多种车载供氢方式的优缺点

5月21日，由中国电池联盟、中国电子节能技术协会电池专委会和中国化学与物理电源行业协会氢能及燃料电池分会(筹)联合举办的“2019新型制氢技术与加氢站建设高峰论坛”在苏州隆重召开，中国航天新长征电动汽车有限公司首席专家靳殷实做了题为“多种车载供氢方式分析”的精彩演讲，以下为靳殷实的演讲速记全文：

今天我分享的主题是多种车载供氢方式分析。这主要是三部分：国家在车用供氢系统上的技术路线上，政策上没有太多的要求，在中国制造2050年里面的要求就提出续驶里程500公里，这就车载储氢量的要求，加氢时间3分钟。再一些其他的燃料电池的发展规划上面，也没有太多的要求。从国家补贴上，在这里也体现不出来供氢系统，它主要是对燃料电池方面的要求，这个是美国能源部的要求，提出要对整个的技术要求和咱们重要的思路不一样，它是从市场需求反推而来，我们是从技术的可行性来推达到什么样。它是从市场需求，如果市场能够推开根据市场需求来制定，所以它的指标制定都要高，很多指标实际上都是很难达到。

这里面最重要的指标是储氢率，这是2015年的指标，2005年是4.5，2010年5.9，2015年是9.0，到现在目前最好的是5.7。这个图表也是DOE的要求，蓝线最上面的是2015年的，虽然气转化达到了50公里，现在更高一些，到5.7%，但是还未到6%。这个就是如果放到汽车上能用的话，它也有一些要求，为什么要写这个表？因为现在很多企业、单位采取不同的技术路线，在某个上面比较细，但是其他指标欠缺一些。第一个就是安全性，安全性就是一票否决的，如果安全性达不到那肯定不行。第二个满足供氢要求，在车运环境下，对氢的需求满足要求，这里面是多几项内容的，一个是纯度，就是它的杂质含量要不能超标。第二个是氢气的流量要达到，要满足压力的要求，流量压力这些要求要能满足，要有可实施性等，下面是重要指标是氢气率和储氢密度这是两个重要的指标。要么太小跑不远，要么装不下。最后面的是经济性，如果经济性达不到，产业化无法实现，最后还有寿命的问题。

下面介绍几种车载供氢方式。

首先是高压的气态储氢，这是主流的，大家比较熟悉。目前国际上使用多的是三型瓶，考虑到在车上储氢率高，还有安全，以及其他要求下开发出来的。现在三型瓶、四型瓶国外已经使用了。三型瓶为什么发展到这个状态？前面一型、二型太重，储得氢太少跑不太远。三型瓶内层是内胆，碳纤维缠绕，然后是树脂。内胆是起密封的作用，铝内胆薄的是在5毫米。高压氢气瓶非常成熟了，这是前几年的资料，它的寿命要达到超过15年，它的疲劳充放次数超过一万多次，然后是有35MPa，可以在这么苛刻的条件下，这个瓶子还是很安全的。然后高压气瓶的标准也很完备，比如说在安全性检验方面，他要在这些方面进行考核，常温常压下，压力试验要循环很多次，还有未爆先漏试验、枪击实验等通过一系列的试验检验它。为什么要进行这样的试验呢？

比如说火烧试验，因为极端情况下有可能燃料电池有可能发生燃烧，或者是其他的火灾引起了车的燃烧或者是自己的燃烧，在这样的情况下还要保证安全，所以进行火烧试验，火烧实验的要求内容很多，对火的温度、宽度、距离、燃烧的速度有要求。

最后考核的结果是燃烧到最后的情况下，瓶子可以把气释放出来，但是它也不能爆炸。枪击实验的条件，对枪子弹的动能有射速的要求，角度的要求，射的考核结果是氢气可以释放出来，但是氢气瓶不能爆炸，还有其他的一系列的实验。

这里的设计准则讲一个未爆先漏设计，大家想一个高压气瓶35Mpa的，如果爆炸怎么办？它的设计是极端条件下，有高温或者是瓶子被损坏，这样的情况下，你安全阀起不了作用，这样的情况下，内胆先裂开，然后碳纤维组织先裂缝，将气体释放出来结果是这样的，但是也是未爆炸。

