氫能源在電動汽車中的應用綜述

氫能源是在當今電動汽車中，比較受歡迎的能源之一，本文將總結氫能源在電動汽車中的各種應用以及對汽車設計所造成的影響。

1　從氫氣生產到燃料電池汽車的二氧化碳排放路徑評估利用[1]

在這項研究中，作者研究了最先進的燃料電池（FC）技術，并確定較少污染的技術。然后對燃料電池電動汽車（FCEV），純電池電動汽車和內燃機汽車的環境影響進行建模。燃料電池電動汽車使用氫氣作為能源。最好的選擇是在大型集中式工廠的蒸汽甲烷重組（SMR）或煤氣化中進行制取，并同時使用碳捕獲和碳儲存(CSS)技術。從氫氣生產地向加油站輸送氫氣的最好方法是通過管道輸送氫氣，但是它們的建造將具有相當大的成本。現有的輸送方式是在較短的行程中將氫氣壓縮進行公路運輸，如果是較長的行程，則將氫氣進行液化。

在2020/2025年之后，FCEVs是比內燃機汽車（ICE）更好的選擇，到2030年達到歐洲的目標。當氫氣在大型集中式工廠生產，通過管道或卡車以壓縮狀態交付時，情況類似。預計氫氣在液化后通過公路運輸的情景在一兩年內與壓縮管道或道路運輸相比具有相當的排放績效。在生產路徑中使用SMR可以提供比運行標準內燃機ICE車輛更好的排放解決方案，而且還可以滿足歐洲目標。我們還計算，直到2033年，通過壓縮氫氣，通過公路運輸或通過管道輸送的FCEV的使用比同等收費的電動汽車（EV）污染更小。同樣，與CCS煤氣化相比，為電動汽車提供了降低（或相當）二氧化碳排放的途徑。但是，如果在加油站現場為FCEV生產氫氣，總排放量明顯高于EV所獲得的排放量。

2　燃料電池汽車氫燃料基礎設施[2]

燃料電池動力系統將氫轉化為電力來驅動車輛，其效率大約是傳統車輛的兩倍。氫燃料電池車輛通常能夠長途旅行（即超過500公里或300英里的續駛里程），并且短暫的加油時間與常規車輛相當。

本文評估了全球氫燃料基礎設施網絡的發展情況。匯編了目前燃料電池汽車技術發展狀況的數據。總結了氫燃料基礎設施、技術路線、站點規劃以及燃料電池汽車發展市場的資金來源。本文重點介紹燃料電池汽車氫燃料的基礎設施，但并未涉及生產氫所需的系統或過程。由于在這些地區進行了更廣泛的研究和活動，大部分的數據和分析研究都是基于加利福尼亞州、歐洲、日本和韓國的工作。包括在這個評估中的是能源公司、汽車制造商、車站開發商和政府的投資，這可能為未來幾年燃料電池汽車市場的快速增長鋪平道路。最后討論基于這一評估，分析公共政策和投資戰略的影響，以指導氫能基礎設施的部署。

氫基礎設施網絡在汽車制造商、氫氣供應商和政府共同感興趣的地方繼續開發，為更多的燃料電池汽車部署鋪平道路。美國能源部最近的分析提供了全球氫能基礎設施發展狀況的全球統計數據。截至2016年底，全球至少有150個氫氣站建成，其中加州，德國和日本各有50多個。世界各地眾多的公司提供設備和建設站點。其中包括空氣產品公司、林德、液化空氣、殼牌和道達爾等。現有的氫基礎設施大部分是在過去幾年中發展起來的。在大多數情況下，開發商已經試圖估計當地的燃料電池車輛部署數量作為預測燃料需求的手段。作者根據各地政府部門和氫氣協會的數據，回顧關鍵市場的進展情況。

3　氫和燃料電池汽車全球技術法規中的氫監測要求[3]

聯合國歐洲經濟委員會全球技術法規（GTR）第13號（氫和燃料電池車輛全球技術法規）是規定氫能車輛，特別是燃料電池電動車輛（FCEV）安全要求的定義文件。GTR第13號已正式通過，將作為北美（由美國牽頭）、日本、韓國和歐盟的FCEV安全國家監管標準的基礎。GTR定義了這些車輛的安全要求，包括在使用中和碰撞后條件下車輛允許氫氣含量的規范以及某些正常運行模式下車輛排氣中的允許氫氣排放水平。但是，為了納入國家法規，即具有法律約束力，必須有驗證符合具體要求的方法。在一個合作項目中，美國國家可再生能源實驗室和荷蘭能源與運輸研究所聯合研究中心一直在評估和開發分析方法，可以用來驗證氫氣釋放的符合GTR中規定的要求。

GTR 13號有幾個氫氣監測要求。在NREL和JRC傳感器實驗室工作證明了商用傳感器技術可用于驗證是否符合GTR的要求。這些發現被提供給美國交通運輸部（DOT），并因此提供給GTR委員會和氫氣社區。已經證明了在碰撞測試之后驗證燃料系統完整性的方法，而FCEV廢氣分析儀的開發目前正在開發中，分析儀的低成本傳感器已經確定。

