我所理解的氢燃料电池(第十章：系统-氢气子系统1)
10-2氢气子系统
氢气子系统的作用是持续地将纯净的、具有一定流量和压力的氢气输送进燃料电池堆，该系统结构包括氢气的供给、传输、反应、排气和循环的过程。通常情况下，该系统包括氢气源、减压阀、压力调节阀、气水分离器、氢气循环泵/引射器、氢气尾排阀、传感器等部件。
目前常见的车载氢源以高压压缩氢气为主，即用高压储氢瓶储存氢气，市面上以35MPa和70MPa为主；也有使用储氢材料作为氢气储存，即固态储氢，因其成本、动力学性能不足、循环寿命有限等因素影响，目前在市面上应用较少。
这里就有个小思考，就是为什么目前储氢瓶的应用压力是35MPa和70MPa，而不是其他压力呢？
1.国际标准与行业规范的统一要求
1）国际标准化组织的主导作用
ISO 19880系列标准明确将车载高压储氢系统的压力等级规范为35MPa 和 70MPa，这一标准被全球主要氢能市场（如日本、欧洲、美国）采纳，成为行业共识；中国国家标准（如 GB/T 26779-2011《燃料电池电动汽车 车载氢系统技术要求》）也直接引用了这一压力体系，确保国内外技术对接和产业链协同。
2）简化基础设施与技术兼容性
若压力等级过多（如40MPa、50MPa），会导致加氢站设备、储氢瓶制造及检测标准复杂化，增加产业链成本。35MPa 和 70MPa 的“双轨制”可覆盖不同场景需求，同时降低基础设施建设和维护的复杂度。
2.材料技术与储氢密度的平衡
1）储氢材料的耐压极限与成本控制
现代储氢瓶普遍采用碳纤维缠绕铝合金内胆（IV型瓶），35MPa 和 70MPa 是材料强度与制造成本的最佳平衡点：35MPa储氢瓶的碳纤维用量较少，成本较低，适合早期技术推广和商用车场景（如氢能大巴、重卡）；70MPa需更高强度的碳纤维（如 T700 级以上），成本增加约 30%-50%，但储氢密度提升近一倍（70MPa 储氢瓶的氢气质量密度可达 5.5% 以上），适合空间受限的乘用车。
2）压力与储氢密度的数学关系
高压气态储氢遵循理想气体状态方程（PV=nRT），压力越高，单位体积储存的氢气量越多。但超过70MPa 后，储氢密度的提升幅度会因氢气压缩因子（Z 值）增大而减弱，同时材料耐压要求呈指数级上升，性价比下降。
3.安全性与工程可行性
1）压力与安全设计的边界
氢气的爆炸极限为4%-75%，高压下对储氢瓶的密封性、抗疲劳性要求极高。35MPa 和 70MPa 是经过大量安全测试验证的 “安全压力区间”：35MPa 储氢瓶的设计爆破压力通常≥105MPa（3 倍安全系数），70MPa 瓶≥210MPa，确保在意外情况下仍有足够安全冗余。超过 70MPa（如 100MPa）时，储氢瓶的疲劳寿命会大幅缩短（如循环次数从 5000 次降至 1000 次以下），且密封件失效风险显著增加。
2）加氢站压缩机的技术瓶颈
加氢站的压缩机需将氢气压缩至目标压力，70MPa已是工业级压缩机的成熟应用上限。若提升至更高压力（如 100MPa），压缩机能耗将增加 20%-30%，且设备体积大幅增大，不符合加氢站高效化、小型化的设计趋势。
4.应用场景
1）35MPa主要应用于商用车（大巴、重卡）、固定式储氢站，商用车对成本更敏感，35MPa储氢瓶成本较低，且商用车空间较大，无需极致储氢密度；固定式储氢站可通过增加储氢瓶数量弥补密度不足。
2）70MPa主要应用于乘用车（氢能轿车、SUV），乘用车追求轻量化和空间利用率，70MPa储氢瓶可在相同体积下储存更多氢气（如丰田 Mirai 的 70MPa 储氢系统可储存 5.6kg 氢气，续航超 650 公里），满足家用车续航需求。
为了能提高氢气的利用率，降低燃料电池的发电成本，获得更高的燃料电池堆性能，目前首选的方案是氢气的循环结构。目前氢气的循环结构主要分为氢气循环泵方案与引射器方案，如图10-5所示。
图10-5氢气的循环方案
对于引射器方案，反应后的残余气体经过气液分离器后，会重新进入引射器参与回流，然后引射器利用压差产生的自吸效应将排出端的氢气吸到引射腔体中，使得回流气体同调压阀出口氢气混合一起重新进入阳极腔体中，完成氢气的循环利用。氢气循环泵方案大致架构与引射器方案类似，只是氢气循环泵代替引射器，可通过主动控制泵转速来实现氢气循环。
两者区别在于引射器是被动地利用压差进行循环，回流效果取决于当前压力情况，在宽范围工况下适应性较差；而循环泵可实现外部主动循环调节，适应工况范围较宽。氢气循环泵方案虽然相比于引射器方案可实现更为精确的循环控制，但一定程度上会增加系统辅助功耗和成本，而且相比引射器，氢气循环泵尺寸和体积也较大。