2010年，浙江大学成功研制70Mpa轻质铝内掸储氢瓶，但还是三型的，并且编写了车用压缩氢气铝胆碳纤维缠绕的标准，标准已经出台了，但是70Mpa的是三型瓶，我们攻克下来了，已经在部分车上应用。上汽是轿车，因为应用35Mpa，储氢率还是有点低。国内做气瓶的产业比较多，这是其中一个厂家中材科技，它的产量都到了70万只，国内还有天海、斯林达（音）等一系列的企业，他们的气瓶都到了数量级，可以想想我们做气瓶的数量比较发达。国外也是做很多的，也是开发更先进的一些气瓶。国外三型瓶还是感觉到储氢率不足，很多的国家早十几年就在琢磨怎样改进，所以就发展出四型瓶，它的内胆不是铝内胆，改了聚合物的内胆，通常来说就是塑料内胆，碳纤维缠绕。它一部分是内胆自动化程度高，大规模生产降低成本，可以带来这样的好处。而且国外使用比较多的像丰田的车和其他的车已经使用，证明可靠性、质量都是过关的。所以四型瓶是未来发展的重要方向。

总结一下，高压气瓶供氢方式它的优缺点，首先它是能够完全满足车载燃料电池，就是燃料电池汽车用氢的需求，无论是从纯度、启动时间、动态响应、压力、流量它都可以，温度低都没事。现在目前成本还比较高，主要是产量不足。因为气瓶还是一些材料，这些材料并不是像铂这种稀有材料，通过大量生产，成本是可以降下来的。技术是很成熟的，标准也很完善，而且寿命很长。咱们心里有把燃料电池用坏的很多，把气瓶用坏的还没有听说。

高压气瓶到了四型瓶，还有不足的地方其是储氢率低，现在最高的是在丰田车里面，就是5.7%，100斤的瓶子加氢气就是5.7，这是它不足的地方。另外要建氢气，现在燃料电池车还有一个短板，就是要加氢，加氢站还是很少。尽管我们一下到十几个到几十个，但是技术要去普及的话，时间还是很长。12万座加油站，1%就是1万多座加氢站，还差很远，所以氢气的价值还是比较高，因为秦军婷：和燃油汽油相比，还是差一点。

另外安全代价很大，要运输氢气，运输的话连路径都给你规定好，送氢气从哪条马路走，时间不对都可以将你扣下来，法规比较多，安全代价比较大。世界各地现在是有500多座加氢站，国内现在也很快，增长率很快，一下子就几十座。这前面就是用高压气瓶供氢的方式。第二个就是液氢了，因为液氢一个地方就是70公斤，你一下去就是它的700多倍，就是力度增加了。储氢率我大胆预测以后到8%、10%都有可能。

为什么想到液氢呢？因为联想到天然气的情况，用了一段时间，感觉气态储运起来不方面，就搞成LNG，变成液态，一下子就带来很大的比较，LNG从储运从加油站、加氢站等从它的设备、运营等各个方面都有很大的提高，带来了很多的优势。比如说这个车的行驶里程，如果用CNG跑150公里，然后变成LNG，跑600—800公里没问题，所以联想这个，以后液氢也是可以的。

液氢在无人机的应用，这个也是美国早五、六年的一个小公司所做的无人机，用了液氢罐，行驶48小时，之前是26小时。大大增加了行驶里程和时间。罐子的储氢率是13%。左下面这个图是美国军方的一个很保密的无人机，也是用的液氢，储氢率非常高。

我们国家的液氢技术，实际上发展很早，因为在火箭的技术上，液氢、液氧发动机有很多的优势。从70年代我们就用于这方面的开发，用于长征三号的火箭上，目前已经可以开发出几代发动机，目前正在做的是长征五号的，未来还有做200吨的，也正在开发。但是这个技术和老美还是有距离，但是这个距离不是太大，我们还是可以不断地增长。在液氢的技术上，从制液氢到储运、加注和控制一些泵、阀件我们都掌握了这个技术，但是这个是在特种和民用上面，这个还是不一样的。

