車載70 MPa氫系統(tǒng)設(shè)計

袁 殿， 鄭 樂， 王珊珊， 鄭寶乾， 劉 維， 陳慶妍

(北京億華通科技股份有限公司， 北京 100192)

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

儲氫方式主要有高壓氣態(tài)、深冷液態(tài)、金屬/有機液體氫化物及物理吸附等?？紤]技術(shù)成熟度、標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)及車載需求，現(xiàn)階段燃料電池汽車以高壓氣態(tài)儲氫為主，壓力為35 MPa和70 MPa。

國外燃料電池汽車大多采用70 MPa氫系統(tǒng)技術(shù)路線(以Ⅳ型瓶為主)，如豐田Mirai、本田Clarity、現(xiàn)代Nexo等。其中豐田第二代Mirai配備3個70 MPa儲氫罐，續(xù)駛里程可達(dá)850 km；本田Clarity有2個70 MPa儲氫罐，續(xù)駛里程750 km。

受法規(guī)、技術(shù)、市場需求、加氫站等因素影響，國內(nèi)運營的燃料電池汽車基本采用35 MPa氫系統(tǒng)，70 MPa車載氫系統(tǒng)僅在小部分樣車上調(diào)試應(yīng)用，暫未推廣開。其中上汽大通Maxus euniq7、廣汽埃安LX Fuel cell、東風(fēng)e-H樣車都采用70 MPa儲氫罐，續(xù)駛里程都在600 km以上，并在第三方機構(gòu)完成氫系統(tǒng)單獨碰撞檢測。計劃2022“北京冬奧”期間，有部分燃料電池車配置70 MPa氫系統(tǒng)，以用于長途載客。目前，國內(nèi)70 MPa氫系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)發(fā)布，標(biāo)準(zhǔn)體系正逐漸完善。

與國外普遍采用Ⅳ型70 MPa儲氫瓶(塑料內(nèi)膽)不同的是，國內(nèi)仍普遍采用Ⅲ型70 MPa儲氫瓶(鋁合金等金屬材料內(nèi)膽)，主要是受限于關(guān)鍵技術(shù)(如塑料內(nèi)膽纖維纏繞、塑料內(nèi)膽與金屬瓶口密封性等)、標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)與檢測手段、材料性能(如塑料內(nèi)膽與氫氣相容性、耐加工、耐高溫、光照耐老化、抗?jié)B透性)等因素。浙江大學(xué)研制的70 MPaⅢ型儲氫瓶，解決了高抗疲勞性能的纏繞線型匹配、超薄鋁內(nèi)膽成型等難題，實現(xiàn)了鋁內(nèi)膽纖維纏繞儲氫瓶的輕量化；天海、科泰克、斯林達(dá)及中材科技等企業(yè)均已研制出70 MPaⅢ型儲氫瓶。目前來看，Ⅳ型瓶在儲氫質(zhì)量比、成本、耐腐蝕等方面優(yōu)于Ⅲ型瓶，而Ⅲ型瓶在導(dǎo)熱、耐溫、快速加氫等方面優(yōu)于Ⅳ型瓶，且Ⅲ型瓶的傳熱效果要優(yōu)于Ⅳ型瓶，可一定程度降低加注過程的能耗。

基于上述情況，本文以Ⅲ型瓶為基礎(chǔ)，開展70 MPa車載氫系統(tǒng)設(shè)計，并以城際客運為場景，實現(xiàn)樣車應(yīng)用。

2 氫系統(tǒng)的組成及要求

氫燃料電池汽車氫系統(tǒng)是由氫氣瓶、框架、扎帶、鞍座、管道、傳感器等組成，其設(shè)計需遵循確保安全、匹配需求、結(jié)構(gòu)合理等原則。圖1是氫系統(tǒng)工作原理圖，氫氣自氣瓶瓶口閥流出、匯集，并經(jīng)一級、二級減壓閥模塊減壓，進入燃料電池電堆進氣口。其中，瓶口閥、瓶尾及安全閥均設(shè)有氫氣的排空口；加氫口處配置紅外通訊模塊，實現(xiàn)加氫過程中車載氫系統(tǒng)與加氫設(shè)備的實時通訊功能。圖中PRD為壓力釋放裝置。實際布置中，根據(jù)整車空間將氫系統(tǒng)分為若干個瓶組模塊，模塊間用管路相連。

圖1 70 MPa車載氫系統(tǒng)原理圖

2.1 70 MPa氣瓶

本文氣瓶選取國內(nèi)某企業(yè)自主研制且已通過國標(biāo)全部型式試驗要求的70 MPa車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶，即Ⅲ型氣瓶，內(nèi)膽材料選用6061鋁合金，復(fù)合層材料為T800級碳纖維，單瓶體積134 L，質(zhì)量125 kg，理論儲氫量5.4 kg。本文的車載氫系統(tǒng)是面向公路客車設(shè)計，續(xù)駛里程需求600 km以上，按百公里氫耗6～7 kg計，要求氫系統(tǒng)儲氫量達(dá)36～42 kg。因此，取8個氣瓶集成氫系統(tǒng)，可儲存43.2 kg氫氣，按圖1可分為2個4瓶組模塊。

