【摘" 要】氫燃料自卸車是一種新型的清潔能源交通工具，具備零排放和低噪聲的特點(diǎn)。其中，車載儲氫系統(tǒng)乃是氫燃料車輛的核心技術(shù)要點(diǎn)之一，其性能和安全性直接影響著氫燃料車輛的可行性和應(yīng)用前景。文章首先介紹氫燃料自卸車和車載儲氫系統(tǒng)的基本原理和結(jié)構(gòu)。隨后，對自卸車的運(yùn)行場景進(jìn)行分析，通過計(jì)算氫燃料自卸車所需儲氫容量，并對車載儲氫系統(tǒng)的關(guān)鍵部件進(jìn)行詳細(xì)分析和評價(jià)，同時(shí)對自卸車進(jìn)行氣瓶型式與壓力的選擇。接著，對氫燃料自卸車車載儲氫系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行研究和探討，分析框架的結(jié)構(gòu)，并且對裝配式框架、焊接式框架的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對比。最后，對未來氫燃料自卸車車載儲氫系統(tǒng)的部件發(fā)展方向和挑戰(zhàn)進(jìn)行展望。該研究結(jié)果對于促進(jìn)氫能源車輛的推廣應(yīng)用和相關(guān)政策制定具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】氫燃料自卸車;車載儲氫;氣瓶;框架

中圖分類號：U469.7" " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）12-0001-05

Research on On-board Hydrogen Storage System for Hydrogen Fuel Dump Truck

【Abstract】Hydrogen fuel dump truck is a new type of clean energy transportation tool，with zero emissions and low noise. Among them，the on-board hydrogen storage system is one of the key technological points of hydrogen fuel vehicles，and its performance and safety directly affect the feasibility and application prospects of hydrogen fuel vehicles. The paper first introduces the basic principles and structures of hydrogen fuel dump trucks and on-board hydrogen storage systems. Then，the running scenarios of dump trucks are analyzed，and the required hydrogen storage capacity of hydrogen fuel dump trucks is calculated. The key components of the on-board hydrogen storage system are analyzed and evaluated in detail，and the types of cylinders and pressure are selected for dump trucks. Then，the actual application of the on-board hydrogen storage system of hydrogen fuel dump trucks is studied and discussed，analyzing the structure of the frame，and comparing the advantages and disadvantages of assembled frame and welded frame. Finally，the development direction and challenges of the components of the on-board hydrogen storage system of hydrogen fuel dump trucks in the future are prospected. The research results have important implications for promoting the application and related policies of hydrogen energy vehicles.

【Key words】hydrogen fuel dump truck;on-board hydrogen storage;cylinder;frame

1" 氫燃料自卸車基本概況

自卸車是一類專門用于運(yùn)輸和傾卸物料的大型貨車，在建筑工地、礦山、渣土運(yùn)輸和垃圾處理等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，能有效地運(yùn)輸和卸載各類物料。氫燃料自卸車是一種使用氫氣作為燃料的自卸車輛[1]，與傳統(tǒng)的柴油或汽油車相比，碳排放更低，能源效率更高;與純電自卸車相比，其克服了電車的補(bǔ)能慢、溫度低難以工作、冬季續(xù)航嚴(yán)重打折等缺點(diǎn)[2]。

氫燃料自卸車的燃料系統(tǒng)主要包括氫氣儲罐、燃料電池和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。氫氣儲罐儲存高壓氫氣燃料，燃料電池負(fù)責(zé)將氫氣與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電能，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行。同時(shí)，還配置了電池組用于儲存電能和驅(qū)動(dòng)輔助系統(tǒng)[3]。典型氫燃料自卸車整車運(yùn)行原理如圖1所示。

氫燃料自卸車使用的氫氣是一種可再生能源，尾氣排放物只有水，具有零排放和環(huán)保的特點(diǎn)[4]。而且氫氣是高效能源，相比傳統(tǒng)燃料，能提供更高的能源密度，使得氫燃料自卸車具有更長的續(xù)航里程和更高的運(yùn)載能力[5]。此外，氫燃料自卸車還具有快速加氫、無噪聲和高可靠性等特點(diǎn)。

然而，氫燃料自卸車也面臨一些挑戰(zhàn)。一方面是氫氣供應(yīng)的問題，目前加氫站的建設(shè)不普及，導(dǎo)致氫燃料自卸車的加氫設(shè)施不夠完善[6];另一方面是氫氣儲存的安全性問題，高壓氫氣的儲存和使用需要嚴(yán)格的安全措施。

