張 奧，楊 軍，吳 桐，潘建欣

燃料電池車載氫氣供給系統(tǒng)概述

張 奧，楊 軍，吳 桐，潘建欣

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

車載氫氣供給系統(tǒng)是氫燃料電池車的關(guān)鍵分系統(tǒng)之一。本文介紹了車載氫氣供給系統(tǒng)的工作原理和流程，分析了整個(gè)系統(tǒng)改進(jìn)的四個(gè)方向即密封技術(shù)、氣體調(diào)壓穩(wěn)壓、管道潔凈處理及提高氫氣利用率；最后總結(jié)了車載氫氣供給系統(tǒng)中影響這四個(gè)方向的關(guān)鍵元部件的選擇。

燃料電池車 氫氣供給 系統(tǒng)改進(jìn)

0 引言

車載氫氣供給系統(tǒng)是氫燃料電池車的關(guān)鍵分系統(tǒng)之一，用于儲(chǔ)存氫氣，并在車輛行駛過程中向電堆（即化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能部件）提供滿足壓力、流量需求的氫氣。車載氫氣供給系統(tǒng)燃料源國外一般采用70 MPa或35 MPa高壓氣罐存儲(chǔ)，國內(nèi)由于安監(jiān)法規(guī)限制采用35 MPa，氣體反應(yīng)模塊電堆則需要穩(wěn)定的低壓氣。氫氣屬于易燃易爆且小分子易泄漏氣體，因而在整個(gè)調(diào)壓輸送過程密封是很重要的環(huán)節(jié)。同時(shí)，電堆對(duì)于氫氣流量的穩(wěn)定輸送以及快速響應(yīng)流量需求變化有較高要求，而且供給系統(tǒng)中循環(huán)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以有效的改善氫燃料利用效率，因而氫氣供給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)燃料電池具有重要意義。

1 氫氣供給系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

1.1 安全可靠性原則

氫氣屬于易燃易爆氣體，且儲(chǔ)氫壓力較高。為了確保系統(tǒng)的安全可靠，會(huì)采取如下措施：1）在儲(chǔ)能裝置設(shè)置超溫保護(hù)裝置，確保過溫情況下可靠泄放；2）系統(tǒng)配置的各管路連接接頭、各類閥門必須采用可靠的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，確保系統(tǒng)密封可靠；3）在系統(tǒng)容積上方設(shè)置氫濃度報(bào)警裝置，在管路存在斷裂可能的情況下，設(shè)置過流保護(hù)裝置；4）確保設(shè)計(jì)中不出現(xiàn)氫氣環(huán)境中有電火花的存在，確保氫電隔離；5）對(duì)閥門進(jìn)行充分的試驗(yàn)考核，確保對(duì)環(huán)境工況具有合格的承受能力；6）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局、結(jié)構(gòu)安裝等設(shè)計(jì)，應(yīng)確保其能夠承受用戶的各種動(dòng)力學(xué)環(huán)境。

1.2 維修性原則

主要零部件容易更換，管路可多次重復(fù)拆裝，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)預(yù)留一定的維修空間，維修過程盡可能避免氫氣大量排放。

1.3 低成本原則

采用集成化、模塊化的設(shè)計(jì)方案，大幅簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)成本，滿足未來大批量生產(chǎn)需求以擴(kuò)大氫燃料電池在汽車領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

