固態合金儲氫在軌道交通上的應用分析

馬 丹，唐艷麗

(中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000)

1 概述

氫能是未來最有發展前景的新型能源之一，隨著氫燃料電池和電動汽車的迅速發展與產業化，車載氫源技術的研究已經引起許多國家的廣泛關注，但氫介質的儲存和運輸問題是制約氫能動力車推廣應用的技術瓶頸，也是目前的主要技術障礙，研制合適的儲氫工藝以用于車載儲氫裝置是必須要面對的問題。

目前的儲氫方式主要有氣態、液態和固態儲氫。氣態儲氫是高壓壓縮氫氣存儲在高壓氣瓶中，是目前車載氫系統常見的儲氫方式。車載35 MPa儲氫罐的質量儲氫密度為3%，70 MPa時達4.5%，氣態儲氫的體積密度偏低，提高壓力又會帶來安全隱患，安全系數低。液態儲氫具有更高的儲氫密度，但液化過程所需的能耗是儲存氫氣熱值的50%，該儲氫方式對液化制冷系統和儲氫的杜瓦瓶要求較高，且自揮發問題難以避免[1-2]。固態儲氫能量密度高且安全性好，單位體積儲氫密度高，可高達40～50 kg/m3，是相同溫度、壓力條件下氣態氫的1 000倍，被認為是最有發展前景的一種氫氣儲存方式[3]。

圖1中示意性地比較了3種儲氫技術儲存4 kg氫氣時所需的體積。通過比較，固態儲氫儲存所占的體積最小，其儲氫體積密度最高，符合移動式氫源對儲氫容器的要求。

圖1 三種儲氫技術存儲4 kg氫時所需體積比較[3]

將固態儲氫應用于軌道交通車輛，可提高車輛的儲氫量，增加續航里程，提升氫能使用安全性，屬于首次開展且無可借鑒的應用嘗試。并且該項目屬于中國中車股份的重點項目，針對固態儲氫技術進行研究，掌握其在軌道交通車輛的應用技術具有重要意義。

2 固態合金儲氫

固態合金儲氫是一種基于固態儲氫材料為介質的技術，在一定溫度和氫氣壓力條件下，儲氫材料能夠大量“吸收”氫氣，即與氫反應生成氫化物，同時放出熱量。加熱時，這些生成的氫化物又會分解，并將儲存的氫“釋放”出來。氫氣的“吸收”和“釋放”過程是可逆的，可以重復循環進行，也就是實際應用中汽車的反復“加氫”與“供氫”過程。儲氫瓶和合金儲氫裝置的工作原理如圖2所示。

圖2 合金儲氫瓶和合金儲氫裝置的工作原理

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

3 固態合金儲氫和氫燃料電池系統在軌道交通上的應用研究

3.1 軌道交通氫燃料電池系統的特點和要求

氫燃料電池能源動力系統具備噪音低、啟動快捷等優點，通過溫控設計的燃料電池電源系統，可以在炎熱及嚴寒的狀態下穩定工作，壽命可達5 000～10 000 h，并能保持良好的安全性和穩定性。 隨著氫燃料電池技術的不斷發展完善，氫能車輛成為軌道交通新產業領域極具市場競爭力的產品，對儲氫容器的要求也越來越高。

圖3 氫燃料電池系統的結構示意圖[7]

軌道交通車輛功率需求等級為100～1 000 kW，具有功率需求大，續航里程長，啟動速度快等特點。軌道交通主要車型的特點和需求如下：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；動車組，安裝在車頂，相對安裝空間、體積不受制約，重量有限；調車機車，安裝在機械間，空間、體積有限，重量相對不受制約。

在同等條件下，不同車型的軌道交通車輛使用固態合金儲氫和高壓儲氫的電量比和體積比(見表1)。調車機車對重量敏感度較低，結合合金儲氫具有高體積比能量密度及質量密度小的特點，其在軌道交通的研究在調車機車上更具應用可行性。基于公司調車機車平臺，采取與高校或企業合作的方式，通過調研分析、理論仿真計算、樣機開發、試驗驗證等手段進行研究。

表1 合金儲氫系統技術參數

3.2 固態合金儲氫應用分析

氫燃料電池消耗與車輛的行駛狀態有關。快速行駛時希望儲氫系統能夠快速供氫，停車等待時則希望停止供氫，要求車載氫系統應該有很好的動態響應性能。補充燃料時，希望加氫過程在幾分鐘之內完成。寒冷的季節，氣溫會下降到零下幾十度，要求儲氫系統也能工作并及時供應氫氣。以本公司設計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。所以在實際應用中，對充放氫的速率也有一定的要求。

將固態合金儲氫運用在燃料電池系統上，對儲氫量、氫氣流量、體積能量密度、質量能量密度、充放氫時間、充放氫循環次數和空間有一定的要求，具體的氫燃料電池電堆的設計輸入如表2所示。其中，體積能量密度為9.9 g/L和質量能量密度為2.23 wt%的是35 MPa高壓儲氫的參數。

表2 合金儲氫系統技術參數

3.3 合金儲氫系統和氫燃料電池系統

由于儲氫合金材料在吸氫時會放熱，放氫時會吸熱，因此為保障其滿足吸氫或放氫的要求，需要對合金儲氫裝置進行冷卻或加熱的熱管理。合金儲氫系統采用防凍液作為熱管理介質，處于加氫狀態時，防凍液的冷卻依靠加氫站的冷水機進行，此時熱管理管路上的電磁閥關閉，低溫防凍液通過快速接頭輸送到合金儲氫裝置進行冷卻換熱；合金儲氫系統處于供氫狀態時，管路上的電磁閥開啟，利用燃料電池工作時產生的熱量經過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氫裝置對其進行加熱。將固態儲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，減少了系統的換熱能耗。合金儲氫裝置與燃料電池系統聯動工作示意圖如圖4所示。

圖4 氫燃料電池系統的結構示意圖

4 結語

1)固態合金儲氫技術由于安全、可靠，具有良好應用前景。開發適用于常溫條件下低成本、高容量合金儲氫材料，保證氫氣安全有效的儲存，是解決氫能規模化應用的關鍵。

2)將固態儲氫發展成為商業車載儲氫還須進一步提高質量儲氫密度，降低分解氫的溫度與壓力，延長使用壽命等。

3)調車機車對重量敏感度較低，結合合金儲氫具有高體積比能量密度及質量密度小的特點，合金儲氫在軌道交通的研究在調車機車上更具應用可行性，但是在以后的應用研究中還需進一步考慮輕量化設計。

4)固態儲氫系統放氫時可以利用燃料電池廢熱加熱，整個燃料電池系統散熱器功率需求降低，散熱系統尺寸減小。

5)將固態合金儲氫應用于軌道交通車輛，是實現新型儲氫方式在軌道交通車輛應用突破，是未來車載儲供氫的重要方式之一。