这是液天然气LNG的储罐，这个技术已经很成熟了。如果作为车用液氢供氢系统，用液氢的话可以参照这个，主要的功能和气瓶来比，多了一个气化的这种。然后完了以后改成气瓶，这个是一样的。在车用液氢储存的技术里面，国外做了很多的工作，比较著名的就是宝马公司，大家知道是十年前来它已经做出车用液氢储气罐，它不是用燃料电池，是用氢内燃机，车的技术已经有了，但是车跑了一段不合适，推广不下去，就终止了。

但是做了这个实验掌握了很多的技术。另外福特、通用都做了很多的概念车，在车上用了，但是没到实用的阶段。液氢储罐技术怎么回事？因为它温度非常低，超级绝缘温度，大家感觉到保冷很重要，液氢的供应技术，就是液氢馆保冷技术。物理的原理就是将这三种都阻隔掉，两层壳子多重保温，一个内胆，中间是多层绝热，做成绝热被抽真空，将它封好，就做成罐子。第二个问题是氢怎么出来？不像气氢大开火就出来了，两种方案，一个是以液氢泵打出来，第二个方案是说我以挤压的方式，因为它会漏热的，漏热总会气化，一气化压力增大，以挤压方案来，这也是比较成熟的。液氢出来温度很低要气化，就有一个气化器。气化以后温度仍然很低，还要加热它，加热到燃料电池可以使用它，所以有两道环节。而且氢能的比热是非常大，这要比我们很多知道的要大几倍。所以要加热氢能也是很费劲的，但是好在很低，0度的空气都是加热的。对立面的绝热、储存、储氢罐，还有低温的流量控制、输送、加热这都是属于它的核心技术。

在液氢加氢站方面，日本、美国30%的加氢站都是液氢，为什么用液氢？氢气里面很大的成本是运输成本，造出来便宜，但是运到加氢站贵了，因为储运成本，采用气氢就是长罐拖车，可能一、二十吨，但是氢气只有300公斤，如果以液氢，到一、两吨，这样大大节省了成本。在燃料电池用氢领域，其他的地方都是以液氢来运输。液化以后运输的成本降到气氢的1/8。

说说液氢产业，全球大概一天四、五百吨的产能。主要是集中在美国，85%都是在美国，欧洲和亚洲也都有一些。亚洲主要是集中在日本，氢的刚才也说了，情应用的地方非常多，用于燃料电池车上，那还是很少的一部分，大部分是用于化工或者是其他的冶金方面，在电子的制造方面，因为我们发展最早是在特种上使用的液氢，所以美国商务部在几十年前就开始对中国进行封锁，这个技术不管是成套设备，还是里面的构建，对我们是禁运的，我们从未有任何途径从美国获得设备、装备和技术，我们只有通过自己的办法研发，所以我们产业链也形成了，但是是在特种上的。但是火箭发射我们还是比较少，所以我们产能比较低，一天产能只有几吨，和国外比差很远。

目前国内从事液氢研发的在航天是有几个方面，一个是液氢发动机，还有一个是加注，还有一个是制造、储运。国内可以用到民用上面的液氢单位，一个是我们航天的11作，它是制造液氢，也可以将技术转化出来。还有中科所，他们在液氢上面做了很多的工作，在国际上也是领先的。全球500多个加氢站，液氢占了30%、40%，国内在民营上液氢可以用的还是零，所以我们还是要做很多的工作。

总结一下，就是低温液氢的优势是储氢密度高和储氢率高，但是它的核心技术刚才说了，这是我们以前没有的。在民用上比较少，除此以外它还有两个技术难点。一个是液氢我们在罐子里面做得更好，保冷技术再少，每天要蒸发1%到百分之几，多1%是很不错的，因为总要漏热，但是这要消耗调，你放在车上不用还得蒸发掉，时间长了就放没了。再一个就是液化时耗能太大了，液化的耗能占到了液氢化学能的30%，30%在耗能方面，所以耗能是大问题，一公斤的液氢要耗10多度电，这可想而知。因为一公斤的氢气发电14、15度电，但是耗电量大。然后还有零部件，安全性还需要做很多的工作，对比高压气瓶，可以做火烧和枪击实验。

