1、燃料電池商用車安全

1.1 公交客車安全設(shè)計(jì)

燃料電池客車氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)主要涉及儲氫瓶固定結(jié)構(gòu)和氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)兩方面?儲氫瓶固定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)滿足GB/T 26990-2011相關(guān)規(guī)定,即儲氫瓶緊固后,應(yīng)能承受上?下?前?后?左?右六個方向上8g的沖擊力,保證儲氫瓶與固定座不損壞,相對位移不超過13mm?如果管路與相鄰部件接觸或穿越孔板,應(yīng)采用橡膠套管進(jìn)行保護(hù),保證管路與相鄰部件不產(chǎn)生碰撞和摩擦?氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面,應(yīng)保證儲氫瓶及其管路距車輛邊緣至少有100mm的安全間距,否則應(yīng)增加保護(hù)措施?

根據(jù)儲氫瓶在客車上的布置位置,氫系統(tǒng)可分為頂置式和底置式?一般來說,公交客車采用頂置式布置方式,公路客車采用底置式布置方式?頂置式氫系統(tǒng)儲氫瓶在車頂一般呈橫向或縱向放置,并用氣瓶支架固定?頂置式氫系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置儲氫瓶覆蓋物或遮陽棚,防止儲氫瓶直接暴露在陽光下,導(dǎo)致儲氫瓶老化?頂置式氣瓶支架結(jié)構(gòu)如圖7-10所示?


圖7-10 頂置式氣瓶支架結(jié)構(gòu)
1-氣瓶支架2-瓶尾TPRD3-安全閥4-減壓閥5-放空閥6-氫泄漏探頭7-電磁閥8?10-過濾器9單向閥11-放空口12-瓶閥13-過流量閥14-儲氫瓶

燃料電池客車氫安全設(shè)計(jì)需要考慮以下兩個方面?

1)氫安全防護(hù)?氫系統(tǒng)管路安裝位置及走向要避開熱源以及電器?蓄電池等可能產(chǎn)生電弧的地方,至少應(yīng)有200mm的距離,尤其是管路接頭不能位于密閉的空間內(nèi);加氫口距暴露的電氣端子?電氣開關(guān)和點(diǎn)火源至少應(yīng)有200mm的距離?高壓管路及部件可能產(chǎn)生靜電的地方要可靠接地,或采取其他控制氫泄漏量及濃度的措施,確保在產(chǎn)生靜電的地方,也不會產(chǎn)生安全問題?儲氫瓶和管路般不應(yīng)布置在乘員艙?行李艙或其他通風(fēng)不良的地方;如果不可避免要安裝在行李艙或其他通風(fēng)不良的地方時,應(yīng)設(shè)計(jì)通風(fēng)管路或其他措施,將可能泄漏的氫氣及時排除?

2)氫泄漏檢測?整車存在氫氣泄漏的區(qū)域應(yīng)設(shè)置氫氣泄漏探測器,能實(shí)時檢測氫氣的泄漏量,并將信號傳遞給氫氣泄漏報(bào)警裝置?整車能夠根據(jù)氫氣泄漏量發(fā)出警告或切斷氫氣供應(yīng)?

氫系統(tǒng)高壓安全設(shè)計(jì)包括以下三方面:氫系統(tǒng)及儲氫瓶型式試驗(yàn);儲氫瓶?閥門?管路和管件密封性能及耐壓強(qiáng)度安全;氫系統(tǒng)過壓保護(hù)?

氫系統(tǒng)裝車前應(yīng)進(jìn)行各項(xiàng)型式試驗(yàn),型式試驗(yàn)合格后方可裝車,氫系統(tǒng)高壓安全型式試驗(yàn)項(xiàng)目見表7-14?


