導語：儲氫能力是指可向燃料電池系統(tǒng)輸送的氫氣的可用量除以整個儲存系統(tǒng)的總質(zhì)量/體積，這個儲存系統(tǒng)包括所有儲存的氫氣、介質(zhì)、反應劑（如水解系統(tǒng)內(nèi)的水）和系統(tǒng)組件。
（來源：公眾號“燃料電池百科”ID:FC_WIKI 作者：鯉琨）
儲氫能力的定義
根據(jù)DOE官網(wǎng)的分類，常見的氫瓶儲氫方式可以分為壓縮氣體儲氫、低溫儲氫與液態(tài)儲氫。目前燃料電池汽車上采用的是壓縮氣體儲氫方式。壓縮氣體儲氫通過專門的高壓容器實現(xiàn)，這就引出了之前推文中提到的I型、II型、III型、IV型氫瓶。
一般采用質(zhì)量儲氫密度與體積儲氫密度這兩個參數(shù)來評估其儲氫系統(tǒng)的儲氫能力。DOE是這樣定義這兩個參數(shù)和儲氫能力的：
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.
儲氫能力是指可向燃料電池系統(tǒng)輸送的氫氣的可用量除以整個儲存系統(tǒng)的總質(zhì)量/體積，這個儲存系統(tǒng)包括所有儲存的氫氣、介質(zhì)、反應劑（如水解系統(tǒng)內(nèi)的水）和系統(tǒng)組件。
下面咱們依次來討論一下這三種儲氫方式的儲氫密度。
壓縮氣體儲氫
就質(zhì)量儲氫密度而言。III與IV型瓶的質(zhì)量儲氫密度與體積儲氫密度如下圖所示，可以看到質(zhì)量儲氫密度和儲氫壓力呈接近線性增長的關系，而在200bar時，III與IV型瓶與I和II型瓶差異不大（分別為1%和1.5 wt%），且相同儲氫壓力下，氫瓶體積越大其質(zhì)量儲氫密度越大。
就體積儲氫密度而言。體積儲氫密度則不是和儲氫壓力呈接近線性關系。隨著氫瓶體積的增大，III與IV型瓶的體積儲氫密度最高點越靠近低儲氫壓力區(qū)。以儲氫壓力約700bar為界，小于700bar時儲氫體積越大體積儲氫密度越高，大于700bar時，體積的增大則不利于提升體積儲氫密度。
目前燃料電池車上采用的氫瓶體積（以50L和100L為例），將其質(zhì)量儲氫密度與體積儲氫密度在上圖查詢的話，再對照美國國家能源部DOE最新制定的儲氫目標，以及市面上見到的燃料電池整車的情況，我們可以一起來看看目前大家是否已經(jīng)實現(xiàn)了DOE制定的目標。
可以看出如果采用III型與IV瓶，達到DOE2020年與2025年的部分目標還是比較輕松的。尤其是體積儲氫密度，III型與IV型瓶與目前三個燃料電池整車儲氫均達到了DOE的2020年目標，100L的35MPaIII/IV型瓶、70MPa的III/IV型瓶與三個燃料電池整車儲氫甚至都達到了DOE的2025年目標。其中豐田Mirai更是在質(zhì)量儲氫密度和體積儲氫密度這兩個參數(shù)上都達到了DOE的2025年目標。而從質(zhì)量儲氫密度上看，只有采用70MPa儲氫壓力的方法才有可能接近或達到DOE的2020年目標，35MPa只能達到此目標的60%。
低溫儲氫與液態(tài)儲氫
如DOE對儲氫方式的定義可以看到，除了在燃料電池汽車上常見的壓縮氣體儲氫，還有低溫儲氫與液態(tài)儲氫。液態(tài)儲氫比氣態(tài)儲氫更高效，平均1L的液態(tài)氣大約相當于800L的氣態(tài)氣。液態(tài)氫氣容易蒸發(fā)氣化，對儲存系統(tǒng)的要求很高，很難長時間的存儲，一般只用于固定能源存儲。國際上針對液態(tài)儲氫出臺了ISO 21009-1和ISO 21009-2兩個國際標準來規(guī)范低溫存儲罐的設計和操作。而低溫儲氫則通過降低儲存溫度可以一定程度上提高其儲存效率。
那么具體這兩種儲氫方式的儲氫性能又是怎么樣的呢？我們可以從下圖中了解：
圖上溫度單位為熱力學溫度K（℃=K+273）?？梢钥吹饺N儲氫方式對應的儲氫溫度不同，其中低溫壓縮儲氫所覆蓋的操作溫度范圍最大，可以從-233℃~-40℃。而從-40℃~27℃，則是燃料電池車上常用的壓縮氣體儲氫的常見操作溫度區(qū)域?？梢钥吹綄τ?0MPa的壓縮氣體儲氫來說，當儲氫溫度降低到約-190℃時，儲氫體積質(zhì)量就可以翻一倍，從40g/L上升到80g/L?？偟膩碚f，溫度越低，同樣的儲氫壓力下儲氫效率越高。以Mirai兩個氫瓶總體積約122L，如采用-40℃儲氫，可比目前15℃儲氫多儲存約600g，以其百公里氫耗1100g來核算，采用低溫壓縮儲氫可多運行約50Km。
從圖上還可以看出，如果保持儲氫壓力為35Mpa，儲氫溫度需要降低到大約-120℃采用低溫儲氫方式，才能達到目前70Mpa在15℃常溫儲氫的體積儲氫密度。
總結：
1、如采用III型與IV型瓶，則DOE的2020年體積儲氫密度應該是以及達到了。目前豐田Mirai、本田Clarity、現(xiàn)代Nexo均已達到該目標。
2、對于DOE的2020年質(zhì)量儲氫密度目標，看起來只有通過加大儲氫壓力的方式才有可能達到。豐田Mirai的儲氫系統(tǒng)已達到DOE的2025年質(zhì)量儲氫密度目標。
3、低溫儲氫和液態(tài)儲氫均可以提高儲氫效率。但是應該是受限于其較復雜的儲氫系統(tǒng)，目前在常見的燃料電池車上沒有看到應用。
作者：鯉琨
校對：楚軒
參考資料：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
北極星儲能網(wǎng)官方微信
