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. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 軍事科學院某研究所，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、低目標特征的總要求，從技術成熟與自主可控、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、適應性需求出發，提出了相應的氫源配置方案。

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，目標特征明顯，因此急需開發滿足靜默特征的新型電站。燃料電池用于移動電站，可原位替代傳統汽柴油電站，大幅提高裝備供電保障品質。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、低目標特征的要求，使得其對氫源的技術成熟與自主可控、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 技術成熟與自主可控需求

氫源技術成熟度與自主可控是影響燃料電池移動電站推廣應用的關鍵問題之一。當前氫源技術的發展呈現多元化[5]，主要包括物理儲氫技術、化學儲氫技術、重整制氫技術和水解制氫技術等。

物理儲氫技術中，高壓氣態儲氫無論傳統的鋼瓶或鋁瓶，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繞式儲罐均為成熟的貨架產品，技術成熟度≥TRL8；低溫液態儲氫，在歐美日等國家的運輸、加氫站和車載中都有應用，而我國液氫目前主要應用在航天領域，航天101所在液氫的制備、儲運、應用上都有成熟的經驗，然而在小型移動化方面技術難度大，目前尚在實驗室環境驗證階段，技術成熟度≤ TRL4。

化學儲氫技術中，合金儲氫已應用于德國212型燃料電池潛艇，技術成熟度≥TRL8，而在國內技術成熟度可達TRL6；有機液體儲氫方面，德國Hydrogenious Technologies、日本Chiyoda公司、武漢船用電力推進裝置研究所以及氫陽能源公司等均完成了相應體系的低功率級脫氫原型樣機研制，據公開資料，武漢船用電力推進裝置研究所的120 kW級催化燃燒供熱脫氫原型機預計技術成熟度≤TRL6，而對于更大功率級別未見諸報道，預計技術成熟度≤TRL3。

重整制氫技術中，甲醇重整制氫在民用方面有相應的產品或示范產品，日本開發了1～5kW燃料電池發電系統，應用于家庭供暖和應急電源方面；奔馳公司推出的Necar5燃料電池汽車，功率達到75kW，預計技術成熟度≤TRL7；國內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，預計技術成熟度≤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，預計技術成熟度≥TRL7；國內大連化物所完成了10 Nm3/h等功率等級樣機示范運行；對于乙醇重整，西班牙海軍設計的S80型燃料電池AIP潛艇采用乙醇重整制氫技術，技術成熟度≥TRL6；國內主要側重制氫反應動力學、熱力學及催化劑體系等研究，技術成熟度約TRL4；對于柴油重整，德國OWI公司完成基于柴油重整的SOFC，功率達到30 kW；AVL公司開發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，技術成熟度預計≥ TRL5，國內仍在實驗室研制階段，技術成熟度預計≤TRL4；而大功率柴油重整國內外均未見相關報道，技術成熟度預計≤ TRL3。

水解制氫技術中，NaBH4水解制氫領域，美國Millennium Cell公司開發了商業化的NaBH4水解制氫系統在Town & Country廂式旅行車進行了概念性應用；美國在21’UUV使用了NaBH4制氫系統；國內主要應用在攜行電源領域，技術成熟度預計≥TRL5，而該技術在大型制氫裝置領域，技術成熟度預計≤TRL3。Al水解制氫領域, 美國AlumiFuel動力公司開發了PBIS-2000型氫氣發生器，并裝備到Echo Ranger無人艇；國內已開發出小功率制氫樣機，技術成熟度預計≤ TRL6。MgH2水解制氫領域，目前多集中在材料開發與概念示范運行，技術成熟度預計≤ TRL4。

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

表1 氫源技術的安全可靠性、靜默特性進行分析

1.2 安全可靠與靜默特征需求

在野外條件下，供電系統對備用電站有著絕對的依賴性，對保障電力全天候、及時有效、持續地執行發電任務具有極其重要的意義。其中，安全可靠性是保障任務效能的首要因素，失去了安全可靠性，電站系統也就失去了使用價值。因此，針對新型移動電站對充分發揮發電效能的要求，對上述技術成熟且自主可控的氫源技術的安全可靠性、靜默特性進行分析，結果如表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以實際系統為載體完成使用環境驗證或完成使用任務，可靠性得到驗證；而有機液體儲氫目前處于民用示范階段，可靠性還待進一步驗證。在安全性方面，合金儲氫具有自保護功能、安全性高，另外四種氫源都存在潛在風險，不過風險可控。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，需要額外進行保溫處理。在噪聲抑制方面，合金儲氫和水解制氫過程最安靜，其他技術由于存在運動部件，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，有機液體與甲醇重整由于采用催化燃燒供熱技術，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