2 氫氣供給系統(tǒng)組成

2.1 氫氣供給系統(tǒng)工作原理

氫氣供給系統(tǒng)由瓶口閥、過流閥、過濾器、減壓閥、泄壓閥、截止閥、氣水分離器、氫氣循環(huán)泵及管路和接頭組成，根據(jù)系統(tǒng)需求不同還配有單向閥、阻火器和噴射器等。如圖1所示為車用氫氣供給系統(tǒng)流程圖，氫氣由高壓儲(chǔ)氫瓶釋出，經(jīng)瓶口閥檢測溫度壓力，過流閥檢測流量，確認(rèn)這些氣體參數(shù)是否在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，否則啟動(dòng)溫度緊急泄控裝置或過流泄壓裝置。之后，高壓過濾器凈化氣體，攔截雜質(zhì)使其不至于污染電堆。根據(jù)減壓閥性能及瓶口壓力的不同設(shè)計(jì)一級(jí)或二級(jí)減壓，調(diào)節(jié)氫氣壓力，為電堆前最后一級(jí)減壓穩(wěn)壓裝置提供足夠流量合適壓力的氫氣。閥后設(shè)置了過壓泄壓閥以防止減壓閥失效導(dǎo)致高壓氣體損壞閥后器件，手動(dòng)排放閥則為了實(shí)驗(yàn)結(jié)束在電堆前有泄放管內(nèi)殘余氣體的出口。在電堆前設(shè)置最后一級(jí)減壓穩(wěn)壓裝置，一般選擇穩(wěn)壓效果好的減壓閥或者噴射器。在保證氫氣路出口氫氣濃度足夠的前提下，為了提高氫氣利用率，氫氣尾排經(jīng)歷了直排、脈沖排等階段，最終選擇設(shè)計(jì)氫氣循環(huán)系統(tǒng)，將尾排氫氣經(jīng)分水器分水后打回入口循環(huán)利用，循環(huán)動(dòng)力部件可選擇氫氣循環(huán)泵或引射泵。整個(gè)系統(tǒng)中還有截止閥和電磁閥控制氣路的開斷。

圖1 車用氫氣供給系統(tǒng)流程圖

2.2 氫氣供給系統(tǒng)發(fā)展

氫氣供給系統(tǒng)主要性能在如下四個(gè)方面：1）管路接口處的高壓靜密封及閥門密封：它的重點(diǎn)在于管路、閥門泄漏率在規(guī)定范圍內(nèi)，同時(shí)要求接頭密封性能好，拆裝方便，且成本較低。主要采用方式有錐管螺紋密封、球面密封以及平面密封；2）減壓閥減壓穩(wěn)壓性能：它重點(diǎn)在于要求減壓跨度大，不同流量和閥前壓力下減壓閥后端壓力波動(dòng)小，同時(shí)由于多級(jí)減壓以及安全保護(hù)閥門造成的體積過大，需要對(duì)減壓模塊進(jìn)行集成以減小體積；3）管道閥門潔凈度：它關(guān)鍵在于選取管道精度等級(jí)以及閥門對(duì)氣體介質(zhì)純度影響程度；4）氫氣利用率的提升：如圖1氫氣循環(huán)系統(tǒng)部分所示，為了保證電堆出口處的氫氣濃度不致使該處膜電極處于氫氣饑餓狀態(tài)，氫氣取1.1-1.5的過量系數(shù)，在早期直排操作（方案1）的情況下氫氣利用率只有67%-91%。而后提出了電磁閥脈沖排放（方案2），氫氣利用率有一定的提高，但會(huì)造成氫氣出口處的氣壓周期性波動(dòng)，影響電堆性能穩(wěn)定。較優(yōu)的方案是將電堆出口尚未利用完的氫氣，經(jīng)過氣水分離后送回入口與主氣路混合后再次利用，其中使用氫氣循環(huán)泵返混（方案3）可提供適宜的氫氣流量和一定壓力條件，但會(huì)消耗一定的能量，降低燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電效率。使用引射泵返混（方案4）無需額外消耗系統(tǒng)能量，但其對(duì)電堆變載的響應(yīng)能力較弱，尚在研發(fā)和試用階段，雖然暫未大范圍的推廣與運(yùn)用，但仍值得關(guān)注與研究。

3 氫氣供給系統(tǒng)重要元部件介紹

3.1 減壓閥

減壓閥是通過調(diào)節(jié)閥門開度，將進(jìn)口壓力減至某一需要的出口壓力，并依靠介質(zhì)本身的能量，使出口壓力自動(dòng)保持穩(wěn)定的閥門，如圖2所示。減壓閥對(duì)于減壓能力和穩(wěn)壓效力有較高要求，優(yōu)質(zhì)減壓閥需要既可以大壓力跨度減壓，又保證閥后波動(dòng)。TESCOM減壓閥可以達(dá)到30 MPa至2 MPa的減壓并保證閥后波動(dòng)在5%以內(nèi)，可直接選擇一級(jí)減壓，減少了減壓閥的數(shù)量，也節(jié)省了空間與成本。

