新型燃料電池移動電站氫源分析

程 臣，孟海軍，向 宇，葉東浩

新型燃料電池移動電站氫源分析

程 臣1，孟海軍2，向 宇3，葉東浩1

（1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2. 軍事科學(xué)院某研究所，北京 100141；3.防化研究院，北京 100191）

針對新型移動電站對高效可靠、自主可控、小型輕量、低目標(biāo)特征的總要求，從技術(shù)成熟與自主可控、儲氫能力、安全可靠性、紅外特征、噪聲、排放等方面分析了新型燃料電池移動電站對氫源的需求；并從用戶對電站不同功率等級和通用性、適應(yīng)性需求出發(fā)，提出了相應(yīng)的氫源配置方案。

移動電站；燃料電池；氫源；配置方案

0 引言

目前汽柴油電站存在著工作溫度高、振動噪音大、排放高溫有害尾氣等問題，目標(biāo)特征明顯，因此急需開發(fā)滿足靜默特征的新型電站。燃料電池用于移動電站，可原位替代傳統(tǒng)汽柴油電站，大幅提高裝備供電保障品質(zhì)。為了滿足新型燃料電池移動電站對高效可靠、自主可控、小型輕量、低目標(biāo)特征的要求，使得其對氫源的技術(shù)成熟與自主可控、儲氫能力、安全可靠性、紅外輻射、噪聲、排放等方面也提出了新的更高的要求[2～4]。

1 氫源需求分析

1.1 技術(shù)成熟與自主可控需求

氫源技術(shù)成熟度與自主可控是影響燃料電池移動電站推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。當(dāng)前氫源技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)多元化[5]，主要包括物理儲氫技術(shù)、化學(xué)儲氫技術(shù)、重整制氫技術(shù)和水解制氫技術(shù)等。

物理儲氫技術(shù)中，高壓氣態(tài)儲氫無論傳統(tǒng)的鋼瓶或鋁瓶，還是車用碳纖維全纏繞III或VI型瓶，或者固定式大直徑儲氫長管和鋼帶錯(cuò)繞式儲罐均為成熟的貨架產(chǎn)品，技術(shù)成熟度≥TRL8；低溫液態(tài)儲氫，在歐美日等國家的運(yùn)輸、加氫站和車載中都有應(yīng)用，而我國液氫目前主要應(yīng)用在航天領(lǐng)域，航天101所在液氫的制備、儲運(yùn)、應(yīng)用上都有成熟的經(jīng)驗(yàn)，然而在小型移動化方面技術(shù)難度大，目前尚在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境驗(yàn)證階段，技術(shù)成熟度≤ TRL4。

化學(xué)儲氫技術(shù)中，合金儲氫已應(yīng)用于德國212型燃料電池潛艇，技術(shù)成熟度≥TRL8，而在國內(nèi)技術(shù)成熟度可達(dá)TRL6；有機(jī)液體儲氫方面，德國Hydrogenious Technologies、日本Chiyoda公司、武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所以及氫陽能源公司等均完成了相應(yīng)體系的低功率級脫氫原型樣機(jī)研制，據(jù)公開資料，武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所的120 kW級催化燃燒供熱脫氫原型機(jī)預(yù)計(jì)技術(shù)成熟度≤TRL6，而對于更大功率級別未見諸報(bào)道，預(yù)計(jì)技術(shù)成熟度≤TRL3。

