燃料电池车载氢气供给系统概述

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 70 MPa 或 35 MPa 高压气罐存储， 国内由于安监法规限制采用 35 MPa，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，因而使用北京中惠普氢气发生器供给系统的设计对燃料电池具有重要意义。

氢气供给系统设计要求
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。

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。

氢气供给系统组成
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。北京中惠普氢气发生器车用供给系统流程，氢气由中惠普发生器释出， 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。

氢气循环动力器件
氢气循环泵作为氢气循环动力提供部件，需 要在密封要求很高的情况下提供足够流量以及足 够升压的氢气。爪式循环泵具有无油、可靠性好、 效率高、输出压力高等优点，但国内虽有较为成 熟的产品，但型线仍存在尖点或不光滑点，易磨 损变形；加工方面对转子型线与转子、转子与泵 腔之间间隙要求较高，加工较难完成。市面推出 了一款涡旋真空泵作为氢气循环泵，如图 5(a)所 示。该泵通过浮动式涡旋压缩技术，产生精细的 力平衡，是动定涡旋之间的摩擦损失最小化，提 高了产品的压缩效率、稳定性、可靠性及使用寿 命，减小了使用成本。同时动定涡旋的无顶密封 结构，避免了污染问题。

总结
氢气供给系统在满足安全可靠的情况下仍需 要满足密封、气体调压稳压、管道洁净度标准及 提高氢气利用率等需求。密封方式采用平面密封， 既有良好的密封性能又便于拆装。各阀门的密封 性能也是考虑的方面之一，其中隔膜阀和膜片阀 具有较好的密封性能。调压稳压可选择具有优质 减压稳压性能的高压减压阀进行一级减压，再选 用稳压精度更高的低压减压阀或喷射器进行电堆 前的稳压。同时，在整个调压稳压系统中进行集 成以减小体积。管道洁净包括管道及阀门的洁净 程度，管道根据预处理方式选择精度，阀门则是 膜片阀和隔膜阀对气体介质纯度影响较小，其中 隔膜阀与外界完全隔离，对气体介质纯度影响最 小。氢气供给系统用以提高氢气利用率的方法在 于循环使用尾排未消耗氢气，循环动力可采用氢 气循环泵或者引射泵。氢气循环泵在动密封要求 前提下可提供一定压力和足够流量的气体，但有 一定功耗，引射泵则无功耗，但响应电堆随时变 载工况能力较低。改进这四个方面的元部件，氢 气供给系统的调压稳压能力、安全可靠性以及集 成度都会的到极大改善。总结 氢气供给系统在满足安全可靠的情况下仍需 要满足密封、气体调压稳压、管道洁净度标准及 提高氢气利用率等需求。密封方式采用平面密封， 既有良好的密封性能又便于拆装。各阀门的密封 性能也是考虑的方面之一，其中隔膜阀和膜片阀 具有较好的密封性能。调压稳压可选择具有优质 减压稳压性能的高压减压阀进行一级减压，再选 用稳压精度更高的低压减压阀或喷射器进行电堆 前的稳压。同时，在整个调压稳压系统中进行集 成以减小体积。管道洁净包括管道及阀门的洁净 程度，管道根据预处理方式选择精度，阀门则是 膜片阀和隔膜阀对气体介质纯度影响较小，其中 隔膜阀与外界完全隔离，对气体介质纯度影响最 小。氢气供给系统用以提高氢气利用率的方法在 于循环使用尾排未消耗氢气，循环动力可采用氢 气循环泵或者引射泵。氢气循环泵在动密封要求 前提下可提供一定压力和足够流量的气体，但有 一定功耗，引射泵则无功耗，但响应电堆随时变 载工况能力较低。改进这四个方面的元部件，氢 气供给系统的调压稳压能力、安全可靠性以及集 成度都会的到极大改善。