氢能源在电动汽车中的应用综述

氢能源是在当今电动汽车中，比较受欢迎的能源之一，本文将总结氢能源在电动汽车中的各种应用以及对汽车设计所造成的影响。

1　从氢气生产到燃料电池汽车的二氧化碳排放路径评估利用[1]

在这项研究中，作者研究了最先进的燃料电池（FC）技术，并确定较少污染的技术。然后对燃料电池电动汽车（FCEV），纯电池电动汽车和内燃机汽车的环境影响进行建模。燃料电池电动汽车使用氢气作为能源。最好的选择是在大型集中式工厂的蒸汽甲烷重组（SMR）或煤气化中进行制取，并同时使用碳捕获和碳储存(CSS)技术。从氢气生产地向加油站输送氢气的最好方法是通过管道输送氢气，但是它们的建造将具有相当大的成本。现有的输送方式是在较短的行程中将氢气压缩进行公路运输，如果是较长的行程，则将氢气进行液化。

在2020/2025年之后，FCEVs是比内燃机汽车（ICE）更好的选择，到2030年达到欧洲的目标。当氢气在大型集中式工厂生产，通过管道或卡车以压缩状态交付时，情况类似。预计氢气在液化后通过公路运输的情景在一两年内与压缩管道或道路运输相比具有相当的排放绩效。在生产路径中使用SMR可以提供比运行标准内燃机ICE车辆更好的排放解决方案，而且还可以满足欧洲目标。我们还计算，直到2033年，通过压缩氢气，通过公路运输或通过管道输送的FCEV的使用比同等收费的电动汽车（EV）污染更小。同样，与CCS煤气化相比，为电动汽车提供了降低（或相当）二氧化碳排放的途径。但是，如果在加油站现场为FCEV生产氢气，总排放量明显高于EV所获得的排放量。

2　燃料电池汽车氢燃料基础设施[2]

燃料电池动力系统将氢转化为电力来驱动车辆，其效率大约是传统车辆的两倍。氢燃料电池车辆通常能够长途旅行（即超过500公里或300英里的续驶里程），并且短暂的加油时间与常规车辆相当。

本文评估了全球氢燃料基础设施网络的发展情况。汇编了目前燃料电池汽车技术发展状况的数据。总结了氢燃料基础设施、技术路线、站点规划以及燃料电池汽车发展市场的资金来源。本文重点介绍燃料电池汽车氢燃料的基础设施，但并未涉及生产氢所需的系统或过程。由于在这些地区进行了更广泛的研究和活动，大部分的数据和分析研究都是基于加利福尼亚州、欧洲、日本和韩国的工作。包括在这个评估中的是能源公司、汽车制造商、车站开发商和政府的投资，这可能为未来几年燃料电池汽车市场的快速增长铺平道路。最后讨论基于这一评估，分析公共政策和投资战略的影响，以指导氢能基础设施的部署。

氢基础设施网络在汽车制造商、氢气供应商和政府共同感兴趣的地方继续开发，为更多的燃料电池汽车部署铺平道路。美国能源部最近的分析提供了全球氢能基础设施发展状况的全球统计数据。截至2016年底，全球至少有150个氢气站建成，其中加州，德国和日本各有50多个。世界各地众多的公司提供设备和建设站点。其中包括空气产品公司、林德、液化空气、壳牌和道达尔等。现有的氢基础设施大部分是在过去几年中发展起来的。在大多数情况下，开发商已经试图估计当地的燃料电池车辆部署数量作为预测燃料需求的手段。作者根据各地政府部门和氢气协会的数据，回顾关键市场的进展情况。

3　氢和燃料电池汽车全球技术法规中的氢监测要求[3]

联合国欧洲经济委员会全球技术法规（GTR）第13号（氢和燃料电池车辆全球技术法规）是规定氢能车辆，特别是燃料电池电动车辆（FCEV）安全要求的定义文件。GTR第13号已正式通过，将作为北美（由美国牵头）、日本、韩国和欧盟的FCEV安全国家监管标准的基础。GTR定义了这些车辆的安全要求，包括在使用中和碰撞后条件下车辆允许氢气含量的规范以及某些正常运行模式下车辆排气中的允许氢气排放水平。但是，为了纳入国家法规，即具有法律约束力，必须有验证符合具体要求的方法。在一个合作项目中，美国国家可再生能源实验室和荷兰能源与运输研究所联合研究中心一直在评估和开发分析方法，可以用来验证氢气释放的符合GTR中规定的要求。

GTR 13号有几个氢气监测要求。在NREL和JRC传感器实验室工作证明了商用传感器技术可用于验证是否符合GTR的要求。这些发现被提供给美国交通运输部（DOT），并因此提供给GTR委员会和氢气社区。已经证明了在碰撞测试之后验证燃料系统完整性的方法，而FCEV废气分析仪的开发目前正在开发中，分析仪的低成本传感器已经确定。

