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氢燃料电池汽车车载供氢系统的安全设计
Safety design of on-board hydrogen supply system for hydrogen fuel cell vehicle
7月12日


氢燃料电池汽车车载供氢系统设计中,经常会遇到氢气压力高、分子小易泄漏、金属材料的氢脆和汽车运行时苛刻的外部环境(比如外部环境的温度变化,崎岖路段颠簸造成的振动)等挑战。那么,安全的车载供氢系统设计需要考虑哪些因素?

选择安全的连接形式和高性能抗氢脆金属材料


连接形式

管路系统发生泄漏,是一直困扰着车载供氢系统设计者的问题,因为除了静态的泄漏,氢气压力波动、温度变化和振动环境还会引起动态泄漏,从而引起严重的安全事故。那么到底哪种接头是氢燃料电池汽车车载供氢系统安全的连接形式?请参见往期微信文章《氢燃料电池汽车车载供氢系统的安全连接形式》。

 


金属材料

金属材料在高压氢气环境中容易发生氢脆,发生氢脆的材料在高压下会开裂失效,造成氢气泄漏,产生危险。所以,对金属材料的基本要求是抗氢脆性能好。

对316SS抗氢脆性能进行过专门的研究,选取Ni含量不同的316材料(11Ni、12Ni、13Ni),分别制成?4mm试样,在含饱和状态H2、压力138Mpa、温度300℃的高压渗透反应炉里存放240小时,取出试样和未经氢气侵蚀的试样一同进行延伸性能、抗拉强度和屈服强度等机械性能测试,结果表明镍含量越高,抗氢脆性能越强。当镍含量超过12%时,断面收缩率(延展性)稳定在高位,车载供氢系统选择临氢奥氏体不锈钢材料时,其镍含量应大于12%。

316不锈钢的特殊配方中,镍含量超过12%, 使高压供氢系统的流体元件具备更好的抗氢脆性能,提高管阀件在高压氢气环境下的耐用性。


▲抗氢脆性能测试及结果▲

 

系统化功能设计

 

车载供氢系统包含加氢管路系统、供氢管路系统和排放管路系统三部分。

 


加氢管路系统

 


加氢管路主要完成加氢机给车载储氢瓶加氢的氢气传输功能,主要包括加气口、单向阀和过滤器等。

加氢管路系统设计应注意:

加氢口,国标要求加氢口设计应配置内置单向阀防止气体泄漏,并且有内置过滤器防止污染物损害内部单向阀,国内外加氢口制造商一般会内置过滤精度为40-50μm的过滤器和单向阀。

单向阀,加氢管路上一般还会配置单独的单向阀,万一加氢口损坏或者加氢口密封不严,导致高压管路造成氢气泄漏,此单向阀可以阻断氢气外泄。

过滤器,考虑到加氢口内置过滤器过滤精度不高,一般在加氢管路的单向阀前加装T型过滤器,此过滤器在拦截颗粒杂质进入储氢瓶的同时,防止颗粒杂质引起单向阀密封不严。T型过滤器过滤面积较大,大概是管道流通面积的6倍,且维护保养时更换滤芯非常方便。加氢管路上的过滤器过滤精度典型值为15μm。

 

供氢管路系统


供氢管路主要实现从储氢瓶到燃料电池的氢气传输功能,35Mpa(或者70Mpa)的高压氢气经过两级减压给燃料电池提供所需的氢气。一般包括储氢瓶瓶口组合阀(手动阀门、电磁阀、TPRD)、过流阀、过滤器、减压阀、安全阀、排空阀和电磁阀等。供氢管路系统设计应注意:

过流阀,是一种安全保护装置。当过流阀流量异常增大时,该阀可以有效自动切断储氢容器的氢气供应,主要是防止管路发生破裂等意外。通常建议过流阀安装在瓶口组合阀上或是紧邻储氢瓶出口。

过滤器,一般在供氢管路减压阀前,会配置一个过滤精度更高的T型过滤器,此过滤器主要功能是净化氢气,拦截颗粒杂质,防止污染电堆,同时考虑到减压阀的密封对颗粒杂质比较敏感,此过滤器也起到了保护减压阀的作用。供氢管路上的过滤器过滤精度典型值为7μm。

减压阀,为了保证供氢管路的性能,燃料电池汽车在不同工况下,无论氢气消耗造成进口压力衰减或氢气流量发生怎样变化,减压阀都应保证输出压力的稳定。为了减少减压阀进口压力衰减对出口压力稳定性的影响,建议减压阀选择阀芯开孔的平衡阀芯设计;二级减压阀采用机械反馈、电控的减压阀或者比例阀,减小不同工况流量波动造成的出口压力变化。

卸荷阀或者安全阀,能够实现管路压力超过一定限值后的泄放功能,并在管路压力正常后,恢复原状态。

 

排放管路系统


排放管路主要包括超温和超压排放。排放管路系统设计应注意以下情况:

一种是氢瓶内氢气温度达到(110±5)℃时,TPRD开启排放氢气。

另一种是当减压阀下游管路压力超过安全阀泄放压力时,安全阀就会泄放。

在排放管路出口,采取必要的保护措施,可防止在使用过程中有异物堵塞,影响氢气排放。氢气排放口应避免直接布置在密闭或者半封闭空间,一般排放口应布置到车辆高处。

 

选择经过全面系统测试认证的零部件

 

选择车载供氢系统零部件时,建议选择经过全面系统测试认证的产品来保障产品性能、可靠性和安全性能,比如通过EC-79认证的外漏试验、耐腐蚀性试验、疲劳试验和液压循环试验等。除此之外,还要考虑EC-79认证未涉及的抗振动试验、高冲击试验和防火试验等。车载供氢系统零部件相关测试请见往期微信文章《氢燃料电池汽车的EC 79认证》和《氢燃料电池汽车的安全仅仅止步于EC-79认证?》。

 

- Parker 派克阀门管件在35MPa 和70MPa 的产品应用

单元设备

工作压力

Parker ING 产品

卸气系统

25MPa

常压卡套接头、钢管、球阚、针阀、单向阀、过滤器等

增压系统 45MPa/25MPa

高压管路 : Autoclave c&T 接头 , 钢管 , 高压针阀和球阀 ( 手动 / 气动 ), 单向阀 , 过滤器等

低压管路 : 卡套接头、钢管、球阀、针阀、单向阀、过滤器

储气和优先控制系统
加氢机 45MPa 高压管路 : Autoclave c&T 接头 , 钢管 , 进气阀 ( 气动 ), 过滤器 , 单向阀等


 
   



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