重整制氫技術(shù)中，甲醇重整制氫在民用方面有相應(yīng)的產(chǎn)品或示范產(chǎn)品，日本開發(fā)了1～5kW燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，應(yīng)用于家庭供暖和應(yīng)急電源方面；奔馳公司推出的Necar5燃料電池汽車，功率達(dá)到75kW，預(yù)計(jì)技術(shù)成熟度≤TRL7；國內(nèi)愛馳汽車和吉利汽車均推出了甲醇燃料汽車，但并未正式商用，預(yù)計(jì)技術(shù)成熟度≤TRL5；在特種用途方面，國外德國216級潛艇采用甲醇重整制氫，2021年正式服役；新加坡采購的外銷型218SG已于2019年下水，預(yù)計(jì)技術(shù)成熟度≥TRL7；國內(nèi)大連化物所完成了10 Nm3/h等功率等級樣機(jī)示范運(yùn)行；對于乙醇重整，西班牙海軍設(shè)計(jì)的S80型燃料電池AIP潛艇采用乙醇重整制氫技術(shù)，技術(shù)成熟度≥TRL6；國內(nèi)主要側(cè)重制氫反應(yīng)動力學(xué)、熱力學(xué)及催化劑體系等研究，技術(shù)成熟度約TRL4；對于柴油重整，德國OWI公司完成基于柴油重整的SOFC，功率達(dá)到30 kW；AVL公司開發(fā)的第一代和第二代基于柴油重整的APU，額定功率分別為1.5和3 kW，技術(shù)成熟度預(yù)計(jì)≥ TRL5，國內(nèi)仍在實(shí)驗(yàn)室研制階段，技術(shù)成熟度預(yù)計(jì)≤TRL4；而大功率柴油重整國內(nèi)外均未見相關(guān)報(bào)道，技術(shù)成熟度預(yù)計(jì)≤ TRL3。

水解制氫技術(shù)中，NaBH4水解制氫領(lǐng)域，美國Millennium Cell公司開發(fā)了商業(yè)化的NaBH4水解制氫系統(tǒng)在Town & Country廂式旅行車進(jìn)行了概念性應(yīng)用；美國在21’UUV使用了NaBH4制氫系統(tǒng)；國內(nèi)主要應(yīng)用在攜行電源領(lǐng)域，技術(shù)成熟度預(yù)計(jì)≥TRL5，而該技術(shù)在大型制氫裝置領(lǐng)域，技術(shù)成熟度預(yù)計(jì)≤TRL3。Al水解制氫領(lǐng)域, 美國AlumiFuel動力公司開發(fā)了PBIS-2000型氫氣發(fā)生器，并裝備到Echo Ranger無人艇；國內(nèi)已開發(fā)出小功率制氫樣機(jī)，技術(shù)成熟度預(yù)計(jì)≤ TRL6。MgH2水解制氫領(lǐng)域，目前多集中在材料開發(fā)與概念示范運(yùn)行，技術(shù)成熟度預(yù)計(jì)≤ TRL4。

通過技術(shù)成熟與自主可控比較分析：國外氫源技術(shù)技術(shù)成熟度均要相對高于國內(nèi)。針對新型移動電站對技術(shù)成熟與自主可控的要求，燃料電池電站氫源均要選擇技術(shù)成熟高且自主可控的技術(shù)，由此篩選出高壓儲氫、合金儲氫、有機(jī)液體儲氫、甲醇重整制氫、硼氫化鈉水解制氫等先進(jìn)氫源技術(shù)。

表1 氫源技術(shù)的安全可靠性、靜默特性進(jìn)行分析

1.2 安全可靠與靜默特征需求

在野外條件下，供電系統(tǒng)對備用電站有著絕對的依賴性，對保障電力全天候、及時(shí)有效、持續(xù)地執(zhí)行發(fā)電任務(wù)具有極其重要的意義。其中，安全可靠性是保障任務(wù)效能的首要因素，失去了安全可靠性，電站系統(tǒng)也就失去了使用價(jià)值。因此，針對新型移動電站對充分發(fā)揮發(fā)電效能的要求，對上述技術(shù)成熟且自主可控的氫源技術(shù)的安全可靠性、靜默特性進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。

通過安全可靠性與靜默特性比較分析：在可靠性方面，合金儲氫、高壓儲氫、水解制氫、甲醇重整制氫都已經(jīng)以實(shí)際系統(tǒng)為載體完成使用環(huán)境驗(yàn)證或完成使用任務(wù)，可靠性得到驗(yàn)證；而有機(jī)液體儲氫目前處于民用示范階段，可靠性還待進(jìn)一步驗(yàn)證。在安全性方面，合金儲氫具有自保護(hù)功能、安全性高，另外四種氫源都存在潛在風(fēng)險(xiǎn)，不過風(fēng)險(xiǎn)可控。在熱輻射方面，高壓儲氫熱輻射抑制最好，其次是合金儲氫和水解制氫，其他氫源由于在高溫條件下工作，熱輻射較強(qiáng)，需要額外進(jìn)行保溫處理。在噪聲抑制方面，合金儲氫和水解制氫過程最安靜，其他技術(shù)由于存在運(yùn)動部件，存在一定噪聲，但噪聲均＜70 dB@1 m。在尾排方面，合金儲氫、水解制氫與高壓儲氫放氫過程均無排放，有機(jī)液體與甲醇重整由于采用催化燃燒供熱技術(shù)，均存在尾氣排放，但排放溫度不超過40℃。因此，從安全可靠性與靜默特性角度分析，合金儲氫具有最好的綜合性能。