4　燃料電池車輛的氫氣質量標準[4]

本文涉及氫氣加氫點分配的氫氣純度，預期符合ISO 14687-2標準（第2.2節）中包含的技術規格。ISO 14687-2將計量需求定義為：“由于燃料電池汽車（FCV）及相關技術正在迅速發展，所以ISO 14687的這一部分需要根據技術進步進行必要的修改，以減少約束檢測的限制”。ISO 14687-2標準列出了顆粒和13種氣體化合物（氨、Ar、CO、CO2、甲醛、甲酸、H2O、He、N2、O2、總鹵代化合物（HCl）總烴類化合物、總硫化合物），在供應燃料電池電動車輛（FCEV）的氫氣中不應超過規定值。目前推薦的方法并不適用于所有13種氣體成分，這主要是由于檢測濃度極限太低。在這些低的濃度下監測這些參數既耗時又昂貴，因為它需要建立多種采樣和分析技術，新的方法將在需要時開發。通過定義方法的相關性能特征（選擇性、測量不確定性、量化限制、工作范圍、穩健性、正確性和精度...），實驗室將能夠根據所研究的參數選擇合適的分析方法。西班牙國家測量研究所參考氣體實驗室（CEM）分析了真實樣品中的氬（Ar），氦（He），氮（N2）和氧（O2）的雜質。樣品由氫氣生產廠提供，采用甲烷重組（SMR），電解或氯堿工藝獲得氫氣。對具有代表性的一些氫氣生產廠的氫氣樣品進行分析將證實當前的專業知識，并用分析數據驗證生產過程風險評估。將使用最先進的方法在氫氣樣品中測量ISO 14687-2的13個氣體參數（顆粒除外），以達到上述標準中規定的最高精度值。如果測量值低于規定值，則采用最低檢測限的分析方法測量氫氣樣品中的雜質濃度。

樣品的雜質分析使用帶有熱導檢測器的色譜分離技術進行。重量法制備的氣體標樣與樣品的對比最終確定了氧氣，氦氣，氬氣和氮氣中的雜質水平低于ISO 14687-2中的閾值。

5　燃料電池汽車的儲熱器儲氫系統[5]

本文基于低溫吸附劑，開發用于燃料電池車輛的氫儲存系統的評估的數值模型，并且針對實驗數據進行驗證。模型同時解釋吸附熱力學方程和熱，質量和動量守恒方程。還應用氫的真實氣體熱力學性質。將模型預測與活性炭和MOF-5?系統的充放電數據進行比較。該模型的應用包括詳細的有限元分析模擬和完整的車輛系統分析，將吸附劑系統與壓縮氣體，金屬氫化物和化學儲氫系統進行比較，基于80 kW燃料電池，使用標準驅動循環進行評估。美國能源部組建了優秀氫儲存工程中心（HSECoE），將材料開發和氫氣儲存技術相結合，共同解決所有在輕型車輛應用中的車載氫存儲問題。

在參數分析中使用完整的系統模型，比較吸附材料及其條件、壓力容器類型、內部換熱器和操作條件等特定選項下的預期系統設計性能。考慮到各種物理和工程限制，系統設計選項從幾十億降低到數百萬個選項。然后根據這些設計方案估算系統成本，體積容量和并對重量進行排序。使用這些排序，選擇了兩個系統設計，即HexCell和MATI系統設計。此外，參數分析的趨勢和比較為改進領域和未來研究方向提供指導。注意，在對HSECoE進行上述參數分析之前，由于缺乏可用的實驗數據，幾種吸附劑材料被排除在考慮之外。使用本工作中描述的工具，現在可以評估這些材料是否有必要的數據。

6　中型和重型市場氫燃料電池電動車的設計[6]

應用氫燃料電池技術，降低中型和重型車輛（MHDV）的污染物排放標準，溫室氣體排放和石油消耗。本文研究中考慮到氫燃料電池的應用范圍，氫燃料電池MHDV是否會受到空間或重量限制，為了探索車輛的續駛里程、尺寸、商業和燃料經濟性與氫燃料電池技術之間的關系，需要一種方法來確定車輛上的氣態氫燃料的近似可用的體積。車輛儲罐的位置以及儲罐的相對尺寸直接有助于潛在的車輛續駛里程。

開發了氫燃料電池電動卡車的研究方法，將質量和尺寸限制與車輛使用和燃料經濟聯系起來。為12輛樣車創造了一個設計空間，跨越了構成MHDV市場大部分的許多車輛重量級別和商業用途。這個設計空間捕捉了車輛可能存在的潛力和限制，這取決于可用的車載氫氣儲存量和燃油經濟性。提供了有關350bar和700bar儲存壓力下所需儲氫量的理想范圍，儲罐位置的儲存潛力以及車輛最大和最小續駛里程估算值。

結果表明，大多數MHDV具有足夠的空間用于將儲氫罐安裝在駕駛室后面和/或底盤下方，以容納每個車輛部分日常續駛里程的90%，盡管識別標準尺寸，設計和這些組件的放置可能是有挑戰性的。

[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