新型燃料电池移动电站氢源分析

程 臣，孟海军，向 宇，叶东浩

新型燃料电池移动电站氢源分析

程 臣1，孟海军2，向 宇3，叶东浩1

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 军事科学院某研究所，北京 100141；3.防化研究院，北京 100191）

针对新型移动电站对高效可靠、自主可控、小型轻量、低目标特征的总要求，从技术成熟与自主可控、储氢能力、安全可靠性、红外特征、噪声、排放等方面分析了新型燃料电池移动电站对氢源的需求；并从用户对电站不同功率等级和通用性、适应性需求出发，提出了相应的氢源配置方案。

移动电站；燃料电池；氢源；配置方案

0 引言

目前汽柴油电站存在着工作温度高、振动噪音大、排放高温有害尾气等问题，目标特征明显，因此急需开发满足静默特征的新型电站。燃料电池用于移动电站，可原位替代传统汽柴油电站，大幅提高装备供电保障品质。为了满足新型燃料电池移动电站对高效可靠、自主可控、小型轻量、低目标特征的要求，使得其对氢源的技术成熟与自主可控、储氢能力、安全可靠性、红外辐射、噪声、排放等方面也提出了新的更高的要求[2～4]。

1 氢源需求分析

1.1 技术成熟与自主可控需求

氢源技术成熟度与自主可控是影响燃料电池移动电站推广应用的关键问题之一。当前氢源技术的发展呈现多元化[5]，主要包括物理储氢技术、化学储氢技术、重整制氢技术和水解制氢技术等。

物理储氢技术中，高压气态储氢无论传统的钢瓶或铝瓶，还是车用碳纤维全缠绕III或VI型瓶，或者固定式大直径储氢长管和钢带错绕式储罐均为成熟的货架产品，技术成熟度≥TRL8；低温液态储氢，在欧美日等国家的运输、加氢站和车载中都有应用，而我国液氢目前主要应用在航天领域，航天101所在液氢的制备、储运、应用上都有成熟的经验，然而在小型移动化方面技术难度大，目前尚在实验室环境验证阶段，技术成熟度≤ TRL4。

化学储氢技术中，合金储氢已应用于德国212型燃料电池潜艇，技术成熟度≥TRL8，而在国内技术成熟度可达TRL6；有机液体储氢方面，德国Hydrogenious Technologies、日本Chiyoda公司、武汉船用电力推进装置研究所以及氢阳能源公司等均完成了相应体系的低功率级脱氢原型样机研制，据公开资料，武汉船用电力推进装置研究所的120 kW级催化燃烧供热脱氢原型机预计技术成熟度≤TRL6，而对于更大功率级别未见诸报道，预计技术成熟度≤TRL3。

重整制氢技术中，甲醇重整制氢在民用方面有相应的产品或示范产品，日本开发了1～5kW燃料电池发电系统，应用于家庭供暖和应急电源方面；奔驰公司推出的Necar5燃料电池汽车，功率达到75kW，预计技术成熟度≤TRL7；国内爱驰汽车和吉利汽车均推出了甲醇燃料汽车，但并未正式商用，预计技术成熟度≤TRL5；在特种用途方面，国外德国216级潜艇采用甲醇重整制氢，2021年正式服役；新加坡采购的外销型218SG已于2019年下水，预计技术成熟度≥TRL7；国内大连化物所完成了10 Nm³/h等功率等级样机示范运行；对于乙醇重整，西班牙海军设计的S80型燃料电池AIP潜艇采用乙醇重整制氢技术，技术成熟度≥TRL6；国内主要侧重制氢反应动力学、热力学及催化剂体系等研究，技术成熟度约TRL4；对于柴油重整，德国OWI公司完成基于柴油重整的SOFC，功率达到30 kW；AVL公司开发的第一代和第二代基于柴油重整的APU，额定功率分别为1.5和3 kW，技术成熟度预计≥ TRL5，国内仍在实验室研制阶段，技术成熟度预计≤TRL4；而大功率柴油重整国内外均未见相关报道，技术成熟度预计≤ TRL3。

水解制氢技术中，NaBH4水解制氢领域，美国Millennium Cell公司开发了商业化的NaBH4水解制氢系统在Town & Country厢式旅行车进行了概念性应用；美国在21’UUV使用了NaBH4制氢系统；国内主要应用在携行电源领域，技术成熟度预计≥TRL5，而该技术在大型制氢装置领域，技术成熟度预计≤TRL3。Al水解制氢领域, 美国AlumiFuel动力公司开发了PBIS-2000型氢气发生器，并装备到Echo Ranger无人艇；国内已开发出小功率制氢样机，技术成熟度预计≤ TRL6。MgH2水解制氢领域，目前多集中在材料开发与概念示范运行，技术成熟度预计≤ TRL4。

