顏子翔、盧信宏、張揚狀 / 台灣中油公司綠能科技研究所
近年來，除了鋰電池電動汽車外，有越來越多人選擇氫燃料電池電動汽車，作為新能源汽車的另一個選項。它具有高效率、零尾氣排放、加氫時間短和使用可再生能源等優勢。美國汽車工程師協會(SAE)為了保證加氫的安全性，已制定加氫協定SAE J2601，並為加氫站加氫系統部件和設計提供指引，這使得在3~5分鐘內加滿氫氣且實現高加氫狀態成為可能。同時考慮加氫時，汽車氫氣罐內氫氣溫度將伴隨加氫壓力增加時的升高現象，不僅會降低氫氣罐的加氫狀態，還會帶來氫氣罐安全上的危險，因此需將氫氣罐溫度限制在小於85˚C狀態。
在本文中，應用美國國家可再生能源實驗室(NREL)發展的一套H2FillS軟體，利用加氫協定之查表方式，模擬並分析了與快速加氫相關的因素，如：氫氣罐初始壓力與初始溫度、加氫站周圍環境溫度、加氫時之氫氣溫度、加氫速率和車上儲氫罐體尺寸等。同時介紹MC Formula-based方式之加氫協定使用方式，其基於加氫機壓力和溫度測量來計算與控制壓力上升速率，以最大限度地減少加氫時間，並藉由德國Wenger公司所開發MC公式驗證計算器，來確認所開發之動態加氫方式是否符合標準。透過研究這些參數之間的關係，可對氫燃料汽車快速加氫現象有更多的瞭解，同時掌握整個加氫動態過程中相關加氫性質，例如氫氣壓力、溫度和質量流量隨時間的變化關係。未來設置加氫站時，以上之分析將對於如何有效安全且經濟地運行加氫站提供更多的想法和思考。
【內文精選】
氫能車與加氫站介紹
國際加氫站一般標準由ISO 19880-1規範，該標準提供輕型車輛氣態氫加氫站的安全建議與設計特性規範，同時提出加氫站安全評估要求及建議降低安全風險措施，並對加氫程序控制和安全系統建議了最低要求。圖一描述加氫站主要組件，包括：燃料電池汽車的壓縮高壓氫氣存儲系統(Compressed Hydrogen Storage System; CHSS)、自動加氫機系統、氫氣計量設備、軟管、加氫槍、緊急關斷閥、溫度和壓力傳訊器等。
圖一、加氫站組成部件示意圖
基於查表方式加氫過程中參數對溫升的影響
加氫過程中加氫參數對儲氫罐氫氣溫度上升的影響，主要包括：儲氫罐初始壓力和溫度、加氫站環境溫度、氫氣進氣溫度、加氫平均壓力上升速率和儲氫罐體尺寸等因素。加氫初期階段，加氫站先透過通訊方式獲得氫能車儲氫罐大小與初始壓力，同時量測環境溫度。根據SAE J2601協定，主要步驟為透過加氫站環境溫度與儲氫罐初始壓力，經由加氫協定表格求得平均壓力上升速率(APRR)與加氫終止壓力，也就是加氫站環境溫度將決定平均壓力上升速率值(加氫速度)，加上儲氫罐初始壓力值，便可決定加氫終止壓力值。
基於MC Formula方式加氫協定
MC公式方法為利用加氫機上氫氣預冷溫度的主動測量，來動態控制加氫過程，因此能提供更快速的車輛加氫服務，可應用在台灣未來加氫站設計上，提高客戶對氫能車的加氫體驗滿意度。基於MC公式的協定結構分為兩部分，即壓力上升速率(Pressure Ramp Rate; PRR)控制和結束壓力(Ending Pressure)控制。基於MC公式設計之加氫協定的主要目標，是提供一種更簡單且易於使用的加氫方法，使得加氫站建置商能更加靈活地使用加氫設備，而在加氫設備及加氫方法考量上，其安全技術和可靠性至關重要。
1. 壓力上升速率控制
壓力上升速率控制為利用瞬時壓力上升率(PRR)來控制加氫動作，其角色就如同查表法中的APRR，壓力上升率控制決定瞬時壓力上升率，並以熱情況假設，基於一個計算方程式定義從最小壓力(Pmin)填充到最終壓力(Pfinal)所需的時間量(tfinal)，同時是在熱浸假設條件下而不超過車載儲氫瓶內85˚C的氣體溫度限制。
在開始執行加氫時，MAT值可能比加氫結束時之溫度明顯更高，因此如果將MAT值直接套用於tfinal的方程式，則tfinal在加氫開始階段其數值會非常大，並且隨著氫氣輸送溫度的降低和MAT數值變冷而逐漸變小。這將導致壓力上升速率PRR值須加以補償，避免數值變化太大。為了盡量減少上述不利影響，PRR應盡可能恆定，這將使得tfinal和MAT盡可能恆定。
因此可依照圖十中規則1到3中的設定來執行。規則1中說明了在最初加氫30秒內之MAT值設定，可設定在-36˚C~-18˚C之間任一數值，確切設定數值精不精準並不重要，主要目的是讓tfinal數值合理，此時MATc等於MATexpected ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十、將加氫過程分割成三段MAT應用特定規則區域
★本文節錄自《工業材料雜誌》451期，更多資料請見下方附檔。