2.2 管道

根據(jù)系統(tǒng)功能不同，車載氫系統(tǒng)管道可分為以下幾個類型：① 加氫口連接至氣瓶的最前端管道，稱為加氫主管道；② 加氫主管道分流后至每個氣瓶間的管道，稱為加氫分支管道；③ 減壓器至燃料電池發(fā)動機的管道，稱為供氫主管道；④ 氣瓶連接到供氫主管道的管道，稱為供氫分支管道；⑤ 壓力釋放裝置(PRD)排氣管道、安全閥排氣管道，稱為安全排氣管道。

設(shè)計中要充分考慮管道材質(zhì)以及管徑對系統(tǒng)功能的影響：

1) 考慮到氫脆，參照美國CGA G-5.4—2012《Standard for hydrogen piping systems at user locations》規(guī)范，建議采用300系列的奧氏體不銹鋼材料，用于氫氣系統(tǒng)上述各類型管道設(shè)計；在300系列奧氏體不銹鋼材料中，TP316/316L材料的性能相對較好，在高壓氫氣的環(huán)境條件下，氫脆效應(yīng)基本不會對其產(chǎn)生影響。

2) 加氫主管道和加氫分支管道，要滿足充裝速率的要求。

3) 供氫主管道和供氫分支管道，滿足燃料電池發(fā)動機峰值功率下的氫氣供給壓力和流量需求。

4) 安全排氣管道滿足快速泄放要求。

5) 管道中設(shè)置壓力監(jiān)測、氣體排空等功能。

6) 考慮到布置空間有限，管路管徑在滿足最大使用需求下盡可能小，管道內(nèi)徑(mm)與氫氣流量(Nm/h)的關(guān)系如下：

=3 600π(+1)4

(1)

式中：是管道內(nèi)氫氣絕對壓力，即70 MPa；是管道內(nèi)氫氣流速，m/s。

本文樣車配置的燃料電池發(fā)動機峰值輸出功率約為110 kW、輔助系統(tǒng)功率26 kW，氫氣消耗量約為135 g/min，過量系數(shù)取2，則供氫管道的流量需滿足182 Nm/h。假設(shè)充裝時間在15 min以內(nèi)，則加氫主管道的流量需滿足1 936 Nm/h；假設(shè)排放總量可按儲氫總量的80%來估算，氫氣放空時間一般取15 min，則安全排放管道的流量需滿足1 549 Nm/h。

2.3 管閥件

35 MPa車載氫系統(tǒng)常采用卡套式接頭，但這種密封結(jié)構(gòu)形式無法滿足70 MPa系統(tǒng)的密封要求。在70 MPa壓力下，管路有松脫和泄漏的可能性。

針對70 MPa氫系統(tǒng)開發(fā)，要求管閥件具備良好的密封、抗振動、耐高壓、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、安裝簡便、可反復(fù)拆裝、對不同壁厚卡套管具有補償特征等性能。作者調(diào)研了如Swagelok、Parker、HY-LOK等多家管閥件生產(chǎn)廠商，較為成熟且可滿足70 MPa車載氫系統(tǒng)應(yīng)用要求的管閥連接件有O型圈密封、墩頭密封、錐面密封等形式。綜合考慮市場狀態(tài)、設(shè)計難度、價格成本等因素，本文選用O型圈密封形式接頭。需要特別指出的是，氫系統(tǒng)工作溫度區(qū)間較寬，密封設(shè)計需同時考慮熱脹冷縮因素的影響。

2.4 框架及固定結(jié)構(gòu)

本文儲氫系統(tǒng)布置于整車行李艙位置。如果將8個氣瓶集成為1個完整模塊，則與行李艙支架干涉，因此將8個氣瓶分為2個4瓶組模塊，其中1個模塊如圖2所示。2個模塊均呈長方體形狀，但各切去一角，為整車管線布置預(yù)留空間；2個模塊之間采用管路連通，加氫口在其中一個模塊上，放置于瓶尾方向。

圖2 車載氫系統(tǒng)模塊及固定框架

1) 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用整體框架式結(jié)構(gòu)保護氫氣瓶，即由2根橫梁、3根縱梁將4個氣瓶集成到一個框架總成中，縱梁截面呈“Π”形，中間為圓弧形凹槽，由若干板材拼焊而成；并采用扎帶固定，扎帶材質(zhì)為Q235B，寬度為56 mm，氣瓶與鋼帶、底座接觸面分別增加3 mm厚三元乙丙橡膠墊；每只氣瓶由兩組扎帶緊固，螺栓緊固力矩為70 N·m，可以對氫氣瓶進行有效的固定和保護。

