古純霖 趙保頔 張 波 王 玲 何春輝

（1.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

（2.國家市場監(jiān)管總局特種設備安全與節(jié)能重點實驗室 北京 100029）

（3.江蘇國富氫能技術裝備有限公司 蘇州 215600）

近幾年，我國氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)燃料發(fā)展迅速，車載高壓儲氫氣瓶閥門是氫燃料電池汽車的關鍵部件，對保障氫電池汽車安全使用具有重要作用[1-3]。高壓儲氫氣瓶閥門具有結(jié)構(gòu)復雜，功能多樣，工況惡劣，維修困難等特點，因此設計制造要求較高。目前我國市面上的高壓儲氫氣瓶閥門種類繁多，其中進口閥門為主，國內(nèi)閥門為輔。進口閥門品牌主要包括GFI、OMB以及Luxfer等，國產(chǎn)閥門品牌主要包含舜華、富瑞、荊門宏圖、瀚氫動力等。國外閥門產(chǎn)品經(jīng)過多年的發(fā)展和市場檢驗，具有質(zhì)量可靠性高，應用經(jīng)驗豐富的優(yōu)勢，因此占據(jù)較大的市場份額。國內(nèi)閥門由于起步較晚，應用經(jīng)驗欠缺，質(zhì)量也尚未得到市場認可，目前尚未大規(guī)模投入使用。由于車載高壓儲氫氣瓶閥門產(chǎn)業(yè)尚未成熟，所以不同品牌的閥門紛雜多樣、閥門功能不盡相同，試驗方法要求不一的問題，不利于車載高壓儲氫氣瓶閥門的安全使用。基于上述情況，本文提出對車載高壓儲氫氣瓶閥門進行標準化要求的建議，以期車載高壓儲氫閥門能夠高效地生產(chǎn)和使用，更好地服務于氫燃料電池汽車的發(fā)展。

1 車載高壓儲氫瓶閥門的典型結(jié)構(gòu)形式

車載高壓儲氫瓶的瓶口閥不同于非車載情況下的瓶口閥，它的特點體現(xiàn)在高安全性、高集成度以及復雜的監(jiān)控性等。國內(nèi)早期研制的燃料電池汽車中，一般車載儲氫瓶的瓶閥往往只安裝一個氣瓶閥，再通過組裝相應功能的單體閥件、元器件、高壓管路及控制器件等對高壓氫氣進行輸送與監(jiān)控，是一個分列式布置的供氫系統(tǒng)，占用的布置空間大，潛在的泄漏風險高，相應其安全性和可靠性較低。為減少管路、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（溫度型壓力泄放裝置）、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。車載高壓儲氫氣瓶閥門的工作壓力主要分為35MPa和70MPa兩檔，目前國內(nèi)主要使用的是35MPa車載高壓儲氫氣瓶閥門，70MPa閥門在國內(nèi)尚未推廣使用。國內(nèi)市場上35MPa車載高壓儲氫氣瓶閥門品牌主要包含GFI（加拿大）及OMB（意大利）兩種，兩種品牌的閥門各有特點，差異較大。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。兩種結(jié)構(gòu)閥門結(jié)構(gòu)及接口對比，見表1。

圖1 主流35MPa閥門結(jié)構(gòu)形式示意圖

表1 主流35MPa組合閥門結(jié)構(gòu)形式對比表

對比圖1和表1可知，35MPa的GFI和OMB閥門的接口螺紋基本相同，但在外形上差異巨大。GFI閥門體型小巧，其組合的閥門包括電磁閥、手動截止閥及TPRD。其電磁閥位于閥體外部，使用時則位于氣瓶內(nèi)部，有效地減小了閥體部分體積。GFI組合閥門的電磁閥結(jié)構(gòu)巧妙，斷電時氣瓶側(cè)氣體無法泄放出去，但氣體可以從外部充入氣瓶，因此該電磁閥同時具備了自動截止閥和單向閥作用。另外氫氣進口與出口采用同一個接口，上述幾個巧妙設計有效地減小了使用時瓶口外部閥體容積，因此GFI閥門體型小巧。OMB體型則相對較大，與GFI閥門相比，OMB閥門增加了一個放散閥，電磁閥和單向閥也分開設置，另外閥門中也集成了限流閥。在接口分布方面，OMB相比GFI閥門增加了放散口和多功能口，同時氫氣進口與出口分開設置。可見兩者在結(jié)構(gòu)組成和接口分布上差異較大，GFI閥門結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，可適用于相對狹小的空間。而OMB閥門結(jié)構(gòu)復雜，功能性強，占據(jù)空間較大，兩者只能應用于相配套的系統(tǒng)，無法相互替換。

2 車載高壓儲氫氣瓶組合閥門的功能特點

由于現(xiàn)有的主流兩種車載高壓儲氫氣瓶組合閥門結(jié)構(gòu)差別較大，集成功能不同，接口設置各有特點，因此兩者功能具有較大區(qū)別。

GFI的35MPa組合閥門功能原理如圖2所示，閥體內(nèi)部包含兩個并聯(lián)氣路，第一個氣路是充放氣氣路，該氣路是由手動截止閥與電磁閥采用串聯(lián)方式連接的氣路，主要用于控制充放氣過程。另外一個氣路是安全泄放氣路，該氣路僅包含一個TPRD裝置，用于火災等特殊情況下泄放氣瓶內(nèi)氣體以保障安全。正常工作時，手動截止閥處于開啟狀態(tài)，只有維修時才會人為關閉。電磁閥為常閉狀態(tài)。充氣階段，電磁閥不通電，處于關閉狀態(tài)，但由于其結(jié)構(gòu)獨特，具備單向閥功能，此時氣體可由外部通過閥門進入氣瓶，而氣瓶內(nèi)氣體不可從閥門泄放，所以GFI閥門不管通電與否，氣體均可由外部通過閥門充入氣瓶。用氣階段，電磁閥接收到電信號后打開，氣瓶內(nèi)氣體流出給燃料電池供氣。對于GFI閥門，一旦電磁閥出現(xiàn)故障無法開啟時，瓶內(nèi)氣體將無法有效泄放，需要拆除手動截止閥以泄放瓶內(nèi)氣體，泄放過程較為危險。

