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車載高壓儲氫瓶用瓶口閥的研究
時間：2020-08-21 17:41:14 來源：永龍閥門 閱讀：0次
車載高壓儲氫瓶用瓶口閥的研究
摘要 介紹了新能源行業(yè)氫燃料電池汽車車載高壓儲氫瓶用瓶口閥的現(xiàn)狀及要求，論述了儲氫瓶用瓶口閥的結(jié)構(gòu)特點、材料選擇及檢查與試驗。
01，概述
氫作為理想的能源載體，是一種無色、無味、無毒的氣體，具有能量密度大、轉(zhuǎn)化效率高、儲量豐富和適用范圍廣等特點，其通過電化學反應(yīng)后的產(chǎn)物是水，干凈無污染，被認為是最清潔的能源，21世紀的終極能源。氫能與氫燃料電池的發(fā)展已成為世界主要汽車生產(chǎn)國的國家戰(zhàn)略，也是我國中長期科學與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要的重點基礎(chǔ)研究內(nèi)容。氫能源的利用，離不開氫氣的儲存和應(yīng)用，目前的存儲方式主要有高壓氫儲存和液氫儲存。高壓儲氫因具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、壓縮氫氣制備能耗低、充裝和排放速度快等優(yōu)點，因此在今后相當長的時間內(nèi)，氫氣的高壓存儲仍將是一種主要方式，即采用高壓儲氫瓶儲氫（35~70MPa）。高壓儲氫瓶儲氫是燃料電池汽車主要普遍的儲氫方式。氫極易逃逸，易燃易爆，高壓儲氫瓶作為氫燃料電池汽車重要的儲能部件，其在汽車碰撞、起火等意外事故中的安全性能已成為氫燃料電池汽車被公眾廣泛接受和市場化推廣的關(guān)鍵，保證高壓儲氫瓶安全和正常充／供氣的瓶口組合閥（以下簡稱瓶口閥）是氫系統(tǒng)中關(guān)鍵零部件之一。目前，我國應(yīng)用的瓶口閥絕大部分依靠進口，特別是70MPa瓶口閥還尚未有相應(yīng)的設(shè)計及檢查與試驗標準。
02，技術(shù)要求
瓶口閥擔負的任務(wù)多，功能高度集中，是由多種功能部件集成組成（圖２，圖５）。儲氫瓶內(nèi)的氫氣壓力高，通常乘用車配備的儲氫瓶標準公稱壓力為70MPa，貨車和客車配備的儲氫瓶標準公稱壓力為35MPa，而氫燃料電池系統(tǒng)的正常工作壓力通常小于1MPa，所以儲氫瓶的高壓氫氣不能直接用于氫燃料電池系統(tǒng)，需要經(jīng)過瓶口閥降壓穩(wěn)壓處理。儲氫瓶充氣與給燃料電池供氣則需要對瓶口閥進行智能控制。高壓易燃易爆氣體特性又要求瓶口閥必須具有溫度實時檢測與反饋，自動和手動泄壓等安全功能。乘用車的空間緊湊（圖１），又要求瓶口閥功能設(shè)計集成度高且體積要小，質(zhì)量要輕。所有的功能部件都離不開密封要求，氫氣分子小，極易逃逸，且易引起金屬發(fā)生氫蝕氫脆，因此瓶口閥應(yīng)具有可靠的密封性；乘用車一般要求按3~5min加滿２個70MPa約50Ｌ容量的儲氫瓶，供氫流量一般大于35g/s，因此瓶口閥必須滿足加注流量和供氫流量要求。功能集成越多，技術(shù)研發(fā)難度越大。
03，結(jié)構(gòu)特點
為滿足瓶口閥的功能要求，使其結(jié)構(gòu)更加緊湊，減少管路以及減小泄漏風險，一般將過濾器、手動截止閥、電磁閥、限流閥、溫度傳感器、TPRD（熱泄壓裝置）、放散閥等裝置集成在一起安裝在儲氫瓶瓶口，稱為瓶口組合閥（簡稱瓶口閥，如圖２中虛線框內(nèi)所示）。加注口用于連接高壓氫氣加注裝置（簡稱加氫槍），過濾器用于過濾氫氣中的夾雜物，一般過濾精度10μｍ（進入加注口的氫氣已經(jīng)過20~40μｍ濾芯逐級過濾）。
單向閥用于單向流通和止回，限流閥用于供氣狀態(tài)保護，在下游出現(xiàn)極速異常壓力降時開啟限流保護功能，異常解決后自動開啟。電磁閥用于供氣狀態(tài)，起開關(guān)作用，控制瓶口閥內(nèi)供氣管路通和斷。手動截止閥用于瓶口閥總充氣和供氣管路的手動開啟和關(guān)閉。溫度傳感器用于時時檢測并反饋瓶口閥內(nèi)氫氣的溫度。TPRD熱泄壓裝置用于自動將瓶內(nèi)氣體泄放，當瓶內(nèi)或外部環(huán)境溫度達到110℃ ±５℃時激活，防止儲氫瓶內(nèi)氫氣過熱過壓發(fā)生爆燃爆炸等事故。TPRD熱泄壓裝置一般內(nèi)置玻璃泡或易熔合金，玻璃泡結(jié)構(gòu)與易熔合金各有優(yōu)缺點，當達到激發(fā)溫度時，玻璃泡破裂，瓶內(nèi)氣體壓力可迅速降到零，但其在受壓不均或異常振動條件下，容易破碎。當達到激發(fā)溫度時，易熔合金結(jié)構(gòu)受受熱均勻度影響，會緩慢不同程度熔化，泄壓通道緩慢擴大，緊急排放時降壓慢。溶化的金屬還可能再次凝結(jié)堵塞泄放通道，但其常溫下抗壓抗震性好。放散閥（手動泄壓閥）用于儲氫瓶手動緩慢泄壓。減壓閥用于將瓶口閥內(nèi)高壓氫氣降壓并穩(wěn)壓輸出到燃料電池。其工作原理如圖２箭頭所示，加注口到儲氫瓶為充氣狀態(tài)，儲氫瓶到燃料電池為供氣狀態(tài)。