表7-14 氫系統(tǒng)高壓安全型式試驗(yàn)項(xiàng)目

按GB/T 26990-2011中4.3.1條要求,氫系統(tǒng)氫氣滲透和泄漏量在穩(wěn)態(tài)條件下應(yīng)不超過0.15NL/min?儲氫瓶?閥門?管路和管道設(shè)計(jì)壓力應(yīng)高于工作壓力,與氫氣接觸材料應(yīng)具有良好的抗氫脆性能,管路接口密封結(jié)構(gòu)可靠性應(yīng)能滿足氫系統(tǒng)使用工況要求,常用氫氣管路接頭密封結(jié)構(gòu)分為卡套密封(圖7-11)?O形圈密封(圖7-12)和金屬管道采用硬密封(圖7-13)?

氫系統(tǒng)過壓保護(hù)主要通過設(shè)置安全附件及氫系統(tǒng)安全控制實(shí)現(xiàn)?氫系統(tǒng)安全附件包括瓶口TPRD(溫度驅(qū)動安全泄壓裝置)?瓶尾TPRD?管路安全閥?壓力傳感器和溫度傳感器等;氫系統(tǒng)安全控制主要可在供氫管路超壓時緊急切斷供氫等?

應(yīng)根據(jù)儲氫瓶的容積和工作壓力來確定是否需要在瓶口或瓶尾安裝TPRD?瓶口TPRD為易熔合金,通過瓶口組合閥直接連通到儲氫瓶內(nèi)部?當(dāng)儲氫瓶溫度達(dá)到設(shè)定溫度后,TPRD開啟,釋放儲氫瓶內(nèi)氫氣?

瓶尾TPRD為易熔合金,部分廠家增加爆破片裝置,當(dāng)儲氫瓶溫度達(dá)到設(shè)定溫度或儲氫瓶壓力達(dá)到設(shè)定壓力后,TPRD開啟,釋放儲氫瓶內(nèi)氫氣?安全閥位于氫系統(tǒng)低壓管路上,對氫系統(tǒng)低壓管路起超壓保護(hù)作用?當(dāng)減壓閥下游低壓管路達(dá)到安全閥開啟壓力時,安全閥開啟,釋放低壓管路氧氣,從而防止低壓管路壓力進(jìn)一步升高。


圖7-11 卡套接頭密封結(jié)構(gòu)(圖片來源:世偉洛克公司)
1-卡套管2-螺母3-后卡套4-前卡套5-接頭本體


圖7-12 O形密封圈結(jié)構(gòu)(圖片來源:派克公司)
1-0形密圈2-接頭3-螺母4-法蘭套


圖7-13 金屬管道硬密封結(jié)構(gòu)
1-金屬管2-螺母3-接頭

1.2 公路客車安全設(shè)計(jì)

公路客車車載氫系統(tǒng)一般采用底置式布置方式?底置式氫系統(tǒng)布置于車輛底部,儲氫瓶呈一層或多層布置,通過氣瓶支架集成后固定于車架或直接懸掛于車架上?底置式氫系統(tǒng)艙室兩側(cè)應(yīng)設(shè)置防撞梁,對儲氫瓶及管路附件進(jìn)行防撞保護(hù)?底置式儲氫瓶懸掛結(jié)構(gòu)如圖7-14所示?底置式儲氫瓶客車儲氫瓶艙室應(yīng)與乘員艙有效隔離,并通過煙霧試驗(yàn)進(jìn)行檢測?氫安全防護(hù)和氫泄漏檢測方面參照燃料電池公交客車安全設(shè)計(jì)?


圖7-14底置式儲氫瓶懸掛結(jié)構(gòu)
1-控制器2-電磁閥3-放空閥4-低壓傳感器5-安全閥
6減壓閥7-儲氫瓶8-瓶閥9-過流量閥10-加氫口11-單向閥
12-高壓傳感器13-過濾器14-底層氣瓶支架15-頂層氣瓶支架

2、燃料電池商用車熱管理

2.1 公交客車綜合熱管理

燃料電池公交客車綜合熱管理主要包括:燃料電池自身熱管理?動力電池自身熱管理?整車冬季采暖和夏季制冷以及基于燃料電池余熱利用的整車綜合熱管理設(shè)計(jì)?

燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)核心零部件主要包括:

1)水泵:驅(qū)動冷卻液循環(huán)?

2)散熱器(芯體+風(fēng)扇):降低冷卻液溫度,散掉燃料電池余熱?

