燃料電池車載氫氣供給系統概述

張 奧，楊 軍，吳 桐，潘建欣

燃料電池車載氫氣供給系統概述

張 奧，楊 軍，吳 桐，潘建欣

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

車載氫氣供給系統是氫燃料電池車的關鍵分系統之一。本文介紹了車載氫氣供給系統的工作原理和流程，分析了整個系統改進的四個方向即密封技術、氣體調壓穩壓、管道潔凈處理及提高氫氣利用率；最后總結了車載氫氣供給系統中影響這四個方向的關鍵元部件的選擇。

燃料電池車 氫氣供給 系統改進

0 引言

車載氫氣供給系統是氫燃料電池車的關鍵分系統之一，用于儲存氫氣，并在車輛行駛過程中向電堆（即化學能轉化為電能部件）提供滿足壓力、流量需求的氫氣。車載氫氣供給系統燃料源國外一般采用70 MPa或35 MPa高壓氣罐存儲，國內由于安監法規限制采用35 MPa，氣體反應模塊電堆則需要穩定的低壓氣。氫氣屬于易燃易爆且小分子易泄漏氣體，因而在整個調壓輸送過程密封是很重要的環節。同時，電堆對于氫氣流量的穩定輸送以及快速響應流量需求變化有較高要求，而且供給系統中循環換系統的設計可以有效的改善氫燃料利用效率，因而氫氣供給系統的設計對燃料電池具有重要意義。

1 氫氣供給系統設計要求

1.1 安全可靠性原則

氫氣屬于易燃易爆氣體，且儲氫壓力較高。為了確保系統的安全可靠，會采取如下措施：1）在儲能裝置設置超溫保護裝置，確保過溫情況下可靠泄放；2）系統配置的各管路連接接頭、各類閥門必須采用可靠的密封結構設計方案，確保系統密封可靠；3）在系統容積上方設置氫濃度報警裝置，在管路存在斷裂可能的情況下，設置過流保護裝置；4）確保設計中不出現氫氣環境中有電火花的存在，確保氫電隔離；5）對閥門進行充分的試驗考核，確保對環境工況具有合格的承受能力；6）系統的結構布局、結構安裝等設計，應確保其能夠承受用戶的各種動力學環境。

1.2 維修性原則

主要零部件容易更換，管路可多次重復拆裝，結構設計預留一定的維修空間，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、模塊化的設計方案，大幅簡化系統結構，降低系統成本，滿足未來大批量生產需求以擴大氫燃料電池在汽車領域的推廣應用。

2 氫氣供給系統組成

2.1 氫氣供給系統工作原理

氫氣供給系統由瓶口閥、過流閥、過濾器、減壓閥、泄壓閥、截止閥、氣水分離器、氫氣循環泵及管路和接頭組成，根據系統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流程圖，氫氣由高壓儲氫瓶釋出，經瓶口閥檢測溫度壓力，過流閥檢測流量，確認這些氣體參數是否在設計允許范圍內，否則啟動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，攔截雜質使其不至于污染電堆。根據減壓閥性能及瓶口壓力的不同設計一級或二級減壓，調節氫氣壓力，為電堆前最后一級減壓穩壓裝置提供足夠流量合適壓力的氫氣。閥后設置了過壓泄壓閥以防止減壓閥失效導致高壓氣體損壞閥后器件，手動排放閥則為了實驗結束在電堆前有泄放管內殘余氣體的出口。在電堆前設置最后一級減壓穩壓裝置，一般選擇穩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，氫氣尾排經歷了直排、脈沖排等階段，最終選擇設計氫氣循環系統，將尾排氫氣經分水器分水后打回入口循環利用，循環動力部件可選擇氫氣循環泵或引射泵。整個系統中還有截止閥和電磁閥控制氣路的開斷。

圖1 車用氫氣供給系統流程圖

2.2 氫氣供給系統發展

氫氣供給系統主要性能在如下四個方面：1）管路接口處的高壓靜密封及閥門密封：它的重點在于管路、閥門泄漏率在規定范圍內，同時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）減壓閥減壓穩壓性能：它重點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小，同時由于多級減壓以及安全保護閥門造成的體積過大，需要對減壓模塊進行集成以減小體積；3）管道閥門潔凈度：它關鍵在于選取管道精度等級以及閥門對氣體介質純度影響程度；4）氫氣利用率的提升：如圖1氫氣循環系統部分所示，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，氫氣取1.1-1.5的過量系數，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，但會造成氫氣出口處的氣壓周期性波動，影響電堆性能穩定。較優的方案是將電堆出口尚未利用完的氫氣，經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，但會消耗一定的能量，降低燃料電池系統的發電效率。使用引射泵返混（方案4）無需額外消耗系統能量，但其對電堆變載的響應能力較弱，尚在研發和試用階段，雖然暫未大范圍的推廣與運用，但仍值得關注與研究。

