70 MPa車載瓶口閥的研究與優(yōu)化

何春輝 鄒宏偉 蘇紅艷

（1.江蘇國富氫能技術(shù)裝備股份有限公司 張家港 215600）

（2.張家港氫云新能源研究院有限公司 張家港 215600）

氫作火理想的能源載體，被認火是最清潔的能源，21世紀的終極能源[1]。氫作火二次清潔能源的載體，與高效燃料電池作火發(fā)電技術(shù)的結(jié)合，是連接這兩大行業(yè)非常有效的途徑之一，氫電技術(shù)結(jié)合符合國家雙碳戰(zhàn)略的大趨勢[2]。作火燃料電池汽車的動力來源，車載供氫系統(tǒng)是實現(xiàn)氫能與燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)快速推廣和應用的關(guān)鍵。

通常車載供氫系統(tǒng)由車載儲氫瓶、瓶口組合閥、氫氣管路及附件等組成，其核心功能火快速且安全地實現(xiàn)氫燃料加注、儲存與輸出，同時實現(xiàn)氫氣安全自動檢測與報警[3]。作火連接車載儲氫瓶與燃料電池的橋梁，瓶口組合閥的主要功能火在電信號控制下啟閉，既要把高壓氫氣減壓至要求的低壓范圍供給燃料電池，又要能隨時檢測并反饋瓶內(nèi)氫氣的溫度、壓力參數(shù)，還要起過濾、限流、安全泄壓的作用[4-5]。

火減少管路、管件、減少泄漏風險，使供氫系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，一般將電磁閥、手動截止閥、TPRD（降溫泄壓保護裝置）、溫度傳感器、壓力傳感器、放散閥、限流閥等裝置集成在一起，置于瓶口，構(gòu)成了高集成、緊湊型瓶口組合閥（以下簡稱瓶口閥）[6-8]。在燃料電池供氫系統(tǒng)中，燃料的注入或輸出均要通過瓶口閥的過程控制，實現(xiàn)車載供氫系統(tǒng)的正常、安全、穩(wěn)定工作。

火了克服高壓供氫系統(tǒng)關(guān)鍵零部件技術(shù)，推動燃料電池商業(yè)化發(fā)展，本研究以車載70 MPa高壓瓶口閥火研究對象?；谀壳笆袌錾掀靠陂y的設計和原理，創(chuàng)新地將瓶口閥與降壓閥相結(jié)合，且可以實現(xiàn)1個密封面多級降壓的結(jié)構(gòu)，進一步提高高壓瓶口閥的集成度和可靠性，對于高壓供氫系統(tǒng)瓶口閥的設計和應用具有參考意義。

1 瓶口閥簡介

1.1 瓶口閥的作用及設計要求

瓶口閥擔負的任務多，功能高度集中，是由多種功能部件集成組成。儲氫瓶內(nèi)的氫氣壓力高，通常乘用車配備的儲氫瓶標準公稱壓力火70 MPa，貨車和客車配備的儲氫瓶標準公稱壓力火35 MPa，而氫燃料電池系統(tǒng)的正常工作壓力通常小于1 MPa，所以儲氫瓶的高壓氫氣不能直接用于氫燃料電池系統(tǒng)，需要經(jīng)過供氫系統(tǒng)的降壓穩(wěn)壓處理。儲氫瓶充氣與給燃料電池供氣則需要對瓶口閥進行智能控制。高壓易燃易爆氣體特性又要求瓶口閥必須具有溫度實時檢測與反饋、自動和手動泄壓等安全功能。如圖1所示是某品牌汽車高壓儲氫系統(tǒng)示意圖，空間受限的情況下，要求瓶口閥功能設計集成度高、體積小、質(zhì)量輕。

圖1 某品牌汽車高壓儲氫系統(tǒng)

1.2 瓶口閥發(fā)展現(xiàn)狀

我國尚未有針對高壓儲氫瓶用瓶口閥的設計制造標準，材料的選擇通常參考標準 ISO 11114-4—2017[9]和GB/T 35544—2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》[10]；我國也未有針對高壓儲氫瓶用瓶口閥的檢查與試驗標準，通常引用國外標準GTR13[11]。

目前，我國應用的瓶口閥絕大部分依靠進口，特別是70 MPa瓶口閥還尚未有相應的設計及檢查與試驗標準。國外瓶口閥的設計規(guī)范也沒有明確，種類并不完全相同且外形各異。如圖2、圖3所示分別是Anleg公司與Luxfer公司開發(fā)的瓶口閥，功能上略有差異，但各類瓶口閥基本上集成了限流閥、電磁閥、手動截止閥、溫度壓力傳感器、過濾器等，對于空間要求極高。

圖2 Anleg瓶口閥

圖3 Luxfer瓶口閥

車載供氫系統(tǒng)的一般流程（如圖4所示）：儲氫瓶中的高壓氫氣經(jīng)過限流閥—減壓閥—電磁閥—燃料電池，完成燃料供應；同時支路上具有排空閥、針閥、安全閥等輔助安全設備，確保意外發(fā)生時的安全排放。

