2、氫氣儲運—管道運輸

2.1 管道運輸概況分析

雖然管道運輸只能做到點對點，但對于大量、長距離的氫氣輸送來說，管道運輸仍然是最有效的方法。氫氣的長距離管道輸送已有60余年的歷史。目前，全球用于輸送工業氫氣的管道總長已超過1000公里，直徑0.25-0.3m，操作壓力一般位1-3MPa，輸氣量310-8900Kg/h,其中德國擁有208公里，法國空氣液化公司在比利時、法國、新西蘭擁有880公里，美國也已達到720公里。

國內首條氫氣專用運輸管道，如石化洛陽煉化濟源至洛陽氫氣輸送管道工程，于2015年10月竣工完成。線路水平長度為25公里，年輸氣量10.04萬噸。管道沿線地形以丘陵為主，地勢起伏較大，管道沿線頂箱涵穿越鐵路2處，頂管穿越省級高速公路1處、等級公路5處，定向鉆穿越沖溝2次、穿越河流1次。

實際上，目前的天然氣管道就可用于輸送氫氣和天然氣的混合氣體，也可經過改造輸送純氫氣，這主要取決于鋼管財智中的含碳量，盡量使用含碳量低的材料制成的管道來運輸氫氣，減少因氫脆現象而導致的氫氣逃逸。

2.2 管道運輸成本分析

分別對加氫站數量為1個、4個、8個、16個共四種情況計算氫氣運輸成本。假設加氫站距離氫源點的距離一定，經過試驗模擬可知，氫氣的運輸成本隨著每個加氫站規模的增加而迅速減少，但三條曲線基本重疊，說明加氫站數量的增加并不減少氫氣運輸成本，其原因是增加加氫站需要另外鋪設氫氣管道，其昂貴的投資使氫氣運輸成本基本維持不變。根據結果可知，當加氫站規模達到1500Kg/d時，氫氣的運輸成本大約為6元/Kg。

3、氫氣儲運—魚雷車

在所有元素中，氫的重量最輕，標準狀態下，它的密度為0.0899g/L，氣態壓縮高壓儲氫是最普通最直接的儲氫方式，通過減壓閥即可將氫氣排除和調節排氣量的大小。

氣氫魚雷拖車是未來一段時間內的主要運輸方式。以200Km運輸距離和每天10噸的運輸規模來看，成本可達到2.02元/Kg；大部分成本來自于壓縮/液化設備、存儲設備的投資，對于氫氣的短途運輸，是一個非常不錯的選擇。

按照同樣的成本分析方法，經過分析，當加氫站數量少時，運輸成本可高達4.7元/Kg。隨著加氫站數量的增加和加氫站規模的增大，成本逐漸降低，但是在加氫站數量較少時，成本在下降過程中出現波動。這與長管拖車利用效率有關。

4、氫氣儲運基礎設施—加氫站的建設

加氫站的建設不僅與氫氣儲運緊密相關，而且與燃料電池車的使用也有著密不可分的聯系。目前，我國現有加氫站數量稀少，且沒有長期規劃。據介紹，國內加氫站僅有4個，分別是2006年建成的北京加氫站，2008年建成的上海安亭加氫站，2011年建設了簡易的加氫站，2015年最新建成的鄭州宇通加氫站。上海安亭加氫站始建于2007年11月，該站主要采用外供氫氣，加注壓力為35MPa，存儲壓力為43.8MPa，存儲容量為800公斤。截至2015年6月，安亭加氫站累計加注6013次，加注總量為10216公斤。

雖然我國目前尚未制定加氫站建設規劃，隨著世界各國都啟動了加氫站建設，可以預測我國在補貼燃料電池汽車的同時也將進行積極的加氫站布局。

在燃料電池汽車遠遠未普及的當下，國務院已經為加氫站的設計建造和氫氣的運輸存儲都制訂了嚴格的標準，為未來燃料電池汽車基礎設施的建設打好基礎。

總結

目前的氫氣輸運方法中，公路運輸的改造成本最小，也是日本正在采用的方法，具有較強的借鑒意義。管道伴輸如果成功，將可以極大降低氫氣的運輸成本，但是目前看距離實際應用仍有一定距離。

