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车载高压储氢瓶用瓶口阀的研究
时间：2020-08-21 17:41:14 来源：永龙阀门 阅读：0次
车载高压储氢瓶用瓶口阀的研究
摘要 介绍了新能源行业氢燃料电池汽车车载高压储氢瓶用瓶口阀的现状及要求，论述了储氢瓶用瓶口阀的结构特点、材料选择及检查与试验。
01，概述
氢作为理想的能源载体，是一种无色、无味、无毒的气体，具有能量密度大、转化效率高、储量丰富和适用范围广等特点，其通过电化学反应后的产物是水，干净无污染，被认为是最清洁的能源，21世纪的终极能源。氢能与氢燃料电池的发展已成为世界主要汽车生产国的国家战略，也是我国中长期科学与技术发展规划纲要的重点基础研究内容。氢能源的利用，离不开氢气的储存和应用，目前的存储方式主要有高压氢储存和液氢储存。高压储氢因具有设备结构简单、压缩氢气制备能耗低、充装和排放速度快等优点，因此在今后相当长的时间内，氢气的高压存储仍将是一种主要方式，即采用高压储氢瓶储氢（35~70MPa）。高压储氢瓶储氢是燃料电池汽车主要普遍的储氢方式。氢极易逃逸，易燃易爆，高压储氢瓶作为氢燃料电池汽车重要的储能部件，其在汽车碰撞、起火等意外事故中的安全性能已成为氢燃料电池汽车被公众广泛接受和市场化推广的关键，保证高压储氢瓶安全和正常充／供气的瓶口组合阀（以下简称瓶口阀）是氢系统中关键零部件之一。目前，我国应用的瓶口阀绝大部分依靠进口，特别是70MPa瓶口阀还尚未有相应的设计及检查与试验标准。
02，技术要求
瓶口阀担负的任务多，功能高度集中，是由多种功能部件集成组成（图２，图５）。储氢瓶内的氢气压力高，通常乘用车配备的储氢瓶标准公称压力为70MPa，货车和客车配备的储氢瓶标准公称压力为35MPa，而氢燃料电池系统的正常工作压力通常小于1MPa，所以储氢瓶的高压氢气不能直接用于氢燃料电池系统，需要经过瓶口阀降压稳压处理。储氢瓶充气与给燃料电池供气则需要对瓶口阀进行智能控制。高压易燃易爆气体特性又要求瓶口阀必须具有温度实时检测与反馈，自动和手动泄压等安全功能。乘用车的空间紧凑（图１），又要求瓶口阀功能设计集成度高且体积要小，质量要轻。所有的功能部件都离不开密封要求，氢气分子小，极易逃逸，且易引起金属发生氢蚀氢脆，因此瓶口阀应具有可靠的密封性；乘用车一般要求按3~5min加满２个70MPa约50Ｌ容量的储氢瓶，供氢流量一般大于35g/s，因此瓶口阀必须满足加注流量和供氢流量要求。功能集成越多，技术研发难度越大。
03，结构特点
为满足瓶口阀的功能要求，使其结构更加紧凑，减少管路以及减小泄漏风险，一般将过滤器、手动截止阀、电磁阀、限流阀、温度传感器、TPRD（热泄压装置）、放散阀等装置集成在一起安装在储氢瓶瓶口，称为瓶口组合阀（简称瓶口阀，如图２中虚线框内所示）。加注口用于连接高压氢气加注装置（简称加氢枪），过滤器用于过滤氢气中的夹杂物，一般过滤精度10μｍ（进入加注口的氢气已经过20~40μｍ滤芯逐级过滤）。
单向阀用于单向流通和止回，限流阀用于供气状态保护，在下游出现极速异常压力降时开启限流保护功能，异常解决后自动开启。电磁阀用于供气状态，起开关作用，控制瓶口阀内供气管路通和断。手动截止阀用于瓶口阀总充气和供气管路的手动开启和关闭。温度传感器用于时时检测并反馈瓶口阀内氢气的温度。TPRD热泄压装置用于自动将瓶内气体泄放，当瓶内或外部环境温度达到110℃ ±５℃时激活，防止储氢瓶内氢气过热过压发生爆燃爆炸等事故。TPRD热泄压装置一般内置玻璃泡或易熔合金，玻璃泡结构与易熔合金各有优缺点，当达到激发温度时，玻璃泡破裂，瓶内气体压力可迅速降到零，但其在受压不均或异常振动条件下，容易破碎。当达到激发温度时，易熔合金结构受受热均匀度影响，会缓慢不同程度熔化，泄压通道缓慢扩大，紧急排放时降压慢。溶化的金属还可能再次凝结堵塞泄放通道，但其常温下抗压抗震性好。放散阀（手动泄压阀）用于储氢瓶手动缓慢泄压。减压阀用于将瓶口阀内高压氢气降压并稳压输出到燃料电池。其工作原理如图２箭头所示，加注口到储氢瓶为充气状态，储氢瓶到燃料电池为供气状态。
