基于金属有机框架缓冲储罐的液态氢燃料电池汽车蒸发气体处理系统研究

为解决液态氢(LH2)燃料汽车蒸发气体(BOG)导致的氢能损耗和安全风险问题，研究人员创新性地开发了集成金属有机框架(MOF)缓冲储罐的BOG处理系统。研究表明，该系统在0.8 MPa压力下可使氢回收率提升30%，延长休眠期1至数天，并通过辅助加热实现安全排放。该研究为车载LH2存储提供了兼具经济性与安全性的解决方案。

　　

随着氢燃料电池汽车(FCV)的快速发展，液态氢(LH₂)存储因其高能量密度和低压优势备受关注。然而，20K超低温环境导致的蒸发气体(BOG)问题长期制约其应用——早期宝马Hydrogen 7车型每日蒸发率高达9.9%，十天停驶即耗尽燃料。更严峻的是，传统高压储氢方案存在70MPa压力下TPRD（热激活泄压装置）触发时整车焚毁的风险，而BOG在密闭空间积聚可能引发压力峰值现象，威胁建筑结构安全。

浙江省自然科学基金资助项目的研究团队提出突破性解决方案：通过金属有机框架(MOF)缓冲储罐构建被动式BOG处理系统。研究发现，铝基MOF材料在0.8MPa压力下氢回收容量较0.5MPa提升30%，配合真空绝热技术可使乘用车LH₂罐休眠期延长2.3天。系统创新性地整合催化燃烧模块，在紧急情况下将过量氢气转化为水，同时利用辅助加热实现可控泄压。该成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，为车载超低温储氢系统提供了兼具经济性与安全性的技术路径。

研究采用多尺度分析方法：通过MOF吸附等温线测试筛选最优材料；建立热力学模型模拟不同压力(0.5-0.8MPa)和温度(273-293K)条件下的氢回收率(HRCR)；针对4kg（乘用车）和20kg（轻卡）两种储氢规模进行案例对比；最后通过压力波动模拟验证系统安全性能。

整体系统设计
系统核心由MOF缓冲罐和催化燃烧器构成。当BOG压力超过阈值时，氢气先被MOF吸附储存；待燃料电池需要时脱附回用。缓冲罐压力上限设定为0.8MPa，兼顾回收效率与设备紧凑性。

蒸发氢回收性能
铝基MOF-303在293K、0.8MPa时氢吸附量达1.2wt%，且20次循环后容量保持率＞95%。热分析显示环境传热对高压工况影响较小，0.8MPa时系统对20K温升的耐受时间比0.5MPa延长40%。

车型案例分析
对于4kg储氢的乘用车，配置15L MOF罐可使休眠期从3天延长至5.3天；20kg轻卡采用60L罐体时，休眠期从1.5天提升至4天。计算表明系统可使年氢损耗降低58-67%。

安全影响分析
缓冲罐有效平抑充氢过程30%的压力波动，紧急泄放时催化燃烧器能将氢气浓度控制在4%爆炸下限以下。相比传统70MPa高压系统，LH₂+MOF方案使潜在爆炸能量降低两个数量级。

结论
该研究证实MOF缓冲系统能同步解决BOG导致的燃料损耗与安全隐患：在0.8MPa最优压力下实现30%回收率提升；通过"吸附-回用-催化转化"三级处理将风险氢转化为可利用能源或无害水；模块化设计尤其适合空间受限的车载环境。这项技术为推进液态氢在交通领域的规模化应用提供了关键技术支撑，未来通过与sLH₂(过冷液态氢)技术的结合，有望进一步延长燃料电池汽车的停驶周期。