1.3 儲氫能力需求

一般采用質(zhì)量儲氫密度和體積儲氫密度這兩個(gè)參數(shù)來評估氫源系統(tǒng)的儲氫能力。為了滿足新型燃料電池移動電站對小型輕量的要求，這就要求氫源系統(tǒng)有更高的質(zhì)量和體積儲氫密度。針對用戶對移動電站需求的多個(gè)功率等級，對篩選出的氫源技術(shù)在不同功率等級下應(yīng)用的儲氫能力進(jìn)行分析，其結(jié)果如下表2所示。

表2 氫源技術(shù)在不同功率等級下應(yīng)用的儲氫能力對比

*表2所列數(shù)據(jù)包含了滿足移動電站啟動時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間、噪聲、輻射等指標(biāo)的所必需的附屬設(shè)備（例如原料箱、保溫以及冷啟動設(shè)備等）；**脫氫熱量來源于氫氣催化燃燒供熱；***甲醇重整制氫包含氫氣純化設(shè)備。

通過儲氫能力比較分析：對于小中功率級別電站，電站系統(tǒng)本身重量不大，在運(yùn)輸車本身運(yùn)力充足的條件下，體積儲氫密度大更具優(yōu)勢。Ti-Fe合金儲氫具有最高的體積儲氫密度，且技術(shù)成熟高、目標(biāo)特征低、安全系數(shù)高，更適合小中功率電站使用。在大功率級別電站上，電站輕量化對于移動電站的快速移動能力至關(guān)重要，這也要求電站氫源系統(tǒng)具有更高的質(zhì)量儲氫密度，同時(shí)也具備較高的體積儲氫密度，以便汽車等進(jìn)行牽引快速響應(yīng)。高壓儲氫由于附屬設(shè)備少，具有較高的重量儲氫密度，但體積占用大，需要更多的運(yùn)輸單位進(jìn)行牽引機(jī)動。甲醇重整制氫在大功率設(shè)備上技術(shù)成熟、集成程度高，質(zhì)量儲氫密度高且具有相對高的體積儲氫密度，滿足大功率移動電站小型輕量的要求。

3 氫源配置方案

基于上述分析，從用戶對燃料電池移動電站不同功率等級需求和通用性、適應(yīng)性兩個(gè)角度出發(fā)，提出了相應(yīng)的氫源配置方案。

3.1 功率等級角度

針對1～4 kW功率級別，有機(jī)液體儲氫和甲醇重整制氫輔助復(fù)雜、耗能大、熱機(jī)時(shí)間長，不適合小功率級別。Ti-Fe合金具有最高的體積儲氫密度，在電站運(yùn)輸車運(yùn)力充足條件下具有優(yōu)勢，且技術(shù)成熟高、目標(biāo)特征低、安全系數(shù)高，適合小功率電站使用；高壓儲氫重量儲氫密度高、技術(shù)成熟高、目標(biāo)特征低，但在使用環(huán)境中存在泄漏爆炸的安全隱患；NaBH4水解制氫優(yōu)點(diǎn)是即制即用，特別在野外環(huán)境中，燃料包用完就地拋棄或掩埋，制氫高效快捷。因此，從安全性和儲氫能力出發(fā)，推薦使用合金儲氫，次選高壓儲氫；從即制即用出發(fā)，推薦使用水解制氫。

針對6～30 kW功率級別，水解制氫成熟度低，目前較難實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用；有機(jī)液體儲氫重量和體積儲氫密度較高且相對平均，但冷啟動時(shí)間過長；甲醇重整制氫由于配備了變壓吸附純化裝置，體積占用較大，也存在熱機(jī)時(shí)間長的問題；對于中小功率級別，可使用鈀膜純化技術(shù)，體積占用小相對具有優(yōu)勢。所以，對于6～30 kW功率級別移動電站氫源，6～12 kW推薦使用甲醇重整+鈀膜純化技術(shù)，12～30 kW推薦使用有機(jī)液體儲氫，也可選擇高壓儲氫和合金儲氫。

