我国车载高压储氢气瓶阀门发展现状

古纯霖 赵保頔 张 波 王 玲 何春辉

（1.中国特种设备检测研究院 北京 100029）

（2.国家市场监管总局特种设备安全与节能重点实验室 北京 100029）

（3.江苏国富氢能技术装备有限公司 苏州 215600）

近几年，我国氢燃料电池汽车产业燃料发展迅速，车载高压储氢气瓶阀门是氢燃料电池汽车的关键部件，对保障氢电池汽车安全使用具有重要作用[1-3]。高压储氢气瓶阀门具有结构复杂，功能多样，工况恶劣，维修困难等特点，因此设计制造要求较高。目前我国市面上的高压储氢气瓶阀门种类繁多，其中进口阀门为主，国内阀门为辅。进口阀门品牌主要包括GFI、OMB以及Luxfer等，国产阀门品牌主要包含舜华、富瑞、荆门宏图、瀚氢动力等。国外阀门产品经过多年的发展和市场检验，具有质量可靠性高，应用经验丰富的优势，因此占据较大的市场份额。国内阀门由于起步较晚，应用经验欠缺，质量也尚未得到市场认可，目前尚未大规模投入使用。由于车载高压储氢气瓶阀门产业尚未成熟，所以不同品牌的阀门纷杂多样、阀门功能不尽相同，试验方法要求不一的问题，不利于车载高压储氢气瓶阀门的安全使用。基于上述情况，本文提出对车载高压储氢气瓶阀门进行标准化要求的建议，以期车载高压储氢阀门能够高效地生产和使用，更好地服务于氢燃料电池汽车的发展。

1 车载高压储氢瓶阀门的典型结构形式

车载高压储氢瓶的瓶口阀不同于非车载情况下的瓶口阀，它的特点体现在高安全性、高集成度以及复杂的监控性等。国内早期研制的燃料电池汽车中，一般车载储氢瓶的瓶阀往往只安装一个气瓶阀，再通过组装相应功能的单体阀件、元器件、高压管路及控制器件等对高压氢气进行输送与监控，是一个分列式布置的供氢系统，占用的布置空间大，潜在的泄漏风险高，相应其安全性和可靠性较低。为减少管路、管件、减少泄漏风险，使供氢系统整体结构更加紧凑，一般将电磁阀、手动截止阀、TPRD（温度型压力泄放装置）、温度传感器、压力传感器、放散阀、限流阀等装置集成在一起，置于瓶口，构成了高集成、紧凑型瓶口组合阀。车载高压储氢气瓶阀门的工作压力主要分为35MPa和70MPa两档，目前国内主要使用的是35MPa车载高压储氢气瓶阀门，70MPa阀门在国内尚未推广使用。国内市场上35MPa车载高压储氢气瓶阀门品牌主要包含GFI（加拿大）及OMB（意大利）两种，两种品牌的阀门各有特点，差异较大。其结构示意图如图1所示。两种结构阀门结构及接口对比，见表1。

图1 主流35MPa阀门结构形式示意图

表1 主流35MPa组合阀门结构形式对比表

对比图1和表1可知，35MPa的GFI和OMB阀门的接口螺纹基本相同，但在外形上差异巨大。GFI阀门体型小巧，其组合的阀门包括电磁阀、手动截止阀及TPRD。其电磁阀位于阀体外部，使用时则位于气瓶内部，有效地减小了阀体部分体积。GFI组合阀门的电磁阀结构巧妙，断电时气瓶侧气体无法泄放出去，但气体可以从外部充入气瓶，因此该电磁阀同时具备了自动截止阀和单向阀作用。另外氢气进口与出口采用同一个接口，上述几个巧妙设计有效地减小了使用时瓶口外部阀体容积，因此GFI阀门体型小巧。OMB体型则相对较大，与GFI阀门相比，OMB阀门增加了一个放散阀，电磁阀和单向阀也分开设置，另外阀门中也集成了限流阀。在接口分布方面，OMB相比GFI阀门增加了放散口和多功能口，同时氢气进口与出口分开设置。可见两者在结构组成和接口分布上差异较大，GFI阀门结构简单，可靠性高，可适用于相对狭小的空间。而OMB阀门结构复杂，功能性强，占据空间较大，两者只能应用于相配套的系统，无法相互替换。

2 车载高压储氢气瓶组合阀门的功能特点

由于现有的主流两种车载高压储氢气瓶组合阀门结构差别较大，集成功能不同，接口设置各有特点，因此两者功能具有较大区别。

GFI的35MPa组合阀门功能原理如图2所示，阀体内部包含两个并联气路，第一个气路是充放气气路，该气路是由手动截止阀与电磁阀采用串联方式连接的气路，主要用于控制充放气过程。另外一个气路是安全泄放气路，该气路仅包含一个TPRD装置，用于火灾等特殊情况下泄放气瓶内气体以保障安全。正常工作时，手动截止阀处于开启状态，只有维修时才会人为关闭。电磁阀为常闭状态。充气阶段，电磁阀不通电，处于关闭状态，但由于其结构独特，具备单向阀功能，此时气体可由外部通过阀门进入气瓶，而气瓶内气体不可从阀门泄放，所以GFI阀门不管通电与否，气体均可由外部通过阀门充入气瓶。用气阶段，电磁阀接收到电信号后打开，气瓶内气体流出给燃料电池供气。对于GFI阀门，一旦电磁阀出现故障无法开启时，瓶内气体将无法有效泄放，需要拆除手动截止阀以泄放瓶内气体，泄放过程较为危险。

