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豐田Mirai燃料電池汽車儲氫系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)
2020-06-16 00:51:32· 來源：燃料電池干貨
儲氫瓶的技術(shù)發(fā)展水平與燃料電池汽車?yán)m(xù)航里程、車輛經(jīng)濟(jì)性和氫安全等密切相關(guān)。除提升加注性能外，降低重量、體積和成本是車載高壓儲氫瓶的主要課題。車載儲氫技
儲氫瓶的技術(shù)發(fā)展水平與燃料電池汽車?yán)m(xù)航里程、車輛經(jīng)濟(jì)性和氫安全等密切相關(guān)。除提升加注性能外，降低重量、體積和成本是車載高壓儲氫瓶的主要課題。車載儲氫技術(shù)主要有高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫。豐田Mirai搭載最新一代Ⅳ型儲氫瓶，儲氫密度高達(dá)5.7 wt%。本文分享豐田Mirai車載儲氫系統(tǒng)的輕量化、小型化、低成本和加注性能提升等開發(fā)技術(shù)。
燃料電池汽車儲氫瓶的大小和形狀即要保證足夠的車輛內(nèi)部空間，也要滿足一定的儲氫容量(或儲氫密度)。豐田Mirai底盤安裝的兩支儲氫瓶采用最新一代Ⅳ型儲氫瓶技術(shù)，額定工作壓力70 MPa，峰值加注壓力87.5 MPa，儲氫容量122.4 L(前置60 L，后置62.4 L)。前置儲氫瓶尺寸為Φ350×L1016，重量42.8 kg；后置儲氫瓶尺寸為Φ436×L748，重量44.7 kg。兩支儲氫瓶最大儲氫質(zhì)量約5 kg，儲氫密度高達(dá)5.7wt%。
FCHV-adv和Mirai儲氫瓶示意
Mirai車載儲氫系統(tǒng)架構(gòu)
豐田汽車公司通過優(yōu)化儲氫瓶碳纖維層壓結(jié)構(gòu)和采用高強(qiáng)度低成本碳纖維材料，減輕了Mirai車載儲氫系統(tǒng)的氣瓶質(zhì)量。通過優(yōu)化閥門結(jié)構(gòu)減少高壓閥體積，并對傳統(tǒng)汽油車用高壓傳感器進(jìn)行改進(jìn)以適用于Mirai高壓氫氣環(huán)境。與豐田FCHV-adv相比，Mirai儲氫系統(tǒng)重量減輕了約15％，同時將零件數(shù)量減少了一半，大大降低了成本。此外，通過將加氫站的氫氣溫度降至-40°C(根據(jù)SAE J2601)，大大降低了FCV加氫時間。此外，對儲氫瓶內(nèi)溫度傳感器位置進(jìn)行了調(diào)整，提高了FCV和加氫站間SAE J2799 IrDA通信標(biāo)準(zhǔn)決定的氫氣加注量(SOC)。通過將耐火材料添加到碰撞能量吸收保護(hù)裝置，滿足了《全球技術(shù)法規(guī)》(GTR)最新規(guī)定的儲氫瓶局部耐火測試的儲氫瓶抗沖擊性和耐火性要求。
注： SAE J2601加氫標(biāo)準(zhǔn)267頁全文和 SAE J2799 IrDA加氫站軟硬件標(biāo)準(zhǔn)33頁全文限時免費下載方式見文末
輕量化
Mirai儲氫瓶結(jié)構(gòu)
碳纖維增強(qiáng)塑料層壓方法
高壓氣態(tài)儲氫瓶在車載儲氫系統(tǒng)質(zhì)量中占比最大，因此車載儲氫系統(tǒng)輕量化首當(dāng)其沖是高壓儲氫瓶。豐田Mirai高壓氣態(tài)儲氫瓶采用三層結(jié)構(gòu)，即樹脂內(nèi)膽(塑料內(nèi)襯)、碳纖維強(qiáng)化樹脂(CFRP)中層和玻璃纖維強(qiáng)化樹脂(BFRP)外層。其中，樹脂內(nèi)膽用于密封氫氣，CFRP中層確保高耐壓強(qiáng)度，BFRP外層保護(hù)氫瓶外表面。樹脂內(nèi)膽兩側(cè)為金屬接口，其中一側(cè)金屬接口用于閥安裝。豐田Mirai儲氫瓶通過優(yōu)化碳纖維強(qiáng)化樹脂層和降低材料使用量大大降低瓶體質(zhì)量。
