储氢系统的性能指标：储氢密度

导语：储氢能力是指可向燃料电池系统输送的氢气的可用量除以整个储存系统的总质量/体积，这个储存系统包括所有储存的氢气、介质、反应剂（如水解系统内的水）和系统组件。

（来源：公众号“燃料电池百科”ID:FC_WIKI 作者：鲤琨）

储氢能力的定义

根据DOE官网的分类，常见的氢瓶储氢方式可以分为压缩气体储氢、低温储氢与液态储氢。目前燃料电池汽车上采用的是压缩气体储氢方式。压缩气体储氢通过专门的高压容器实现，这就引出了之前推文中提到的I型、II型、III型、IV型氢瓶。

一般采用质量储氢密度与体积储氢密度这两个参数来评估其储氢系统的储氢能力。DOE是这样定义这两个参数和储氢能力的：

Capacities are defined as the usable quantity of hydrogen deliverable to the fuel cell system divided by the total mass/volume of the complete storage system, including all stored hydrogen, media, reactants (e.g., water for hydrolysis-based systems), and system components.

储氢能力是指可向燃料电池系统输送的氢气的可用量除以整个储存系统的总质量/体积，这个储存系统包括所有储存的氢气、介质、反应剂（如水解系统内的水）和系统组件。

下面咱们依次来讨论一下这三种储氢方式的储氢密度。

压缩气体储氢

就质量储氢密度而言。III与IV型瓶的质量储氢密度与体积储氢密度如下图所示，可以看到质量储氢密度和储氢压力呈接近线性增长的关系，而在200bar时，III与IV型瓶与I和II型瓶差异不大（分别为1%和1.5 wt%），且相同储氢压力下，氢瓶体积越大其质量储氢密度越大。

就体积储氢密度而言。体积储氢密度则不是和储氢压力呈接近线性关系。随着氢瓶体积的增大，III与IV型瓶的体积储氢密度最高点越靠近低储氢压力区。以储氢压力约700bar为界，小于700bar时储氢体积越大体积储氢密度越高，大于700bar时，体积的增大则不利于提升体积储氢密度。

目前燃料电池车上采用的氢瓶体积（以50L和100L为例），将其质量储氢密度与体积储氢密度在上图查询的话，再对照美国国家能源部DOE最新制定的储氢目标，以及市面上见到的燃料电池整车的情况，我们可以一起来看看目前大家是否已经实现了DOE制定的目标。

可以看出如果采用III型与IV瓶，达到DOE2020年与2025年的部分目标还是比较轻松的。尤其是体积储氢密度，III型与IV型瓶与目前三个燃料电池整车储氢均达到了DOE的2020年目标，100L的35MPaIII/IV型瓶、70MPa的III/IV型瓶与三个燃料电池整车储氢甚至都达到了DOE的2025年目标。其中丰田Mirai更是在质量储氢密度和体积储氢密度这两个参数上都达到了DOE的2025年目标。而从质量储氢密度上看，只有采用70MPa储氢压力的方法才有可能接近或达到DOE的2020年目标，35MPa只能达到此目标的60%。

低温储氢与液态储氢

如DOE对储氢方式的定义可以看到，除了在燃料电池汽车上常见的压缩气体储氢，还有低温储氢与液态储氢。液态储氢比气态储氢更高效，平均1L的液态气大约相当于800L的气态气。液态氢气容易蒸发气化，对储存系统的要求很高，很难长时间的存储，一般只用于固定能源存储。国际上针对液态储氢出台了ISO 21009-1和ISO 21009-2两个国际标准来规范低温存储罐的设计和操作。而低温储氢则通过降低储存温度可以一定程度上提高其储存效率。

那么具体这两种储氢方式的储氢性能又是怎么样的呢？我们可以从下图中了解：

图上温度单位为热力学温度K（℃=K+273）。可以看到三种储氢方式对应的储氢温度不同，其中低温压缩储氢所覆盖的操作温度范围最大，可以从-233℃~-40℃。而从-40℃~27℃，则是燃料电池车上常用的压缩气体储氢的常见操作温度区域。可以看到对于70MPa的压缩气体储氢来说，当储氢温度降低到约-190℃时，储氢体积质量就可以翻一倍，从40g/L上升到80g/L。总的来说，温度越低，同样的储氢压力下储氢效率越高。以Mirai两个氢瓶总体积约122L，如采用-40℃储氢，可比目前15℃储氢多储存约600g，以其百公里氢耗1100g来核算，采用低温压缩储氢可多运行约50Km。

从图上还可以看出，如果保持储氢压力为35Mpa，储氢温度需要降低到大约-120℃采用低温储氢方式，才能达到目前70Mpa在15℃常温储氢的体积储氢密度。

总结：

1、如采用III型与IV型瓶，则DOE的2020年体积储氢密度应该是以及达到了。目前丰田Mirai、本田Clarity、现代Nexo均已达到该目标。

2、对于DOE的2020年质量储氢密度目标，看起来只有通过加大储氢压力的方式才有可能达到。丰田Mirai的储氢系统已达到DOE的2025年质量储氢密度目标。

3、低温储氢和液态储氢均可以提高储氢效率。但是应该是受限于其较复杂的储氢系统，目前在常见的燃料电池车上没有看到应用。

作者：鲤琨

校对：楚轩

参考资料：1. Barthelemy H, M. Weber, F. Barbier,Hydrogen storage: Recent improvements and industrial perspectives, International Journal of Hydrogen Energy,Volume 42, Issue 11,2017,Pages 7254-72622. https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-storage、3. Barthelemy H . Hydrogen storage - Industrial prospectives[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2012, 37(22):p.17364-17372.4. Mori D , Hirose K . Recent challenges of hydrogen storage technologies for fuel cell vehicles[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2009, 34(10):4569-4574.5. https://global.honda/heritage/timeline/product-history/automobiles/2016Clarity-Fuel-Cell.html