針對40～120 kW功率級別，有機(jī)液體儲氫由于大功率氫氣催化燃燒供熱技術(shù)未能解決，因此一般大功率移動供氫不宜選用有機(jī)液體儲氫。針對用戶需求的快響應(yīng)要求電站的體積和質(zhì)量盡可能小，甲醇重整制氫具有較高的重量儲氫密度和體積儲氫密度，這就意味著在安裝電站的空間和質(zhì)量受到嚴(yán)格限制的條件下，甲醇重整制氫具有很大的優(yōu)勢，適合汽車等牽引提高快速機(jī)動能力；高壓儲氫體積占用較高、目標(biāo)明顯，如被破壞將有泄露爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，儲氫裝置較難同時(shí)具備高防護(hù)等級和快速排氫的條件；合金儲氫因其極高的安全性和靜默特性，滿足大功率使用，但由于質(zhì)量儲氫密度低，同等條件下需要更多的運(yùn)力。因此，對于40～120 kW功率級別移動電站氫源推薦使用甲醇重整，次選高壓儲氫和合金儲氫。

3.2 通用性與適應(yīng)性角度

由于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)本身的功率密度很高，特別是體積功率密度相對于油機(jī)優(yōu)勢巨大。優(yōu)勢的弱化主要是由現(xiàn)有的各種氫源均無法同時(shí)在體積和重量能量密度上與柴油媲美。所以采用目前技術(shù)成熟度最高、通用性最好的碳纖維瓶或合金儲氫作為主氫源，采用小容量的主氫源與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)共同構(gòu)成電站主機(jī)，這樣即使100 kW以上的電站都能用某輕型底盤轉(zhuǎn)載，充分體現(xiàn)燃料電池的優(yōu)勢。主氫源僅作為短期應(yīng)急供氫和氫源更換的緩沖使用，主要的氫源由專用的氫源保障車提供。保障車可以采用不同的制氫方式、不同的容量、不同的底盤和方艙以滿足不同應(yīng)用需求。由單一的電站主機(jī)與多種氫源保障車相結(jié)合可以同時(shí)兼顧裝備通用化和廣泛適應(yīng)性的要求。

4 結(jié)語

基于上述氫源需求分析，根據(jù)移動電站不同功率等級以及通用性、適應(yīng)性需求，提出相應(yīng)的氫源配置方案：

1）從功率等級出發(fā)：1～4 kW功率級別移動電站氫源，從安全性和儲氫能力出發(fā)，推薦使用合金儲氫，次選高壓儲氫；從即制即用和靜默特征出發(fā)，推薦使用水解制氫；6～30 kW功率級別移動電站氫源，6～12 kw推薦使用甲醇重整+鈀膜純化技術(shù)，12～30 kw推薦使用有機(jī)液體儲氫，也可選擇高壓儲氫和合金儲氫； 40～120 kW功率級別移動電站氫源推薦使用甲醇重整制氫，次選高壓儲氫和合金儲氫。

2）從通用性與適應(yīng)性出發(fā)：采用高壓儲氫和合金儲氫等小容量的主氫源與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)共同構(gòu)成電站主機(jī)，結(jié)合氫源保障車采用不同的制氫方式、不同的容量、不同的底盤和方艙以滿足不同應(yīng)用需求。

[1] 張強(qiáng). 軍用移動電站技術(shù)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2016:1-4.

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[4] 蔡成闖, 秦亮. 淺析影響軍用移動電站安全性和可靠性的有害因素及控制[J]. 科學(xué)與信息化, 2018, 000(005): P.1-1.

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Analysis of hydrogen source for new fuel cell mobile power station

Cheng Chen1, Meng Haijun2, Xiang Yu3, Ye Donghao1

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. A Institute of Academy of Military Sciences, Beijing, 100141, China; 3. Research Institute of Chemical Defense, Beijing 100191, China)

TK91

A

1003-4862（2024）03-0077-04

2022-11-03

湖北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022BAA092）；武漢市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2020010601012203）

程臣（1990-），男，工程師，研究方向：燃料電池氫源技術(shù)。E-mail:184479495@qq.com