Mirai高壓儲氫瓶外觀
Mirai高壓儲氫瓶層壓結(jié)構(gòu)
通常，高壓儲氫瓶CFRP結(jié)構(gòu)采用三種類型纏繞組合方法：環(huán)形纏繞增強(qiáng)氫瓶圓柱罐身、低角度螺旋纏繞增強(qiáng)弧頂部(沿軸向)、高角度螺旋纏繞增強(qiáng)過渡部(或邊界區(qū)域)。必要時，增強(qiáng)過渡部的高角度螺旋纏繞也可纏繞在中間區(qū)域。針對上一代FCHV-adv，由于高角度螺旋纏繞以70°角度纏繞在儲氫瓶圓柱罐身，增強(qiáng)效率會降低，如下圖所示。
纖維角度和強(qiáng)度效率關(guān)系
針對儲氫瓶中間區(qū)域(圓柱罐身)的高角度螺旋纏繞，Mirai儲氫瓶采用了一種新型層壓方法，該方法可在不使用高角度螺旋纏繞情況下增強(qiáng)邊界區(qū)域(過渡部)。下圖比較了傳統(tǒng)層壓和新層壓方法。具體來說，對層壓方法進(jìn)行了以下三個改變：1.樹脂襯里截面形狀平坦化，允許邊界區(qū)域環(huán)向纏繞；2.優(yōu)化環(huán)向纏繞的端部位置，在維持上一代襯里形狀的同時增強(qiáng)邊界區(qū)域；3.環(huán)形纏繞集中在內(nèi)部。
傳統(tǒng)層壓和新層壓方法對比
上述層壓方法的改進(jìn)主要有以下兩個效果。首先，取消了占總層壓結(jié)構(gòu)約25％的高角度螺旋纏繞。其次，環(huán)向纏繞使高應(yīng)力區(qū)域集中在內(nèi)部，是增強(qiáng)儲氫瓶中間區(qū)域和有效利用碳纖維強(qiáng)度的有效方法。與傳統(tǒng)層壓方法相比，上述雙重作用使CFRP降低了20 wt％。
金屬接口優(yōu)化
為減少CFRP使用量，對儲氫瓶的金屬接口形狀進(jìn)行了優(yōu)化。通常，可通過增加法蘭直徑和減小開口直徑大小來降低施加在CFRP上的金屬接口法蘭表面壓力，這樣可以減少螺旋纏繞層中CFRP使用量。下圖顯示了FCHV-adv和Mirai儲氫瓶金屬接口的差異對內(nèi)部CFRP表面壓力的影響，Mirai可將螺旋纏繞層體積減少約5％。
金屬接口處施加在CFRP的表面壓力對比
優(yōu)化層壓結(jié)構(gòu)和金屬接口可大大減少過渡區(qū)域(通過取消高角度螺旋纏繞)和弧頂區(qū)域(減少螺旋纏繞)的CFRP使用量。結(jié)合其他減重項目，與FCHV-adv相比，這些措施將CFRP使用量減少了約40％，最終實現(xiàn)Mirai儲氫罐儲氫密度高達(dá)5.7 wt％，這也是全球最高紀(jì)錄之一。下圖對比顯示了FCHV-adv和Mirai不同層壓儲氫瓶截面。
豐田兩代儲氫瓶層壓方法橫截面對比
小型化和低成本
與上一代2008款FCHV-adv搭載4支儲氫瓶不同，豐田Mirai攜帶2支氫瓶。但僅將儲氫瓶數(shù)量降低一半尚無法滿足高壓儲氫系統(tǒng)的成本目標(biāo)。因此， 從整體高壓儲氫系統(tǒng)出發(fā)，豐田汽車公司采取多項措施降成本，包括降低材料成本、降低車載儲氫系統(tǒng)部件、共用傳統(tǒng)汽油發(fā)動機(jī)部件等 。尤其在豐田上一代FCHV-adv上，由于采用 航天級碳纖維 材料，造成儲氫瓶成本居高不下。針對第一代Mirai，豐田汽車公司選擇與碳纖維制造商東麗進(jìn)行合作，大幅改善 通用級碳纖維 材料 特性，最終將通用級碳纖維強(qiáng)度提升至航天級碳纖維水平，實現(xiàn)儲氫瓶小型化和輕量化。
