固态合金储氢在轨道交通上的应用分析

马 丹，唐艳丽

(中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412000)

1 概述

氢能是未来最有发展前景的新型能源之一，随着氢燃料电池和电动汽车的迅速发展与产业化，车载氢源技术的研究已经引起许多国家的广泛关注，但氢介质的储存和运输问题是制约氢能动力车推广应用的技术瓶颈，也是目前的主要技术障碍，研制合适的储氢工艺以用于车载储氢装置是必须要面对的问题。

目前的储氢方式主要有气态、液态和固态储氢。气态储氢是高压压缩氢气存储在高压气瓶中，是目前车载氢系统常见的储氢方式。车载35 MPa储氢罐的质量储氢密度为3%，70 MPa时达4.5%，气态储氢的体积密度偏低，提高压力又会带来安全隐患，安全系数低。液态储氢具有更高的储氢密度，但液化过程所需的能耗是储存氢气热值的50%，该储氢方式对液化制冷系统和储氢的杜瓦瓶要求较高，且自挥发问题难以避免[1-2]。固态储氢能量密度高且安全性好，单位体积储氢密度高，可高达40～50 kg/m3，是相同温度、压力条件下气态氢的1 000倍，被认为是最有发展前景的一种氢气储存方式[3]。

图1中示意性地比较了3种储氢技术储存4 kg氢气时所需的体积。通过比较，固态储氢储存所占的体积最小，其储氢体积密度最高，符合移动式氢源对储氢容器的要求。

图1 三种储氢技术存储4 kg氢时所需体积比较[3]

将固态储氢应用于轨道交通车辆，可提高车辆的储氢量，增加续航里程，提升氢能使用安全性，属于首次开展且无可借鉴的应用尝试。并且该项目属于中国中车股份的重点项目，针对固态储氢技术进行研究，掌握其在轨道交通车辆的应用技术具有重要意义。

2 固态合金储氢

固态合金储氢是一种基于固态储氢材料为介质的技术，在一定温度和氢气压力条件下，储氢材料能够大量“吸收”氢气，即与氢反应生成氢化物，同时放出热量。加热时，这些生成的氢化物又会分解，并将储存的氢“释放”出来。氢气的“吸收”和“释放”过程是可逆的，可以重复循环进行，也就是实际应用中汽车的反复“加氢”与“供氢”过程。储氢瓶和合金储氢装置的工作原理如图2所示。

图2 合金储氢瓶和合金储氢装置的工作原理

固态合金储氢由于其储氢密度高、污染小、安全系数高且吸放氢反应的可逆性和高的安全性，被认为是最理想的车载氢材料之一[4]。氢能储入合金中时，不仅不需要消耗能量，反而会放出热量。储氢合金释放氢时所需的能量也不高，且工作压力低，操作简便、安全，因此是最有前途的储氢介质[5]。储氢合金作为车辆氢燃料的储存器，目前处于研究试验阶段。德国氢燃料汽车，采用200 kg的TiFe合金储氢，里程130 km。日本丰田汽车公司采用储氢合金提供氢的方式，汽车时速高达150 km/h，行驶距离超过300 km[6]。

3 固态合金储氢和氢燃料电池系统在轨道交通上的应用研究

3.1 轨道交通氢燃料电池系统的特点和要求

氢燃料电池能源动力系统具备噪音低、启动快捷等优点，通过温控设计的燃料电池电源系统，可以在炎热及严寒的状态下稳定工作，寿命可达5 000～10 000 h，并能保持良好的安全性和稳定性。 随着氢燃料电池技术的不断发展完善，氢能车辆成为轨道交通新产业领域极具市场竞争力的产品，对储氢容器的要求也越来越高。

图3 氢燃料电池系统的结构示意图[7]

轨道交通车辆功率需求等级为100～1 000 kW，具有功率需求大，续航里程长，启动速度快等特点。轨道交通主要车型的特点和需求如下：城轨车辆，安装在车顶(低地板)，车顶安装空间、体积有限，重量有限；动车组，安装在车顶，相对安装空间、体积不受制约，重量有限；调车机车，安装在机械间，空间、体积有限，重量相对不受制约。

在同等条件下，不同车型的轨道交通车辆使用固态合金储氢和高压储氢的电量比和体积比(见表1)。调车机车对重量敏感度较低，结合合金储氢具有高体积比能量密度及质量密度小的特点，其在轨道交通的研究在调车机车上更具应用可行性。基于公司调车机车平台，采取与高校或企业合作的方式，通过调研分析、理论仿真计算、样机开发、试验验证等手段进行研究。

表1 合金储氢系统技术参数

3.2 固态合金储氢应用分析

氢燃料电池消耗与车辆的行驶状态有关。快速行驶时希望储氢系统能够快速供氢，停车等待时则希望停止供氢，要求车载氢系统应该有很好的动态响应性能。补充燃料时，希望加氢过程在几分钟之内完成。寒冷的季节，气温会下降到零下几十度，要求储氢系统也能工作并及时供应氢气。以本公司设计的燃料电池的电堆功率100 kW为例，需要6 kg或7 kg氢气提供100 kW·h的电量，需要控制氢气的流速最小为2.3 g/s。所以在实际应用中，对充放氢的速率也有一定的要求。

将固态合金储氢运用在燃料电池系统上，对储氢量、氢气流量、体积能量密度、质量能量密度、充放氢时间、充放氢循环次数和空间有一定的要求，具体的氢燃料电池电堆的设计输入如表2所示。其中，体积能量密度为9.9 g/L和质量能量密度为2.23 wt%的是35 MPa高压储氢的参数。

表2 合金储氢系统技术参数

3.3 合金储氢系统和氢燃料电池系统

由于储氢合金材料在吸氢时会放热，放氢时会吸热，因此为保障其满足吸氢或放氢的要求，需要对合金储氢装置进行冷却或加热的热管理。合金储氢系统采用防冻液作为热管理介质，处于加氢状态时，防冻液的冷却依靠加氢站的冷水机进行，此时热管理管路上的电磁阀关闭，低温防冻液通过快速接头输送到合金储氢装置进行冷却换热；合金储氢系统处于供氢状态时，管路上的电磁阀开启，利用燃料电池工作时产生的热量经过换热器将防冻液加热，车载水泵将高温防冻液输送到合金储氢装置对其进行加热。将固态储氢和燃料电池集成于一体，利用燃料电池余热放氢，可吸收30%余热，减少了系统的换热能耗。合金储氢装置与燃料电池系统联动工作示意图如图4所示。

图4 氢燃料电池系统的结构示意图

4 结语

1)固态合金储氢技术由于安全、可靠，具有良好应用前景。开发适用于常温条件下低成本、高容量合金储氢材料，保证氢气安全有效的储存，是解决氢能规模化应用的关键。

2)将固态储氢发展成为商业车载储氢还须进一步提高质量储氢密度，降低分解氢的温度与压力，延长使用寿命等。

3)调车机车对重量敏感度较低，结合合金储氢具有高体积比能量密度及质量密度小的特点，合金储氢在轨道交通的研究在调车机车上更具应用可行性，但是在以后的应用研究中还需进一步考虑轻量化设计。

4)固态储氢系统放氢时可以利用燃料电池废热加热，整个燃料电池系统散热器功率需求降低，散热系统尺寸减小。

5)将固态合金储氢应用于轨道交通车辆，是实现新型储氢方式在轨道交通车辆应用突破，是未来车载储供氢的重要方式之一。