氢燃料电池汽车车载供氢系统的安全设计

楓葉寶寶

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。
世伟洛克对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%。
世伟洛克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。



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。