氢能产业基础知识

氢能产业基础知识概述一、 氢气的基本性质1、 密度最小：分子量最小的物质，气体密度只有空气的十四分之一。常温常压下1kg氢气是11m3。2、 热值最高：单位质量热值120.5MJ/Kg，是天然气的2.5倍、汽柴油的2.6~2.8倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍。3、 沸点低、临界温度低：氢气的沸点-253°C，临界温度-240°C。因此氢气的节流降温转化点也很低，常温和普通低温下，氢气的节流膨胀过程温度升高明显。二、 氢气的安全性1、 易燃易爆：燃烧温度高、火焰为无色或淡蓝色，不易被发现；在空气中的燃烧爆炸范围是4%~75%。2、 密度小极易扩散：在敞开通风环境下极易扩散，扩散速度是天然气、石油气的数倍甚至十几倍，更不容易集聚，因而燃烧爆炸的风险更低、相对更安全。3、 分子小容易泄露：因此对涉氢设备的密封性要求比其它介质要求更高，检漏需要用氦气而不能仅用氮气。4、 金属的氢脆：氢分子渗透到金属材料中与碳原子结合会破坏金属结构导致机械性能下降，尤其是在高压下更加明显，因此储氢用的金属材料需要采用超低碳的316或316L不锈钢、A6061铝合金等。5、 车载氢瓶的安全性：合格的车载高压储氢瓶需经历严格的跌落、火烧、子弹贯穿的枪击等型式试验，用于汽车还需经过氢气泄漏点火试验等，已证明车载储氢瓶比汽柴油油箱更加安全。三、 燃料电池对所用氢气的要求燃料电池的工作原理是氢气和空气中的氧气发生电化学反应产生电能，其能量转化效率比传统燃烧型发动机高得多。最常用的PEM质子膜燃料电池，其重

要组成部分是双极板、膜电极、电解质膜和催化剂，而氢气中的CO、S及颗粒物等杂质会导致膜电极催化剂中毒、电解质膜劣化、双极板腐蚀等。因此燃料电池对所用氢气的纯度要求极高，杂质含量控制见下表：顼目名称国际标准指标氧气纯度（体积分数漩卫99.99氧（%立体积分数*1时w5总$含最《体禊分数）/10'^定4氛（NHJ（体枳分数、gw100-氧化碳（cou休枳分数）rio* w0.2二氧化碳枳分数）/1俨<2总炷（以CHE乂体机分数VI062卤化物［以氯化氢计｝（体积分数”1（^5仆水W5ppm（体税分数｝颔粒物4ig/LWC,w E 四、氢的来源和氢气的储运1、氢气的来源：主要包括：工业副产氢（如丙烷脱氢、氯碱工厂、钢铁行业等），煤制氢，天然气重整制氢，水电解制氢。其中工业副产氢和煤制氢的成本最低，氢源价格在1元/m3及以下；天然气重整制氢其次，水电解制氢的成本最高，仅制氢耗电量在5kWh/m3左右。2、氢气的储运：因为常态下密度太小，必须以高压或低温液氢的状态进行储运。不同状态下高压氢气与低温液氢的密度见下表：压力（MPa）0.1013102035700.1013温度（°C）2020202020-253氢气密度（g/L）0.0898.115.224.841.370.8应用场景工业高压钢瓶长管拖车运输车载储氢系统车载储氢系统液氢储存运输从表中可以看出：液氢的密度最大，因此适合未来大规模储存和长距离运输，而目前阶段国内最常用的运输方式是20MPa长管拖车，单次氢气运输量在350kg左右。对于燃料电池车辆用的氢气储存，普遍采用高压氢瓶供氢系统，目前商用车辆如物流车和大巴车工作压力35MPa，采用多个140L的高压氢瓶，单个氢瓶的储氢量约3.2kg。续航里程要求较高的乘用车和城际客车采用70MPa的高压储氢瓶组，单个氢瓶的容积在50-80L不等，主要是由于乘用车的空间狭小限制了氢瓶容积。五、燃料电池车辆车载供氢系统为燃料电池车辆提供氢气燃料。考虑到轻量化和安全性的因素，目前最普遍应用的是铝内胆碳纤维缠绕的高压三型瓶。截至2018年4月，国内有14个品牌共28款燃料电池车型取得工信部车辆公告。车辆种类有客车、城市客车、箱式运输车、冷藏车、载货车物种，主要用于城市物流和客运公交巴士。配置的燃料电池的额定功率在30-45kW之间，续航里程在300-500公里之间。其百公里耗氢量根据车型和功率不同而有所不同，车载供氢系统配置和储氢量根据续航里程的不同而有所不同，详见下表:厂家车型尺寸规格续航里程储氢量(kg)百公里耗氢量(kg)佛山飞驰城市客车11米N300公里约26.4<6.5城市客车8.5米N300公里约13.2约4福田欧辉城市客车8.5米N300公里约13.2约4城市客车10米N300公里约19.8约6郑州宇通城市客车12米N300公里约26.4<8.8厦门金旅考斯特N300公里约8<2.5厦门金龙城市公交车12米N300公里约26.4<8.8蜀都客车城市公交车9米N300公里约19.8<6.5东风特汽箱式物流车7.5TN300公里约9.3<2.8江苏奥新箱式物流车7.5TN300公里约9.3<2.8丰田Mirai乘用车5座N500公里5kg约0.93厂家车型尺寸规格续航里程储氢量(kg)百公里耗氢量(kg)本田CVClarity乘用车5座590公里5.5kg约0.93奔驰GLCF-Cell乘用车5座437公里4kg约0.92六、加氢站基础设施建设由于燃料电池的工作压力在1MPa左右，因此车载供氢系统一般在残余压力为3MPa左右的时候就很难向电池提供燃料，一般建议司机在余压5-8MPa时就要加氢，以规避熄火需要救援的风险。一般物流车采用140L的3瓶组系统，公交车大巴车有4瓶组、6瓶组、8瓶组等多种形式。因此，对于常见的3瓶组物流车，虽然满载储氢量为9.9kg，但每次最大加氢量一般不超过8.5kg。对于8瓶组的公交大巴车，满载储氢量为25.4kg，但每次最大加氢量一般不超过22kg。对于乘用车，每次加氢量在3-4kg左右。氢气与其它气体相比，最特殊的物理性质就是在加氢膨胀过程的温度升高，而纤维缠绕的复合氢瓶耐受的温度一般不超过105°C。因此加氢站的加氢过程，要想实现快速加氢，必须对加注前的高压氢气进行预冷。对于35MPa氢气的加注，预冷到5-20C可实现快速加氢；对于70MPa氢气的加注，预冷到-25至-40C才可实现快速加氢。快速加氢的速度一般在1~2kg/分钟。在基于加注前氢气预冷的条件下，乘用车可在3-5分钟