解析丰田燃料电池轿车Mirai高压储氢系统（上）

◆编译/江苏 高惠民

丰田汽车公司于1992年开始开发燃料电池汽车(FCV：fuel cell vehicles )，此后进行了许多项目研发，以期使这些汽车得到广泛使用。丰田FCHV-adv发布于2008年，采用的是燃料存储压力为70MPa的氢气罐，而不是35MPa的氢气罐。通过各种改善燃料经济性的措施，FCHV-adv的实际续航里程达到了至少500km。继FCHV-adv之后，丰田公司开发了一款新型FCV轿车Mirai(未来)，使其量产化。该轿车配备了新型70MPa高压存储系统。新型FCV的储氢系统比FCHV-adv的存储系统质量轻得多，且成本更低。

一、70MPa高压储氢系统布置

优化了新开发的高压氢气罐形状，使其能够安装在轿车型车辆的地板下方(图1)。

图1 高压氢气罐安装布局

这种形状的高压储氢罐确保了车辆具有足够的内部空间和所需的氢气容量。两个高压氢罐的规格列于表1。高压氢气通过高压调节器和喷射器两个元件的减压输送给燃料电池堆(FC),图2所示为新型FCV高压储氢系统的基本配置。这两个氢气罐通过圆形支架安装在地板下方，如图3所示。

图3 高压储氢系统的外观

表1 高压氢气罐规格

图2 高压储氢系统的基本配置

二、减轻高压氢气罐的质量

1.改进的碳纤维增强树脂(CFRP)层压方法

由于高压氢罐在高压氢气存储系统的质量中占最大比例，因此对罐的设计进行了彻底的修改，图4所示为高压氢气罐的结构。

图4 高压氢气罐的结构

高压氢气罐由最内层的塑料构成内衬，以密封氢气，并被能够承受高压的坚固碳纤维增强树脂层(CFRP， Carbon Fiber Reinforced Plastic)包围。CFRP层之外是玻璃纤维强化树脂层(GFRP，Glass Fiber Reinforced Plastic)，用以承受冲击。最外层是含有膨胀石墨的耐火聚氨酯保护层和防跌落的耐冲击聚氨酯保护层。铝法兰位于氢气罐内衬的两端，一端用于阀门配件安装。通过改进CFRP层结构和减少材料用量，减轻了新开发的高压氢气罐的质量。图5所示为高压氢气罐的压层图案。

图5 高压氢气罐的压层图案

通常，高压储罐CFRP层压结构采用以下三种类型的缠绕方法组合，使用环向缠绕来增强储罐的中心区域；小角度螺旋缠绕来增强圆顶区域(沿轴向)；大角度螺旋缠绕以加强这些区域的边界。必要时，为了加强边界区域所需的强度，大角度螺旋绕组也缠绕到中心区域上。由于大角度螺旋绕组以70°的角度缠绕在储罐的中央区域，因此加强效果不大，如图6所示。

图6 纤维缠绕角度和强度效率之间的关系

针对氢气罐中心区域无效的大角度螺旋缠绕，开发了一种新的压层方法，该方法可在不使用大角度螺旋缠绕的情况下加强边界区域。图7是新缠绕压层与传统的压层方法对比。

图7 传统和新压层方法的比较

具体来说，对缠绕压层方法进行了以下三个更改：

①内衬的截面形状平展，以使得能够通过在边界区域上也形成环向缠绕的压层；

②通过逐渐改变环向缠绕的端部位置，在形成常规衬套形状的同时加强了边界区域；

③把环向缠绕集中在应力大的内层中。

这些更改具有以下两个效果。首先，消除了占总压层结构约25%的大角度螺旋绕组。其次，环向缠绕是加强储罐中央区域的一种非常有效的方法，使最大应力集中在内层。这样可以更有效地利用纤维的强度。与传统的压层方法相比，这种双重作用使CFRP的质量降低了20%。

2.法兰的改进

改进氢气罐两端法兰的形状，以帮助减少CFRP的使用量。通过增加法兰直径和减小开口端直径的大小来降低法兰对CFRP的层表面压力。并可以减少小角度螺旋缠绕层的使用量约5%，图8所示为法兰施加到CFRP层的表面压力。

