氫安全系列之二十五:液氫應用之FCV加氫過程

這篇文章接上篇文章液氫應用的內容,專門討論一個至少在我看來有點意思的技術問題,即燃料供應為液氫(LH2)的加氫站給采用壓縮氫氣(CGH2)車載儲氫系統(CHSS)的燃料電池車輛(FCV)加氫的過程。

LH2: Liquid Hydrogen

CGH2: Compressed Gas Hydrogen

CHSS: Compressed Hydrogen Storage System

FCV: Fuel Cell Vehicle

如何將液氫轉化為壓縮氫氣並註入車載高壓氫儲罐?這個問題會不會像把大象放進冰箱的三個步驟,開門,把大象放進去,再關門這麼簡單?

圖片來源:Shutterstock

加氫一共有三種情況:

液氫加氫站 – 液氫FCV

液氫加氫站 – 氣氫FCV

氣氫加氫站 – 氣氫FCV

這裡主要討論的是氣氫FCV的加氫過程,特別是加氫站采用液氫作為燃料供應的情況。

先來看一下FCV加氫的任務。這個任務需要將溫度-253度左右,壓力5Bar以下的液氫轉化為常溫的700Bar/350Bar的壓縮氫氣。在整個加註過程中氫燃料將從液氫儲罐轉移至車載壓縮氫氣儲罐。

再看一下這個任務的需求。

從司機的角度,FCV加氫應該對比汽柴油車加油,加氫速度夠快,可以在3分鐘加滿至少夠開500公裡的氫燃料;操作應該方便,司機可以自助加氫;加氫過程有足夠的安全性。

圖片:司機可以按指引獨立完成加氫操作(來源:網絡)

從運營商的角度,加氫的成本應盡量降低;加氫站有足夠的安全性;加氫系統必須對各種品牌和車型的FCV兼容。

加氫的成本可以大致分為三塊,一是加氫站的投資,包括是土地成本和設備成本,二是加氫站的運營維護成本,三是加氫的能量消耗。

減少加氫站的投資,一方面要求盡可能降低設備成本,另一方面要求設備盡量緊湊,節省空間,以減少占地面積,不過加氫站的占地面積受到四周安全隔離距離要求的限制,要符合當地法規,不可能任意縮小。加氫站的基本運營維護成本需要對標加油站。

加氫的能量消耗是一個非常重要的成本因素,和儲氫一樣,如後面的介紹,加氫的過程要遠比加油復雜,能耗也要大很多,這是選擇加氫設備非常重要的指標,如果每次加氫都要多耗幾度電,這個成本最終是要消費者買單的。加氫能耗這個問題是這篇文章後面要討論的。

加氫站的安全性是個很大的話題,後面會有專題文章介紹,這篇文章隻是在附錄給出瞭一些相關標準做參考。

加氫設備的兼容性又包括兩個方面的標準化,一個是加氫接口的標準化,一個是加氫協議的標準化。

加氫接口的標準化

加氫接口需要標準化是因為機械上加氫槍與FCV的加氫接口必須匹配,連接緊固,才可以安全可靠的將高壓氫氣註入車載儲氫罐。不止是尺寸必須統一,連接必須保證各種機械特性,比如連接的可靠性(不會在外部機械應力或內部壓力下松脫),抗壓密封性(不會漏氣),反復插拔的耐久性等等。

圖片: 豐田Mirai加氫口

圖片:WEH壓縮氫氣加氣槍(Fueling Nozzle, TK17H2),70Mpa

圖片: WEH壓縮氫氣加氣槍(Fueling Nozzle, TK16H2), 25-45Mpa

以下是壓縮氫氣的加氫接口(加氫槍)的國際標準。

ISO 17268

Gaseous hydrogen land vehicle refuelling connection devices

氣態氫陸地車輛加氫連接設備

SAE J2600

Compressed Hydrogen Surface Vehicle Fueling Connection Devices

壓縮氫氣地面車輛加氫連接設備

加氫協議的標準化

加氫協議是加氫過程的標準化。

加氫的過程可不像拿個水盆接水這麼簡單,壓力不大的情況下,擰開龍頭,水就出來瞭,接到差不多滿時把龍頭關上,如果覺得水少瞭,再擰開龍頭,放小水量多接一點。車載儲氫罐的壓力可是700Bar啊。加氫不但要求快速,還要精確,更要保證安全性。這邊一個司機說我要加滿,如何保證不會過充,使車載儲氫罐過壓產生危險?那邊一個司機說我要加一公斤氫或者加200塊的氫,怎麼保證加氫量的精確?沒剎住一下加多瞭一公斤,多加的氫氣收不收錢呢?