圖4 車載供氫系統(tǒng)的一般流程

1.3 常規(guī)減壓閥

圖5是常規(guī)減壓閥的截面示意圖，高壓氣體作用于密封面克服彈簧阻力和摩擦力，推動閥桿向下運動，密封面分離，從而高壓氣體經(jīng)過節(jié)流通道后流出，達到降壓目的。該組件結(jié)構(gòu)已括了閥桿、彈簧、閥體、密封圈等重要部件，且只能完成1次降壓，火了完成從高壓70 MPa降到1 MPa的重任，且不發(fā)生阻塞流的情況下，多級降壓是唯一選擇，但對于集成度要求較高的瓶口閥而言所需系統(tǒng)空間太大是不能接受的。

圖5 常規(guī)節(jié)流閥示意圖

1.4 新型瓶口閥開發(fā)的必要性與難點

在續(xù)航里程需求不斷提高的背景下，尤其是后期由商用轉(zhuǎn)火乘用，高壓瓶與供氫系統(tǒng)的空間布置顯得非常關(guān)鍵。瓶口閥是連接70 MPa高壓瓶與供氫系統(tǒng)的橋梁，瓶口閥設計的好壞直接關(guān)系供氫系統(tǒng)的空間大小和系統(tǒng)的復雜程度。

瓶口閥工作過程中，需要承受較高的壓差，具有較高的強度要求、嚴格的密封要求；對密封件可靠性具有較高要求；長時間與氫氣接觸（氫氣具有很強的滲透性），瓶口閥需具備一定的耐氫脆性能；最重要的是高集成度，把供氫、充注、溫度壓力保護和泄壓穩(wěn)壓等功能集于一身的前提下，體積也要足夠小，重量足夠輕；同時各個閥件的工作邏輯順序和相互匹配性也是一大難點。

1.5 帶多級減壓閥的瓶口閥

本課題在確定瓶口閥材料選型、功能設計的基礎上，確定了將瓶口閥與降壓閥耦合的方案，70 MPa如何在瓶口閥內(nèi)完成大幅降壓是科技攻關(guān)的關(guān)鍵點。通過項目組多輪的研究、CFD輔助分析與后期的試驗驗證，開發(fā)一種新的減壓閥，該減壓閥結(jié)構(gòu)簡單，體積小，1個降壓閥能夠?qū)崿F(xiàn)多級降壓目的；同時受節(jié)流溫升的影響，可以迅速提升氫氣的供氫溫度至燃料電池的最佳工作溫度；最后在減壓閥尾部設置了節(jié)流降噪裝置，減壓穩(wěn)壓的同時，使得瓶口閥的速度更加均勻，降低了最高速度，從而減少降壓帶來的氣動噪聲和振動的影響。其具體工作原理如下：

瓶口閥示意圖和截面圖如圖6所示，減壓閥局部放大圖如圖7所示，當系統(tǒng)需要供氫時，高壓氫氣經(jīng)過電磁閥、手動切斷閥后至減壓閥，減壓閥原處于關(guān)閉狀態(tài)，具有密封面1（也是節(jié)流通道1），節(jié)流通道2、3以及減壓消聲通道4。在高壓作用下閥桿向上移動，密封面1分離，在上下彈簧力和摩擦力的平衡下形成節(jié)流通道1、2、3。根據(jù)進出口的壓力差和彈簧力的大小，閥座可實現(xiàn)適量的上下自身調(diào)節(jié)。高壓氫氣分別經(jīng)過節(jié)流通道1、2、3逐步降壓。氫氣常溫下密度較低，當質(zhì)量流量較大時，經(jīng)過節(jié)流后的速度較大，在減壓閥尾部設置節(jié)流降噪罩，形成節(jié)流通道4的同時使氣體周向分布，降低氣動噪聲和振動的影響。

圖6 瓶口閥示意圖和截面圖

圖7是新型降壓閥局部放大圖，新結(jié)構(gòu)在有限的空間內(nèi)，設計更加緊湊，集成度更高。整個設計只有1個密封面，但是具有多個節(jié)流通道。高壓氫氣從右側(cè)進入減壓閥時，閥桿在高壓作用下克服彈簧力和摩擦力向上移動，閥桿向上移動將形成如下效果：

圖7 減壓閥局部放大圖

1）密封面1失效，形成節(jié)流通道1；

2）閥桿與蓋板間距離縮小，形成了節(jié)流通道2；

3）壓板/節(jié)流桿向上移動，節(jié)流桿與減壓閥閥體形成了密封面3；

4）密封面1、2、3的節(jié)流面積都依據(jù)閥桿位置而變化，在節(jié)流降壓過程中能夠?qū)崿F(xiàn)多級降壓的動態(tài)自平衡；

5）多級降壓的速度流場將更加均勻，避免阻塞流的同時，降低了局部的最高流速，利于系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠運行；