3)節(jié)溫器:控制冷卻液大小循環(huán)?

4)PTC電加熱:低溫啟動時加熱冷卻液,對燃料電池進(jìn)行預(yù)熱?

5)去離子純化單元:吸收冷卻液中離子,降低電導(dǎo)率?

6)燃料電池專用防凍液:冷卻用的介質(zhì)?

燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖7-15所示?熱管理系統(tǒng)的主要功能是維持燃料電池在合適的溫度區(qū)間工作,目標(biāo)是將燃料電池電堆的進(jìn)出水口溫度差控制得越小越好,一般要求控制在4~6°C,最大不超過10°C?


圖7-15 燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

2.1.1 水泵

水泵為整個冷卻液的循環(huán)提供動力?基于燃料電池的特性,需要熱管理系統(tǒng)的水泵有以下幾個特點(diǎn):高的揚(yáng)程(單體電池越多,揚(yáng)程要求越高)?高冷卻液流量(30kW散熱量≥75L/min)和功率可調(diào)?根據(jù)公式Q=mc△t,由溫差△t和散熱量Q計(jì)算出冷卻液流量,然后根據(jù)冷卻液流量標(biāo)定水泵轉(zhuǎn)速和功率?

燃料電池水泵未來發(fā)展趨勢:在滿足幾個指標(biāo)的前提下,能耗持續(xù)降低,可靠性持續(xù)上升?

2.1.2 散熱器

散熱器包括散熱器芯體和散熱風(fēng)扇?散熱器芯體核心指標(biāo)為單位散熱面積?目前燃料電池散熱器并無開發(fā)專用產(chǎn)品,與傳統(tǒng)汽車散熱器相同,為鋁制管帶式或翅片式散熱器?

散熱器發(fā)展趨勢:開發(fā)出燃料電池專用散熱器,在材料方面有所提升,要求能夠提升內(nèi)部清潔度和降低離子析出程度?

散熱風(fēng)扇核心指標(biāo)有風(fēng)機(jī)功率和最大風(fēng)量?目前散熱風(fēng)扇主要為低壓風(fēng)扇,SPAL產(chǎn)品為主流,504型號風(fēng)扇最大風(fēng)量為4300m2/h,額定功率約800W;506型號風(fēng)扇最大風(fēng)量為3700m3/h,額定功率約500W?因504風(fēng)扇噪聲較大,目前燃料電池車輛以采用506風(fēng)扇為主?

散熱風(fēng)扇發(fā)展趨勢:散熱風(fēng)扇后續(xù)可以在電壓平臺上變化,直接適應(yīng)燃料電池或動力電池的電壓,不需通過DC/DC變換器,提升效率?

2.1.3 節(jié)溫器

在燃料電池?zé)峁芾碇兄饕糜诳刂拼笮⊙h(huán),當(dāng)水溫較低時,冷卻液不經(jīng)過散熱器,由電堆出來后直接經(jīng)節(jié)溫器返回電堆,使電堆快速升溫;當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)計(jì)值時,開啟大循環(huán),冷卻液經(jīng)過散熱器返回電堆?

節(jié)溫器本質(zhì)為個三通接頭,分為電子節(jié)溫器和機(jī)械節(jié)溫器,因電子節(jié)溫器成本和可靠性問題,目前以機(jī)械節(jié)溫器為主?機(jī)械節(jié)溫器內(nèi)部為石蠟芯體,熔化溫度可以根據(jù)不同燃料電池電堆需求定制?

節(jié)溫器發(fā)展趨勢:電子節(jié)溫器是未來的趨勢,能夠根據(jù)需求隨時控制大?小循環(huán)開啟量?

2.1.4 PTC電加熱

PTC電加熱主要用于冬季燃料電池低溫啟動過程?PTC電加熱在燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中一般有兩個位置,如圖7-15所示,在小循環(huán)中和補(bǔ)水管路中,以小循環(huán)最常見?

冬季低溫時,從動力電池取電,加熱小循環(huán)和補(bǔ)水管路中的冷卻液,熱的冷卻液再加熱電堆,直到電堆溫度達(dá)到目標(biāo)值?可以啟動燃料電池,停止電加熱?