由于電堆對(duì)于進(jìn)堆壓力的穩(wěn)定性有較高要求，但在電堆變載變流量及氣瓶壓力持續(xù)下降的情況下電堆進(jìn)口閥閥后較難控制。除了提高減壓閥穩(wěn)壓性能外，選擇使用噴射器也是研究方向之一。噴射器是高頻電磁閥的一種，通過高速開斷并控制每次脈沖排放的流量從而控制流經(jīng)閥的總流量，既杜絕了氣瓶壓力的影響，滿足了電堆變載需求，也穩(wěn)定了電堆進(jìn)口壓力。

車用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于系統(tǒng)體積也有較高要求，因而各級(jí)閥門的集成也是重要發(fā)展方向。氫氣供給系統(tǒng)可劃分為供氫、儲(chǔ)氫和調(diào)壓三個(gè)模塊，其中將調(diào)壓模塊以減壓閥為主體集成為了一款減壓閥。其功能包括過濾器、減壓閥、安全瀉放閥、泄壓截止閥、控制截止閥等功能部件。過濾器用于保護(hù)減壓閥，確保減壓閥不受固體雜質(zhì)污染而損壞密封面。減壓閥可向下游電堆供應(yīng)恒定壓力的低壓氣體，同時(shí)在不使用時(shí)，可靠鎖閉，切斷氫氣供應(yīng)。安全瀉放閥與低壓排氣管路連接，用于在減壓閥出現(xiàn)鎖閉故障而導(dǎo)致出口壓力超壓時(shí)，通過低壓排氣管路泄放超壓氫氣，確保電堆不因超壓而損壞。泄壓截止閥也與低壓排氣管連接，用于車輛維修、保養(yǎng)時(shí)，主動(dòng)排放瓶閥下游管路內(nèi)的氫氣?？刂平刂归y用于控制電堆供氣管路的通斷，平常處于常開狀態(tài)，當(dāng)電堆需要維護(hù)時(shí)，關(guān)閉主通道，切斷氫氣供應(yīng)，其流程圖如圖3所示。

圖2 減壓閥

圖3 組合閥流程圖

3.2 手動(dòng)閥

常用手動(dòng)開關(guān)閥有球閥、針閥、膜片閥和隔膜閥等四種。如圖4a-d所示，球閥開關(guān)響應(yīng)速度快，壓降小，流向轉(zhuǎn)換方便，但高壓密封性能較差；針閥可調(diào)節(jié)流量，高壓密封效果較好，但由于與氣體接觸處是金屬，對(duì)氣體介質(zhì)純度影響較大；膜片閥則使用膜片作為氣體阻隔介質(zhì)，對(duì)氣體介質(zhì)純度影響小，高壓密封性能好；隔膜閥與外界完全隔離，對(duì)氣體介質(zhì)純度影響最小。

圖4 常用手動(dòng)開關(guān)閥結(jié)構(gòu)原理圖

3.3 氫氣循環(huán)動(dòng)力器件

氫氣循環(huán)泵作為氫氣循環(huán)動(dòng)力提供部件，需要在密封要求很高的情況下提供足夠流量以及足夠升壓的氫氣。爪式循環(huán)泵具有無油、可靠性好、效率高、輸出壓力高等優(yōu)點(diǎn)，但國內(nèi)雖有較為成熟的產(chǎn)品，但型線仍存在尖點(diǎn)或不光滑點(diǎn)，易磨損變形；加工方面對(duì)轉(zhuǎn)子型線與轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子與泵腔之間間隙要求較高，加工較難完成。市面推出了一款渦旋真空泵作為氫氣循環(huán)泵，如圖5(a)所示。該泵通過浮動(dòng)式渦旋壓縮技術(shù)，產(chǎn)生精細(xì)的力平衡，是動(dòng)定渦旋之間的摩擦損失最小化，提高了產(chǎn)品的壓縮效率、穩(wěn)定性、可靠性及使用壽命，減小了使用成本。同時(shí)動(dòng)定渦旋的無頂密封結(jié)構(gòu)，避免了污染問題。