盡管存在挑戰(zhàn)，但氫燃料作為一種新型的燃料技術(shù)，具有巨大的潛力和發(fā)展前景。隨著氫能技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用推廣，氫燃料自卸車有望在未來成為物流運(yùn)輸領(lǐng)域的重要選擇。

2" 車載儲氫的主要類型及選擇

目前，氫的儲存主要有高壓氣態(tài)、低溫液態(tài)、有機(jī)物液態(tài)以及固態(tài)等幾種方法。這些儲存方法在具體參數(shù)、優(yōu)缺點(diǎn)以及發(fā)展現(xiàn)狀上各有不同，具體內(nèi)容可見表1。

在車載應(yīng)用氫氣方面，按照目前的技術(shù)發(fā)展程度和車端對儲氫的需要，高壓氣態(tài)儲氫可滿足需求，并在一定時(shí)期內(nèi)，將是國內(nèi)主要推廣的車載儲氫方法。

3" 氫燃料自卸車車載儲氫系統(tǒng)原理

車載儲氫系統(tǒng)作為氫燃料自卸車的關(guān)鍵部件之一，承擔(dān)著存儲氫氣燃料以供應(yīng)氫能源汽車燃料需求的重要使命。它通過對氫氣加壓和儲存，使氫能源車得以長時(shí)間行駛并提供所需燃料。該系統(tǒng)主要由氫氣儲罐和相關(guān)附件組成。氫氣儲罐作為封閉容器，儲存著高壓氫氣燃料。除了氫氣儲罐，車載儲氫系統(tǒng)還包括一系列的附件和組件，如氫氣壓力調(diào)節(jié)器、安全閥、壓力傳感器等。調(diào)節(jié)器將高壓氫氣降壓到適當(dāng)?shù)娜剂瞎?yīng)壓力，確保燃料正常進(jìn)入燃料電池系統(tǒng);安全閥在氫氣壓力過高時(shí)釋放壓力，保障系統(tǒng)安全運(yùn)行;壓力傳感器則實(shí)時(shí)監(jiān)測氫氣罐壓力狀況，提供必要的指示和報(bào)警。圖2為典型氫燃料自卸車車載儲氫系統(tǒng)原理及實(shí)物示意圖。在車輛行駛過程中，車載儲氫系統(tǒng)將氫氣供應(yīng)給燃料電池系統(tǒng)，燃料電池將氫氣與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電能，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)?？梢哉f，車載儲氫系統(tǒng)是推動(dòng)氫能源汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著氫能源技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用推廣，車載儲氫系統(tǒng)必將進(jìn)一步提升氫能源汽車的性能和可行性，為清潔能源交通事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。

3.1" 車載儲氫壓力概況

對于氣態(tài)氫氣而言，根據(jù)氫氣的物理特性并參照圖3顯示的數(shù)據(jù)，當(dāng)氫氣壓力在30～40MPa范圍內(nèi)時(shí)，氫氣的質(zhì)量密度增長較快。然而，一旦壓力超過70MPa，氫氣的質(zhì)量密度的變化就不再明顯。因此，大多數(shù)儲氫瓶的工作壓力選擇在35～70MPa之間。經(jīng)過行業(yè)的不斷發(fā)展，綜合權(quán)衡儲氫密度、儲氫容量和安全性等因素，最終確定車載儲氫的壓力為35MPa和70MPa。35MPa和70MPa高壓氫氣參數(shù)對比如表2所示。

3.2" 自卸車工況分析及壓力選擇

自卸車的運(yùn)行場景為短倒或城郊固定路線運(yùn)行，圖4分析了某公司的自卸車在不同場景下的運(yùn)行里程。通過分析，在不同場景下，自卸車單日運(yùn)行里程一般不超過400km。

1）氫燃料自卸車總續(xù)航里程通過以下公式計(jì)算：

Q總=Q電+Q氫

式中：Q總——總續(xù)航里程，km;Q電——純電續(xù)航里程，km;Q氫——純氫續(xù)航里程，km。

2）純電續(xù)航里程理論計(jì)算公式如下：

Q電=T電/R電

式中：T電——純電電池容量，kW·h;R電——每公里電耗，kW·h/km。

3）純氫續(xù)航里程理論計(jì)算公式如下：

Q氫=T氫/R氫

式中：T氫——儲氫容量，kg;R氫——每公里氫耗，kg/km。

目前市面上氫燃料自卸車配置的電池一般為180kW·h、100kW·h等規(guī)格。然而，隨著燃電系統(tǒng)的發(fā)展及整車電電混動(dòng)技術(shù)的配合，未來的發(fā)展趨勢一定是大電堆配置小電池。按照配置最小的電池60kW·h進(jìn)行計(jì)算，典型31t自卸車電耗為1.8kW·h/km，如此一來，可純電行駛33km。而若要求總續(xù)航里程大于400km，鑒于典型31t自卸車氫耗為0.12kg/km，通過計(jì)算可以得出所需要的儲氫容量大于30.8kg。