在接口方面，GFI閥門共設置進/出口、壓力傳感器接口以及TPRD泄放口三個接口，接口數(shù)量較少，壓力采集點較少，無法滿足有多種功能要求的情況。

圖2 GFI閥門工作原理圖

OMB閥門功能相對復雜，其工作原理如圖3所示，閥體內(nèi)部具有三個氣路，第一個氣路是充放氣氣路，該氣路包含電磁閥、單向閥、限流閥及手動截止閥；第二個氣路為放散氣路，該氣路僅包含一個截止閥；第三個氣路是安全泄放氣路，該氣路僅有一個TPRD。第一個氣路與GFI閥門的電磁閥及手動截止閥氣路功能基本相同，增加了限流功能，其配套管路可不用設置限流閥。第三個氣路與GFI相同。放散氣路是OMB閥門特有的氣路，放散氣路中僅有一個手動截止閥，手動截止閥打開，則瓶內(nèi)氣體可泄放至瓶外。當電磁閥出現(xiàn)故障無法開啟時，可以通過放散氣路泄放瓶內(nèi)壓力，比較安全。另外，OMB閥門的電磁閥和單向閥以并聯(lián)形式連接，充氣時電磁閥斷電關閉，氣體通過單向閥充入氣瓶，也具備斷電充氣的功能。

圖3 OMB閥門工作原理圖

在接口方面，OMB閥門設置了的接口較多，包含進口、出口、壓力傳感器接口、放散口、多功能口、TPRD泄放口。進口和出口分開設置有助于服務配套管路需求，放散口可用于故障情況下的瓶內(nèi)氣體的安全泄放，多功能口可用于多個壓力傳感器采集需求等情況。

通過上述對比可知，現(xiàn)有主流的兩款車載高壓儲氫氣瓶閥門的功能有一定差異，配置外接管路時，應與配置閥門的功能相適應，避免出現(xiàn)安全問題。

3 相關標準介紹

目前國內(nèi)外車用高壓儲氫氣瓶閥門的相關法規(guī)標準主要有 GTR13[4]、EU406[5]、ECE R134[6]、EC79 及GB/T35544[7]，其中GTR13是基礎性法規(guī)，應用最廣。GTR法規(guī)全稱為全球統(tǒng)一汽車技術法規(guī)，由聯(lián)合國世界車輛協(xié)調(diào)論壇（UN/WP29）負責制定發(fā)布，GTR13是該組織2013年7月發(fā)布的關于氫燃料電池汽車的全球技術法規(guī)，是燃料電池汽車領域內(nèi)第一個國際性法規(guī)。EC 79是歐盟于2009年頒布的針對氫能源汽車的型式認證規(guī)則，規(guī)則中對于涉氫部件（包括壓力泄放裝置、自動閥、手動閥、單項閥以及壓力泄放閥）需要做的型式試驗項目進行了規(guī)定，但沒有具體的試驗方法。EU 406是EC79的具體執(zhí)行規(guī)則，于2010年頒布，該規(guī)則明確了EC79中規(guī)定的試驗項目對應的具體試驗方法。ECE R134是歐盟2015年6月發(fā)布的技術法規(guī)，主要內(nèi)容與GTR13基本一致[8]。目前歐洲正逐步用ECE R134取代EU406。GB/T 35544是我國車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶及閥門的相關標準，于2017年發(fā)布，其中關于閥門的要求也是參照GTR13制定的。

綜上，GT R13、ECE R134以及GB/T 35544規(guī)定的車用高壓儲氫氣瓶閥門試驗方法及合格指標基本一致，而EU406與GTR13相比有較大差異。GTR13的特點在于試驗項目相對較多，考察內(nèi)容更為全面，并且要求試驗中介質(zhì)采用氫氣，更切合實際使用工況。EU406未強調(diào)必須采用氫氣試驗，其特點在于采用了順序試驗的方法，更貼合于閥門實際工作中承受多種載荷的工況。在泄漏試驗項目上，EU406要求更加嚴格，不僅要求進行外漏檢測，同時要求進行內(nèi)漏檢測。

4 結(jié)論

目前國內(nèi)車用高壓儲氫氣瓶閥門種類多樣，不同品牌閥門的結(jié)構(gòu)形式、接口方位、功能特點以及維修方法均有所不同，使用時需配套不同的外接系統(tǒng)。而車用高壓儲氫氣瓶閥門作為汽車零配件，需要有較高的通用性。

建議對車用高壓儲氫氣瓶閥門的結(jié)構(gòu)、功能、接口方位、螺紋規(guī)格以及性能要求進行標準化規(guī)定。結(jié)構(gòu)方面，應采用統(tǒng)一的符合標準要求的幾何外形和材質(zhì)；功能方面，應集成統(tǒng)一的功能，包括單向控制功能、電磁控制功能、安全泄放功能、過濾功能、限流功能等；接口方位方面，應保證接口位置相對幾何外形位置固定，接口連接螺紋應采用統(tǒng)一的符合強度要求的規(guī)格；對于閥門的性能要求應統(tǒng)一，即采用相同的試驗方法和評判準則。實現(xiàn)上述標準化規(guī)定，將有利于車用高壓儲氫氣瓶閥門質(zhì)量控制及使用安全，更好地服務氫燃料電池汽車的快速發(fā)展。