此外，引射泵也可作為氫氣循環(huán)動(dòng)力器件的方案之一。引射泵是一種利用射流使不同壓力流體相互混合，來傳遞能量和質(zhì)量的裝置，原理如圖5(b)所示。引射泵優(yōu)點(diǎn)在于無運(yùn)動(dòng)部件，無額外功耗，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，安裝維護(hù)方便，密封性好。但目前應(yīng)用中的引射泵對(duì)于燃料電池的寬范圍的變載工況的適應(yīng)性較差，尤其在小流量運(yùn)行工況下，引射系數(shù)低甚至不能引射回流氫氣。為增強(qiáng)引射泵的適應(yīng)性，目前已經(jīng)出現(xiàn)了多個(gè)引射泵并聯(lián)，可自適應(yīng)調(diào)節(jié)引射泵，引射泵與脈沖控制閥串聯(lián)以及引射泵與氫循環(huán)泵并聯(lián)等解決方案。氫循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)展將會(huì)以高緊湊性、低能耗、無污染為目標(biāo)，因此包含引射泵的氫循環(huán)系統(tǒng)是未來的發(fā)展方向。引射泵現(xiàn)已運(yùn)用在現(xiàn)代公司新一代燃料電池汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的氫氣循環(huán)系統(tǒng)中。

圖5 氫氣循環(huán)動(dòng)力器件結(jié)構(gòu)原理圖

3.4 密封接頭

在管道靜密封中常用密封方式有錐管螺紋密封、球面密封以及平面密封三種。錐管螺紋密封包括G系列螺紋和NPT系列錐螺紋。這種密封方式不夠緊密，還需纏生膠帶或打密封膠提高密封性能。球面密封包括卡套密封和G螺紋配接球頭密封?？ㄌ酌芊庑枰苽淇ㄌ祝b配不便，球頭則對(duì)精度要求較高，加工不便。平面密封則采用壓緊平墊片或密封圈進(jìn)行密封，一般采用法蘭、卡箍或開槽方式壓緊墊片或開密封槽壓緊密封圈進(jìn)行密封。如圖6所示，采用金屬硬密封結(jié)構(gòu)，與管道焊接制備了一種VCR接頭，幾乎無氣體泄露，可應(yīng)用于高純氣體系統(tǒng)。

4 總結(jié)

氫氣供給系統(tǒng)在滿足安全可靠的情況下仍需要滿足密封、氣體調(diào)壓穩(wěn)壓、管道潔凈度標(biāo)準(zhǔn)及提高氫氣利用率等需求。密封方式采用平面密封，既有良好的密封性能又便于拆裝。各閥門的密封性能也是考慮的方面之一，其中隔膜閥和膜片閥具有較好的密封性能。調(diào)壓穩(wěn)壓可選擇具有優(yōu)質(zhì)減壓穩(wěn)壓性能的高壓減壓閥進(jìn)行一級(jí)減壓，再選用穩(wěn)壓精度更高的低壓減壓閥或噴射器進(jìn)行電堆前的穩(wěn)壓。同時(shí)，在整個(gè)調(diào)壓穩(wěn)壓系統(tǒng)中進(jìn)行集成以減小體積。管道潔凈包括管道及閥門的潔凈程度，管道根據(jù)預(yù)處理方式選擇精度，閥門則是膜片閥和隔膜閥對(duì)氣體介質(zhì)純度影響較小，其中隔膜閥與外界完全隔離，對(duì)氣體介質(zhì)純度影響最小。氫氣供給系統(tǒng)用以提高氫氣利用率的方法在于循環(huán)使用尾排未消耗氫氣，循環(huán)動(dòng)力可采用氫氣循環(huán)泵或者引射泵。氫氣循環(huán)泵在動(dòng)密封要求前提下可提供一定壓力和足夠流量的氣體，但有一定功耗，引射泵則無功耗，但響應(yīng)電堆隨時(shí)變載工況能力較低。改進(jìn)這四個(gè)方面的元部件，氫氣供給系統(tǒng)的調(diào)壓穩(wěn)壓能力、安全可靠性以及集成度都會(huì)的到極大改善。

圖6 VCR接頭

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Application of Hydrogen Supply System for Fuel Cell Vehicles

Zhang Ao, Yang Jun, Wu Tong, Pan Jianxin

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM469.7

A

1003-4862（2019）09-0053-04

2019-01-21

科技部重點(diǎn)專項(xiàng)(2017YFB0103000)

張奧(1992-)，男，碩士。研究方向：燃料電池系統(tǒng)集成。E-mail: 524587669@qq.com