3.3" 車載儲氫氣瓶選擇

3.3.1" 氣瓶的型式

儲氫瓶作為保存氫的關(guān)鍵方式之一，高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)借助其作為容器實(shí)現(xiàn)對氫氣的存儲和釋放。依據(jù)臨氫材料的不同選擇及外部包裹情況，可將儲氫瓶分為純鋼制金屬瓶（I型）、鋼制內(nèi)膽纖維纏繞瓶（Ⅱ型）、鋁內(nèi)膽纖維纏繞瓶（Ш型）及塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶（IV型）。這些氣瓶由內(nèi)至外分別由內(nèi)膽、中間層、表層組成。其中，內(nèi)膽作為阻隔氫氣的主力軍，是儲氫瓶最關(guān)鍵的部分。由于氫氣與金屬會產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象，I、Ⅱ、Ш型儲氫瓶內(nèi)膽在存儲氫氣時(shí)存在一定風(fēng)險(xiǎn)。而Ⅳ型儲氫瓶內(nèi)膽由塑料等復(fù)合材料制成，具有良好的耐氫氣滲透性和耐熱性。中間層主要承擔(dān)承壓、耐壓，考慮到該層需要具備高拉伸強(qiáng)度、輕量化的特點(diǎn)，碳纖維被選中，廣泛用于Ⅱ、Ш、IV型瓶中的中間層，而作為最外層的表層，主要作用是防護(hù)，一般使用玻璃纖維等進(jìn)行包裹。儲氫瓶結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

氫氣氣瓶型式參數(shù)對比如表3所示。其中，I、II型瓶重容比大，儲氫密度不高，不符合車載氣瓶的需求，主要用在加氫站等固定儲氫上面。III、IV型瓶因?yàn)榕渲幂p質(zhì)、高強(qiáng)度的纖維，既具備很強(qiáng)的耐壓性，又提升了氣瓶的輕量化，因此成為車載儲氫首選。

3.3.2" 氣瓶的選擇

車載氫氣氣瓶參數(shù)對比如表4所示。相較于III型瓶，IV型瓶抗腐蝕能力強(qiáng)，更加安全，更加輕量化，成本低，壽命長。然而，目前國內(nèi)由于在技術(shù)方面存在一些難題，主要包括氣瓶制作工藝、瓶體材料成分、瓶體與瓶口的結(jié)合方式等，限制了IV型瓶的發(fā)展。不過，值得欣慰的是，目前 IV 型瓶國標(biāo)已發(fā)布，隨著規(guī)?；a(chǎn)的推進(jìn)，IV型瓶的可靠性將得到進(jìn)一步驗(yàn)證，同時(shí)成本也會逐漸下降。

對于自卸車而言，盡管IV型瓶有很多技術(shù)瓶頸，目前在國內(nèi)的需求量較低，發(fā)展較慢，且研發(fā)和批量生產(chǎn)成本高，然而，鑒于IV型瓶具備輕量化、高可靠性、高壓力、高儲氫質(zhì)量比和長壽命等優(yōu)勢，一旦成熟批量化后，理論成本比III型瓶低，因此，從長遠(yuǎn)發(fā)展的角度考慮，應(yīng)優(yōu)先選擇IV型瓶。

儲氫壓力從35MPa提升至70MPa，依據(jù)表2，儲氫密度從25g/L提升至40g/L，所需空間可通過公式進(jìn)行計(jì)算，不同壓力所需空間計(jì)算結(jié)果見表5。一般儲氫系統(tǒng)的有效儲氫率為80%。

Z氫=Q氫/m氫

式中：Z氫——?dú)馄績淙莘e，m3;m氫——儲氫密度，kg/m3。

儲氫壓力從35MPa提升至70MPa，在相等儲氫量下，空間減小了60%，減小了不到0.6m3，其成本提升了一倍，對于自卸車這種成本敏感型、空間足夠富裕，且單日運(yùn)行里程不長的產(chǎn)品，35MPa已可以滿足其運(yùn)行場景。

