基于金属氢化物的燃料电池混合动力电动车储氢系统：真实工况下的数值评估

《International Journal of Hydrogen Energy》：Metal hydride-based hydrogen storage for fuel cell hybrid electric vehicles: numerical evaluation under real-world operating conditions

　　

本研究考察了金属氢化物（Metal Hydride, MH）储氢系统在燃料电池插电式混合动力微型车中的集成，重点分析热管理与系统运行方式如何影响整车层面的性能。研究人员通过将一维MH模型嵌入混合动力总成仿真环境，构建了一个综合性数值分析框架。研究评估了自然对流（Natural Convection, NC）、利用燃料电池余热的强制对流（Forced Convection, FC）以及通过相变材料（Phase Change Materials, PCMs）实现的被动热缓冲的有效性。结果表明，自然对流无法维持氢气解吸，而强制对流可使车辆续驶里程较电池电动车（Battery Electric Vehicle, BEV）提高40%。在双储罐布置下，引入PCMs可使氢气利用率提高至99%。这些改进使车辆续驶里程达到约180 km——约为基准BEV的3倍——且燃料电池能量贡献接近50%。在真实城市行驶循环下的仿真进一步证实了基于MH的储氢方案适用于微出行应用。

该论文发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，围绕金属氢化物（Metal Hydride, MH）储氢在燃料电池插电式混合动力微型车中的系统级集成展开，核心问题是：尽管氢能具有高质量能量密度和零局部排放优势，但传统高压储氢在轻小型城市车辆中受体积能量密度低、压缩能耗高、安全与集成约束等限制；而MH固态储氢虽然具有低压、安全和系统集成潜力，却受到吸放氢强耦合热化学过程制约，尤其在放氢阶段，吸热解吸会引起床层温度下降和压力衰减，进而限制燃料电池堆（Fuel Cell Stack, FCS）稳定供氢。因此，如何在真实城市工况下，通过合理热管理维持MH储氢系统的持续放氢能力，成为决定其能否用于微出行车辆的关键科学与工程问题。

针对上述问题，研究人员以一款轻型纯电四轮微型车为基准平台，构建了燃料电池插电式混合动力电动车（Fuel Cell Plug-in Hybrid Electric Vehicle, FCPHEV）架构，并将经过验证的一维MH储罐动态模型直接嵌入MATLAB/Simulink/Simscape整车仿真平台，实现了储氢热化学行为、燃料电池运行、能量管理策略与车辆工况之间的实时耦合分析。研究重点比较了三类热管理路径：自然对流、基于燃料电池余热回收的强制对流、以及采用相变材料（Phase Change Materials, PCMs）的被动热缓冲。同时，研究还考察了单罐与双罐布局、不同燃料电池启动压力阈值以及含停车阶段的真实城市通勤情景对系统表现的影响，以识别MH储氢在微型混动车中的可行边界与性能潜力。

研究所采用的主要技术方法包括：首先，在整车层面建立基于续航扩展器（Range Extender, RE）策略的混合动力微型车模型，电池作为主动力源，FCS以近恒功率方式间歇工作；其次，采用研究人员既有并已验证的一维径向MH储罐模型，求解储氢床、气相氢及罐壁中的传热传质与吸放氢动力学；第三，建立基于焓法（enthalpy method）的一维PCM夹套传热模型，并参照文献中的LaNi5体系数值结果进行验证；最后，在连续世界摩托车测试循环（World Motorcycle Test Cycle, WMTC）城市段和更接近实际通勤的“20 km行驶+8 h停车”多日场景下，结合关键绩效指标（Key Performance Indicators, KPIs）评估续驶里程、氢利用率、FCS占比、怠转行为和电耗表现。车辆平台来源于OPV Solutions S.r.l.开发的轻型电动四轮车，MH储罐采用商业化Hydralloy C5合金MyH2 3000系统。

在结果部分，论文首先通过“Thermal management and tank layout”系统分析了热管理策略与储罐布置对车辆性能的影响。研究显示，在单MH罐配置下，自然对流无法维持FCS所需的氢解吸速率，储罐迅速进入不利工况，FCS频繁因供氢不足而停机，导致整车续驶里程与基准BEV接近，说明自然对流并不适用于车载MH储氢。相比之下，强制对流通过提升罐体边界换热能力，部分稳定了解吸过程，使续驶里程相对BEV提高约40%，但FCS贡献仍然受限，说明仅依赖余热对流仍不足以充分释放氢储量。PCM夹套的引入则显著改善了系统热稳定性：PCM在吸氢阶段储存热量，在放氢阶段通过潜热释放缓冲MH床层温降，使MH温度更接近平衡放氢条件，从而减少FCS因供氢不足产生的怠转事件，并显著提高续驶里程。在单罐PCM配置下，车辆续驶里程接近120 km，FCS供能占比接近50%，表现出更连续、更有效的氢能利用。

在同一小节中，研究进一步比较了单罐和双罐布局。结果表明，双罐并联不仅增加总储氢量，更重要的是降低了每个储罐所需承担的单位时间放氢负荷，从而减轻了解吸过程中的温降和压力衰减。对强制对流方案而言，这一效应尤为明显：氢利用率H₂,frac由单罐时约40%提升至双罐时约68%，说明性能改善不能简单归因于储氢量翻倍，而是源于热力学利用效率提高。论文通过氢利用指标uH₂进一步定量说明这一点：强制对流单罐时为82 km kg^?1，双罐时提高至153 km kg^?1。PCM方案在单罐和双罐条件下均保持较高氢利用率与稳定FCS运行，其中双罐+PCM组合表现最佳，车辆续驶里程约180 km，接近基准BEV的3倍。虽然增加储罐与PCM夹套会带来附加质量并使电机单位里程电耗eEM上升，但氢能供给提升带来的续航增益明显超过质量惩罚。