3 氫氣供給系統重要元部件介紹

3.1 減壓閥

減壓閥是通過調節閥門開度，將進口壓力減至某一需要的出口壓力，并依靠介質本身的能量，使出口壓力自動保持穩定的閥門，如圖2所示。減壓閥對于減壓能力和穩壓效力有較高要求，優質減壓閥需要既可以大壓力跨度減壓，又保證閥后波動。TESCOM減壓閥可以達到30 MPa至2 MPa的減壓并保證閥后波動在5%以內，可直接選擇一級減壓，減少了減壓閥的數量，也節省了空間與成本。

由于電堆對于進堆壓力的穩定性有較高要求，但在電堆變載變流量及氣瓶壓力持續下降的情況下電堆進口閥閥后較難控制。除了提高減壓閥穩壓性能外，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，也穩定了電堆進口壓力。

車用燃料電池發動機對于系統體積也有較高要求，因而各級閥門的集成也是重要發展方向。氫氣供給系統可劃分為供氫、儲氫和調壓三個模塊，其中將調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。過濾器用于保護減壓閥，確保減壓閥不受固體雜質污染而損壞密封面。減壓閥可向下游電堆供應恒定壓力的低壓氣體，同時在不使用時，可靠鎖閉，切斷氫氣供應。安全瀉放閥與低壓排氣管路連接，用于在減壓閥出現鎖閉故障而導致出口壓力超壓時，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、保養時，主動排放瓶閥下游管路內的氫氣。控制截止閥用于控制電堆供氣管路的通斷，平常處于常開狀態，當電堆需要維護時，關閉主通道，切斷氫氣供應，其流程圖如圖3所示。

圖2 減壓閥

圖3 組合閥流程圖

3.2 手動閥

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

圖4 常用手動開關閥結構原理圖

3.3 氫氣循環動力器件

氫氣循環泵作為氫氣循環動力提供部件，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。爪式循環泵具有無油、可靠性好、效率高、輸出壓力高等優點，但國內雖有較為成熟的產品，但型線仍存在尖點或不光滑點，易磨損變形；加工方面對轉子型線與轉子、轉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泵，如圖5(a)所示。該泵通過浮動式渦旋壓縮技術，產生精細的力平衡，是動定渦旋之間的摩擦損失最小化，提高了產品的壓縮效率、穩定性、可靠性及使用壽命，減小了使用成本。同時動定渦旋的無頂密封結構，避免了污染問題。

此外，引射泵也可作為氫氣循環動力器件的方案之一。引射泵是一種利用射流使不同壓力流體相互混合，來傳遞能量和質量的裝置，原理如圖5(b)所示。引射泵優點在于無運動部件，無額外功耗，結構簡單，工作可靠，安裝維護方便，密封性好。但目前應用中的引射泵對于燃料電池的寬范圍的變載工況的適應性較差，尤其在小流量運行工況下，引射系數低甚至不能引射回流氫氣。為增強引射泵的適應性，目前已經出現了多個引射泵并聯，可自適應調節引射泵，引射泵與脈沖控制閥串聯以及引射泵與氫循環泵并聯等解決方案。氫循環系統的發展將會以高緊湊性、低能耗、無污染為目標，因此包含引射泵的氫循環系統是未來的發展方向。引射泵現已運用在現代公司新一代燃料電池汽車發動機的氫氣循環系統中。

圖5 氫氣循環動力器件結構原理圖

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。卡套密封需要制備卡套，裝配不便，球頭則對精度要求較高，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行密封。如圖6所示，采用金屬硬密封結構，與管道焊接制備了一種VCR接頭，幾乎無氣體泄露，可應用于高純氣體系統。

4 總結

氫氣供給系統在滿足安全可靠的情況下仍需要滿足密封、氣體調壓穩壓、管道潔凈度標準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。調壓穩壓可選擇具有優質減壓穩壓性能的高壓減壓閥進行一級減壓，再選用穩壓精度更高的低壓減壓閥或噴射器進行電堆前的穩壓。同時，在整個調壓穩壓系統中進行集成以減小體積。管道潔凈包括管道及閥門的潔凈程度，管道根據預處理方式選擇精度，閥門則是膜片閥和隔膜閥對氣體介質純度影響較小，其中隔膜閥與外界完全隔離，對氣體介質純度影響最小。氫氣供給系統用以提高氫氣利用率的方法在于循環使用尾排未消耗氫氣，循環動力可采用氫氣循環泵或者引射泵。氫氣循環泵在動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，但響應電堆隨時變載工況能力較低。改進這四個方面的元部件，氫氣供給系統的調壓穩壓能力、安全可靠性以及集成度都會的到極大改善。

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

科技部重點專項(2017YFB0103000)

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