通过技术成熟与自主可控比较分析：国外氢源技术技术成熟度均要相对高于国内。针对新型移动电站对技术成熟与自主可控的要求，燃料电池电站氢源均要选择技术成熟高且自主可控的技术，由此筛选出高压储氢、合金储氢、有机液体储氢、甲醇重整制氢、硼氢化钠水解制氢等先进氢源技术。

表1 氢源技术的安全可靠性、静默特性进行分析

1.2 安全可靠与静默特征需求

在野外条件下，供电系统对备用电站有着绝对的依赖性，对保障电力全天候、及时有效、持续地执行发电任务具有极其重要的意义。其中，安全可靠性是保障任务效能的首要因素，失去了安全可靠性，电站系统也就失去了使用价值。因此，针对新型移动电站对充分发挥发电效能的要求，对上述技术成熟且自主可控的氢源技术的安全可靠性、静默特性进行分析，结果如表1所示。

通过安全可靠性与静默特性比较分析：在可靠性方面，合金储氢、高压储氢、水解制氢、甲醇重整制氢都已经以实际系统为载体完成使用环境验证或完成使用任务，可靠性得到验证；而有机液体储氢目前处于民用示范阶段，可靠性还待进一步验证。在安全性方面，合金储氢具有自保护功能、安全性高，另外四种氢源都存在潜在风险，不过风险可控。在热辐射方面，高压储氢热辐射抑制最好，其次是合金储氢和水解制氢，其他氢源由于在高温条件下工作，热辐射较强，需要额外进行保温处理。在噪声抑制方面，合金储氢和水解制氢过程最安静，其他技术由于存在运动部件，存在一定噪声，但噪声均＜70 dB@1 m。在尾排方面，合金储氢、水解制氢与高压储氢放氢过程均无排放，有机液体与甲醇重整由于采用催化燃烧供热技术，均存在尾气排放，但排放温度不超过40℃。因此，从安全可靠性与静默特性角度分析，合金储氢具有最好的综合性能。

1.3 储氢能力需求

一般采用质量储氢密度和体积储氢密度这两个参数来评估氢源系统的储氢能力。为了满足新型燃料电池移动电站对小型轻量的要求，这就要求氢源系统有更高的质量和体积储氢密度。针对用户对移动电站需求的多个功率等级，对筛选出的氢源技术在不同功率等级下应用的储氢能力进行分析，其结果如下表2所示。

表2 氢源技术在不同功率等级下应用的储氢能力对比

*表2所列数据包含了满足移动电站启动时间、运行时间、噪声、辐射等指标的所必需的附属设备（例如原料箱、保温以及冷启动设备等）；**脱氢热量来源于氢气催化燃烧供热；***甲醇重整制氢包含氢气纯化设备。

通过储氢能力比较分析：对于小中功率级别电站，电站系统本身重量不大，在运输车本身运力充足的条件下，体积储氢密度大更具优势。Ti-Fe合金储氢具有最高的体积储氢密度，且技术成熟高、目标特征低、安全系数高，更适合小中功率电站使用。在大功率级别电站上，电站轻量化对于移动电站的快速移动能力至关重要，这也要求电站氢源系统具有更高的质量储氢密度，同时也具备较高的体积储氢密度，以便汽车等进行牵引快速响应。高压储氢由于附属设备少，具有较高的重量储氢密度，但体积占用大，需要更多的运输单位进行牵引机动。甲醇重整制氢在大功率设备上技术成熟、集成程度高，质量储氢密度高且具有相对高的体积储氢密度，满足大功率移动电站小型轻量的要求。

3 氢源配置方案

基于上述分析，从用户对燃料电池移动电站不同功率等级需求和通用性、适应性两个角度出发，提出了相应的氢源配置方案。

3.1 功率等级角度

针对1～4 kW功率级别，有机液体储氢和甲醇重整制氢辅助复杂、耗能大、热机时间长，不适合小功率级别。Ti-Fe合金具有最高的体积储氢密度，在电站运输车运力充足条件下具有优势，且技术成熟高、目标特征低、安全系数高，适合小功率电站使用；高压储氢重量储氢密度高、技术成熟高、目标特征低，但在使用环境中存在泄漏爆炸的安全隐患；NaBH4水解制氢优点是即制即用，特别在野外环境中，燃料包用完就地抛弃或掩埋，制氢高效快捷。因此，从安全性和储氢能力出发，推荐使用合金储氢，次选高压储氢；从即制即用出发，推荐使用水解制氢。