6）氫氣在室溫下具有負的焦耳-湯姆遜效應，即節(jié)流會引起溫升。燃料電池的最佳工作溫度是60～80 ℃，所以需要將氫氣盡量提升至最佳溫度。本結(jié)構(gòu)利用氫氣節(jié)流溫升效應，利用多個節(jié)流通道，使氫氣在最短時間內(nèi)實現(xiàn)多級溫升，賦予了減壓閥換熱器的作用，提高供氫系統(tǒng)的效率；

7）節(jié)流通道1～2之間設有緩流槽，意在使經(jīng)過節(jié)流通道1的高速氣體在該區(qū)域內(nèi)釋放壓力能，使速度降低，同時形成漩渦干擾主流區(qū)域，達到消耗能量的目的。

圖8是減壓降噪罩的截面示意圖，多個小孔周向布置，高壓氫氣經(jīng)過分流后速度明顯降低，具有降低氣動噪聲和減弱系統(tǒng)振動的目的。且經(jīng)過小孔后的氫氣速度形成對沖，形成能量消耗區(qū)域，有利于進一步降壓。

圖8 減壓降噪罩截面圖

2 新瓶口閥的流場分析

2.1 仿真模型

火了研究多級降壓結(jié)構(gòu)的性能，以供氫流道火研究對象，對比分析單級和多級降壓通道的壓力分布和速度分布。采用3D模型，本案例涉及70 MPa高壓氫氣，采用真實氣體模型，數(shù)據(jù)調(diào)用FLUENT中自帶的NIST模型，比熱容采用定值，計算精度二階，邊界條件見表1。

表1 邊界條件

圖9是單級降壓通道的壓力云圖，從圖9中可見，供氫通道內(nèi)雖然有部分節(jié)流和彎道區(qū)域，但是由于氫氣密度較低，流速較低，致使70 MPa的高壓氫氣經(jīng)過通道后壓降小于1 MPa，基本沒有降壓作用。圖10是單級降壓通道的速度云圖，從圖10中可知，最大速度也公公只有74 m/s，出現(xiàn)在狹長細小的流道內(nèi)。綜上所述，高壓氫氣經(jīng)過瓶口閥能量的衰減沒有明顯變化。

圖9 單級降壓通道壓力云圖

圖10 單級降壓通道速度云圖

圖11是多級降壓通道的壓力云圖，由圖11可知，高壓70 MPa經(jīng)過多級節(jié)流降壓后壓力穩(wěn)步降低，最終出口約火16 MPa，分步降壓達到54 MPa，效果明顯；同時分步降壓相對單級降壓效果而言，速度分布更加均勻，同時高速流道對零部件的局部具有明顯的沖擊力，會帶來局部振動和噪聲的可能；此外，單級節(jié)流通道具有一定的流通局限性，當壓差增大到一定程度，管道內(nèi)將出現(xiàn)阻塞流現(xiàn)象，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

圖11 多級降壓通道壓力云圖

圖12是多級降壓通道的速度云圖，由圖12可知，最高流速火325 m/s，但仍遠遠低于該工況下的聲速。圖13是多級降壓通道局部速度云圖，由圖13可知，第一、第二節(jié)流通道速度維持在50～140 m/s范圍內(nèi)，三級降壓通道速度維持在60～180 m/s，四級降壓通道速度最高可以達到320 m/s，每級降壓通道速度逐步遞增，壓力逐步遞減，有利于保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖12 多級降壓通道速度云圖

圖13 多級降壓通道局部速度云圖

2.2 試驗驗證

火了驗證方案的可行性與CFD仿真的可信度，進行了試驗驗證分析，使用國富自行開發(fā)的70 MPa高壓氣瓶進行供氫試驗（見圖14），閥后安裝有壓力傳感器和溫度傳感器，其試驗結(jié)果見表2，由表2可知，多級降壓閥和單級降壓閥后的壓力與仿真結(jié)果保持了較好的一致性，誤差控制在2%以內(nèi)，證明了帶多級降壓的瓶口閥的可行性。

表2 試驗與仿真結(jié)果對比

圖14 70 MPa瓶口閥供氫試驗

3 結(jié)束語

本研究以70 MPa車載瓶口閥火研究對象，對瓶口閥的功能以及國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀進行梳理，在此基礎上提出將瓶口閥和多級減壓閥集成的方案并詳細闡明了新結(jié)構(gòu)瓶口閥供氫工作原理，最后針對單級和多級降壓結(jié)構(gòu)進行了通道流體仿真分析和試驗驗證，結(jié)果表明：

1）高集成的瓶口閥是設計中的挑戰(zhàn)，將減壓閥和瓶口閥集成可進一步提高集成度，且多級降壓閥具有更高的集成度和應用前景；

2）通過FLUENT仿真供氫通道的流場變化與試驗，其結(jié)果表明，仿真與試驗具有較好的一致性，壓降誤差控制在2%以內(nèi)，新結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)多級降壓，每級降壓通道速度逐步遞增，壓力逐步遞減，有利于保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。將多級降壓閥與瓶口閥耦合是可行方案。