70 MPa 氫燃料電池汽車在35 MPa 加氫站安全加注的研究

梅宏民

（中國(guó)石化廣東石油分公司，廣東廣州 510620）

1 國(guó)內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

氫氣可以通過(guò)多種方式制取，資源制約小，在燃料電池中，氫氣通過(guò)反應(yīng)只生成水，不排放污染物；且氫氣具有熱值高、能量大、可儲(chǔ)存、可再生、零污染等優(yōu)勢(shì)，這讓氫氣在燃料替代中的比重不斷增加。使用氫能零碳排放，是實(shí)現(xiàn)交通凈零排放終極目標(biāo)的必由之路，這使得氫能在交通能源領(lǐng)域的發(fā)展勢(shì)頭逐漸顯現(xiàn)，氫燃料電池汽車推廣和加氫站建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展階段[1-3]。

近幾年中央及地方對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)的支持政策密集出臺(tái)，支持力度不斷增加，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)如雨后春筍般快速發(fā)展。2020年9月，財(cái)政部聯(lián)合五部門發(fā)布了《關(guān)于開(kāi)展燃料電池汽車示范推廣的通知》，支持燃料電池汽車關(guān)鍵核心技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，形成布局合理、各有側(cè)重、協(xié)同推進(jìn)的燃料電池汽車發(fā)展新模式。2021年8月，京津冀、上海、廣東三大城市群入選首批示范區(qū)；同年12月，河北、河南城市群入選第二批示范區(qū)；目前燃料電池汽車城市群示范應(yīng)用推廣形成“3＋2”新格局。隨著國(guó)家及地方政府對(duì)氫能發(fā)展的積極探索，各地發(fā)展氫能積極性提高，氫能需求迅速增長(zhǎng)，加氫站數(shù)量從2015年4座增至2019年51座、2021年230座[4]；氫燃料電池汽車?yán)塾?jì)銷量也從2015 年的10 輛增至2019 年6 175輛、2021年8 943輛[5]；其中超過(guò)90%的加氫站和氫燃料電池汽車的壓力等級(jí)均為35 MPa。

“十三五”期間我國(guó)加氫站設(shè)施建設(shè)處于起步階段，商用車因其行駛路線相對(duì)固定，方便集中加注，燃料電池汽車車型以客車和專用車為主?！笆奈濉币詠?lái)，受燃料電池汽車示范推廣的政策引導(dǎo)，車型過(guò)渡到客車、專用車和半掛車、自卸車等中重型氫燃料商用車共同發(fā)展的局面，商用車大多每日行駛固定里程，或日間多次補(bǔ)能，以商用車為主導(dǎo)的局面進(jìn)一步導(dǎo)致加氫站的加注壓力也基本為35 MPa。70 MPa 燃料電池乘用車在國(guó)內(nèi)才開(kāi)始應(yīng)用，車載儲(chǔ)氫瓶主要為Ⅲ型。國(guó)外情況相反，在豐田、現(xiàn)代、本田等企業(yè)主導(dǎo)下率先對(duì)燃料電池乘用車進(jìn)行開(kāi)發(fā)，因乘用車客戶對(duì)續(xù)航敏感，針對(duì)純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程短的痛點(diǎn)，乘用車儲(chǔ)氫壓力迅速發(fā)展至以70 MPa為主，車載儲(chǔ)氫瓶主要為Ⅳ型。

在燃料電池汽車示范推廣時(shí)期，我國(guó)燃料電池車和加氫站的加注壓力等級(jí)仍以35 MPa 為主。目前國(guó)內(nèi)70 MPa 氫燃料電池汽車的發(fā)展已初具雛形，在加氫站基礎(chǔ)設(shè)施未升級(jí)的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，70 MPa車型在35 MPa加氫站加注都將成為一種常態(tài)。關(guān)于70 MPa 加注已有不少研究，但受政策法規(guī)影響，國(guó)內(nèi)試驗(yàn)研究基本都是使用Ⅲ型70 MPa儲(chǔ)氫瓶，僅有少量關(guān)于Ⅳ型70 MPa 儲(chǔ)氫瓶加注的仿真模擬；國(guó)外雖有一些Ⅳ型70 MPa 儲(chǔ)氫瓶加注的試驗(yàn)研究，但大都基于70 MPa 試驗(yàn)平臺(tái)，研究結(jié)果主要針對(duì)70 MPa加氫站；對(duì)Ⅳ型70 MPa儲(chǔ)氫瓶在35 MPa 加氫站的試驗(yàn)尚未見(jiàn)報(bào)道。我國(guó)國(guó)標(biāo)雖對(duì)氫氣加注的兼容性提出了要求，但未對(duì)車載瓶類型、加注過(guò)程、預(yù)冷溫度等技術(shù)參數(shù)作出規(guī)定。該文對(duì)已有文獻(xiàn)的仿真模擬及試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，總結(jié)了Ⅲ型和Ⅳ型70 MPa 儲(chǔ)氫瓶加注的溫升規(guī)律，并基于35 MPa加氫站平臺(tái)對(duì)Ⅳ型70 MPa儲(chǔ)氫瓶進(jìn)行加注試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際加注的試驗(yàn)結(jié)果，獲得了加注過(guò)程的邊界條件和溫升特點(diǎn)，據(jù)此為35 MPa加氫站適應(yīng)70 MPa車型發(fā)展進(jìn)行技術(shù)升級(jí)和改造提出建議，可作為加氫站運(yùn)營(yíng)商和氫燃料電池車用戶進(jìn)行氫氣安全加注的參考依據(jù)。