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

表2 氫源技術在不同功率等級下應用的儲氫能力對比

*表2所列數據包含了滿足移動電站啟動時間、運行時間、噪聲、輻射等指標的所必需的附屬設備（例如原料箱、保溫以及冷啟動設備等）；**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，電站系統本身重量不大，在運輸車本身運力充足的條件下，體積儲氫密度大更具優勢。Ti-Fe合金儲氫具有最高的體積儲氫密度，且技術成熟高、目標特征低、安全系數高，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重要，這也要求電站氫源系統具有更高的質量儲氫密度，同時也具備較高的體積儲氫密度，以便汽車等進行牽引快速響應。高壓儲氫由于附屬設備少，具有較高的重量儲氫密度，但體積占用大，需要更多的運輸單位進行牽引機動。甲醇重整制氫在大功率設備上技術成熟、集成程度高，質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、適應性兩個角度出發，提出了相應的氫源配置方案。

3.1 功率等級角度

針對1～4 kW功率級別，有機液體儲氫和甲醇重整制氫輔助復雜、耗能大、熱機時間長，不適合小功率級別。Ti-Fe合金具有最高的體積儲氫密度，在電站運輸車運力充足條件下具有優勢，且技術成熟高、目標特征低、安全系數高，適合小功率電站使用；高壓儲氫重量儲氫密度高、技術成熟高、目標特征低，但在使用環境中存在泄漏爆炸的安全隱患；NaBH4水解制氫優點是即制即用，特別在野外環境中，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，推薦使用合金儲氫，次選高壓儲氫；從即制即用出發，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，目前較難實現批量應用；有機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，也存在熱機時間長的問題；對于中小功率級別，可使用鈀膜純化技術，體積占用小相對具有優勢。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，12～30 kW推薦使用有機液體儲氫，也可選擇高壓儲氫和合金儲氫。

針對40～120 kW功率級別，有機液體儲氫由于大功率氫氣催化燃燒供熱技術未能解決，因此一般大功率移動供氫不宜選用有機液體儲氫。針對用戶需求的快響應要求電站的體積和質量盡可能小，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量受到嚴格限制的條件下，甲醇重整制氫具有很大的優勢，適合汽車等牽引提高快速機動能力；高壓儲氫體積占用較高、目標明顯，如被破壞將有泄露爆炸的風險，儲氫裝置較難同時具備高防護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，但由于質量儲氫密度低，同等條件下需要更多的運力。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 通用性與適應性角度

由于燃料電池發電系統本身的功率密度很高，特別是體積功率密度相對于油機優勢巨大。優勢的弱化主要是由現有的各種氫源均無法同時在體積和重量能量密度上與柴油媲美。所以采用目前技術成熟度最高、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電系統共同構成電站主機，這樣即使100 kW以上的電站都能用某輕型底盤轉載，充分體現燃料電池的優勢。主氫源僅作為短期應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用需求。由單一的電站主機與多種氫源保障車相結合可以同時兼顧裝備通用化和廣泛適應性的要求。

4 結語

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

1）從功率等級出發：1～4 kW功率級別移動電站氫源，從安全性和儲氫能力出發，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，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，12～30 kw推薦使用有機液體儲氫，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）從通用性與適應性出發：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電系統共同構成電站主機，結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用需求。

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

[2] 龔為佳, 沈衛東, 劉和軍, 等. 隱身技術在軍用移動電站排放中的應用[J]. 移動電源與車輛, 2009, 000(004): 24-28.

[3] 胡玉貴, 栗彥輝. 軍用移動電站需求分析[J]. 移動電源與車輛, 2001(01): 44-46.

[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]. 科學與信息化, 2018, 000(005): P.1-1.

[5] 張志蕓, 張國強, 劉艷秋,等. 車載儲氫技術研究現狀及發展方向[J]. 油氣儲運, 2018(11): 1207-1212.

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

湖北省重點研發計劃項目（2022BAA092）；武漢市科技計劃項目（2020010601012203）

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