车载供氢系统计算
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2024-11-02
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从一个国家能源安全、能源战略的角度看，合理地开发利用氢能源是必然
的归结。从人类对地球的保护责任、降低污染排放的角度看，氢能源是最理想
的无污染、可再生利用的能源。从人类能源利用的发展史的角度看（生物质能
源、矿物质能源、煤、石油、天然气、氢气），是一个从碳含量不断降低向氢
含量不断提高转化的能源使用过程，氢能源是最终的能源结构。
燃料电池和氢内燃机的研发成功，使氢能应用成为可能，并在各方的努力
下成为现实，必将走进人类的日常生活。国家科技部在十五“863”计划和十一五
“863”计划中给予氢能与燃料电池领域的科技研发极大的支持，使我国在这一领
域的技术水平始终走在世界的前沿，技术成果不断涌现，极大地推动了氢能的
应用发展。
但是无论是氢的制备技术还是燃料电池技术，目前还处在一个初步的技术
层面上，并没有实现以能源解决方案为前提的大规模低成本应用。要达到这一
目标，不但要解决好低成本氢的来源技术、燃料电池的低成本制造技术，也要
解决好氢能应用中氢的储存、压缩、加注和供氢系统等众多技术的研发，才能
更好地保证氢安全，促进氢能发展。
将氢能与燃料电池应用在汽车上是一个非常能体现氢的能源与环保特性的
应用方案（包括氢内燃发动机技术）。
为了保证氢能与燃料电池在汽车上的应用是可行的和有价值的，除了燃料
电池技术以外，还要解决氢燃料的携带问题，也就是氢的储存问题、氢的控制
以及氢安全的问题，与燃料电池和氢内燃机一起在汽车上形成一个完善的系统，
从而很好的与汽车浑然一体，这就是车载供氢系统研发课题所要做的工作。
二、车载供氢系统中管道的种类与作用
在车载供氢系统中，管道的流量、管径、工作压力和流速等参数的选择确
定是非常重要的。一般在整套系统中有三个管道部分：
1、供氢管道。这部分管道是由气瓶口组合阀一级减压后通往二级减压阀之
间的管道加上二级减压阀出口到燃料电池或氢内燃发动机之间的管道。供氢管
道的主要任务是：（1）保证在 1.5~2MPa 压力下最大流量的输出，从而保证整
车的响应速度不受供氢量的影响。（2）在气瓶口组合阀中的减压阀万一失灵产
生高于2MPa 压力时，能够承受超压的压力。（3）在压力、流量允许的情况下，
管径尽量小一些，以便于安装布置和维修。
2、储氢瓶充氢管道。是由加氢接口到气瓶口组合阀充氢口之间的管道。充
氢管道的主要任务是：（1）满足高充装速率，一般设定为 3kgH2/min~4
kgH2/min，可在 10 分钟左右充装一辆大巴车，在 2分钟之内充装一辆小客车。
（2）能够承受 45MPa 的工作压力。虽然车载氢气储瓶的工作压力是 35MPa，
但由于充装氢气时，气瓶会发热升温，造成氢气膨胀，气瓶内压力虽然达到了
35MPa，但储氢量并没有达到常温状态下的气量，当温度降到常温时，储氢的
压力会达不到 35MPa 而减少了氢气储存量，因此往往在充装氢气时会用
45MPa 压力的氢气进行充装。
3、放空管道。作用是在发生危险时，能够将氢气及时排入大气，它是由供
氢管道中间位置联接的安全阀接出的连接大气的管道，和气瓶尾部安装的爆破
片和易熔塞组成的放散接口联接的放空管道共同组成的。放空管道的主要任务
是：（1）将供氢系统中内漏的氢气排放出去。（2）在一级减压阀万一出现失
灵时将超压的氢气排出。（3）在发生车辆事故时，如碰撞、火灾时能够将气瓶
中储存的氢气及时完全地排空。
根据各部分管道的主要任务我们看到，它们有一个共同的问题就是如何选
择管径和如何确定各部分管道的最大流量问题。这三段管道的工作要求不同，
所以参数各不相同。（见图 1）
图1系统原理图
三、各部分管道最大流量的确定
要设计管道，首先要确定管道所要通过的最大流量，由于各部分管道的任
务不同，确定其最大流量的根据也不同。
1、供氢管道由于是为燃料电池提供氢气，所以其最大流量的根据就是燃料
电池的最大用气量，以十一五“863”大巴车课题的燃料电池为例：整车选用的燃