2 70 MPa 氫燃料電池汽車行業(yè)概況

2.1 車輛發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外70 MPa 氫燃料電池汽車分車型參數(shù)如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)外70 MPa 氫燃料電池汽車分車型參數(shù)

相對(duì)于全國(guó)氫燃料電池汽車的推廣目標(biāo)，70 MPa氫燃料電池汽車的應(yīng)用處于起步階段。

2.2 加氫站發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟發(fā)布的報(bào)告[6]，截至2021年底，全球在營(yíng)加氫站達(dá)到659 座，東亞地區(qū)（中日韓）420座，其中中國(guó)183座，位居全球第一。日本豐田、韓國(guó)現(xiàn)代氫燃料電池汽車的加速推廣也帶動(dòng)日韓運(yùn)營(yíng)加氫站保持較快增長(zhǎng)。歐美、日韓以高壓70 MPa加氫站為主，并且還運(yùn)營(yíng)有液氫加氫站。全球在營(yíng)加氫站發(fā)展情況如圖1所示。

圖1 全球在營(yíng)加氫站結(jié)構(gòu)

中國(guó)以外供氫、氣態(tài)、35 MPa 加氫站為主，目前北上廣及其他示范城市群建設(shè)的70 MPa 加氫站數(shù)量極少，在加氫站分布最為密集的華南地區(qū)甚至還沒(méi)有商業(yè)運(yùn)行的70 MPa 加氫站。根據(jù)勢(shì)銀能鏈的最新統(tǒng)計(jì)[7]，截至2022 年底，中國(guó)已建成加氫站324 座，其中廣東省加氫站最多，超50 座。70 MPa加氫站累計(jì)總建成并實(shí)際留存23座，大部分分布在京津冀，為2022年北京冬奧會(huì)燃料電池車提供加氫服務(wù)[8]，部分為車企內(nèi)部測(cè)試用站，其余小部分為商業(yè)站。中國(guó)歷年加氫站及70 MPa加氫站建成數(shù)量如圖2所示。

圖2 中國(guó)歷年加氫站建成數(shù)量

我國(guó)70 MPa 加氫站的建設(shè)主要受燃料電池車及其搭載的車載儲(chǔ)氫瓶的發(fā)展及應(yīng)用和加氫站建設(shè)成本共同制約。目前國(guó)內(nèi)車載儲(chǔ)氫瓶仍以35 MPa為主，70 MPa 車載儲(chǔ)氫瓶占比很?。煌瑫r(shí)70 MPa加氫站壓縮機(jī)以進(jìn)口為主，加氫站為此需要使用的90 MPa固定式高壓儲(chǔ)氫容器價(jià)格不菲，即便是在35 MPa加氫站基礎(chǔ)上升級(jí)至70 MPa，設(shè)備和土建的投資成本仍超千萬(wàn)[9]。從圖2 中可以看到，由于2022年冬奧會(huì)和國(guó)內(nèi)汽車主機(jī)廠測(cè)試需求導(dǎo)致2021年建站數(shù)量最多，共建設(shè)8座。然而2022年受國(guó)內(nèi)國(guó)際經(jīng)濟(jì)下行壓力和疫情多點(diǎn)散發(fā)影響，全年僅建設(shè)4座。

未來(lái)幾年可以預(yù)見(jiàn)在國(guó)際能源局勢(shì)和國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)環(huán)境的雙重壓力下，70 MPa加氫站因其造價(jià)高，應(yīng)用場(chǎng)景不足，投入產(chǎn)出比低，發(fā)展將面臨一定阻礙。若70 MPa 氫燃料電池汽車在示范運(yùn)行階段只去70 MPa加氫站加氫，將極大限制其推廣范圍。因此，在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，70 MPa 氫燃料電池汽車將面臨在35 MPa加氫站加注的情況。70 MPa氫燃料電池汽車加注到35 MPa 時(shí)加注率SOC（state of charge）僅有50%，續(xù)航減半。在氫能基礎(chǔ)設(shè)施還沒(méi)有全面覆蓋高等級(jí)加注壓力時(shí)，必須認(rèn)識(shí)其中存在的風(fēng)險(xiǎn)并做好防范措施。

