解析豐田燃料電池轎車(chē)Mirai高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)（上）

◆編譯/江蘇 高惠民

豐田汽車(chē)公司于1992年開(kāi)始開(kāi)發(fā)燃料電池汽車(chē)(FCV：fuel cell vehicles )，此后進(jìn)行了許多項(xiàng)目研發(fā)，以期使這些汽車(chē)得到廣泛使用。豐田FCHV-adv發(fā)布于2008年，采用的是燃料存儲(chǔ)壓力為70MPa的氫氣罐，而不是35MPa的氫氣罐。通過(guò)各種改善燃料經(jīng)濟(jì)性的措施，F(xiàn)CHV-adv的實(shí)際續(xù)航里程達(dá)到了至少500km。繼FCHV-adv之后，豐田公司開(kāi)發(fā)了一款新型FCV轎車(chē)Mirai(未來(lái))，使其量產(chǎn)化。該轎車(chē)配備了新型70MPa高壓存儲(chǔ)系統(tǒng)。新型FCV的儲(chǔ)氫系統(tǒng)比FCHV-adv的存儲(chǔ)系統(tǒng)質(zhì)量輕得多，且成本更低。

一、70MPa高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)布置

優(yōu)化了新開(kāi)發(fā)的高壓氫氣罐形狀，使其能夠安裝在轎車(chē)型車(chē)輛的地板下方(圖1)。

圖1 高壓氫氣罐安裝布局

這種形狀的高壓儲(chǔ)氫罐確保了車(chē)輛具有足夠的內(nèi)部空間和所需的氫氣容量。兩個(gè)高壓氫罐的規(guī)格列于表1。高壓氫氣通過(guò)高壓調(diào)節(jié)器和噴射器兩個(gè)元件的減壓輸送給燃料電池堆(FC),圖2所示為新型FCV高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)的基本配置。這兩個(gè)氫氣罐通過(guò)圓形支架安裝在地板下方，如圖3所示。

圖3 高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)的外觀

表1 高壓氫氣罐規(guī)格

圖2 高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)的基本配置

二、減輕高壓氫氣罐的質(zhì)量

1.改進(jìn)的碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂(CFRP)層壓方法

由于高壓氫罐在高壓氫氣存儲(chǔ)系統(tǒng)的質(zhì)量中占最大比例，因此對(duì)罐的設(shè)計(jì)進(jìn)行了徹底的修改，圖4所示為高壓氫氣罐的結(jié)構(gòu)。

圖4 高壓氫氣罐的結(jié)構(gòu)

高壓氫氣罐由最內(nèi)層的塑料構(gòu)成內(nèi)襯，以密封氫氣，并被能夠承受高壓的堅(jiān)固碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂層(CFRP， Carbon Fiber Reinforced Plastic)包圍。CFRP層之外是玻璃纖維強(qiáng)化樹(shù)脂層(GFRP，Glass Fiber Reinforced Plastic)，用以承受沖擊。最外層是含有膨脹石墨的耐火聚氨酯保護(hù)層和防跌落的耐沖擊聚氨酯保護(hù)層。鋁法蘭位于氫氣罐內(nèi)襯的兩端，一端用于閥門(mén)配件安裝。通過(guò)改進(jìn)CFRP層結(jié)構(gòu)和減少材料用量，減輕了新開(kāi)發(fā)的高壓氫氣罐的質(zhì)量。圖5所示為高壓氫氣罐的壓層圖案。

圖5 高壓氫氣罐的壓層圖案

通常，高壓儲(chǔ)罐CFRP層壓結(jié)構(gòu)采用以下三種類(lèi)型的纏繞方法組合，使用環(huán)向纏繞來(lái)增強(qiáng)儲(chǔ)罐的中心區(qū)域；小角度螺旋纏繞來(lái)增強(qiáng)圓頂區(qū)域(沿軸向)；大角度螺旋纏繞以加強(qiáng)這些區(qū)域的邊界。必要時(shí)，為了加強(qiáng)邊界區(qū)域所需的強(qiáng)度，大角度螺旋繞組也纏繞到中心區(qū)域上。由于大角度螺旋繞組以70°的角度纏繞在儲(chǔ)罐的中央?yún)^(qū)域，因此加強(qiáng)效果不大，如圖6所示。

