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燃料电池车载氢气供给系统概述
摘要:车载氢气供给系统是氢燃料电池车的关键分系统之一。本
文介绍了车载氢气供给系统的工作原理和流程,分析了整个系统改进
的四个方向即密封技术、气体调压稳压、管道洁净处理及提高氢气利
用率;最后总结了车载氢气供给系统中影响这四个方向的关键元部件
的选择。
0引言车载氢气供给系统是氢燃料电池车的关键分系统之一,用
于储存氢气,并在车辆行驶过程中向电堆(即化学能转化为电能部件)
提供满足压力、流量需求的氢气。车载氢气供给系统燃料源国外一般
采用70MPa或35MPa高压气罐存储,国内由于安监法规限制采用
35MPa,气体反应模块电堆则需要稳定的低压气。氢气属于易燃易爆
且小分子易泄漏气体,因而在整个调压输送过程密封是很重要的环节。
同时,电堆对于氢气流量的稳定输送以及快速响应流量需求变化有较
高要求,而且供给系统中循环换系统的设计可以有效的改善氢燃料利
用效率,因而氢气供给系统的设计对燃料电池具有重要意义。1氢气
供给系统设计要求1.1安全可靠性原则氢气属于易燃易爆气体,且储
氢压力较高。为了确保系统的安全可靠,会采取如下措施:1)在储
能装置设置超温保护装置,确保过温情况下可靠泄放;2)系统配置的
各管路连接接头、各类阀门必须采用可靠的密封结构设计方案,确保
系统密封可靠;3)在系统容积上方设置氢浓度报警装置,在管路存在
断裂可能的情况下,设置过流保护装置;4)确保设计中不出现氢气环
境中有电火花的存在,确保氢电隔离;5)对阀门进行充分的试验考核,
确保对环境工况具有合格的承受能力;6)系统的结构布局、结构安
装等设计,应确保其能够承受用户的各种动力学环境。
1.2维修性原则主要零部件容易更换,管路可多次重复拆装,结
构设计预留一定的维修空间,维修过程尽可能避免氢气大量排
放。1.3低成本原则采用集成化、模块化的设计方案,大幅简化系统
结构,降低系统成本,满足未来大批量生产需求以扩大氢燃料电池在
汽车领域的推广应用。2氢气供给系统组成2.1氢气供给系统工作原
理氢气供给系统由瓶口阀、过流阀、过滤器、减压阀、泄压阀、截止
阀、气水分离器、氢气循环泵及管路和接头组成,根据系统需求不同
还配有单向阀、阻火器和喷射器等。如图1所示为车用氢气供给系统
流程图,氢气由高压储氢瓶释出,经瓶口阀检测温度压力,过流阀检
测流量,确认这些气体参数是否在设计允许范围内,否则启动温度紧
急泄控装置或过流泄压装置。之后,高压过滤器净化气体,拦截杂质
使其不至于污染电堆。根据减压阀性能及瓶口压力的不同设计一级或
二级减压,调节氢气压力,为电堆前最后一级减压稳压装置提供足够
流量合适压力的氢气。阀后设置了过压泄压阀以防止减压阀失效导致
高压气体损坏阀后器件,手动排放阀则为了实验结束在电堆前有泄放
管内残余气体的出口。在电堆前设置最后一级减压稳压装置,一般选
择稳压效果好的减压阀或者喷射器。在保证氢气路出口氢气浓度足够
的前提下,为了提高氢气利用率,氢气尾排经历了直排、脉冲排等阶
段,最终选择设计氢气循环系统,将尾排氢气经分水器分水后打回入
口循环利用,循环动力部件可选择氢气循环泵或引射泵。整个系统中
还有截止阀和电磁阀控制气路的开断。2.2氢气供给系统发展氢气供
给系统主要性能在如下四个方面:1)管路接口处的高压静密封及阀
门密封:它的重点在于管路、阀门泄漏率在规定范围内,同时要求接
头密封性能好,拆装方便,且成本较低。主要采用方式有锥管螺纹密
封、球面密封以及平面密封;2)减压阀减压稳压性能:它重点在于要
求减压跨度大,不同流量和阀前压力下减压阀后端压力波动小,同时
由于多级减压以及安全保护阀门造成的体积过大,需要对减压模块进
行集成以减小体积;3)管道阀门洁净度:它关键在于选取管道精度等
级以及阀门对气体介质纯度影响程度;4)氢气利用率的提升:如图
1氢气循环系统部分所示,为了保证电堆出口处的氢气浓度不致使该
处膜电极处于氢气饥饿状态,氢气取1.1-1.5的过量系数,在早期直排
操作(方案1)的情况下氢气利用率只有67%-91%。而后提出了电磁
阀脉冲排放(方案2),氢气利用率有一定的提高,但会造成氢气出
口处的气压周期性波动,影响电堆性能稳定。较优的方案是将电堆出
口尚未利用完的氢气,经过气水分离后送回入口与主气路混合后再次
利用,其中使用氢气循环泵返混(方案3)可
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