高壓閥
除高壓儲氫瓶外，豐田汽車公司也對高壓部件進(jìn)行小型化和降成本改進(jìn)。高壓閥主要包括手控閥、單向閥、熱熔栓和電動截止閥等。通常，為防止產(chǎn)生氫脆，絕大多數(shù)高壓部件與氫氣直接接觸的部位采用鋁合金或不銹鋼材料。和上一代豐田FCHV-adv相同，Mirai車載儲備系統(tǒng)中的高壓閥和高壓調(diào)壓閥使用鋁合金作為主體部分，并使用不銹鋼作為主要部件。但通過優(yōu)化閥結(jié)構(gòu)，Mirai的部件數(shù)量得到明顯降低，如下圖所示。
豐田兩代燃料電池儲氫瓶閥門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
通過優(yōu)化儲氫瓶閥門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和修改電動截止閥布局，簡化了閥內(nèi)部的氣體流動路徑。此外，也對電動截止閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低其尺寸。在上一代豐田FCHV-adv燃料電池汽車中，為保證耐久性，單向閥等滑動部件被集成到不銹鋼套筒中。在第一代Mirai燃料電池汽車中，豐田取消了該套筒以減少部件數(shù)量和閥門尺寸。下圖比較了豐田FCHV-adv和Mirai車載儲氫系統(tǒng)單向閥的滑動構(gòu)造。
豐田兩代燃料電池儲氫瓶單向閥滑動結(jié)構(gòu)
通常，在與不銹鋼結(jié)合使用時鋁合金的硬度低會引起關(guān)注，低硬度引起的問題有：金屬異物產(chǎn)生引起的滑動附著和不良密封性能。因此，豐田上一代FCHV-adv中采取不銹鋼與不銹鋼結(jié)合使用，以防止磨損和金屬異物產(chǎn)生。相反，Mirai儲氫瓶單向閥的開發(fā)旨在用新表面處理方式代替不銹鋼套筒。
球盤磨損測試方法
球盤磨損測試設(shè)備輪廓
上圖顯示了豐田在研究中使用的球盤摩損測試方法和設(shè)備外形，通過開發(fā)新測試儀器來測試真實氫氣環(huán)境中的磨損情況。開發(fā)測試中改變材料類型和表面處理方式，將球體作為不銹鋼閥芯，將圓盤作為閥主體滑動面?？紤]到球體和圓盤的耐久性，該測試主要用總滑動距離來間接表征磨損情況。測試結(jié)果表明，對鋁質(zhì)閥體進(jìn)行明礬石表面處理可保證在氫氣環(huán)境中滑動特性的穩(wěn)定。下圖比較了有/無明礬石表面處理測試中圓盤所用材料、平均摩擦系數(shù)和表面磨損狀態(tài)。
圓盤材料、表面處理和摩擦系數(shù)關(guān)系
有/無表面處理的滑動表面對比
通過上述改進(jìn)措施，Mirai儲氫瓶高壓閥重量減少了約25％，部件數(shù)量減少了35％，從而降低了尺寸和成本。下圖為兩代閥外觀對比。
兩代高壓閥對比
高壓調(diào)壓閥
為降低高壓調(diào)壓閥成本，豐田汽車公司也對調(diào)壓閥密封部件進(jìn)行重新設(shè)計和研究。氫氣噴射器的作用是對調(diào)壓閥調(diào)節(jié)壓力的瞬態(tài)控制。如果瞬態(tài)壓力變化太大，則噴射量波動較大，對燃料經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生不利影響。下圖為調(diào)壓閥的基本結(jié)構(gòu)示意。
高壓調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)
