车用高压氢气瓶组合阀门的研究和试验方法

刘仁豪，王东雨，孟令宇，周如林

(1.北京天玛智控科技股份有限公司，北京 顺义 101399； 2.未势能源科技有限公司，河北 保定 071000)

1 前 言

氢燃料电池车车载储氢技术主要包括高压气态储氢、低温液态储氢、深冷高压储氢、金属氢化物储氢及有机液体储氢等，其中高压气态储氢是目前较为成熟的车载储氢技术[1-2]。车用高压氢气瓶组合阀门(以下简称“瓶阀”)作为车载储氢系统的关键零部件，其小型化、轻量化、集成化、可靠性高对保障氢燃料电池汽车的安全性、提高车载储氢系统的质量储氢密度具有重要的意义。

2 国内外发展现状和趋势

2.1 国外发展现状

国外车用高压氢气瓶组合阀门厂家多为压缩天然气(CNG)领域转型而来的，具有深厚的技术积累和多样化的产品，可以满足35 MPa和70 MPa两种主流储氢瓶的需求，主要集中在欧美、日本和韩国等国家。目前，国外企业正在朝小型化、轻量化和低功耗的方向发展。国外阀门产品经过多年的产品迭代和市场应用检验，具有可靠性高、应用经验丰富的优势，因此占据国内绝大部分的市场份额。表1所示为国外主要厂家的高压氢气瓶组合阀。

表1 高压氢气瓶组合阀国外主要厂家

2.2 国内发展现状

国内车用高压氢气瓶组合阀的研制起步较晚，目前主要涉及的厂家有舜华、富瑞、未势能源、瀚氢动力、神通新能源等。由于应用经验欠缺，产品可靠性也尚未得到市场认可，目前尚未大规模投入使用。小规模应用的都集中在35 MPa规格，目前还没有成熟的70 MPa瓶阀产品。

受制于70 MPa Ⅲ型气瓶成本高、质量储氢率低，前期国内大规模商用的氢燃料电池车大多采用35 MPa储氢瓶。伴随着《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》的发布和《车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶》征求意见稿的公布，70 MPa Ⅳ型瓶车载储氢系统将成为未来的重点发展方向。

3 功能要求及特点

瓶阀为储氢系统的关键部件，安装在氢气瓶出口，用于高压气体的充装、截止、安全泄放和过流保护控制、提供相关的对外接口等。其结构紧凑、产品集成度高，通常由电磁阀、手动截止阀、TPRD(温度驱动安全释放装置)、应急泄放阀、过滤器、过流阀、温度传感器、应急泄放口、TPRD排放口等组成。典型的产品原理框图如图1所示。

3.1 瓶阀的主要功能

1.气瓶内高压气体的电磁开关控制功能；2.储氢瓶的单向加注功能；3.火灾或者高温时的自动泄放功能；4.高压气体的手动截止功能；5.具有过流保护的功能；6.应急状态或者车辆检修时的手动泄放功能；7.具有过滤加注气体和气瓶内气体杂质的功能；8.具有监控气瓶内温度的功能。

1.进/出气口；2.电磁阀；3.电接口；4.温度传感器；5.过滤器；6.气瓶；7.单向阀；8.过流阀；9.应急泄放口；10.应急泄放阀；11.TPRD排放口；12.TPRD；13.手动截止阀；14.单向阀；15.过滤器

3.2 典型产品的工作流程

1.加注流程：从加氢口加注的氢气，经过滤器、手动截止阀(常开)、单向阀进入气瓶。

2.应急泄放流程：当电磁阀故障无法打开或者拆卸氢罐后需要泄放气瓶内剩余气体时，手动打开应急泄放阀，气瓶内的气体通过与应急泄放口连接的管路排出。

3.供气流程：储氢系统控制器发送电磁阀开启指令，电磁阀供电打开，气瓶内气体经过滤器、过流阀、电磁阀、单向阀、手动截止阀、进出口管路供给下游减压阀。

4.过流保护流程：当下游管路破裂时，瓶阀下游管路泄放流量急速增大，压力快速下降，过流阀关闭，阻止过量气体排出。

5.超温保护流程：当发生火灾或者处于意外高温环境[≥(110±5)℃]时，瓶阀TPRD玻璃感温球破裂，气瓶内的高压气体直接经TPRD排放口泄放到外界。

6.检漏(加注保护)流程：当整个储氢系统装配完成，需要对管路进行检漏时，关闭手动截止阀，检漏气体被阻挡在瓶阀外部管路。

4 设计与试验标准

4.1 设计依据

目前我国还没有针对车用高压氢气瓶组合阀的专用标准，产品通常参照GTR 13[3]、GB/T 24549[4]、GB/T 26990—2011[5]等标准的要求，对瓶阀的集成功能模块进行设计；TPRD的设计参照GB/T 33215—2016[6]执行。

材料的选择通常参考ISO 11114-1[7]、ISO 11114-2[8]、GB/T 35544—2017[9]进行，同时需要充分考虑与氢气的介质相容性及瓶阀的使用工作环境。结合产品研发和实际应用经验，通常选用铝合金6061和奥氏体不锈钢022Cr17Ni12Mo2作为阀体及主要零件的材料，非金属材料通常选用聚酰亚胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚氨酯(PU)、氟硅橡胶(FVMQ)、三元乙丙胶(EPDM)等与高压氢气具有良好相容性和氢气渗透率低的材料。

4.2 试验和检查标准

目前国内外车用高压储氢气瓶阀门的相关测试法规标准主要有GTR 13、EU 406[10]、EC 79、ECE R134e[11]、ISO 12619[12]、GB/T 35544等。其中EU 406是EC 79的具体执行细则，明确了EC 79中规定的试验项目对应的具体试验方法。GTR 13、ECE R134e及GB/T 35544内容基本一致[13]，其特点在于试验项目相对较多，考察内容更为全面，并且要求试验中介质采用氢气，更切合实际使用工况[14]。EU 406的特点在于采用了顺序试验的方法，更贴合于阀门实际工作中承受多种载荷的工况[13-14]。ISO 12619则对车载储氢系统涉及的电磁阀、手动截止阀、过流阀、压力释放阀等零部件单独制定了试验规则，但并未对组合式阀门的试验项目和试验顺序进行规定。

综合以上各项标准，结合产品研发经验和型式认证的需求，总结瓶阀试验和检验项目，见表2。

表2 瓶阀检验和试验项目

续表2

5 结 语

由于国内高压氢气瓶组合阀门没有专门的标准可做参考。本文从高压氢气瓶组合阀门的主要功能、工作流程、设计和试验依据及国内外的发展现状等方面进行总结，可为国内产品的研发和相关标准的制定提供参考。