在接口方面，GFI阀门共设置进/出口、压力传感器接口以及TPRD泄放口三个接口，接口数量较少，压力采集点较少，无法满足有多种功能要求的情况。

图2 GFI阀门工作原理图

OMB阀门功能相对复杂，其工作原理如图3所示，阀体内部具有三个气路，第一个气路是充放气气路，该气路包含电磁阀、单向阀、限流阀及手动截止阀；第二个气路为放散气路，该气路仅包含一个截止阀；第三个气路是安全泄放气路，该气路仅有一个TPRD。第一个气路与GFI阀门的电磁阀及手动截止阀气路功能基本相同，增加了限流功能，其配套管路可不用设置限流阀。第三个气路与GFI相同。放散气路是OMB阀门特有的气路，放散气路中仅有一个手动截止阀，手动截止阀打开，则瓶内气体可泄放至瓶外。当电磁阀出现故障无法开启时，可以通过放散气路泄放瓶内压力，比较安全。另外，OMB阀门的电磁阀和单向阀以并联形式连接，充气时电磁阀断电关闭，气体通过单向阀充入气瓶，也具备断电充气的功能。

图3 OMB阀门工作原理图

在接口方面，OMB阀门设置了的接口较多，包含进口、出口、压力传感器接口、放散口、多功能口、TPRD泄放口。进口和出口分开设置有助于服务配套管路需求，放散口可用于故障情况下的瓶内气体的安全泄放，多功能口可用于多个压力传感器采集需求等情况。

通过上述对比可知，现有主流的两款车载高压储氢气瓶阀门的功能有一定差异，配置外接管路时，应与配置阀门的功能相适应，避免出现安全问题。

3 相关标准介绍

目前国内外车用高压储氢气瓶阀门的相关法规标准主要有 GTR13[4]、EU406[5]、ECE R134[6]、EC79 及GB/T35544[7]，其中GTR13是基础性法规，应用最广。GTR法规全称为全球统一汽车技术法规，由联合国世界车辆协调论坛（UN/WP29）负责制定发布，GTR13是该组织2013年7月发布的关于氢燃料电池汽车的全球技术法规，是燃料电池汽车领域内第一个国际性法规。EC 79是欧盟于2009年颁布的针对氢能源汽车的型式认证规则，规则中对于涉氢部件（包括压力泄放装置、自动阀、手动阀、单项阀以及压力泄放阀）需要做的型式试验项目进行了规定，但没有具体的试验方法。EU 406是EC79的具体执行规则，于2010年颁布，该规则明确了EC79中规定的试验项目对应的具体试验方法。ECE R134是欧盟2015年6月发布的技术法规，主要内容与GTR13基本一致[8]。目前欧洲正逐步用ECE R134取代EU406。GB/T 35544是我国车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶及阀门的相关标准，于2017年发布，其中关于阀门的要求也是参照GTR13制定的。

综上，GT R13、ECE R134以及GB/T 35544规定的车用高压储氢气瓶阀门试验方法及合格指标基本一致，而EU406与GTR13相比有较大差异。GTR13的特点在于试验项目相对较多，考察内容更为全面，并且要求试验中介质采用氢气，更切合实际使用工况。EU406未强调必须采用氢气试验，其特点在于采用了顺序试验的方法，更贴合于阀门实际工作中承受多种载荷的工况。在泄漏试验项目上，EU406要求更加严格，不仅要求进行外漏检测，同时要求进行内漏检测。

4 结论

目前国内车用高压储氢气瓶阀门种类多样，不同品牌阀门的结构形式、接口方位、功能特点以及维修方法均有所不同，使用时需配套不同的外接系统。而车用高压储氢气瓶阀门作为汽车零配件，需要有较高的通用性。

建议对车用高压储氢气瓶阀门的结构、功能、接口方位、螺纹规格以及性能要求进行标准化规定。结构方面，应采用统一的符合标准要求的几何外形和材质；功能方面，应集成统一的功能，包括单向控制功能、电磁控制功能、安全泄放功能、过滤功能、限流功能等；接口方位方面，应保证接口位置相对几何外形位置固定，接口连接螺纹应采用统一的符合强度要求的规格；对于阀门的性能要求应统一，即采用相同的试验方法和评判准则。实现上述标准化规定，将有利于车用高压储氢气瓶阀门质量控制及使用安全，更好地服务氢燃料电池汽车的快速发展。