4　燃料电池车辆的氢气质量标准[4]

本文涉及氢气加氢点分配的氢气纯度，预期符合ISO 14687-2标准（第2.2节）中包含的技术规格。ISO 14687-2将计量需求定义为：“由于燃料电池汽车（FCV）及相关技术正在迅速发展，所以ISO 14687的这一部分需要根据技术进步进行必要的修改，以减少约束检测的限制”。ISO 14687-2标准列出了颗粒和13种气体化合物（氨、Ar、CO、CO2、甲醛、甲酸、H2O、He、N2、O2、总卤代化合物（HCl）总烃类化合物、总硫化合物），在供应燃料电池电动车辆（FCEV）的氢气中不应超过规定值。目前推荐的方法并不适用于所有13种气体成分，这主要是由于检测浓度极限太低。在这些低的浓度下监测这些参数既耗时又昂贵，因为它需要建立多种采样和分析技术，新的方法将在需要时开发。通过定义方法的相关性能特征（选择性、测量不确定性、量化限制、工作范围、稳健性、正确性和精度...），实验室将能够根据所研究的参数选择合适的分析方法。西班牙国家测量研究所参考气体实验室（CEM）分析了真实样品中的氩（Ar），氦（He），氮（N2）和氧（O2）的杂质。样品由氢气生产厂提供，采用甲烷重组（SMR），电解或氯碱工艺获得氢气。对具有代表性的一些氢气生产厂的氢气样品进行分析将证实当前的专业知识，并用分析数据验证生产过程风险评估。将使用最先进的方法在氢气样品中测量ISO 14687-2的13个气体参数（颗粒除外），以达到上述标准中规定的最高精度值。如果测量值低于规定值，则采用最低检测限的分析方法测量氢气样品中的杂质浓度。

样品的杂质分析使用带有热导检测器的色谱分离技术进行。重量法制备的气体标样与样品的对比最终确定了氧气，氦气，氩气和氮气中的杂质水平低于ISO 14687-2中的阈值。

5　燃料电池汽车的储热器储氢系统[5]

本文基于低温吸附剂，开发用于燃料电池车辆的氢储存系统的评估的数值模型，并且针对实验数据进行验证。模型同时解释吸附热力学方程和热，质量和动量守恒方程。还应用氢的真实气体热力学性质。将模型预测与活性炭和MOF-5™系统的充放电数据进行比较。该模型的应用包括详细的有限元分析模拟和完整的车辆系统分析，将吸附剂系统与压缩气体，金属氢化物和化学储氢系统进行比较，基于80 kW燃料电池，使用标准驱动循环进行评估。美国能源部组建了优秀氢储存工程中心（HSECoE），将材料开发和氢气储存技术相结合，共同解决所有在轻型车辆应用中的车载氢存储问题。

在参数分析中使用完整的系统模型，比较吸附材料及其条件、压力容器类型、内部换热器和操作条件等特定选项下的预期系统设计性能。考虑到各种物理和工程限制，系统设计选项从几十亿降低到数百万个选项。然后根据这些设计方案估算系统成本，体积容量和并对重量进行排序。使用这些排序，选择了两个系统设计，即HexCell和MATI系统设计。此外，参数分析的趋势和比较为改进领域和未来研究方向提供指导。注意，在对HSECoE进行上述参数分析之前，由于缺乏可用的实验数据，几种吸附剂材料被排除在考虑之外。使用本工作中描述的工具，现在可以评估这些材料是否有必要的数据。

6　中型和重型市场氢燃料电池电动车的设计[6]

应用氢燃料电池技术，降低中型和重型车辆（MHDV）的污染物排放标准，温室气体排放和石油消耗。本文研究中考虑到氢燃料电池的应用范围，氢燃料电池MHDV是否会受到空间或重量限制，为了探索车辆的续驶里程、尺寸、商业和燃料经济性与氢燃料电池技术之间的关系，需要一种方法来确定车辆上的气态氢燃料的近似可用的体积。车辆储罐的位置以及储罐的相对尺寸直接有助于潜在的车辆续驶里程。

开发了氢燃料电池电动卡车的研究方法，将质量和尺寸限制与车辆使用和燃料经济联系起来。为12辆样车创造了一个设计空间，跨越了构成MHDV市场大部分的许多车辆重量级别和商业用途。这个设计空间捕捉了车辆可能存在的潜力和限制，这取决于可用的车载氢气储存量和燃油经济性。提供了有关350bar和700bar储存压力下所需储氢量的理想范围，储罐位置的储存潜力以及车辆最大和最小续驶里程估算值。

结果表明，大多数MHDV具有足够的空间用于将储氢罐安装在驾驶室后面和/或底盘下方，以容纳每个车辆部分日常续驶里程的90%，尽管识别标准尺寸，设计和这些组件的放置可能是有挑战性的。

[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