安全性更是一個大問題。因為要求加氫的速度對標加油,在短時間將大量的高壓氫氣註入車載儲氫罐,會使氫氣連帶儲罐快速升溫,長期反復的過溫沖擊可能造成儲罐破裂的風險。為瞭保證儲罐在快速加註後溫度不會過高,氫氣在加註前必須預冷!

整個加註過程必須通過標準化的加氫協議來規范。

目前汽車行業采納的加氫協議國際標準是SAE J2601,最新版本是基於2010版的2020年修訂版。

SAE J2601:2020

Fueling Protocols for Light Duty Gaseous Hydrogen Surface Vehicles

輕型氫燃料車輛的加氫協議

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類似的情況可以參考電動車充電的標準化以及手機等移動設備充電的標準化。

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SAE J2601加氫協議

這篇文章的主要任務是討論從氫燃料從加氫站的固定式LH2儲罐到車載CGH2儲罐的加氫過程,簡單介紹SAE J2601加氫協議是為瞭讀者更好的理解這一過程的實現方法。後面還會有專題文章詳細介紹SAE J2601。

SAE2601協議的范圍包括容積在49.7升至248.6升之間的H35車載儲罐和大於49.7升的H70車載儲罐,最大流量速率為60g/s。

圖表:SAE2601適用范圍

表格中H35/H70為壓力等級,分別為35MPa和70MPa。

車載儲罐的容量等級分為ABCD四等,容量等級對應儲罐的容積和儲氫質量(100% SOC時,單位kg)如下表所示。

圖表:車載儲罐容量等級

Txx是CGH2預冷的溫度等級,T10/T20/T30/T40分別對應-10°C,-20°C,-30°C,-40°C的等級。具體的范圍是T40 (-40 °C to -33 °C), T30 (-33°C to -26 °C), T20 (-26°C to -17.5 °C)。

加氫過程中氫氣和儲罐的溫度會上升,溫度上升的速率以及最終達到的溫度與加氫速率有關。從用戶體驗來說,加氫的速度越快,加氫需要的時間越短越好。SAE 2601設定的目標是3分鐘加滿(State of Charge/SOC >=95%)。但是加氫速度越快,儲罐溫度上升的速率越快,儲罐在加氫過程中的溫升也越大。如果不希望儲罐過熱,壓縮氫氣預冷的溫度就必須更低。而預冷的溫度越低,消耗的能量就越大。即使不考慮能耗,預冷溫度也不能無限降低,受限於車載儲罐的低溫承受能力。當前版本的SAE J2601允許的最低預冷溫度是-40°C,即T40等級。

3分鐘加滿*的用戶體驗已經可以對標傳統車輛加油的體驗,沒有必要再進一步縮短加氫時間。如何在不犧牲加氫速度的條件下提升預冷溫度以降低能耗才是業界的研究熱點。目前可以滿足3分鐘加滿的實用加氫系統都是T40的。當前技術條件下T30和T20等級的加氫時間過長而無法商用。2020版SAE J2601覆蓋T40,T30和T20等級,T10也可能在未來版本中納入。

*一次加氫的實際時間受很多因素影響,包括環境溫度,車載儲罐的容量大小,儲罐初始壓力,客戶要求的加氫量(目標SOC),加氫速度(儲罐壓力上升速度)等。SAE2601中3分鐘加滿的參考條件是環溫20°C,初始壓力10MPa,SOC=95%。

為瞭保護儲罐,加氫過程中車載儲罐內的氫氣溫度不得超過85°C。

加氫過程如下圖所示。

圖片:加氫過程示意曲線(來源SAE J2601曲線)

加氫與加油的一個不同之處在於加油過程中油的密度是不變的,加油前油箱是空的,加油過程中油逐漸占滿油箱, 所以加油是按容積(單位升)計量的;而加氫過程中氫氣的密度在增大,壓縮氫氣儲罐在加氫前後都是滿的,所以加氫不能按容量計量,而是按質量(單位公斤)計量的。

圖片:加氫過程中車載CGH2儲罐的溫度與壓力變化示意圖(來源:SAE J2601)

為瞭得到加氫過程中儲罐壓力變化與加氫量(質量)的關系,SAE J2601建立瞭兩種方法,分別是查表法(Table based fueling protocol)和公式法(MC formula-based fueling protocol)。

查表法根據固定的壓力上升速率建立瞭一個表格,可以通過加氫前後儲罐的工作壓力查詢表格得到加氫量,或者反之基於加氫量的要求得到加氫結束後儲罐的工作壓力。而公示法是根據動態的壓力上升速率在整個加氫過程實時計算加氫量。