目前，氫燃料電池汽車成本高昂還未普及，高壓儲氫瓶用瓶口閥特別是７０ＭＰａ瓶口閥國際上的知名品牌也比較少，國內(nèi)用于７０ＭＰａ儲氫瓶的量產(chǎn)車還沒有，配套的儲氫瓶和瓶口閥大多還處于研發(fā)試制階段。不同品牌的瓶口閥集成的閥門種類并不完全相同，外觀上也形態(tài)各異，有代表性的７０ＭＰａ瓶口閥功能高度集成設(shè)計見圖３、圖４。
瓶口閥集成的功能部件越多，閥內(nèi)部管路設(shè)計越復(fù)雜，技術(shù)難度相對越高，既要布局緊湊，整體占用空間小，又要避免管路交叉重疊，保證零件合適的安裝空間需求及操作方便，還要充分考慮便于制造工藝的實現(xiàn)。典型的功能結(jié)構(gòu)布局原理見圖５，典型的瓶口閥內(nèi)部管路結(jié)構(gòu)見圖６。
04，材料選擇
目前，我國尚未有針對高壓儲氫瓶用瓶口閥的設(shè)計制造標準，材料的選擇通常參考標準ISO11114-4-2017和車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶 。不同于一般介質(zhì)，高壓儲氫瓶用瓶口閥氫氣壓力高（35~70MPa），設(shè)計極限溫度-40～85℃下相對活躍，容易造成金屬件氫蝕氫脆，非金屬件破壞。產(chǎn)品所處環(huán)境復(fù)雜。間斷的浸入水中或者道路濺水。有海水腐蝕情況或在鹽融化冰的路面上行駛。陽光中的紫外線輻射。車輛振動和碎石沖擊。接觸酸和堿溶液、肥料；接觸汽車用液體，包括汽油、液壓油、電池酸、乙二醇和油。接觸排放的廢氣等都會對產(chǎn)品造成破壞。因此選材時，應(yīng)充分考慮材質(zhì)與工況的適應(yīng)性，進行計算和有限元分析并經(jīng)嚴格檢驗和試驗驗證。
參考相關(guān)標準及文獻資料，結(jié)合研發(fā)和實際應(yīng)用經(jīng)驗及行業(yè)內(nèi)的慣用，綜合考慮工況適應(yīng)性和輕量性要求，常選用鋁合金材質(zhì)制造主體，也有少數(shù)選用316不銹鋼主體，操作部件選用抗氫蝕316不銹鋼，密封件選用PEEK，PTFE，氫化丁腈橡膠，聚氨酯等適應(yīng)高壓高低溫并與氫相容性良好的材料制造。根據(jù)研發(fā)中的經(jīng)驗，瓶口閥集成功能部件多，涉及的密封部位非常多，使用實際能耐低溫-40℃又耐高壓的密封材料是解決產(chǎn)品密封問題的關(guān)鍵。
05，檢查與試驗
目前，我國還未有針對高壓儲氫瓶用瓶口閥的檢查與試驗標準，通常引用國外GTR13 中關(guān)于供氫系統(tǒng)及供氫系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的一些檢測標準和車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶中的規(guī)定檢測。
瓶口閥的試驗項目很多，文獻［16］中有23項試驗內(nèi)容，但仍不全面，因為缺少瓶口閥設(shè)計制造標準，瓶口閥集成的功能模塊沒有統(tǒng)一標準規(guī)定。現(xiàn)有參考標準中規(guī)定的檢查與試驗不能全面涵蓋瓶口閥實際包含的功能項目，如文獻［16］中僅規(guī)定了對TPRD、單向閥和手動／自動截止閥的型式試驗方法與合格指標，對于集成了電磁閥，減壓閥，放散閥、限流閥等型式試驗方法沒有包含。
參考標準及文獻資料，結(jié)合研發(fā)試驗經(jīng)驗，型式試驗難點主要集中在低溫－40℃下瓶口閥各集成功能部件的高壓和低壓密封性試驗，TPRD熱泄漏裝置１１０℃ ±５°火燒試驗中安全泄放試驗、電磁閥高頻次動作試驗、高溫低溫下壓力循環(huán)試驗、一級二級減壓閥流量測定及動作試驗等方面，因為許多項目是上萬次的試驗，試驗周期長，需要制定詳細的試驗大綱，并相對應(yīng)設(shè)計專用試驗設(shè)備。
06，結(jié)語
我國在瓶口閥的研發(fā)方面雖然已經(jīng)取得了一定的成果，但在高壓70MPa瓶口閥的實際應(yīng)用上幾乎還是空白，設(shè)計與制造、檢查和試驗等方面還缺少行業(yè)或國家標準規(guī)范支持，權(quán)威檢測機構(gòu)力量仍相對薄弱，國內(nèi)具備７０ＭＰａ儲氫瓶和瓶口閥完整型式試驗條件的檢測機構(gòu)及個別項目試驗條件如火燒試驗、槍擊試驗等檢測機構(gòu)較少。目前，高壓儲氫瓶用瓶口閥（７０ＭＰａ）已經(jīng)試驗驗證合格，各項指標滿足試驗大綱要求。通過對瓶口閥的研發(fā)經(jīng)驗總結(jié)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇及檢查與試驗等方面進行了研究與探討，希望促進后續(xù)的行業(yè)標準或國家標準的制定與實施。
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