圖6 纖維纏繞角度和強(qiáng)度效率之間的關(guān)系

針對(duì)氫氣罐中心區(qū)域無(wú)效的大角度螺旋纏繞，開(kāi)發(fā)了一種新的壓層方法，該方法可在不使用大角度螺旋纏繞的情況下加強(qiáng)邊界區(qū)域。圖7是新纏繞壓層與傳統(tǒng)的壓層方法對(duì)比。

圖7 傳統(tǒng)和新壓層方法的比較

具體來(lái)說(shuō)，對(duì)纏繞壓層方法進(jìn)行了以下三個(gè)更改：

①內(nèi)襯的截面形狀平展，以使得能夠通過(guò)在邊界區(qū)域上也形成環(huán)向纏繞的壓層；

②通過(guò)逐漸改變環(huán)向纏繞的端部位置，在形成常規(guī)襯套形狀的同時(shí)加強(qiáng)了邊界區(qū)域；

③把環(huán)向纏繞集中在應(yīng)力大的內(nèi)層中。

這些更改具有以下兩個(gè)效果。首先，消除了占總壓層結(jié)構(gòu)約25%的大角度螺旋繞組。其次，環(huán)向纏繞是加強(qiáng)儲(chǔ)罐中央?yún)^(qū)域的一種非常有效的方法，使最大應(yīng)力集中在內(nèi)層。這樣可以更有效地利用纖維的強(qiáng)度。與傳統(tǒng)的壓層方法相比，這種雙重作用使CFRP的質(zhì)量降低了20%。

2.法蘭的改進(jìn)

改進(jìn)氫氣罐兩端法蘭的形狀，以幫助減少CFRP的使用量。通過(guò)增加法蘭直徑和減小開(kāi)口端直徑的大小來(lái)降低法蘭對(duì)CFRP的層表面壓力。并可以減少小角度螺旋纏繞層的使用量約5%，圖8所示為法蘭施加到CFRP層的表面壓力。

圖8 法蘭施加到CFRP層的表面壓力

改善疊層結(jié)構(gòu)和優(yōu)化法蘭可大大減少高壓氫氣罐的邊界區(qū)域(通過(guò)消除大角度螺旋纏繞)和圓頂區(qū)域(通過(guò)減少小角度螺旋纏繞)的CFRP使用量。與其他減輕質(zhì)量的措施相結(jié)合，與以前的高壓氫氣罐結(jié)構(gòu)相比，這些措施將CFRP的使用量減少了約40%。結(jié)果，新開(kāi)發(fā)的高壓氫氣罐實(shí)現(xiàn)質(zhì)量減輕5.7%的效果，這是世界上最輕量化的儲(chǔ)氫罐之一。圖9所示為通過(guò)傳統(tǒng)方法和新開(kāi)發(fā)方法纏繞壓層的儲(chǔ)氫罐的橫截面對(duì)比情況。

圖9 傳統(tǒng)與新氫氣罐橫截面的比較

三、降低成本和尺寸

1.增加通用碳纖維的強(qiáng)度

僅將罐的數(shù)量從四個(gè)減少到兩個(gè)不足以實(shí)現(xiàn)高壓存儲(chǔ)系統(tǒng)降低成本的目標(biāo)。因此，從整個(gè)高壓存儲(chǔ)系統(tǒng)的角度出發(fā)，研究了各種降低成本的措施，包括降低材料成本，減少部件數(shù)量以及重復(fù)使用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的部件(如高壓傳感器)。特別是豐田FCHV-adv的氫氣罐采用的是航空級(jí)碳纖維，其價(jià)格非常昂貴。因此，開(kāi)發(fā)新的高壓氫氣罐時(shí)，在碳纖維制造商的合作下，將通用碳纖維的性能進(jìn)行改善。結(jié)果是強(qiáng)度提高到幾乎與航空級(jí)碳纖維相同的水平，而氫氣罐質(zhì)量更輕。

2.高壓閥

該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)在降低高壓氫氣罐以外的高壓組件的成本和尺寸方面也取得了進(jìn)展。大多數(shù)高壓部件在與氫接觸的部分使用鋁合金或不銹鋼，以防止氫脆化。與豐田FCHV-adv相同，該系統(tǒng)中的高壓閥和高壓調(diào)節(jié)器使用鋁合金作為零件機(jī)體，并使用不銹鋼作為內(nèi)部主要部件。但是，通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)減少了組件的數(shù)量。圖10比較了傳統(tǒng)閥門(mén)和新閥門(mén)的結(jié)構(gòu)組成。

