解析丰田燃料电池轿车Mirai高压储氢系统(下)

◆编译/江苏 高惠民

(接上期)

4.高压接头

高压接头的密封结构也被改变以降低成本。丰田FCHV-adv采用的O形圈密封结构，需要使用高成本的特殊材料，因为连续供给高压液态氢气后，高压接头的温度下降至-50℃。新开发采用了新的金属密封结构以减少部件数量，图17所示为高压接头结构。不锈钢被用作管道和接头的材料。但是，考虑到密封性能，两者都规定了最佳的材料硬度。这种方法无需增加垫圈即可确保密封的可靠性，从而降低了成本并缩短了组装时间。

图17 高压接头横截面

5.高压传感器

改装了现有发动机的高压传感器以供使用在高压氢气气氛中。图18所示为高压传感器的横截面。

图18 高压传感器结构

高压传感器的原理是使用半导体压电技术来检测由于施加高压气体引起的隔膜的微小变形而产生电信号。但是，如果在氢气气氛中长时间使用此传感器，则少量氢气溶解到膜片中，导致变形并严重影响传感器精度，图19所示为由于氢固溶体形成而引起的隔膜膨胀和变形的测量结果。研究了各种对策建议，包括改变隔膜的材料和形状，最后，采用将一薄膜覆盖到隔膜的内表面以抑制氢渗透。这有助于最大程度地降低成本。结果，在隔膜中形成的氢固溶体的量减少到先前量的大约10%。高压传感器可以长期稳定地在高压氢气气氛中使用。

图19 由于氢固溶体引起的隔膜变形示意图

四、促进性能提升

在2008年，大多数能够预冷氢气的加氢站只能将加注的氢气温度降低到-20℃，丰田FCHV-adv需要大约10min的加氢气时间。此外，由于与站点和车辆之间的通信标准不兼容，最大充气量(SOC)被限制为仅约90%。但是，随着符合SAE J2601标准的加氢站开始建设，投入使用，能够将加注的氢气预冷至-40℃，从而将加氢气时间减少到与汽油车加油大致相同的水平。另外，通过确保通信协议兼容性改进了SOC。图20所示为通信系统的配置。图21比较了丰田FCHV-adv和新型FCV的加气时间和SOC(SAE标准条件，内部测量值)。

图20 通信系统的配置

图21 氢气加注时间和SOC的比较

通过改善加气通信设备，还提高了高填充度估计气体的准确性。

在设计用于各种不同形状的储气罐的系统的情况下，由于氢气入口和储罐之间的压力损失差异以及每个储罐的热容量特性，温度升高的程度会有所不同。先前的研究确定了加气期间储气罐内部的温度分布。与液体燃料不同，对气体燃料的高填充度估计通常需要在加气过程对压力和温度进行校正。因此，如果储气罐之间或一个储气罐内部的温度差较大，则温度检测点应尽可能接近平均温度。这一改进调整了加油管通向每个储气罐的路径，以使储气罐之间的温差最小。另外，应对一个储气罐内温度差的对策为调整填充气体的喷射方向和温度传感器的位置，以使相对于平均温度的误差最小。这些措施确保了SOC超过95%。图22所示的测试结果证明了温度传感器位置和储气罐内气体喷射方向对SOC的影响。

图22 SOC与高压氢气罐内加注喷射方向(θ)和温度传感器位置(L)的关系

五、技术法规认证

新的高压储氢系统的开发目标之一是根据新建立的全球技术法规(GTR)和相关的欧洲(EU)法规(第7992009号和第40662010号)获得储氢系统组成部件的认证。传统的高压氢气罐已通过了日本标准KHK S0128的型式认证，该标准于2013年建立，是车辆可压缩氢气瓶的技术标准。但是，这次丰田新型FCV的高压储氢系统开发是日本首次尝试在GTR中规定的更严格的测试条件下获得新FCV中使用的高压氢罐和高压阀的认证。与常规测试条件的三个主要区别如下。

(1)持续测试，评估储氢系统压力循环耐抗化学和物理冲击(跌落)的性能；

(2)评估在环境温度、极端温度和室温条件下氢气压力循环的测试；

(3)图23显示了局部燃烧试验和完全吞没篝火试验对比情况。

图23 局部燃烧试验和完全吞没篝火试验

除了在着火测试(即局部着火测试)中整个罐体上的常规加热方式之外，在远离热触发卸压装置的一侧增加了加热测试。因为储氢罐卸压阀门配备有在110℃左右温度下会熔化的易熔塞，即使周围发生火灾，易熔塞会随之触发，释放出氢气 ，因此不会引起储氢罐本体的炸裂。

作为局部防火测试的对策，将耐火材料结合到常规的氢气罐冲击吸收能量的保护层中。这满足了耐摔性和新的耐火性能要求，而没有增加氢气罐的外部体积。图24所示为保护层的结构。

图24 新的氢气罐保护层结构

六、结论

丰田的新型FCV中的高压氢存储系统结合了新开发的零部件，例如氢气罐，阀门和调节器。结果，该系统具有足够的储氢能力而不牺牲内部空间。通过改进储氢罐的压层CFRP结构，减轻了系统的质量，与丰田FCHV-adv相比，整个存储系统的质量减轻约15%。此外，采用新开发的低成本和高强度碳纤维、简化每个高压组件以及对现有车辆中的零件进行再利用有助于大幅降低成本。通过确保与SAE J2601和J2799标准(用于加氢站和车辆之间的通信)兼容，提高了加氢性能。结果，加氢时间约为3min，并获得了较高的SOC，从而提高了车辆的可用性。此外，新型FCV还通过了国际标准的车辆氢气瓶ECC7992009认证。开启了燃料电池汽车全面商业化的时代，可以展望下一代FCV技术将继续进一步减少储氢系统的尺寸并提高氢燃料电池的性能。