料电池功率为80kW，峰值功率100kW，最大输出电压 360V，单片电极电压
0.6~0.65V，其电流在峰值功率时应不超过300A。通过实验我们证实，在这种
工况下，燃料电池的用氢量为 0.6Nm3/kW~0.7Nm3/kW，如果超过这一用氢量
就证明该燃料电池的性能是比较差的，效率是比较低的。但在实际工况中往往
会有超过燃料电池峰值功率的情况发生，如汽车上坡的坡度较大时，而燃料电
池的储备功率设计小的情况下，会产生燃料电池过载荷的发生，从而使单片电
极电压下降，产生大电流的输出来保证过载功率，这时过载电流会比正常电流
高出一倍以上。燃料电池的用氢量是由燃料电池电流大小来决定的。一般情况
下，燃料电池的单片电极电压在 0.7V 是效率、性能比较好的情况，而燃料电池
的单片电极电压的压降最好控制在 0.6V 以上，低于0.6V 燃料电池的效率就太
低了，性能也比较差，因此在考虑给燃料电池供氢时，一般按0.6~0.7Nm3/
kWh 计算再乘以一个过量系数，这个过量系数现在有同志认为应该选4，使大
客车的系统总流量达到 10g/s，而我认为最多选 2。根据 863 课题大客车用燃料
电池的具体参数和实验可以计算出系统的总流量：
电堆基本参数：Pr＝80kW，Pp＝100kW，U=360V，Imax＝300A，Us＝
0.6~0.65V（Pp）
则有：QH＝7´Imax´10－3´N
式中：QH——氢气最大理论消耗量，L/min；I——反应电流，A
（1）当Us＝0.6V 时，N＝Pp/0.6V＝600，
即QH＝7´300´10-3´600（L/min）＝75.6m3/h
（2）当Us＝0.65V 时，N＝Pp/0.65V＝554，
即QH＝7´300´10-3´554（L/min）＝70m3/h
这就是燃料电池在峰值功率时的最大用氢量，用这个用氢量再乘以一个过
量系数 2就是系统管道总的流量，按此计算，过量系统即使选用 4，总流量也
不过是 300Nm3/h，到不了 10gH2/s，因此我认为供氢管道的总流量定为 200
Nm3/h 也是够用的。
2、充氢管道最大流量的确定是由车载储氢瓶的最大储氢量和要求在多长时
间内充完这次氢气所决定的，当然也与加氢站充装氢气的最大速率能力有关，
还以十一五“863”大巴车课题为例，大巴车所选用的储氢瓶为 150L/个，共10
个气瓶，储氢压力为 35MPa，这样其大巴车的总储氢量为 0.15m3´350kg´10
＝525Nm3，约合43.75kgH2。一般人们希望的充装时间在 15 分钟以内，这样
其最大流量为 525Nm3¸15 分钟´60＝2100Nm3/h（35Nm3/min），约合
2.92kgH2/min 的充装速率，由北京飞驰绿能公司组织国内企业自主研发的制氢
加氢站的充装系统，其充装速率目前已达到 4.2kgH2/min，所以在加氢站系统
方面已没有问题。
3、放空管道的流量比较好确定，不会超过车载储氢瓶的总储氢量，一般在
刚刚充装完氢气的汽车就发生事故的可能性不大，因此总流量可按储氢总量的
80%考虑比较合适，这样管道要放出的氢气量大约为400Nm3。那么氢气放出
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从一个国家能源安全、能源战略的角度看，合理地开发利用氢能源是必然的归结。从人类对地球的保护责任、降低污染排放的角度看，氢能源是最理想的无污染、可再生利用的能源。从人类能源利用的发展史的角度看（生物质能源、矿物质能源、煤、石油、天然气、氢气），是一个从碳含量不断降低向氢含量不断提高转化的能源使用过程，氢能源是最终的能源结构。 燃料电池和氢内燃机的研发成功，使氢能应用成为可能，并在各方的努力下成为现实，必将走进人类的日常生活。国家科技部在十五“863”计划和十一五“863”计划中给予氢能与燃料电池领域的科技研发极大的支持，使我国在这一领域的技术水平始终走在世界的前沿，技术成果不断涌现，极大地推动了...
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