对策就是技术现在不成熟，我们可以逐步迭代，成本高，大规模产业化。易挥发怎么办？也可以，如果我们将它装在商用车上，我们商用车天天在跑，我们本身就是用气的让它蒸发，安全问题就是不断地去做，然后完善标准，加强管理。耗能大怎么办？其实冷能是可以使用的，使用以后还能带来很多的好处。氢气如果压力要再增加，那么储氢率还会提高，一个压力的温度，你把这两个都降下来，这个储氢率的物理特性还会提高，这里面两个区，一个是液氢，还有一个是高压氢气，还有一个是到了液氢，压力增大。这是超临界状态，这就是储氢率更大，而且它可以挥发的速度更慢，有这样的一些好处。这有一个对比，丰田做的实验是122L的的NOmpa装5公斤，宝马是110L，35Mpa、6公斤。所以它这个储氢率提高。

第三个是超临界状态下的储氢，这在国外做了大量实验的开发。在这样的状况下，储氢率大幅度提高，安全性也是大幅度提高。

第四个是固态储氢，技术成熟，我们也大量地在研究，有很多的金属还有一些非金属，它可以通过化学办法或者是物理办法吸附氢气。通过外面加点压力就吸附进去了，但是如果你在另外一个状态下你给它加热，它这个氢气又跑出来了，反复循环，这样就可以储氢进去了，这个储氢率，如果储氢倍数和体积来比，超过500—1000倍，就是一升的体积可以储存500升到一千升大概的范围，但是因为它本身重，所以储氢率不高。

佳华利道公司将这个做到了车上，9米的公交车用了两块，体积376.9L，一块是储8.4公斤。另外这一技术在其他领域也在使用，氢枫能源与上海交大合作开发，它用的不是在车上，不是在燃料电池车上，是储运氢气这块，用于这样的场合。如果用长管拖车一次300公斤，但是用这个一次1200公斤，是4倍。

浙江大学也用了这样的技术，但是它应用的场合不是在燃料电池上，它是在内燃机里面，供汽油的，然后同时加氢进去，这也是我们用氢的技术路线，在改造传统发动机的过程中喷氢气，这我遇到了很多的常见，有柴油和氢气的，这可以改善它的特性，又提高了它的排放二氧化碳的降低，同时氢气进去改善了性能。

还有日本丰田，咱们都知道它是用气罐的，同时各种方式它都尝试过的，而且进行了几轮的开发，行驶距离到达了300公里，还有德国奔驰也做了大量的工作。

金属储氢应用成功的地方是在特种上使用，早十几年德国开发了，使用的是燃料电池，为什么用燃料电池？因为特种的重要指标是安静不要有噪音，其他的都有噪音。这时候用金属储存最好，储氢率低一点，但是船上需要这个，它就能容忍你重，而且需要现在重分量，因为船要压舱的，如果你这个重量不够，还可以通过别的途径，这个案例是比较成功的，可能它已经有20—30艘燃料电池的特种。固态储氢最大的优势是储氢密度高，安全性好，氢在里面很安全，最大的问题是储氢率低，百分之一点几，成熟的是1.8、2%，很多金属的储氢率是可以提高的，但是环境要求我们达不到，比如说释放的温度更高一些，或者是其他的措施，所以金属储氢还有这样一些问题。

有机液体储氢，这个话题是比较热的，有些有机物也是具有吸副的特性，实际上它是化学的。在一定的条件下它可以释放，也可以重复反复的使用，大量的是甲苯这些，这些物质很多，做研发的国内国外很多的企业，技术路线还不一样，选的都不一样，所以它技术路线上还有有所区别。

它的优势就是储氢密度和储氢率比较高，吸附的氢气量很大，确实还是很大的，有一系列这样的优势，程寒松博士在武汉专研这个技术，克服了很多技术上的问题，将这个事情做成了，加氢温度150度，脱氢200度，可能现在更低一些，160、170，脱氢以后的程度比较高一些的，循环寿命能够到2000多次，储氢率5.5，这个数据都是比较多的版本，储氢密度比较高，一个立方50公斤。这是它试验出来的结果。

他继续往下研发，开发了第二代车叫氢扬号，而且是在湖北当地落地。要在宜都市投资30亿元，建设年产100万吨的材料，还有一万吨的催化剂，目前来做这个大家都比较关注这个市场。但是这个事情总结一下优势明显，储氢密度很高，储氢率也高，第二个它和加油站合建，对加油站改造的成本比较低，很容易改造出加氢站，然后另外是安全性，因为它是常温常压的储存在液体里面，安全性比较高，但是它还是有一些问题。