4" 車載儲氫系統(tǒng)的框架選擇

4.1" 車載儲氫系統(tǒng)的框架簡介

氣瓶通常采用長圓柱體狀設(shè)計(jì)，然而這種形狀的氣瓶不易固定放置。為了確保車載儲氫系統(tǒng)中氣瓶的安全，必須采取有效的固定措施以降低事故發(fā)生的可能性。車載儲氫系統(tǒng)框架作為將氣瓶及相關(guān)附件與車載儲氫系統(tǒng)集成于一體的承載裝置，起著對儲氫瓶組進(jìn)行安裝、固定、支撐和防護(hù)的重要作用，影響整個(gè)車身及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前，市面上的儲氫系統(tǒng)均采用框架結(jié)構(gòu)，通過焊接、裝配等手段把矩形鋼連接在一起，形成一個(gè)整體的框架以承重及受力，并通過卡箍來連接儲氫瓶，同時(shí)在底座設(shè)立安裝孔來與車身連接。但對于氫燃料自卸車而言，裝備質(zhì)量對整車性能至關(guān)重要，所以輕量化設(shè)計(jì)是該車設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的因素之一。

4.2" 車載儲氫系統(tǒng)的框架現(xiàn)狀

目前，在車載儲氫系統(tǒng)的空間利用率、框架輕量化方面，提升的空間還很大。根據(jù)目前設(shè)計(jì)慣例，框架通常采用Q235/Q345材質(zhì)，每個(gè)車載儲氫系統(tǒng)配置8個(gè)氣瓶，其中每2個(gè)儲氫瓶占據(jù)1層，總共4層，自上而下排列。但是這種傳統(tǒng)的車載儲氫系統(tǒng)框架質(zhì)量較大，接近1000kg。車載儲氫系統(tǒng)的總質(zhì)量直接關(guān)乎氫燃料自卸車的裝載能力。當(dāng)動(dòng)力總成空間增加或貨廂高度降低時(shí)，常規(guī)的設(shè)計(jì)是通過減少氣瓶數(shù)量來匹配受限高度的安裝空間。然而，這樣做必然會對車載儲氫系統(tǒng)的儲氫量造成影響，進(jìn)而造成整車?yán)m(xù)航里程下降。隨著中國氫燃料商用車的高速發(fā)展，這一問題逐漸成為困擾各個(gè)整車廠家和用戶的一大難題。

4.3" 車載儲氫系統(tǒng)的框架對比分析

目前常見的框架結(jié)構(gòu)有裝配式框架和焊接式框架。

1）焊接框架：通常由焊接技術(shù)將矩管焊接成籠式結(jié)構(gòu)，按照氫瓶的布置進(jìn)行分層，每層之間加矩管斜撐進(jìn)行加強(qiáng)，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性。焊接框架的焊接工藝和質(zhì)量對儲氫系統(tǒng)的安全性和可靠性至關(guān)重要。

2）裝配框架：通常由高強(qiáng)度材料制成，如高強(qiáng)度鋼、復(fù)合材料或鋁合金，以確保儲氫系統(tǒng)的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。裝配框架可以采用型材、板材等不同的材料進(jìn)行結(jié)合使用。裝配框架必須具備優(yōu)良的強(qiáng)度和剛度，以承受高壓儲氫罐和相關(guān)設(shè)備的質(zhì)量，并確保整個(gè)儲氫系統(tǒng)在車輛行駛和振動(dòng)過程中的穩(wěn)定性和安全性。

車載儲氫系統(tǒng)的框架類型優(yōu)缺點(diǎn)對比如表6所示。

4.4" 車載儲氫系統(tǒng)的框架選擇原則

商用車車載儲氫系統(tǒng)裝配框架和焊接框架的設(shè)計(jì)和制造需要考慮以下因素。

1）強(qiáng)度和剛度：必須具備足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受儲氫系統(tǒng)的質(zhì)量和外部環(huán)境的振動(dòng)和沖擊。

2）輕量化設(shè)計(jì)：為了降低整車質(zhì)量和提高燃油經(jīng)濟(jì)性，框架需要采用輕量化材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以減少儲氫系統(tǒng)對車輛整體質(zhì)量的影響。

3）模塊化設(shè)計(jì)：為了提高制造效率和便于維護(hù)，框架通常采用模塊化設(shè)計(jì)，使得儲氫系統(tǒng)的不同組件可以獨(dú)立裝配和更換。

4）焊接技術(shù)：焊接框架的焊接工藝和品質(zhì)直接影響框架的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。適合儲氫系統(tǒng)材料的焊接方法和焊接參數(shù)需進(jìn)行專門研究和控制，以確保焊縫的品質(zhì)和可靠性。

5）規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)：車載儲氫系統(tǒng)的裝配框架和焊接框架的設(shè)計(jì)制造需要遵循相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，例如《國標(biāo)GB T 26990—2023 燃料電池電動(dòng)汽車 車載氫系統(tǒng)技術(shù)條件》，并進(jìn)行可靠性驗(yàn)證和安全性測試，以確保儲氫系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和安全性。