PTC電加熱根據(jù)電壓平臺分為低壓和高壓,低壓主要為24V,需要通過DC/DC變換器把動力電池的高電壓轉(zhuǎn)化為24V?低壓電加熱功率主要受限于24V的DC/DC變換器,目前車輛高壓轉(zhuǎn)24V低壓的DC/DC變換器最大只有6kW的規(guī)格?高壓主要為450~700V,與動力電池電壓匹配,加熱功率可以比較大,主要取決于加熱器的體積?

目前國內(nèi)的燃料電池系統(tǒng)低溫啟動主要通過外加熱的方式,即通過PTC加熱暖機(jī);國外的豐田等公司,則不需通過外加熱,可直接啟動?

燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)用PTC電加熱發(fā)展方向是小型化?高可靠性?安全的高壓PTC電加熱?

2.1.5 去離子純化單元

去離子純化單元的核心部分為離子交換樹脂等能夠吸收陰陽離子的物質(zhì)?關(guān)注的主要指標(biāo)為價(jià)格?更換周期?需要注意的是,去離子純化單元不能與燃料電池防凍液產(chǎn)生溶解等物理化學(xué)反應(yīng)?市場上主要廠家有戴納林?曼胡默爾等?

目前冷卻液電導(dǎo)率要求≤5μS/cm(不同燃料電池廠家要求會有不同),而去離子單元正常情況下設(shè)計(jì)的更換周期為:燃料電池運(yùn)行每500h或整車行駛每10000km(先到為準(zhǔn))?

冷卻液循環(huán)過程中需接觸雙極板(金屬)?冷卻管路?散熱器芯體等諸多金屬材質(zhì),長期接觸不可避免地會導(dǎo)致冷卻液中離子濃度和電導(dǎo)率越來越高;而燃料電池?DC/DC變換器和動力電池通過高壓線實(shí)現(xiàn)電連接,為高壓電,冷卻液電導(dǎo)率過高會導(dǎo)致整車絕緣值下降,存在安全風(fēng)險(xiǎn)?因此冷卻液中需要去離子純化單元來不斷吸收冷卻液中的離子,如果吸收達(dá)到飽和需要定期更換?

去離子純化單元未來發(fā)展趨勢:使用壽命更長,價(jià)格更低廉?

2.1.6 燃料電池專用防凍液

目前國內(nèi)主流燃料電池家只同意使用去離子水(電導(dǎo)率≤5μS/cm)或巴斯夫燃料電池專用防凍液?

燃料電池專用防凍液無色,能夠在-36°C情況下使用,經(jīng)過長期使用驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)對燃料電池?zé)o明顯影響?目前燃料電池專用防凍液價(jià)格較高,未來期望隨著參與的公司越來越多,價(jià)格能夠下降?

隨著制冷劑的發(fā)展,未來使用制冷劑直接給燃料電池散熱也是一個重要的技術(shù)方向?

燃料電池在工作過程中,會有大量的熱產(chǎn)生,這些熱量大部分通過冷卻液循環(huán)散去,一小部分隨尾氣排出,造成了能量的浪費(fèi)?因此利用燃料電池余熱主要兩方面考慮:冷卻液余熱和尾氣余熱?

(1)冷卻液余熱利用主要方式

1)冷卻液直接加熱乘員艙?冷卻液可以流經(jīng)乘客艙中水暖散熱器,實(shí)現(xiàn)冬季給乘客艙供暖?該方法設(shè)計(jì)簡單,但對水暖散熱器的潔凈度要求高?

2)冷卻液通過板式換熱器加熱乘客艙?通過板式換熱器將冷卻液中熱量傳遞給乘客艙中的水暖散熱器,實(shí)現(xiàn)冬季供暖?該方法對水暖散熱器的潔凈度要求不高,但冷卻管路設(shè)計(jì)相對復(fù)雜?

3)冷卻液通過空調(diào)加熱乘客艙?將散熱器集成于車載空調(diào)內(nèi)部,空調(diào)空氣循環(huán)系統(tǒng)的風(fēng)吹過散熱器表面時將冷卻液中的余熱傳遞給乘客艙?