针对6～30 kW功率级别，水解制氢成熟度低，目前较难实现批量应用；有机液体储氢重量和体积储氢密度较高且相对平均，但冷启动时间过长；甲醇重整制氢由于配备了变压吸附纯化装置，体积占用较大，也存在热机时间长的问题；对于中小功率级别，可使用钯膜纯化技术，体积占用小相对具有优势。所以，对于6～30 kW功率级别移动电站氢源，6～12 kW推荐使用甲醇重整+钯膜纯化技术，12～30 kW推荐使用有机液体储氢，也可选择高压储氢和合金储氢。

针对40～120 kW功率级别，有机液体储氢由于大功率氢气催化燃烧供热技术未能解决，因此一般大功率移动供氢不宜选用有机液体储氢。针对用户需求的快响应要求电站的体积和质量尽可能小，甲醇重整制氢具有较高的重量储氢密度和体积储氢密度，这就意味着在安装电站的空间和质量受到严格限制的条件下，甲醇重整制氢具有很大的优势，适合汽车等牵引提高快速机动能力；高压储氢体积占用较高、目标明显，如被破坏将有泄露爆炸的风险，储氢装置较难同时具备高防护等级和快速排氢的条件；合金储氢因其极高的安全性和静默特性，满足大功率使用，但由于质量储氢密度低，同等条件下需要更多的运力。因此，对于40～120 kW功率级别移动电站氢源推荐使用甲醇重整，次选高压储氢和合金储氢。

3.2 通用性与适应性角度

由于燃料电池发电系统本身的功率密度很高，特别是体积功率密度相对于油机优势巨大。优势的弱化主要是由现有的各种氢源均无法同时在体积和重量能量密度上与柴油媲美。所以采用目前技术成熟度最高、通用性最好的碳纤维瓶或合金储氢作为主氢源，采用小容量的主氢源与燃料电池发电系统共同构成电站主机，这样即使100 kW以上的电站都能用某轻型底盘转载，充分体现燃料电池的优势。主氢源仅作为短期应急供氢和氢源更换的缓冲使用，主要的氢源由专用的氢源保障车提供。保障车可以采用不同的制氢方式、不同的容量、不同的底盘和方舱以满足不同应用需求。由单一的电站主机与多种氢源保障车相结合可以同时兼顾装备通用化和广泛适应性的要求。

4 结语

基于上述氢源需求分析，根据移动电站不同功率等级以及通用性、适应性需求，提出相应的氢源配置方案：

1）从功率等级出发：1～4 kW功率级别移动电站氢源，从安全性和储氢能力出发，推荐使用合金储氢，次选高压储氢；从即制即用和静默特征出发，推荐使用水解制氢；6～30 kW功率级别移动电站氢源，6～12 kw推荐使用甲醇重整+钯膜纯化技术，12～30 kw推荐使用有机液体储氢，也可选择高压储氢和合金储氢； 40～120 kW功率级别移动电站氢源推荐使用甲醇重整制氢，次选高压储氢和合金储氢。

2）从通用性与适应性出发：采用高压储氢和合金储氢等小容量的主氢源与燃料电池发电系统共同构成电站主机，结合氢源保障车采用不同的制氢方式、不同的容量、不同的底盘和方舱以满足不同应用需求。

[1] 张强. 军用移动电站技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2016:1-4.

[2] 龚为佳, 沈卫东, 刘和军, 等. 隐身技术在军用移动电站排放中的应用[J]. 移动电源与车辆, 2009, 000(004): 24-28.

[3] 胡玉贵, 栗彦辉. 军用移动电站需求分析[J]. 移动电源与车辆, 2001(01): 44-46.

[4] 蔡成闯, 秦亮. 浅析影响军用移动电站安全性和可靠性的有害因素及控制[J]. 科学与信息化, 2018, 000(005): P.1-1.

[5] 张志芸, 张国强, 刘艳秋,等. 车载储氢技术研究现状及发展方向[J]. 油气储运, 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

湖北省重点研发计划项目（2022BAA092）；武汉市科技计划项目（2020010601012203）

程臣（1990-），男，工程师，研究方向：燃料电池氢源技术。E-mail:184479495@qq.com