几个问题：脱氢时，温度100—200度，要在这样的环境下才能脱氢，而且是耗能，能耗不小。我的问题是在汽车上用还得创造高温的环境下，还要补充能量。然后脱氢率不是太高，理论上那么高，实际上脱不出来，还有残留一些。还有这个东西是两个箱子，一个是放有机液体，另外一个是它转化完氢以后还得存放在另外一个箱子，这样的话，储存密度除以2一下子降下来了，还有加热设备、控制设备、管控阀等，这个过程更复杂了，车上使用更有问题。

德国的一家公司采取类似的技术路线，但是它有机物物质和它不一样，选另外一个物质，这种材料是一个立方可以存57公斤的氢气，储存率是6.23%，但是它所用的场合不是放车上，而是储运上，氢气制造出来以后运送到加氢站，这个加氢的时候，温度是250度，然后加氢时是放热，一公斤放9度电，脱氢时是一公斤得11度电，可想这个耗能还是很大的，因为一公斤氢气本身发14、15度电，要放在车深要想别的办法。运输起来很简单，就一个塑料的方桶和化学法应用是一样的，应用于这个地方是很成功的，这个地方前十几年日本已经开发出来了，日本的使用场合它是船运的，是到澳大利亚和中东那边船运脱氢，然后集中来加氢和脱氢。

第六个是化学制氢放车上，这个方法很多。因为有机物里面只要有氢气，只要把氢气取出来你就等于制氢了，但是要是将它放车上那就不是你很多地方都合适的，所以要是在线的话，在线制氢，制了氢燃料电池要用的话就要提出要求来，第一个满足供氢的要求，比如说实施性要好，要是工艺太复杂，制出氢来还赶不出来，制氢要好，流量要达到安全，安全性要好。

另外是工艺简单、技术要成功，就是说这样的物质通过一、两个环节就把氢制出来，而不是一大堆的管子和罐在里面，你产生一个瓶中间再产生一个，不或，技术要成熟。还有制氢响应要快，你车用一踩就要用，或者是其他的方式延缓时间，但是响应不能太慢。还有能耗要小，温度不要太高。因为如果你温度太高，化工生产，你本身要保温，要冷却下来，这些都是耗能耗时。另外最好是液体，前些年我在开发所也有搞液体的，很多中类的在上面制氢的，那个固体就不方便，燃料要便宜。路边是早先几年的图，很多的物质，储氢量，包括蓝色的是三型瓶，紫色的是四型瓶，又提高了一点。所以很多的方式，这上面这个是甲醇。

关于燃料制氢，两个概念，一个是它里面的按照化学成份它含氢量多少，最多25%。另外反应过程中，最好还能将别的物质的搀在一起，里面的氢取出来，正好水也是有氢的，这些物质和水在一起，把它的物质提出来了，水也提出来了。虽然低一点分母变大了。最好还是液体，因为甲烷要排出掉，在车上用氢气本来就不方便，再加一个气体根本不方便，所以甲醇是很好的办法。

甲醇制氢分两步，第一步它是分解反应变成一氧化碳和氢气，一氧化碳和水反应形成二氧化碳和氢气。最反映就是二氧化碳和氢气。1Kg甲醇水溶液产氢约0.8—1.3立方米。甲醇制氢在工业上是成熟的技术，大量的使用。是工业上使用制氢它的场景一个是大量生产，一个是连续生产，一个是地面上，整个设备好保障。要是将它做小，就带来了技术问题，所以小型化以后带来了问题，放到车上就是微型化。

国外的团队，甲醇制氢工艺分两步，一个是制氢成熟，因为制了氢还搀杂其他的气体，还有氧气和淡气，还有一氧化碳和二氧化碳等，虽然二氧化碳都将它反应了，但是100%的还有，所以要将这些提纯出来。制氢技术成熟，提氢的就是微型化是有难度的，有些杂质就不太好去弄。

国内做微型化研发很多企业在做，刚才那张表是一些，这张表是一些产品的。左上涂刷是机械上的甲醇制氢燃料电池，这个产品非常成熟，无人值守，工作几年没问题。连续发电一千小时、两千小时都没问题，然后中间的是移动电源，左边的车也是移动电源，就装在车上等，国内做这个的还不少。这也是早几年所做的甲醇制氢燃料电池。车上相当于是一种燃料电池的车，它这个车是比较小。这个是一家公司做的甲醇制氢燃料电池，也是属于燃料电池汽车，目前已经上公告了，车是东风的车，连续跑了几千公里，做这个车的数量也不少。