图8 法兰施加到CFRP层的表面压力

改善叠层结构和优化法兰可大大减少高压氢气罐的边界区域(通过消除大角度螺旋缠绕)和圆顶区域(通过减少小角度螺旋缠绕)的CFRP使用量。与其他减轻质量的措施相结合，与以前的高压氢气罐结构相比，这些措施将CFRP的使用量减少了约40%。结果，新开发的高压氢气罐实现质量减轻5.7%的效果，这是世界上最轻量化的储氢罐之一。图9所示为通过传统方法和新开发方法缠绕压层的储氢罐的横截面对比情况。

图9 传统与新氢气罐横截面的比较

三、降低成本和尺寸

1.增加通用碳纤维的强度

仅将罐的数量从四个减少到两个不足以实现高压存储系统降低成本的目标。因此，从整个高压存储系统的角度出发，研究了各种降低成本的措施，包括降低材料成本，减少部件数量以及重复使用汽油发动机的部件(如高压传感器)。特别是丰田FCHV-adv的氢气罐采用的是航空级碳纤维，其价格非常昂贵。因此，开发新的高压氢气罐时，在碳纤维制造商的合作下，将通用碳纤维的性能进行改善。结果是强度提高到几乎与航空级碳纤维相同的水平，而氢气罐质量更轻。

2.高压阀

该系统的开发在降低高压氢气罐以外的高压组件的成本和尺寸方面也取得了进展。大多数高压部件在与氢接触的部分使用铝合金或不锈钢，以防止氢脆化。与丰田FCHV-adv相同，该系统中的高压阀和高压调节器使用铝合金作为零件机体，并使用不锈钢作为内部主要部件。但是，通过改进结构减少了组件的数量。图10比较了传统阀门和新阀门的结构组成。

图10 常规型阀门组成和新型阀门组成

这一改进简化了阀门内部的气流路径，并修改了电动截止阀的布局。电动止回阀的内部结构也得到了改善并减小了尺寸。在丰田FCHV-adv中，止回阀等滑动组件被合并到不锈钢套筒中以提高耐用性。在新的FCV中，取消了该套筒以减少零件数量和阀门尺寸。图11比较了止回阀的传统滑动构造和新滑动配合构造。

图11 传统和新的阀门滑动配合示意图

通常，低硬度的铝合金在与不锈钢结合使用时会出现问题，由于两种不同性质金属材料接触摩擦产生异物，而异物导致滑动粘附和不良的密封性。因此，丰田FCHV-adv的储氢系统设计阀芯将不锈钢与不锈钢结合在一起，以防止磨损和异物的产生。而新型FCV的储氢系统的阀芯开发旨在采用铝体氧化铝膜表面处理代替不锈钢套筒。试验结果发现，对经表面处理过的铝制套筒能确保在氢气氛中稳定的滑动特性和工作寿命。图12是通过试验的铝磁盘材料经氧化铝膜表面处理后与不锈钢球之间的摩擦关系。

图12 试验铝磁盘材料表面氧化铝膜处理和摩擦之间的关系

图13所示为有和没有表面处理的滑动表面差异状态。新设计的阀体采用这些措施的结果是，阀门的质量减少了约25%，部件数量减少了35%，从而降低了阀门的尺寸和成本，图14所示为常规阀和新型阀的外观。

图13 有和没有表面处理的滑动表面的差异

图14 高压阀比较

3.高压调节器

通过重新设计密封件来实现高压调节器的性能和降低零件成本。位于高压调节器下游的喷射器的控制的重要方面是由高压调节器控制的压力的瞬时特性。如果瞬态压力变化太大，则喷射量也会变化很大，从而对燃料经济性产生不利影响。图15概述了调节器的原理结构图。

图15 高压调节器原理结构

调节器由高压侧的阀芯和低压侧的活塞，弹簧及其他组件组成。当供应燃料时，调节器的瞬时流量会与下游喷射器的运行同步变化，在调节器活塞，阀芯和其他组件中产生较小的冲程动作而引起不稳定性，例如活塞滑动部分的摩擦系数的变化，引起瞬态压力特性的变化。新调节器通过优化活塞形状和采用了低成本的活塞滑动密封材料，以及创新密封材料的形状，确保了调节器稳定的滑动特性。结果，与丰田FCHV-adv相比，开发的新调节器以更低的成本获得了更好的瞬态压力特性。图16所示为在不同流速下瞬态压力以及反应时间滞后的变化。

图16 高压氢气进出口瞬态压力特性比较

(未完待续)