4.5" 氫燃料自卸車車載儲氫系統(tǒng)的框架選擇

裝配式框架和焊接式框架均有其優(yōu)缺點(diǎn)，考慮到結(jié)構(gòu)的要求及未來的發(fā)展，自卸車車載儲氫系統(tǒng)主體受力框架應(yīng)采用焊接式，其余非受力框架采用裝配式，這樣既可以滿足強(qiáng)度的要求，且可以實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，同時(shí)兼顧了維修便利性及經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，結(jié)構(gòu)方面向以下趨勢發(fā)展。

1）輕量化設(shè)計(jì)。商用車對于車輛整體質(zhì)量和燃油經(jīng)濟(jì)性的要求越來越高。未來的發(fā)展趨勢是采用輕量化材料和設(shè)計(jì)，如高強(qiáng)度鋼、鋁合金等，以減輕儲氫系統(tǒng)裝配框架的質(zhì)量。輕量化設(shè)計(jì)可以提高車輛的運(yùn)輸能力和降低能源消耗。

2）模塊化和集成化。模塊化設(shè)計(jì)可以簡化制造過程，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。集成化設(shè)計(jì)則可以減少組件間的連接點(diǎn)和接頭，提高整體性能和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3）自動(dòng)化裝配。隨著自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，商用車車載儲氫系統(tǒng)的裝配將更多地采用自動(dòng)化裝配方式。自動(dòng)化裝配不僅可以提高生產(chǎn)效率，還可以降低人為錯(cuò)誤的發(fā)生率，并提高裝配質(zhì)量和一致性。

5" 車載儲氫系統(tǒng)其他部件的發(fā)展趨勢

5.1" 氣瓶的發(fā)展趨勢

依據(jù)上文所述，新一代氣瓶（IV型）采用復(fù)合材料作為內(nèi)膽，以提高儲氫壓力、提升可靠性、減輕質(zhì)量，未來，內(nèi)膽的原材料配方、厚度及制作工藝將會成為氫氣存儲的重要研究方向，同時(shí)無內(nèi)膽氣瓶（V型）也會被提及研發(fā)。

5.2" 瓶口閥的發(fā)展趨勢

瓶口閥是連接氣瓶和儲氫系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它需要具備良好的密封性、可靠性和快速開啟閉合的功能。發(fā)展趨勢是采用更高級的材料和設(shè)計(jì)，以提高瓶口閥的耐高壓、耐磨損和耐腐蝕性能，確保氣體的安全供應(yīng)和控制。

5.3" 減壓閥的發(fā)展趨勢

減壓閥負(fù)責(zé)將氣瓶中的高壓氫氣減壓到燃料電池系統(tǒng)所需的適宜壓力。新一代減壓閥需具備更高的減壓效率、更精確的壓力調(diào)節(jié)和更低的泄漏率。此外，減壓閥還需要耐腐蝕、防堵塞和抗結(jié)冰等特性，以適應(yīng)不同條件下的使用環(huán)境和要求。

5.4" 其他方面

降低車載儲氫系統(tǒng)的成本是一個(gè)持續(xù)的發(fā)展趨勢。通過改進(jìn)材料選擇、工藝優(yōu)化和智能制造等方式，以減少制造成本和提高生產(chǎn)效率。

提高儲氫系統(tǒng)的長期可靠性和使用壽命也是一個(gè)重要的發(fā)展方向。優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、改進(jìn)材料和降低部件磨損等措施，以延長儲氫系統(tǒng)的使用壽命。

6" 結(jié)論

本文提出了適合氫燃料自卸車車載儲氫系統(tǒng)的氣瓶選擇、氣瓶壓力選擇、部件的選擇及發(fā)展方向。

1）根據(jù)氫燃料自卸車的運(yùn)行工況，得出其儲氫量大于30.8kg。

2）通過分析35MPa和70MPa氣體壓力，對于自卸車這種成本敏感型、空間富裕且單日運(yùn)行里程不長的產(chǎn)品，35MPa的氣體壓力已經(jīng)可以滿足其運(yùn)行場景。

3）對比了IV型瓶70MPa、III型瓶70MPa、IV型瓶35MPa、III型瓶35MPa的參數(shù)，提出IV型瓶成本降低與III型瓶成本相當(dāng)時(shí)會優(yōu)先選擇IV型瓶。

4）分析了框架的結(jié)構(gòu)，并對比了裝配式框架、焊接式框架的優(yōu)缺點(diǎn)，提出自卸車車載儲氫系統(tǒng)主體受力框架應(yīng)采用焊接式，其余非受力框架采用裝配式。

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