解析豐田燃料電池轎車Mirai高壓儲氫系統(下)

◆編譯/江蘇 高惠民

(接上期)

4.高壓接頭

高壓接頭的密封結構也被改變以降低成本。豐田FCHV-adv采用的O形圈密封結構，需要使用高成本的特殊材料，因為連續供給高壓液態氫氣后，高壓接頭的溫度下降至-50℃。新開發采用了新的金屬密封結構以減少部件數量，圖17所示為高壓接頭結構。不銹鋼被用作管道和接頭的材料。但是，考慮到密封性能，兩者都規定了最佳的材料硬度。這種方法無需增加墊圈即可確保密封的可靠性，從而降低了成本并縮短了組裝時間。

圖17 高壓接頭橫截面

5.高壓傳感器

改裝了現有發動機的高壓傳感器以供使用在高壓氫氣氣氛中。圖18所示為高壓傳感器的橫截面。

圖18 高壓傳感器結構

高壓傳感器的原理是使用半導體壓電技術來檢測由于施加高壓氣體引起的隔膜的微小變形而產生電信號。但是，如果在氫氣氣氛中長時間使用此傳感器，則少量氫氣溶解到膜片中，導致變形并嚴重影響傳感器精度，圖19所示為由于氫固溶體形成而引起的隔膜膨脹和變形的測量結果。研究了各種對策建議，包括改變隔膜的材料和形狀，最后，采用將一薄膜覆蓋到隔膜的內表面以抑制氫滲透。這有助于最大程度地降低成本。結果，在隔膜中形成的氫固溶體的量減少到先前量的大約10%。高壓傳感器可以長期穩定地在高壓氫氣氣氛中使用。

圖19 由于氫固溶體引起的隔膜變形示意圖

四、促進性能提升

在2008年，大多數能夠預冷氫氣的加氫站只能將加注的氫氣溫度降低到-20℃，豐田FCHV-adv需要大約10min的加氫氣時間。此外，由于與站點和車輛之間的通信標準不兼容，最大充氣量(SOC)被限制為僅約90%。但是，隨著符合SAE J2601標準的加氫站開始建設，投入使用，能夠將加注的氫氣預冷至-40℃，從而將加氫氣時間減少到與汽油車加油大致相同的水平。另外，通過確保通信協議兼容性改進了SOC。圖20所示為通信系統的配置。圖21比較了豐田FCHV-adv和新型FCV的加氣時間和SOC(SAE標準條件，內部測量值)。

圖20 通信系統的配置

圖21 氫氣加注時間和SOC的比較

通過改善加氣通信設備，還提高了高填充度估計氣體的準確性。

在設計用于各種不同形狀的儲氣罐的系統的情況下，由于氫氣入口和儲罐之間的壓力損失差異以及每個儲罐的熱容量特性，溫度升高的程度會有所不同。先前的研究確定了加氣期間儲氣罐內部的溫度分布。與液體燃料不同，對氣體燃料的高填充度估計通常需要在加氣過程對壓力和溫度進行校正。因此，如果儲氣罐之間或一個儲氣罐內部的溫度差較大，則溫度檢測點應盡可能接近平均溫度。這一改進調整了加油管通向每個儲氣罐的路徑，以使儲氣罐之間的溫差最小。另外，應對一個儲氣罐內溫度差的對策為調整填充氣體的噴射方向和溫度傳感器的位置，以使相對于平均溫度的誤差最小。這些措施確保了SOC超過95%。圖22所示的測試結果證明了溫度傳感器位置和儲氣罐內氣體噴射方向對SOC的影響。

圖22 SOC與高壓氫氣罐內加注噴射方向(θ)和溫度傳感器位置(L)的關系

五、技術法規認證

新的高壓儲氫系統的開發目標之一是根據新建立的全球技術法規(GTR)和相關的歐洲(EU)法規(第7992009號和第40662010號)獲得儲氫系統組成部件的認證。傳統的高壓氫氣罐已通過了日本標準KHK S0128的型式認證，該標準于2013年建立，是車輛可壓縮氫氣瓶的技術標準。但是，這次豐田新型FCV的高壓儲氫系統開發是日本首次嘗試在GTR中規定的更嚴格的測試條件下獲得新FCV中使用的高壓氫罐和高壓閥的認證。與常規測試條件的三個主要區別如下。

(1)持續測試，評估儲氫系統壓力循環耐抗化學和物理沖擊(跌落)的性能；

(2)評估在環境溫度、極端溫度和室溫條件下氫氣壓力循環的測試；

(3)圖23顯示了局部燃燒試驗和完全吞沒篝火試驗對比情況。

圖23 局部燃燒試驗和完全吞沒篝火試驗

除了在著火測試(即局部著火測試)中整個罐體上的常規加熱方式之外，在遠離熱觸發卸壓裝置的一側增加了加熱測試。因為儲氫罐卸壓閥門配備有在110℃左右溫度下會熔化的易熔塞，即使周圍發生火災，易熔塞會隨之觸發，釋放出氫氣 ，因此不會引起儲氫罐本體的炸裂。

作為局部防火測試的對策，將耐火材料結合到常規的氫氣罐沖擊吸收能量的保護層中。這滿足了耐摔性和新的耐火性能要求，而沒有增加氫氣罐的外部體積。圖24所示為保護層的結構。

圖24 新的氫氣罐保護層結構

六、結論

豐田的新型FCV中的高壓氫存儲系統結合了新開發的零部件，例如氫氣罐，閥門和調節器。結果，該系統具有足夠的儲氫能力而不犧牲內部空間。通過改進儲氫罐的壓層CFRP結構，減輕了系統的質量，與豐田FCHV-adv相比，整個存儲系統的質量減輕約15%。此外，采用新開發的低成本和高強度碳纖維、簡化每個高壓組件以及對現有車輛中的零件進行再利用有助于大幅降低成本。通過確保與SAE J2601和J2799標準(用于加氫站和車輛之間的通信)兼容，提高了加氫性能。結果，加氫時間約為3min，并獲得了較高的SOC，從而提高了車輛的可用性。此外，新型FCV還通過了國際標準的車輛氫氣瓶ECC7992009認證。開啟了燃料電池汽車全面商業化的時代，可以展望下一代FCV技術將繼續進一步減少儲氫系統的尺寸并提高氫燃料電池的性能。