調(diào)壓閥由高壓側(cè)的閥芯和低壓側(cè)的活塞、彈簧及其他部件組成。當(dāng)供應(yīng)燃料時，調(diào)壓閥的瞬時流量會與下游氫氣噴射器的運行同步變化，從而在活塞、閥芯和其他組件中產(chǎn)生較小的沖程動作(stroke action)。由該動作引起的不穩(wěn)定性，例如活塞滑動部分摩擦系數(shù)的較大變化，將會引起瞬態(tài)壓力特性變化。鑒于此，豐田Mirai針對活塞滑動密封采用低成本材料，并通過創(chuàng)新密封材料形狀保證了穩(wěn)定的滑動特性。同時，活塞形狀也進(jìn)行了優(yōu)化。與豐田FCHV-adv相比，Mirai的調(diào)壓閥以更低的成本獲得了更佳的瞬態(tài)壓力特性。下圖顯示了不同流量下瞬態(tài)壓力情況和遲滯現(xiàn)象?？梢园l(fā)現(xiàn)，相比于FCHV-adv，Mirai系統(tǒng)中調(diào)壓閥出口壓力在寬氫氣流量區(qū)間基本維持在1.25 MPa左右。
調(diào)壓閥瞬態(tài)壓力特性比較
高壓接頭
為降低成本，豐田對Mirai高壓接頭的密封結(jié)構(gòu)也進(jìn)行設(shè)計和改變。由于長時間消耗氫氣后高壓接頭的溫度會降至-50℃，豐田FCHV-adv高壓接頭的O形圈密封結(jié)構(gòu)需要使用昂貴的特種材料。為減少部件數(shù)量，豐田Mirai采用了新的金屬密封結(jié)構(gòu)。下圖顯示了高壓接頭結(jié)構(gòu)。管道和接頭材料均采用不銹鋼材料，但考慮到密封性能，對不銹鋼的材料硬度進(jìn)行特別優(yōu)化。采用上述高壓接頭結(jié)構(gòu)無需增加墊圈即可確保密封可靠性，降低了成本并縮短組裝時間。
高壓接頭截面示意
高壓傳感器
經(jīng)過對現(xiàn)有汽油發(fā)動機(jī)中使用的高壓傳感器進(jìn)行改進(jìn)，將其用于Mirai高壓氫氣環(huán)境中。下圖顯示了高壓傳感器的橫截面。高壓傳感器的工作過程是使用半導(dǎo)體應(yīng)變計識別施加高壓引起的隔膜微小變形。但如果高壓傳感器在氫氣環(huán)境中長時間使用，少量氫氣會溶解進(jìn)隔膜，導(dǎo)致變形并影響傳感器精度。
高壓傳感器橫截面
下圖展示了由于氫脆(hydrogen solid solutions)引起的隔膜膨脹和變形測量結(jié)果。豐田Mrai車載儲氫系統(tǒng)高壓傳感器歷經(jīng)多項研究，包括改變隔膜材料和形狀。最后，在隔膜的內(nèi)表面添加了一層防護(hù)膜來抑制氫滲透。該層防護(hù)膜可使用現(xiàn)有的表面處理技術(shù)，有助于最大程度地降低成本，最終使隔膜氫脆的滲氫量減少到上一代FCHV-adv的10％左右?？梢钥隙?，即使在高壓氫氣環(huán)境下長期使用，滲氫量也不會對傳感器精度產(chǎn)生不利影響。
氫滲影響的隔膜變形示意
提升加注性能
在2008年以前，大部分能夠預(yù)冷氫氣的加氫站只能將氫氣溫度降低到-20°C，導(dǎo)致豐田FCHV-adv的加氫時間大約需要10分鐘左右。此外，由于加氫站和車輛之間的通信標(biāo)準(zhǔn)不兼容，儲氫瓶最大氫氣加注量(SOC)被限制在90％左右。目前，滿足SAE J2601標(biāo)準(zhǔn)的加氫站已開始進(jìn)入市場運行，這些加氫站能夠?qū)錃忸A(yù)冷至-40°C，加氫時間已減少到與汽油車大致相同的水平。另外，通過保證通信協(xié)議兼容性已提高了儲氫瓶最大氫氣加注量。下圖顯示了Mirai加氫通信系統(tǒng)配置、豐田兩代FCV加氫時間和SOC對比情況。
Mirai車載儲氫系統(tǒng)通訊架構(gòu)
FCHV-adv和Mirai加氫時間和SOC對比