燃料電池系列科普報告 ——燃料電池系統

我國燃料電池基礎設施建設進入加速期，為燃料電池汽車商業化做好充分準備。加氫基礎設施是燃料電池發展的重要保障，氫氣的低成本輸運也是需要重點攻克的難題，適合燃料電池汽車的高純度氫氣來源也是重要問題。

此前的系列科普中，已經介紹了氫氣的制取、儲運問題。在本文中，將會為大家介紹燃料電池系統的問題，包括其組成、發展狀況以及目前主流的燃料電池系統的簡介。

思考的問題：

1.燃料電池系統是由哪些部分組成的？關鍵部件與技術是什么？

2.目前國內主流的燃料電池系統供應商情況如何？

重要結論

燃料電池系統的關鍵部件包括電堆、氫氣循環系統、加濕器以及空氣壓縮機，關鍵技術包括水熱管理技術、低溫冷起動、系統的控制技術等。目前在國際上，包括日本、美國、德國，燃料電池的技術已經成熟，下一個階段，燃料電池的技術主要是集中在降低成本產業化的階段。國內企業主要依賴國外公司的現有技術并進行深入研究，主要公司有大連新源動力和大洋電機兩家公司。

1、 燃料電池系統簡介

燃料電池系統是燃料電池汽車最基本的、最核心的部分。燃料電池汽車與動力電池汽車最大的不同是利用了氫氧反應生電。燃料電池系統是主要由電堆、燃料處理器、功率調節器、空氣壓縮機組成。每一個系統組成部件都有其特有的關鍵技術，其中電堆技術最為關鍵。

燃料電池堆。為了滿足一定的輸出功率和輸出電壓的需求，通常將燃料電池（FC）單體按照一定的方式組合在一起構成燃料電池堆，并配置相應的輔助設備（BOP，Balance Of Plant），同時在燃料電池控制單元的控制下，實現燃料電池的正常運行，共同構成了燃料電池系統。用作車輛動力源的燃料電池系統，稱為燃料電池發動機。

燃料電池堆是燃料電池發動機的核心，BOP維持電堆持續穩定安全地運行。燃料電池發動機輔助系統主要包括空氣壓縮機、燃料電池用加濕器、氫氣循環泵、壓力調節器和系統控制單元。以氫為燃料的燃料電池發動機的典型結構如圖所示。

燃料電池堆是燃料電池系統的主要元件，包括電極、質子交換膜（PEM）、雙極板、氣體擴散層（GDL）、端板等部件。其中，電極、PEM和GDL集成在一起成為膜電極（MEA），它是堆的主要部件。電極是PEM和GDL之間具有電傳導性的一層加壓薄層，也是電化學反應發生的地方。

PEM是陰極催化層和陽極催化層之間的一層薄膜，是氫質子傳導的介質，PEM的性能直接影響整個電堆的性能。雙極板用于支撐膜電極，并收集單電池電流。所有的單電池通過雙極板串聯在一起，提供滿足車用動力需求的電功率。

燃料電池系統控制技術。燃料電池的耐久性是燃料電池汽車問題的關鍵所在，而耐久性，很大一部分在于控制系統的問題。經過大量的研究表明，影響燃料電池壽命的關鍵因素有：動態工況、起動、連續怠速等，這些因素都是通過由系統控制所最終決定的。因此，燃料電池系統控制技術成為燃料電池最為關鍵的技術之一。

圖中燃料電池控制單元包括空壓機控制模塊、燃料電池系統控制模塊以及電池電壓監控模塊。其中空壓機控制箱接收燃料電池控制模塊發送的控制信號，同時把反饋信號（如空壓機的轉速等）發給燃料電池系統控制模塊。燃料電池系統控制模塊主要根據接受的各種信號，來確定合適的控制參數，并通過CAN總線與車輛管理系統通訊。電池電壓監控模塊用于監控單池電壓，當電壓過低時向燃料電池控制模塊發送警告信號。通過輔助系統和控制系統的綜合作用實現燃料電池系統高效運行，實現能量的最有利用。