圖10 常規(guī)型閥門(mén)組成和新型閥門(mén)組成

這一改進(jìn)簡(jiǎn)化了閥門(mén)內(nèi)部的氣流路徑，并修改了電動(dòng)截止閥的布局。電動(dòng)止回閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也得到了改善并減小了尺寸。在豐田FCHV-adv中，止回閥等滑動(dòng)組件被合并到不銹鋼套筒中以提高耐用性。在新的FCV中，取消了該套筒以減少零件數(shù)量和閥門(mén)尺寸。圖11比較了止回閥的傳統(tǒng)滑動(dòng)構(gòu)造和新滑動(dòng)配合構(gòu)造。

圖11 傳統(tǒng)和新的閥門(mén)滑動(dòng)配合示意圖

通常，低硬度的鋁合金在與不銹鋼結(jié)合使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，由于兩種不同性質(zhì)金屬材料接觸摩擦產(chǎn)生異物，而異物導(dǎo)致滑動(dòng)粘附和不良的密封性。因此，豐田FCHV-adv的儲(chǔ)氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)閥芯將不銹鋼與不銹鋼結(jié)合在一起，以防止磨損和異物的產(chǎn)生。而新型FCV的儲(chǔ)氫系統(tǒng)的閥芯開(kāi)發(fā)旨在采用鋁體氧化鋁膜表面處理代替不銹鋼套筒。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)經(jīng)表面處理過(guò)的鋁制套筒能確保在氫氣氛中穩(wěn)定的滑動(dòng)特性和工作壽命。圖12是通過(guò)試驗(yàn)的鋁磁盤(pán)材料經(jīng)氧化鋁膜表面處理后與不銹鋼球之間的摩擦關(guān)系。

圖12 試驗(yàn)鋁磁盤(pán)材料表面氧化鋁膜處理和摩擦之間的關(guān)系

圖13所示為有和沒(méi)有表面處理的滑動(dòng)表面差異狀態(tài)。新設(shè)計(jì)的閥體采用這些措施的結(jié)果是，閥門(mén)的質(zhì)量減少了約25%，部件數(shù)量減少了35%，從而降低了閥門(mén)的尺寸和成本，圖14所示為常規(guī)閥和新型閥的外觀。

圖13 有和沒(méi)有表面處理的滑動(dòng)表面的差異

圖14 高壓閥比較

3.高壓調(diào)節(jié)器

通過(guò)重新設(shè)計(jì)密封件來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓調(diào)節(jié)器的性能和降低零件成本。位于高壓調(diào)節(jié)器下游的噴射器的控制的重要方面是由高壓調(diào)節(jié)器控制的壓力的瞬時(shí)特性。如果瞬態(tài)壓力變化太大，則噴射量也會(huì)變化很大，從而對(duì)燃料經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生不利影響。圖15概述了調(diào)節(jié)器的原理結(jié)構(gòu)圖。

圖15 高壓調(diào)節(jié)器原理結(jié)構(gòu)

調(diào)節(jié)器由高壓側(cè)的閥芯和低壓側(cè)的活塞，彈簧及其他組件組成。當(dāng)供應(yīng)燃料時(shí)，調(diào)節(jié)器的瞬時(shí)流量會(huì)與下游噴射器的運(yùn)行同步變化，在調(diào)節(jié)器活塞，閥芯和其他組件中產(chǎn)生較小的沖程動(dòng)作而引起不穩(wěn)定性，例如活塞滑動(dòng)部分的摩擦系數(shù)的變化，引起瞬態(tài)壓力特性的變化。新調(diào)節(jié)器通過(guò)優(yōu)化活塞形狀和采用了低成本的活塞滑動(dòng)密封材料，以及創(chuàng)新密封材料的形狀，確保了調(diào)節(jié)器穩(wěn)定的滑動(dòng)特性。結(jié)果，與豐田FCHV-adv相比，開(kāi)發(fā)的新調(diào)節(jié)器以更低的成本獲得了更好的瞬態(tài)壓力特性。圖16所示為在不同流速下瞬態(tài)壓力以及反應(yīng)時(shí)間滯后的變化。

圖16 高壓氫氣進(jìn)出口瞬態(tài)壓力特性比較

(未完待續(xù))