註意一下無論加氫站采用的加氫協議與采用液氫供應還是壓縮氫氣供應無關。

為瞭不讓這篇文章的內容太散,加氫協議就不做過多解釋瞭。等到SAE J2601的專題文章再具體介紹。下面看一下加氫過程是如何實現的。

加氫過程

如果加氫站的燃料供應是高壓氫氣,那麼固定式高壓儲罐中200-250Bar的壓縮氫氣需要通過壓縮機進一步壓縮至900-1000Bar,才能給700Bar的車載加氫儲罐加氫。在加氫前還要充分預冷。氫氣的壓縮和預冷都要消耗能量。

圖片:壓縮機系統基本示意(圖片來源:Linde)

如果加氫站的燃料供應是液氫,加氫的過程是通過低溫泵將液氫從液氫儲罐中泵出,同時加壓,經過換熱器升溫後註入1000Bar的中轉高壓儲罐,再給車載壓縮氫氣儲罐加氫。

圖片:低溫泵系統基本示意(圖片來源:Linde)

由於液氫本來就有冷量,升溫至常溫後再預冷給車載儲罐加註,就浪費瞭液氫的冷量。所以可以將一部分液氫升溫至常溫並註入中轉高壓儲罐,加氫時先與另一部分沒有經過升溫的低溫汽化氫氣混合,形成-40°C的壓縮氫氣再給車載儲罐加氫,就可以利用液氫的冷量。

圖片:液氫加氫系統示意圖(圖片來源:Linde)

液氫加氫站除瞭可以利用液氫的冷量之外,由於液氫密度要遠大於壓縮氫氣,低溫泵的壓縮能量效率要遠高於壓縮機的能量效率。因此液氫加氫站的加氫能耗要顯著低於氣氫加氫站。

圖片:壓縮機與低溫泵效率比較

采用液氫作為燃料供應還有一個好處是液氫的純凈度很高,可以滿足燃料電池對氫氣質量的要求,而采用壓縮氫氣的加氫站往往還要對氫氣進行凈化。

以下是加氫站氫氣質量標準

ISO 19880-8

Gaseous hydrogen – Fuelling stations – Fuel quality control

氣態氫 – 加氫站 -燃料質量控制

SAE J2719

Hydrogen Quality Standard for Fuel Cell Vehicles

燃料電池車輛氫氣質量標準

加氫設備

低溫泵Cryo Pump

液氫低溫泵采用兩級壓縮,由於液氫是絕緣的,第一級低溫泵可以設計為完全浸沒在液氫池中,將液氫壓縮至6Bar並泵入第二級泵體。在第二級泵體液氫氣化並被進一步壓縮至900-1000 Bar。低溫泵首次使用前必須要用氮氣吹掃,完全排除泵體內的氧氣才可以通電運行,否則內部可能會出現爆炸性混合氣體環境,低溫泵裸露的帶電體會成為點火源引發爆炸。

圖片:低溫泵示意(原始圖片來源:Linde,標註:作者)

壓縮機Compressor

氫氣壓縮機有柱塞式,隔膜式,離子式等。柱塞式壓縮機的吞吐量較大,但是會有氫氣污染的問題。隔膜式可以防止氫氣污染,但是吞吐量較小。離子式壓縮機采用離子液體作為潤滑劑和制冷劑,可以提升能量效率並顯著減少磨損。同時離子液體的使用可以取代傳統的潤滑劑而杜絕氫氣污染。

圖片:離子壓縮機(來源:Linde)

圖片:Linde離子發生器五級柱塞壓縮示意圖

加氫機Dispenser

SAE J2601加氫協議規定瞭35MPa和70MPa兩種壓力等級,對應的加氫機也有35MPa和70MPa兩種壓力等級。大巴等商用FCV的一般采用30MPa儲氫,轎車等乘用FCV一般采用70MPa儲氫。目前中國國產的加氫機主要是35MPa壓力等級,供商用FCV使用。也有部分企業具有設計生產70MPa加氫機的能力。比如厚普研制的35MPa/70MPa雙槍加氫機已經於2022年通過歐盟知名公告機構TÜV SÜD 的防爆安全評估,獲得歐盟ATEX認證證書。

圖片:厚普35MPa/70MPa雙槍加氫機

圖片:厚普加氫站撬裝

到這篇文章液氫的全生命周期各環節,包括生產,存儲,運輸和應用都介紹過瞭,下篇文章將討論液氫安全。

參考資料

SAE J2601 Fueling Protocols for Light Duty Gaseous Hydrogen Surface Vehicles

Precooling temperature relaxation technology in hydrogen refueling for fuel-cell vehicles, K. Handa, S. Oshima, T. Rembutsu, International journal of hydrogen energy, 46 (2021), 33511-33522

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