上述幾種方式利用燃料電池冷卻液余熱都有定的局限性,氫氧燃料電池反應(yīng)溫度低,多處于50~70°C,熱品質(zhì)較低,因此單純依靠燃料電池余熱并不能滿足整車取暖需求,還需要配備常規(guī)的取暖裝置,配合燃料電池余熱共同為整車供暖?

(2)尾氣余熱利用主要方式

1)通過換熱器利用尾氣余熱?燃料電池尾氣熱量通過尾氣換熱器,將置換的熱量傳遞給水暖循環(huán)水路,再由水暖循環(huán)通過車廂內(nèi)部的水暖散熱器傳遞到乘客艙?該方法會影響燃料電池空氣系統(tǒng)的出堆壓力,對燃料電池性能的影響需要進(jìn)一步評估?

2)直接將尾氣凈化后通入乘客艙?燃料電池尾氣中含有大量的水汽和少量氫氣,通過氣水分離裝置除水?氫氣吸收裝置除氫后可直接將該部分尾氣通入乘客艙?

2.2 公路客車綜合熱管理

電池?zé)峁芾碇饕δ馨?電池溫度精確測量和監(jiān)控;電池溫度過高時有效散熱和冷卻;電池溫度過低時有效保溫與加熱;電池包內(nèi)溫度場均勻分布?

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要有三種形式:風(fēng)冷,即電池與空氣換熱;液冷,即電池與冷卻液換熱;直冷,即電池與制冷劑換熱?

2.2.1 風(fēng)冷

該形式主要通過翅片散熱器來實(shí)現(xiàn)電池?zé)崃坑蓛?nèi)向外傳遞,從而實(shí)現(xiàn)有效散熱和冷卻?至于加熱,則主要通過電池包外加熱膜的方式實(shí)現(xiàn)?電池風(fēng)冷原理如圖7-16所示?

2.2.2 液冷

該形式主要通過導(dǎo)熱熱管和水冷板實(shí)現(xiàn),熱管將電池?zé)崃坑赡＝M內(nèi)導(dǎo)出傳遞給水冷板,水冷板再通過冷卻器將電池?zé)崃拷粨Q給空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)器?至于加熱,同樣通過電池包外加熱膜的方式實(shí)現(xiàn)?電池液冷原理如圖7-17所示?


圖7-16 電池風(fēng)冷原理


圖7-17 電池液冷原理

2.2.3 直冷

電池內(nèi)設(shè)置水冷板,水冷板作為蒸發(fā)器,內(nèi)部流通制冷劑,制冷劑蒸發(fā)吸熱帶走電池內(nèi)部的熱量,從而實(shí)現(xiàn)熱管理?直冷是未來的發(fā)展趨勢,電池直冷原理如圖7-18所示?


圖7-18 電池直冷原理

目前燃料電池商用車采暖有多種方式:熱泵空調(diào),利用熱泵原理制熱,當(dāng)溫度過低?熱泵效應(yīng)受限時,通過電加熱PTC制熱;水暖散熱器,熱水流過散熱器,通過風(fēng)扇將熱水的熱量吹入乘員艙,熱水主要通過PTC電加熱獲得;電加熱散熱器,電加熱絲加熱空氣,風(fēng)扇將熱空氣吹入乘客艙,該方式吹出熱風(fēng)溫度高?濕度低?

未來的空調(diào)會包含更多功能,滿足節(jié)能?可靠?舒適?智能的要求,空氣凈化技術(shù)將是未來的標(biāo)準(zhǔn)配置?

2.3 物流車綜合熱管理

物流車燃料電池自身熱管理,主要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與公交客車致;動力電池?zé)峁芾硇问脚c公路客車一致?

物流車駕駛室取暖可使用燃料電池冷卻液余熱,參照燃油物流車,將燃料電池冷卻液通入空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)道內(nèi)散熱器,將熱量通過空調(diào)系統(tǒng)傳遞到駕駛室?物流車制冷可參考純電動物流車,使用電空調(diào)制冷?