下面说说甲醇的优势，为什么老提甲醇？因为它有很多的优势，一个是化学特性的优势，一个是物理特性。甲醇成了液体体积很大然后是来源非常丰富，甲醇就是四个碳一个氢，煤能制甲醇，生物质也可以。还有将二氧化碳拿来和氢气进行反应，又生成了甲醛。这在大的发电厂来使用，可以减少排放，所以甲醛来源很丰富，中国是甲醛最大的生产国和消费国，我们还是过剩的，国家也是在力推甲醛的燃料，但是前期从去年开始，像做甲醛燃油机的车厂在推开和国内的产业化。这张表是不同燃料能量的比较，这一比较，甲醛的热值没有汽油和柴油高，但是和氢气相比又比它高很多，锂电池比它高更多，所以甲醛的能量密度非常大。

总结一下甲醛制情优势安全性高、储氢率高，也是工业原料获取便利，制氢成本低，技术成熟。但是问题是启动慢，因为它是小化工厂，到达温度需要一个过程，流量不容易调节，另外还需提纯。这些问题怎么解决？启动慢不要紧，我形成了混合动力，本身燃料电池汽车它本身就是混动立，燃料电池的特性它立马不会起来，但是它会有一个特性，所以和动力电池以后，可以弥补它起步慢的问题。然后提纯现在在质交胶膜电池里面，还有是高温的，这样的情况下可以容忍。

这样的话，技术路线就是增程式的，甲醇制氢的技术路线，这和咱们大家比较普通的都在推的燃料电池有点不同了。这个技术路线就是做增程器，然后用于发电，动力电池匹配蓄电池比较多，然后是以蓄电池为主来维持驱动的。但是蓄电池很快没电了，它一直在发电，所以它保证车一直运行下去，但是你消耗的电你要补得上，这个车就可以运营上去。因为本身甲醇成本1块钱、1.5块钱，发电成本1度电9毛钱到1.3块，这比高速路上的快车成本都便宜了。

这是一个方案，将一个纯电动的物流车改一半，电池去掉，然后变成增程器。结果是续驶里程由150公里变成了400公里。这是三种汽车的比较，甲醛制氢的车把纯电动汽车续驶里程等一系列的缺点补上了。这是苏州光源科技通过几代车的能力，就把增程车做出来了，在现有的电动车上做改造，做出了几批车。今天也有幸请他们把车开到楼下，一会儿大家可以了解情况。

现场制氢的路线还是很多的，日产的这个乙醇的这个车很出名的。燃料电池是用乙醇制氢以后，这个车在日本三大搞燃料电池的企业，本田、丰田还有日产，日产走的路线不一样。这是我们国内的，它不是用于燃料电池，而是用于增程器和燃油的。但是通过重整制氢，这个是甲酸制氢，这是国外的团队所做的。但是它没放到车上，车后面又挂一个东西，来做这个项目，验证这样一个技术。

这是这几个的优势和问题，高压气瓶优势明显，储氢率目前状态发展到这样，我们没有别的好办法，其他的满足安全性、经济性还可以。甲醇是储氢率高，经济性好，然后问题是冷启动慢、流量不可调，但是我们认为未来中期是重要的方式，很有可能这个方式被市场接受。固态储氢它不足的地方储氢率太低，在按特殊场合可以使用。液态储氢率都挺好，也很安全，但是主要的问题就是脱氢时耗能温度要高，体积比较大，这个过程比较复杂，它在储运上有优势，在车上也是可以的，它要将那些问题做做工作都克服掉。液氢储氢率很高，而且未来也是方向，不仅仅是这方面，在其他方面使用也是需要的，但是技术是需要的，特种和民用还是有一个隔阂，特种太快，要在民用上实施还要做大量的工作。未来中远期是有希望的，超临界比低温更好，但是时间更久一些。

我们单位是搞航天的，搞燃料电池技术，搞了很久了。我们自己也有车厂，自己的燃料电池系统。谢谢！