3 70 MPa 加注技術(shù)

3.1 加注接口/協(xié)議的兼容性和非通信加注技術(shù)

國(guó)標(biāo)《燃料電池電動(dòng)汽車 加氫槍》（GB/T 34425代替GB 34425-2017）征求意見(jiàn)稿[10]中對(duì)加氫槍作出了一般要求，規(guī)定加氫槍的設(shè)計(jì)應(yīng)確保其只能與工作壓力等級(jí)相同或更高的加氫口連接使用，避免與更低工作壓力等級(jí)的加氫口相連，這明確了70 MPa車輛在35 MPa加氫站加注的兼容性。加氫口方面，國(guó)標(biāo)《燃料電池電動(dòng)汽車 加氫口》（GB/T 26779-2021）[11]規(guī)定公稱工作壓力為70 MPa的加氫口需要做兼容性試驗(yàn)，使35 MPa 加氫槍可以與70 MPa 加氫口連接并實(shí)現(xiàn)加注功能；70 MPa 加氫槍與35 MPa加氫口無(wú)法正確連接，即使連接后，加氫槍也無(wú)法對(duì)加氫口進(jìn)行加注，對(duì)JQK-35-25/12-00 35 MPa加氫口的要求也從機(jī)械結(jié)構(gòu)上避免了35 MPa 車輛加注更高壓力的氫氣引發(fā)事故危險(xiǎn)。以市場(chǎng)上廣泛使用的德國(guó)WEH 產(chǎn)品為例，其加氫口TN1 H2（70 MPa）同時(shí)適用于TK17（70 MPa）和TK16（35 MPa）加氫槍，其加氫口TN1 H2（35 MPa）則與TK17（70 MPa）加氫槍不兼容。但硬件接口的兼容性并不意味著70 MPa氫燃料電池汽車在35 MPa加氫站加注沒(méi)有安全風(fēng)險(xiǎn)。

通信加注是指加氫機(jī)與車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)之間通過(guò)有線或無(wú)線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如圖3 所示。目前70 MPa加氫站與車輛一般采用紅外通訊，如圖4所示，可獲取車載儲(chǔ)氫瓶的溫度、壓力、容積等數(shù)據(jù)，對(duì)加注氫氣的流速和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。非通信加注則指加氫機(jī)與車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)之間不存在數(shù)據(jù)交換。加注時(shí)加氫系統(tǒng)使用安裝在加氫機(jī)拉斷閥上游1 米以內(nèi)的壓力傳感器來(lái)表征儲(chǔ)氫瓶加注壓力，使用安裝在加氫機(jī)拉斷閥上游1 米以內(nèi)氫氣管道上的溫度傳感器來(lái)表征所加注氫氣的溫度，而無(wú)法表征儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)部或外壁溫度。

圖3 氫氣加注系統(tǒng)

圖4 紅外通訊接口示意[12]

在我國(guó)幾乎所有的35 MPa 加氫站都是非通信加注，不具備與70 MPa 氫燃料電池汽車進(jìn)行通訊的功能。雖然35 MPa加氫槍可與70 MPa加氫口連接并實(shí)現(xiàn)加注功能，但不能分辨車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)類型并選擇對(duì)應(yīng)的加注協(xié)議進(jìn)行加注。直接使用根據(jù)35 MPa車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)所要求的加注方法、加注性能目標(biāo)、邊界條件等參數(shù)制定的加注協(xié)議對(duì)70 MPa車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)進(jìn)行加注，加注氫氣溫度和加注速率控制可能滿足不了車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)不超過(guò)最大允許工作溫度的要求，存在溫升過(guò)高的安全性問(wèn)題。

3.2 70 MPa 儲(chǔ)氫瓶技術(shù)

車載儲(chǔ)氫瓶按結(jié)構(gòu)一般分為5 種類型，分別為Ⅰ型（全金屬結(jié)構(gòu)）、Ⅱ型（金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞結(jié)構(gòu)）、Ⅲ型（金屬內(nèi)膽纖維全纏繞結(jié)構(gòu)）、Ⅳ型（非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞結(jié)構(gòu)）、Ⅴ型（無(wú)內(nèi)膽全復(fù)合結(jié)構(gòu)）。在70 MPa壓力等級(jí)下，Ⅰ、Ⅱ型儲(chǔ)氫瓶的瓶體材料需要很高強(qiáng)度，加劇金屬氫脆現(xiàn)象，同時(shí)其儲(chǔ)氫密度（容重比）較低，難以滿足車載儲(chǔ)氫需求。Ⅲ、Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶由內(nèi)膽、碳纖維強(qiáng)化樹脂層和玻璃纖維強(qiáng)化樹脂層構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖5 所示。其中內(nèi)膽密封阻隔氫氣，復(fù)合材料層承載壓力，樹脂固化復(fù)合材料。為使樹脂在85 ℃時(shí)不出現(xiàn)性能下降，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度一般大于105 ℃，故超溫時(shí)氣瓶存在失效風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 Ⅳ型瓶結(jié)構(gòu)示意