上述框架結(jié)構(gòu)可以滿足整車布置尺寸，但與平鋪布置的系統(tǒng)相比較，重心偏高，且70 MPa氣瓶重量更大，對結(jié)構(gòu)強度(含扎帶固定)要求較高，需對整個儲氫模塊進行仿真驗證。

2) 靜強度仿真分析。按GB/T 26990—2011要求，對模塊中每個氣瓶的、、三個方向都施加充滿標(biāo)稱工作壓力氫氣重量和氣瓶重量之和8倍的力(本文是10.223 kN)，靜強度計算結(jié)果最大應(yīng)力為172.6 MPa，小于材料屈服強度345 MPa，安全系數(shù)約2.0。氣瓶與固定座的相對位移最大為3.6 mm，出現(xiàn)在方向(氣瓶軸向方向)，其余兩個方向為2.1 mm、0.8 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的“儲氫容器與固定座相對位移不超過13 mm”要求。

3) 振動強度仿真分析。模擬分析該支架在整車運行環(huán)境下的強度狀態(tài)。按整車設(shè)計要求，在每個氣瓶的、、三個方向施加振動加速度30 m/s，振動頻率為30 Hz。振動分析計算結(jié)果表明，最大動態(tài)應(yīng)力159.9 MPa，小于材料屈服強度345 MPa，安全系數(shù)約2.1，滿足整車設(shè)計要求。

2.5 電氣

車載氫系統(tǒng)需配置相應(yīng)的電氣輔件，實現(xiàn)氫系統(tǒng)工作控制、實時監(jiān)測及信息傳輸?shù)?，具體包括氫系統(tǒng)控制器連接瓶閥、溫度傳感器、壓力傳感器、氫濃度傳感器和紅外模塊，其中各傳感器采集到的信息通過CAN通信發(fā)送給燃料電池和整車，再通過紅外模塊輸出相應(yīng)的信息給加氫站。需要注意的是，加氫過程中容易聚集液態(tài)水，紅外接頭的安裝位置建議避開加氫口正下方。

2.6 氫安全

為確保氫系統(tǒng)安全工作，設(shè)計時從預(yù)防與監(jiān)控兩方面著手，配置了安全泄壓裝置(TPRD)、超溫超壓預(yù)警、過流保護、安全閥、各類傳感器(氫濃度、溫度、壓力)等。70 MPa氫系統(tǒng)的氫安全功能如下：

1) TPRD功能。瓶口和瓶尾閥中集成溫度、壓力主動泄放裝置，在氣瓶超溫、超壓時快速泄放。

2) 超溫、超壓預(yù)警。溫度、壓力實時檢測，超限報警。

3) 過流保護。在管路發(fā)生破裂的情況下，設(shè)置在瓶口處的過流閥運作，避免氣瓶中大量氣體外泄。

4) 一級、二級安全閥。保護中壓、低壓管道壓力安全。

5) 氫濃度報警。當(dāng)氫濃度傳感器檢測到系統(tǒng)中氫氣濃度達(dá)到預(yù)警值時，執(zhí)行保護措施，確保系統(tǒng)和人員安全。

在氫系統(tǒng)使用過程中，還應(yīng)注意，由于氫氣較為活躍，氫脆作用容易導(dǎo)致泄漏，需要定期對車載氫系統(tǒng)氣密性、傳感元件等進行檢測和維護。

2.7 氫系統(tǒng)的應(yīng)用與測試

按上述設(shè)計，開展零部件選型及測試，尤其是氣瓶、安全閥、控制器及傳感器等關(guān)鍵零部件，并完成實物集成。集成后的氫系統(tǒng)被應(yīng)用到11 m燃料電池客車上。為了上整車公告，氫系統(tǒng)模塊須在第三方測試機構(gòu)開展氣瓶安裝強度檢測。

氣瓶安裝強度檢測按GB/T 29126—2012和GB/T 26990—2011進行。施加與2.4節(jié)2)條中相同的力，測試結(jié)果是氣瓶在三個方向相對于固定點的位移分別為5.6 mm、6.7 mm、1.7 mm(對應(yīng)的仿真值分別為2.1 mm、3.6 mm、0.8 mm)，符合“相對位移不大于13 mm”的要求。檢測結(jié)果與仿真結(jié)果均表明最大位移在氣瓶軸向方向，但實測的相對位移值(6.7 mm)大于仿真結(jié)果值(3.6 mm)，原因可能是實際安裝過程中扎帶與氣瓶的接觸面積小于100%，所產(chǎn)生的摩擦力小于仿真中的理想狀態(tài)。

3 結(jié)束語

隨著70 MPa燃料電池車輛的推廣應(yīng)用，車載氫系統(tǒng)及其關(guān)鍵零部件、控制策略、配套設(shè)施都將得到應(yīng)用驗證和改進，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也將逐步完善，為70 MPa燃料電池汽車的推廣應(yīng)用提供支撐。