車用高壓氫氣瓶組合閥門的研究和試驗(yàn)方法

劉仁豪，王東雨，孟令宇，周如林

(1.北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 順義 101399； 2.未勢能源科技有限公司，河北 保定 071000)

1 前 言

氫燃料電池車車載儲氫技術(shù)主要包括高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、深冷高壓儲氫、金屬氫化物儲氫及有機(jī)液體儲氫等，其中高壓氣態(tài)儲氫是目前較為成熟的車載儲氫技術(shù)[1-2]。車用高壓氫氣瓶組合閥門(以下簡稱“瓶閥”)作為車載儲氫系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，其小型化、輕量化、集成化、可靠性高對保障氫燃料電池汽車的安全性、提高車載儲氫系統(tǒng)的質(zhì)量儲氫密度具有重要的意義。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外車用高壓氫氣瓶組合閥門廠家多為壓縮天然氣(CNG)領(lǐng)域轉(zhuǎn)型而來的，具有深厚的技術(shù)積累和多樣化的產(chǎn)品，可以滿足35 MPa和70 MPa兩種主流儲氫瓶的需求，主要集中在歐美、日本和韓國等國家。目前，國外企業(yè)正在朝小型化、輕量化和低功耗的方向發(fā)展。國外閥門產(chǎn)品經(jīng)過多年的產(chǎn)品迭代和市場應(yīng)用檢驗(yàn)，具有可靠性高、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富的優(yōu)勢，因此占據(jù)國內(nèi)絕大部分的市場份額。表1所示為國外主要廠家的高壓氫氣瓶組合閥。

表1 高壓氫氣瓶組合閥國外主要廠家

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)車用高壓氫氣瓶組合閥的研制起步較晚，目前主要涉及的廠家有舜華、富瑞、未勢能源、瀚氫動力、神通新能源等。由于應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)欠缺，產(chǎn)品可靠性也尚未得到市場認(rèn)可，目前尚未大規(guī)模投入使用。小規(guī)模應(yīng)用的都集中在35 MPa規(guī)格，目前還沒有成熟的70 MPa瓶閥產(chǎn)品。

受制于70 MPa Ⅲ型氣瓶成本高、質(zhì)量儲氫率低，前期國內(nèi)大規(guī)模商用的氫燃料電池車大多采用35 MPa儲氫瓶。伴隨著《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》的發(fā)布和《車用壓縮氫氣塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》征求意見稿的公布，70 MPa Ⅳ型瓶車載儲氫系統(tǒng)將成為未來的重點(diǎn)發(fā)展方向。

3 功能要求及特點(diǎn)

瓶閥為儲氫系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，安裝在氫氣瓶出口，用于高壓氣體的充裝、截止、安全泄放和過流保護(hù)控制、提供相關(guān)的對外接口等。其結(jié)構(gòu)緊湊、產(chǎn)品集成度高，通常由電磁閥、手動截止閥、TPRD(溫度驅(qū)動安全釋放裝置)、應(yīng)急泄放閥、過濾器、過流閥、溫度傳感器、應(yīng)急泄放口、TPRD排放口等組成。典型的產(chǎn)品原理框圖如圖1所示。

3.1 瓶閥的主要功能

1.氣瓶內(nèi)高壓氣體的電磁開關(guān)控制功能；2.儲氫瓶的單向加注功能；3.火災(zāi)或者高溫時(shí)的自動泄放功能；4.高壓氣體的手動截止功能；5.具有過流保護(hù)的功能；6.應(yīng)急狀態(tài)或者車輛檢修時(shí)的手動泄放功能；7.具有過濾加注氣體和氣瓶內(nèi)氣體雜質(zhì)的功能；8.具有監(jiān)控氣瓶內(nèi)溫度的功能。

1.進(jìn)/出氣口；2.電磁閥；3.電接口；4.溫度傳感器；5.過濾器；6.氣瓶；7.單向閥；8.過流閥；9.應(yīng)急泄放口；10.應(yīng)急泄放閥；11.TPRD排放口；12.TPRD；13.手動截止閥；14.單向閥；15.過濾器

