氢气储存与燃料处理器：优化方案

质子交换膜燃料电池需要氢气供给，而氢气又是地球上最富饶的资源。氢气无色无味，是一种理想的能源。与汽油相比，同等质量的氢气有非常高的能量密度。这意味着氢气一般能比汽油产生多得多的能量。对于直接使用氢气的燃料电池系统，需要在车中安装压缩氢气罐，或冷却液态氢罐，或金属氢化物能量储存装置。

最常见的氢气储存方法是把它用高压压缩到一个圆柱罐里来增加它的密度。压缩储存的主要问题是需要很大的体积，而且钢合金做的容器通常很重。也可以使用铝材做圆柱罐，但铝材易损坏而且很贵。通常，储存的压力在200～450bar（20～45MPa）之间（3000～6000lbf/in²）^[6]。在实际应用中，氢气储存密度是3%～4%。这些储存罐的体积为30～300L^[6]。

在20K温度和0.5MPa气压之下，可以得到液态氢。如果需要大量的氢，可以使用低温液态氢存储。宝马汽车公司（Bavarian Motor Works，BMW）已经演示了在汽车中的低温技术可以达到14.2%的储存效率。这种技术主要涉及是在低温保存氢，并防止氢蒸发。

金属氢化物它把金属原子和氢键和到一起，是另外一种储存氢的方法。为了从金属氢化物中释放出氢气，需要加热到100°C以上，因此，对于低温工作的质子交换膜燃料电池应用不是好的选择。尽管金属氢化物在单位体积内能吸收大量的氢，但是合金太贵，而且氢的密度太低，金属氢化物太重，而且对气体中的杂质很敏感。

我们也可以使用天然气、汽油和甲烷这类的碳氢化合物，借助以下化学反应过程产生氢气：气化、半氧化和自动热转化^[6]。这些化学过程需要一个燃料处理器。但在汽车中使用燃料处理器会引发另一个问题，就是慢动态，这是因为热传输和质量传输过程很慢，混合也有延迟^[23]。为了补偿慢动态，需要一个电池或超级电容储存能量帮助汽车起动、加速和减速。(www.xing528.com)

图6-3是基于BallardMK5-E的PGS105B系统，这是直接使用氢气罐的燃料电池系统，我们用它来测试提议的非线性控制器。这个Ballard MK5-E系统共有35个电池串联在一起，总有效面积是232cm²。膜电极包括石墨电极和Dow^TM膜。反应气体（氢气和空气）是在电池堆内加湿的，氢气在阳极侧再循环，空气流到阴极。在阳极入口处使用压力调节器把氢气压力控制在0.3MPa。在空气出口处使用背压调节器控制Ballard燃料电池堆在0.3MPa。为了可编程的负载，氧化剂流率自动调节到恒定值4.5L/s。通过质量流率表保证在阴极可以除掉足够的水。氢气的补偿速率和消耗速率是相同的。电池堆的温度是在空气出口处测量的，并且通过内部水保持在72～75°C的范围内，以便输出最大功率。图6-3是Ballard系统的简化图。PGS105系统更像是一个预设控制系统，而不是一个反馈控制系统。在实现控制方案之前，需要优先考虑燃料电池系统和操作者的安全。举例说，为了避免致命事故和严重破坏燃料电池系统，在燃料电池控制系统中必须考虑低电池电压、电池堆过载、高温、氢气泄漏探测和阳极与阴极之间的压力差。

图6-3 基于PGS105B系统的质子交换膜燃料电池堆（出自Hamelin，J.etal.，Int.J.HydrogenEnergy，26，625，2001.许可使用）