SOC和噴射角度、溫度傳感器位置L關(guān)系
此外，通信設(shè)備的使用也提高了加氫精度。針對各種不同形狀儲氫瓶的車載儲氫系統(tǒng)，壓力損失(氫氣入口與氫瓶)和儲氫瓶比熱容會有差異，加氫過程中的溫升特性有所不同。與液體燃料不同，氣瓶內(nèi)氣體燃料的SOC估計通常需要在加注期間對壓力和溫度進(jìn)行校正。因此，如果兩個儲氫瓶間或儲氫瓶內(nèi)溫度差較大，檢測平均溫度至關(guān)重要。豐田Mirai調(diào)整了加氫管到每個儲氫瓶的路徑，以最大程度地減少兩個儲氫瓶間溫差。另外，為應(yīng)對儲氫瓶內(nèi)溫差較大，調(diào)整了加氫氣體的噴射方向和溫度傳感器位置。上述措施保證了豐田Mirai在加氫過程中實際SOC超過95％，大大提高了加氫精度。上圖顯示了測試結(jié)果，表明溫度傳感器位置和儲氫瓶內(nèi)氣體噴射方向?qū)OC的影響。
認(rèn)證
豐田汽車公司開發(fā)Mirai車載儲氫系統(tǒng)的目標(biāo)之一是在新建立的全球技術(shù)法規(guī)(GTR)和相關(guān)的歐洲(EU)法規(guī)(第79/2009號和第406/2010號)下獲得儲氫系統(tǒng)零部件的認(rèn)證。上一代高壓氫氣罐已通過日本標(biāo)準(zhǔn)KHK S0128認(rèn)證，該標(biāo)準(zhǔn)于2013年建立，是車載壓縮儲氫瓶的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。針對豐田Mirai，這是日本首次嘗試在GTR規(guī)定的更為嚴(yán)格的測試條件下獲得新FCV用高壓儲氫瓶和高壓閥認(rèn)證。與常規(guī)測試條件相比，全球技術(shù)法規(guī)GTR的三個主要區(qū)別有：(1) 在化學(xué)腐蝕和物理沖擊(跌落)之后連續(xù)評估壓力工況測試對儲氫瓶的影響(見下圖)；(2)在 室溫和其他極端溫度環(huán)境下評估；(3) 除傳統(tǒng)的儲氫瓶完全吞沒著火測試外，增加了在遠(yuǎn)離溫度驅(qū)動安全卸壓裝置(TPRD)的一側(cè)局部加熱著火測試。
儲氫瓶連續(xù)評估模式(ECE/TRANS/180/Add.13)
局部燃燒試驗
完全吞沒燃燒試驗
除了針對目標(biāo)部件進(jìn)行氫氣壓力工況測試外，測試對象還包括車載儲氫系統(tǒng)其它部件，測試整體外觀如下圖所示 。為應(yīng)對 局部防火，將耐火材料添加到傳統(tǒng)的碰撞能量吸收保護(hù)裝置中， 滿足了抗沖擊性和耐火性要求，并且沒有增加外部儲氫瓶體積。
壓力工況測試實驗對象外觀
Mirai儲氫瓶保護(hù)裝置
總結(jié)
豐田第一代Mirai高壓氫存儲系統(tǒng)引入了多個新開發(fā)部件，如儲氫瓶、單向閥和調(diào)壓閥等，保證儲氫系統(tǒng)具有足夠高的儲氫密度且不占據(jù)FCV內(nèi)部空間。通過改進(jìn)儲氫瓶的CFRP層壓結(jié)構(gòu)，減輕了氫瓶重量，使Mirai儲氫系統(tǒng)重量效率提升約15％(與豐田FCHV-adv相比)。此外，通過采用新開發(fā)的低成本、高強(qiáng)度碳纖維，簡化高壓部件結(jié)構(gòu)、對傳統(tǒng)車輛零件再利用措施大幅降低了成本。通過確保與SAE J2601和SAE J2799標(biāo)準(zhǔn)(用于加氫站和FCV通信)兼容，提高了氫氣加注性能，使得Mirai加氫時間降低至3分鐘并提高儲氫瓶氫氣最大加注量(SOC)，促進(jìn)了FCV的商用化。
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