制約，重量有限；調(diào)車機(jī)車，安裝在機(jī)械間，空間、體積有限，重量相對(duì)不受制約。

在同等條件下，不同車型的軌道交通車輛使用固態(tài)合金儲(chǔ)氫和高壓儲(chǔ)氫的電量比和體積比(見(jiàn)表1)。調(diào)車機(jī)車對(duì)重量敏感度較低，結(jié)合合金儲(chǔ)氫具有高體積比能量密度及質(zhì)量密度小的特點(diǎn)，其在軌道交通的研究在調(diào)車機(jī)車上更具應(yīng)用可行性。基于公司調(diào)車機(jī)車平臺(tái)，采取與高?；蚱髽I(yè)合作的方式，通過(guò)調(diào)研分析、理論仿真計(jì)算、樣機(jī)開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)驗(yàn)證等手段進(jìn)行研究。

表1 合金儲(chǔ)氫系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

3.2 固態(tài)合金儲(chǔ)氫應(yīng)用分析

氫燃料電池消耗與車輛的行駛狀態(tài)有關(guān)?？焖傩旭倳r(shí)希望儲(chǔ)氫系統(tǒng)能夠快速供氫，停車等待時(shí)則希望停止供氫，要求車載氫系統(tǒng)應(yīng)該有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。補(bǔ)充燃料時(shí)，希望加氫過(guò)程在幾分鐘之內(nèi)完成。寒冷的季節(jié)，氣溫會(huì)下降到零下幾十度，要求儲(chǔ)氫系統(tǒng)也能工作并及時(shí)供應(yīng)氫氣。以本公司設(shè)計(jì)的燃料電池的電堆功率100 kW為例，需要6 kg或7 kg氫氣提供100 kW·h的電量，需要控制氫氣的流速最小為2.3 g/s。所以在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)充放氫的速率也有一定的要求。

將固態(tài)合金儲(chǔ)氫運(yùn)用在燃料電池系統(tǒng)上，對(duì)儲(chǔ)氫量、氫氣流量、體積能量密度、質(zhì)量能量密度、充放氫時(shí)間、充放氫循環(huán)次數(shù)和空間有一定的要求，具體的氫燃料電池電堆的設(shè)計(jì)輸入如表2所示。其中，體積能量密度為9.9 g/L和質(zhì)量能量密度為2.23 wt%的是35 MPa高壓儲(chǔ)氫的參數(shù)。

表2 合金儲(chǔ)氫系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

3.3 合金儲(chǔ)氫系統(tǒng)和氫燃料電池系統(tǒng)

由于儲(chǔ)氫合金材料在吸氫時(shí)會(huì)放熱，放氫時(shí)會(huì)吸熱，因此為保障其滿足吸氫或放氫的要求，需要對(duì)合金儲(chǔ)氫裝置進(jìn)行冷卻或加熱的熱管理。合金儲(chǔ)氫系統(tǒng)采用防凍液作為熱管理介質(zhì)，處于加氫狀態(tài)時(shí)，防凍液的冷卻依靠加氫站的冷水機(jī)進(jìn)行，此時(shí)熱管理管路上的電磁閥關(guān)閉，低溫防凍液通過(guò)快速接頭輸送到合金儲(chǔ)氫裝置進(jìn)行冷卻換熱；合金儲(chǔ)氫系統(tǒng)處于供氫狀態(tài)時(shí)，管路上的電磁閥開(kāi)啟，利用燃料電池工作時(shí)產(chǎn)生的熱量經(jīng)過(guò)換熱器將防凍液加熱，車載水泵將高溫防凍液輸送到合金儲(chǔ)氫裝置對(duì)其進(jìn)行加熱。將固態(tài)儲(chǔ)氫和燃料電池集成于一體，利用燃料電池余熱放氫，可吸收30%余熱，減少了系統(tǒng)的換熱能耗。合金儲(chǔ)氫裝置與燃料電池系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)工作示意圖如圖4所示。

圖4 氫燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

1)固態(tài)合金儲(chǔ)氫技術(shù)由于安全、可靠，具有良好應(yīng)用前景。開(kāi)發(fā)適用于常溫條件下低成本、高容量合金儲(chǔ)氫材料，保證氫氣安全有效的儲(chǔ)存，是解決氫能規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵。

2)將固態(tài)儲(chǔ)氫發(fā)展成為商業(yè)車載儲(chǔ)氫還須進(jìn)一步提高質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度，降低分解氫的溫度與壓力，延長(zhǎng)使用壽命等。

3)調(diào)車機(jī)車對(duì)重量敏感度較低，結(jié)合合金儲(chǔ)氫具有高體積比能量密度及質(zhì)量密度小的特點(diǎn)，合金儲(chǔ)氫在軌道交通的研究在調(diào)車機(jī)車上更具應(yīng)用可行性，但是在以后的應(yīng)用研究中還需進(jìn)一步考慮輕量化設(shè)計(jì)。

4)固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)放氫時(shí)可以利用燃料電池廢熱加熱，整個(gè)燃料電池系統(tǒng)散熱器功率需求降低，散熱系統(tǒng)尺寸減小。

5)將固態(tài)合金儲(chǔ)氫應(yīng)用于軌道交通車輛，是實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)氫方式在軌道交通車輛應(yīng)用突破，是未來(lái)車載儲(chǔ)供氫的重要方式之一。