在“Pressure threshold sensitivity analysis”部分，研究人员分析了FCS启动压力阈值对系统行为的影响。控制策略设定MH罐压降至2.5 bar时关闭FCS，并将启动阈值在3.0–5.0 bar范围内变化。结果显示，在强制对流热管理下，启动压力越高，车辆续驶里程越低，最佳区间位于3.0–3.5 bar，最高续驶里程约为原BEV的1.8倍；而较高阈值会使续驶里程下降约5%–8%。其原因在于较高启动阈值下，储罐压力恢复周期更长，系统更难在下一次FCS启动前恢复有利的放氢条件。相比之下，PCM热管理下的车辆续驶里程在整个压力区间内基本保持不变，说明PCM热缓冲明显降低了放氢过程对控制阈值设定的敏感性，提高了系统鲁棒性并放宽了控制参数整定要求。这一结果提示：若采用强制对流方案，应优先选择较低启动压力以延长供氢时间；若采用PCM方案，则可以在不显著牺牲续驶里程的前提下，通过更高启动阈值减少FCS频繁启停。

在“Real life driving scenario”部分，论文从连续WMTC循环转向更贴近城市微出行实际的使用模式，即20 km通勤、8 h停车、返程20 km、再停车8 h，并重复该日循环直至车辆无法完成规定行程。该分析的核心在于评估停车期间的热力学松弛是否有助于恢复MH储罐的放氢能力。结果表明，即使不采用PCM，仅在行驶阶段使用强制对流、停车阶段依靠自然对流，系统仍可从长时间静置中获益。单罐配置下，车辆可运行约2.5天，总里程约140 km，氢利用率约79%，即270 g储氢中约213 g被有效利用。双罐并联则进一步改善供氢稳定性，车辆可运行约3.5天，总里程约210 km，氢利用率提高至约99%，即540 g储氢中约535 g被消耗。累积里程和氢消耗曲线显示，氢资源在多次通勤中平稳释放，说明停车阶段有助于恢复有利的解吸平衡条件，避免氢气过早枯竭或FCS过早停机。由此可见，在真实城市“开—停—开”模式下，MH系统的实际可用性可能优于连续极限工况评估结果。

论文讨论部分的核心在于强调：MH储氢系统在车载应用中的性能并非仅由材料储氢容量决定，而是由储氢热化学动力学、热管理能力、储罐布局以及整车控制策略共同决定。研究证明，自然对流无法满足车载FCS所需放氢速率；强制对流虽可利用FCS余热实现初步改善，但受制于MH放氢吸热特性和床层温降，性能提升有限；PCM通过潜热储释实现被动热缓冲，能够有效平抑MH温度波动、稳定床层压力、减少FCS怠转，并显著提高氢利用率。与此同时，双罐布局通过分摊瞬时放氢负荷，进一步缓解单罐热失衡问题，使MH系统在无需复杂主动加热系统的前提下，仍可支持微型混合动力车辆获得显著续航提升。研究因此从系统级角度说明，MH储氢并非车载燃料电池应用中的限制环节；在恰当的被动热管理和结构集成支持下，MH可转化为一种兼具低压、安全、可再生能源兼容性和成本效益的可行储氢方案。

研究结论部分可译为：本研究考察了金属氢化物（MH）储氢在燃料电池插电式混合动力微型车中的集成，重点关注真实城市工况下储氢热化学动力学、被动热管理方案与整车运行之间的相互作用。通过将经过验证的一维MH模型嵌入混合动力车辆仿真框架，研究实现了对氢气可得性、燃料电池堆（FCS）运行及整车性能的统一评估，该架构能够代表轻型插电式微出行应用。主要结论如下：自然对流不足以维持FCS所需的氢解吸速率，导致频繁怠转和较低氢利用率；基于FCS余热回收的强制对流可使车辆续驶里程较BEV基准提升约40%。引入相变材料（PCMs）作为被动热缓冲后，潜热储能可稳定MH在解吸阶段的温度，显著减少FCS怠转，并使单罐构型中的氢利用率提高至90%以上，因此FCS运行更加连续，FCS能量占比接近50%。增加MH储罐数量可通过降低单罐所需氢质量流率进一步缓解解吸约束；在强制对流构型中，FCS占空比DCFCS由34%提升至接近65%；当其与PCM热管理结合时，双罐布局几乎可完全利用车载氢资源，续驶里程达到180 km，约为原BEV的3倍。尽管附加储罐和PCM夹套增加了整车质量，但由氢气可得性和运行连续性提升带来的收益超过了效率损失。对于FCS启动压力敏感性，3.0–5.0 bar范围内的启动压力会使强制对流构型的续驶里程降低约5%–8%，而PCM构型在同一压力区间内的续驶里程几乎不变。当工况由连续驾驶循环转变为交替驾驶与停车的真实城市使用模式时，MH系统还可受益于停车阶段的热力学松弛。在这种条件下，单罐构型氢利用率约为79%，双罐构型可达99%，即使仅采用强制对流热管理、且无中途充电或补氢，也可实现多日运行。总体而言，结果表明，在PCM被动热管理和合理储罐集成的支持下，MH储氢能够可靠维持面向城市微出行混合动力架构的FCS运行。该方法有效克服了传统上限制MH在移动应用中部署的热约束，使MH储氢由限制因素转变为轻型插电式燃料电池混合动力车辆中的关键使能技术，同时保留其低压运行、安全性、可再生能源友好性和成本效益等固有优势。