氫燃料電池汽車車載供氫系統的安全設計
Safety design of on-board hydrogen supply system for hydrogen fuel cell vehicle
7月12日

氫燃料電池汽車車載供氫系統設計中，經常會遇到氫氣壓力高、分子小易泄漏、金屬材料的氫脆和汽車運行時苛刻的外部環境（比如外部環境的溫度變化，崎嶇路段顛簸造成的振動）等挑戰。那么，安全的車載供氫系統設計需要考慮哪些因素？

選擇安全的連接形式和高性能抗氫脆金屬材料

連接形式

管路系統發生泄漏，是一直困擾著車載供氫系統設計者的問題，因為除了靜態的泄漏，氫氣壓力波動、溫度變化和振動環境還會引起動態泄漏，從而引起嚴重的安全事故。那么到底哪種接頭是氫燃料電池汽車車載供氫系統安全的連接形式？請參見往期微信文章《氫燃料電池汽車車載供氫系統的安全連接形式》。

金屬材料

金屬材料在高壓氫氣環境中容易發生氫脆，發生氫脆的材料在高壓下會開裂失效，造成氫氣泄漏，產生危險。所以，對金屬材料的基本要求是抗氫脆性能好。

對316SS抗氫脆性能進行過專門的研究，選取Ni含量不同的316材料（11Ni、12Ni、13Ni），分別制成?4mm試樣，在含飽和狀態H2、壓力138Mpa、溫度300℃的高壓滲透反應爐里存放240小時，取出試樣和未經氫氣侵蝕的試樣一同進行延伸性能、抗拉強度和屈服強度等機械性能測試，結果表明鎳含量越高，抗氫脆性能越強。當鎳含量超過12%時，斷面收縮率（延展性）穩定在高位，車載供氫系統選擇臨氫奧氏體不銹鋼材料時，其鎳含量應大于12%。

316不銹鋼的特殊配方中，鎳含量超過12%， 使高壓供氫系統的流體元件具備更好的抗氫脆性能，提高管閥件在高壓氫氣環境下的耐用性。

▲抗氫脆性能測試及結果▲

系統化功能設計

車載供氫系統包含加氫管路系統、供氫管路系統和排放管路系統三部分。

加氫管路系統

加氫管路主要完成加氫機給車載儲氫瓶加氫的氫氣傳輸功能，主要包括加氣口、單向閥和過濾器等。

加氫管路系統設計應注意：

加氫口，國標要求加氫口設計應配置內置單向閥防止氣體泄漏，并且有內置過濾器防止污染物損害內部單向閥，國內外加氫口制造商一般會內置過濾精度為40-50μm的過濾器和單向閥。

單向閥，加氫管路上一般還會配置單獨的單向閥，萬一加氫口損壞或者加氫口密封不嚴，導致高壓管路造成氫氣泄漏，此單向閥可以阻斷氫氣外泄。

過濾器，考慮到加氫口內置過濾器過濾精度不高，一般在加氫管路的單向閥前加裝T型過濾器，此過濾器在攔截顆粒雜質進入儲氫瓶的同時，防止顆粒雜質引起單向閥密封不嚴。T型過濾器過濾面積較大，大概是管道流通面積的6倍，且維護保養時更換濾芯非常方便。加氫管路上的過濾器過濾精度典型值為15μm。

供氫管路系統

供氫管路主要實現從儲氫瓶到燃料電池的氫氣傳輸功能，35Mpa（或者70Mpa）的高壓氫氣經過兩級減壓給燃料電池提供所需的氫氣。一般包括儲氫瓶瓶口組合閥（手動閥門、電磁閥、TPRD）、過流閥、過濾器、減壓閥、安全閥、排空閥和電磁閥等。供氫管路系統設計應注意：

過流閥，是一種安全保護裝置。當過流閥流量異常增大時，該閥可以有效自動切斷儲氫容器的氫氣供應，主要是防止管路發生破裂等意外。通常建議過流閥安裝在瓶口組合閥上或是緊鄰儲氫瓶出口。

過濾器，一般在供氫管路減壓閥前，會配置一個過濾精度更高的T型過濾器，此過濾器主要功能是凈化氫氣，攔截顆粒雜質，防止污染電堆，同時考慮到減壓閥的密封對顆粒雜質比較敏感，此過濾器也起到了保護減壓閥的作用。供氫管路上的過濾器過濾精度典型值為7μm。

減壓閥，為了保證供氫管路的性能，燃料電池汽車在不同工況下，無論氫氣消耗造成進口壓力衰減或氫氣流量發生怎樣變化，減壓閥都應保證輸出壓力的穩定。為了減少減壓閥進口壓力衰減對出口壓力穩定性的影響，建議減壓閥選擇閥芯開孔的平衡閥芯設計；二級減壓閥采用機械反饋、電控的減壓閥或者比例閥，減小不同工況流量波動造成的出口壓力變化。

卸荷閥或者安全閥，能夠實現管路壓力超過一定限值后的泄放功能，并在管路壓力正常后，恢復原狀態。

排放管路系統

排放管路主要包括超溫和超壓排放。排放管路系統設計應注意以下情況：

一種是氫瓶內氫氣溫度達到（110±5）℃時，TPRD開啟排放氫氣。

另一種是當減壓閥下游管路壓力超過安全閥泄放壓力時，安全閥就會泄放。

在排放管路出口，采取必要的保護措施，可防止在使用過程中有異物堵塞，影響氫氣排放。氫氣排放口應避免直接布置在密閉或者半封閉空間，一般排放口應布置到車輛高處。

選擇經過全面系統測試認證的零部件

選擇車載供氫系統零部件時，建議選擇經過全面系統測試認證的產品來保障產品性能、可靠性和安全性能，比如通過EC-79認證的外漏試驗、耐腐蝕性試驗、疲勞試驗和液壓循環試驗等。除此之外，還要考慮EC-79認證未涉及的抗振動試驗、高沖擊試驗和防火試驗等。車載供氫系統零部件相關測試請見往期微信文章《氫燃料電池汽車的EC 79認證》和《氫燃料電池汽車的安全僅僅止步于EC-79認證？》。

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