3.2 典型產(chǎn)品的工作流程

1.加注流程：從加氫口加注的氫氣，經(jīng)過濾器、手動截止閥(常開)、單向閥進(jìn)入氣瓶。

2.應(yīng)急泄放流程：當(dāng)電磁閥故障無法打開或者拆卸氫罐后需要泄放氣瓶內(nèi)剩余氣體時(shí)，手動打開應(yīng)急泄放閥，氣瓶內(nèi)的氣體通過與應(yīng)急泄放口連接的管路排出。

3.供氣流程：儲氫系統(tǒng)控制器發(fā)送電磁閥開啟指令，電磁閥供電打開，氣瓶內(nèi)氣體經(jīng)過濾器、過流閥、電磁閥、單向閥、手動截止閥、進(jìn)出口管路供給下游減壓閥。

4.過流保護(hù)流程：當(dāng)下游管路破裂時(shí)，瓶閥下游管路泄放流量急速增大，壓力快速下降，過流閥關(guān)閉，阻止過量氣體排出。

5.超溫保護(hù)流程：當(dāng)發(fā)生火災(zāi)或者處于意外高溫環(huán)境[≥(110±5)℃]時(shí)，瓶閥TPRD玻璃感溫球破裂，氣瓶內(nèi)的高壓氣體直接經(jīng)TPRD排放口泄放到外界。

6.檢漏(加注保護(hù))流程：當(dāng)整個(gè)儲氫系統(tǒng)裝配完成，需要對管路進(jìn)行檢漏時(shí)，關(guān)閉手動截止閥，檢漏氣體被阻擋在瓶閥外部管路。

4 設(shè)計(jì)與試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

4.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

目前我國還沒有針對車用高壓氫氣瓶組合閥的專用標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品通常參照GTR 13[3]、GB/T 24549[4]、GB/T 26990—2011[5]等標(biāo)準(zhǔn)的要求，對瓶閥的集成功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)；TPRD的設(shè)計(jì)參照GB/T 33215—2016[6]執(zhí)行。

材料的選擇通常參考ISO 11114-1[7]、ISO 11114-2[8]、GB/T 35544—2017[9]進(jìn)行，同時(shí)需要充分考慮與氫氣的介質(zhì)相容性及瓶閥的使用工作環(huán)境。結(jié)合產(chǎn)品研發(fā)和實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，通常選用鋁合金6061和奧氏體不銹鋼022Cr17Ni12Mo2作為閥體及主要零件的材料，非金屬材料通常選用聚酰亞胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚氨酯(PU)、氟硅橡膠(FVMQ)、三元乙丙膠(EPDM)等與高壓氫氣具有良好相容性和氫氣滲透率低的材料。

4.2 試驗(yàn)和檢查標(biāo)準(zhǔn)

目前國內(nèi)外車用高壓儲氫氣瓶閥門的相關(guān)測試法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)主要有GTR 13、EU 406[10]、EC 79、ECE R134e[11]、ISO 12619[12]、GB/T 35544等。其中EU 406是EC 79的具體執(zhí)行細(xì)則，明確了EC 79中規(guī)定的試驗(yàn)項(xiàng)目對應(yīng)的具體試驗(yàn)方法。GTR 13、ECE R134e及GB/T 35544內(nèi)容基本一致[13]，其特點(diǎn)在于試驗(yàn)項(xiàng)目相對較多，考察內(nèi)容更為全面，并且要求試驗(yàn)中介質(zhì)采用氫氣，更切合實(shí)際使用工況[14]。EU 406的特點(diǎn)在于采用了順序試驗(yàn)的方法，更貼合于閥門實(shí)際工作中承受多種載荷的工況[13-14]。ISO 12619則對車載儲氫系統(tǒng)涉及的電磁閥、手動截止閥、過流閥、壓力釋放閥等零部件單獨(dú)制定了試驗(yàn)規(guī)則，但并未對組合式閥門的試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)順序進(jìn)行規(guī)定。

綜合以上各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗(yàn)和型式認(rèn)證的需求，總結(jié)瓶閥試驗(yàn)和檢驗(yàn)項(xiàng)目，見表2。

表2 瓶閥檢驗(yàn)和試驗(yàn)項(xiàng)目

續(xù)表2

5 結(jié) 語

由于國內(nèi)高壓氫氣瓶組合閥門沒有專門的標(biāo)準(zhǔn)可做參考。本文從高壓氫氣瓶組合閥門的主要功能、工作流程、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)依據(jù)及國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀等方面進(jìn)行總結(jié)，可為國內(nèi)產(chǎn)品的研發(fā)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。