目前，氢燃料电池汽车成本高昂还未普及，高压储氢瓶用瓶口阀特别是７０ＭＰａ瓶口阀国际上的知名品牌也比较少，国内用于７０ＭＰａ储氢瓶的量产车还没有，配套的储氢瓶和瓶口阀大多还处于研发试制阶段。不同品牌的瓶口阀集成的阀门种类并不完全相同，外观上也形态各异，有代表性的７０ＭＰａ瓶口阀功能高度集成设计见图３、图４。
瓶口阀集成的功能部件越多，阀内部管路设计越复杂，技术难度相对越高，既要布局紧凑，整体占用空间小，又要避免管路交叉重叠，保证零件合适的安装空间需求及操作方便，还要充分考虑便于制造工艺的实现。典型的功能结构布局原理见图５，典型的瓶口阀内部管路结构见图６。
04，材料选择
目前，我国尚未有针对高压储氢瓶用瓶口阀的设计制造标准，材料的选择通常参考标准ISO11114-4-2017和车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶 。不同于一般介质，高压储氢瓶用瓶口阀氢气压力高（35~70MPa），设计极限温度-40～85℃下相对活跃，容易造成金属件氢蚀氢脆，非金属件破坏。产品所处环境复杂。间断的浸入水中或者道路溅水。有海水腐蚀情况或在盐融化冰的路面上行驶。阳光中的紫外线辐射。车辆振动和碎石冲击。接触酸和碱溶液、肥料；接触汽车用液体，包括汽油、液压油、电池酸、乙二醇和油。接触排放的废气等都会对产品造成破坏。因此选材时，应充分考虑材质与工况的适应性，进行计算和有限元分析并经严格检验和试验验证。
参考相关标准及文献资料，结合研发和实际应用经验及行业内的惯用，综合考虑工况适应性和轻量性要求，常选用铝合金材质制造主体，也有少数选用316不锈钢主体，操作部件选用抗氢蚀316不锈钢，密封件选用PEEK，PTFE，氢化丁腈橡胶，聚氨酯等适应高压高低温并与氢相容性良好的材料制造。根据研发中的经验，瓶口阀集成功能部件多，涉及的密封部位非常多，使用实际能耐低温-40℃又耐高压的密封材料是解决产品密封问题的关键。
05，检查与试验
目前，我国还未有针对高压储氢瓶用瓶口阀的检查与试验标准，通常引用国外GTR13 中关于供氢系统及供氢系统关键零部件的一些检测标准和车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶中的规定检测。
瓶口阀的试验项目很多，文献［16］中有23项试验内容，但仍不全面，因为缺少瓶口阀设计制造标准，瓶口阀集成的功能模块没有统一标准规定。现有参考标准中规定的检查与试验不能全面涵盖瓶口阀实际包含的功能项目，如文献［16］中仅规定了对TPRD、单向阀和手动／自动截止阀的型式试验方法与合格指标，对于集成了电磁阀，减压阀，放散阀、限流阀等型式试验方法没有包含。
参考标准及文献资料，结合研发试验经验，型式试验难点主要集中在低温－40℃下瓶口阀各集成功能部件的高压和低压密封性试验，TPRD热泄漏装置１１０℃ ±５°火烧试验中安全泄放试验、电磁阀高频次动作试验、高温低温下压力循环试验、一级二级减压阀流量测定及动作试验等方面，因为许多项目是上万次的试验，试验周期长，需要制定详细的试验大纲，并相对应设计专用试验设备。
06，结语
我国在瓶口阀的研发方面虽然已经取得了一定的成果，但在高压70MPa瓶口阀的实际应用上几乎还是空白，设计与制造、检查和试验等方面还缺少行业或国家标准规范支持，权威检测机构力量仍相对薄弱，国内具备７０ＭＰａ储氢瓶和瓶口阀完整型式试验条件的检测机构及个别项目试验条件如火烧试验、枪击试验等检测机构较少。目前，高压储氢瓶用瓶口阀（７０ＭＰａ）已经试验验证合格，各项指标满足试验大纲要求。通过对瓶口阀的研发经验总结，从结构设计、材料选择及检查与试验等方面进行了研究与探讨，希望促进后续的行业标准或国家标准的制定与实施。
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