Ⅲ型瓶一般使用金屬鋁作內(nèi)膽，熱導(dǎo)率155 W/（m·K），比熱容900 J/（kg·K）。Ⅳ型瓶一般使用高密度聚乙烯（HDPE）或聚酰胺樹脂（PA）作內(nèi)膽，熱導(dǎo)率低至0.5 W/（m·K），比熱容達(dá)到2 100 J/（kg·K），其導(dǎo)熱系數(shù)顯著低于Ⅲ型瓶，因此在氫氣加注產(chǎn)熱時(shí)，更難以將氫氣熱量傳導(dǎo)至瓶壁，從而在加注結(jié)束時(shí)瓶?jī)?nèi)氫氣溫度更高[13-14]。研究發(fā)現(xiàn)由于內(nèi)膽材料傳熱性能的差異，Ⅳ型瓶溫升更顯著。仿真結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)行預(yù)冷式70 MPa 加注時(shí)，Ⅲ型瓶和Ⅳ型瓶在加注結(jié)束時(shí)刻的氫氣溫度差異達(dá)到10 ℃[15]，如圖6（a）所示，因此對(duì)于Ⅲ型瓶和Ⅳ型瓶應(yīng)區(qū)別制定安全加注控制手段。

圖6 Ⅲ/Ⅳ型儲(chǔ)氫氣瓶加注溫升對(duì)比、傳熱示意

目前國(guó)外普遍采用Ⅳ型70 MPa 儲(chǔ)氫瓶，國(guó)內(nèi)浙大、天海、科泰克、斯林達(dá)、國(guó)富氫能及中材科技等企業(yè)均已研制應(yīng)用Ⅲ型70 MPa儲(chǔ)氫瓶，Ⅳ型瓶受限于法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)尚處于研發(fā)階段。但Ⅳ型瓶在儲(chǔ)氫密度、耐氫脆、耐疲勞、成本方面都要優(yōu)于Ⅲ型瓶，應(yīng)用將越來(lái)越普遍。2022 年2月，中國(guó)氣瓶標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)對(duì)《車用壓縮氫氣塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)征求意見(jiàn)[16]，正式實(shí)施后將加速Ⅳ型瓶在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的研發(fā)推廣。

3.3 70 MPa 快充溫升研究進(jìn)展

焦耳—湯姆孫效應(yīng)[17]（Joule-Thomson effect）指氣體在節(jié)流過(guò)程中溫度隨壓強(qiáng)變化的現(xiàn)象，對(duì)于真實(shí)氣體該現(xiàn)象可用焦耳湯姆孫系數(shù)μJ-T 來(lái)表征。常溫下氫氣和氦氣μJ-T＜0，節(jié)流膨脹后溫度升高，產(chǎn)生制熱效應(yīng)。常溫下對(duì)轉(zhuǎn)化溫度很低的氣體（如氫、氦等），節(jié)流后溫度反而升高，稱為負(fù)焦湯效應(yīng)。在加氫站工況下（－40～85 ℃），氫氣的焦湯系數(shù)始終為負(fù)，因此氫氣在加注到車載儲(chǔ)氫瓶時(shí)會(huì)升高溫度，這就是氫氣加注時(shí)產(chǎn)生的溫升效應(yīng)。

針對(duì)溫升效應(yīng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)車載儲(chǔ)氫瓶產(chǎn)熱散熱機(jī)制和影響車載儲(chǔ)氫瓶最終溫升的因素做了大量研究，美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)（SAE）為輕型燃料電池汽車制定了J2601 加注協(xié)議，主要適用于采用Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶的車輛[18]。車載儲(chǔ)氫瓶在加注過(guò)程中的產(chǎn)熱主要包含氫氣的負(fù)焦湯效應(yīng)、氫氣動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能、瓶?jī)?nèi)氫氣被壓縮，其中氫氣壓縮對(duì)產(chǎn)熱貢獻(xiàn)最大，負(fù)焦湯效應(yīng)則是氫氣較其他氣體溫升更為劇烈的主要原因；散熱主要包含瓶身吸熱以及瓶身向環(huán)境間的散熱，無(wú)論Ⅲ型瓶還是Ⅳ型瓶，加注時(shí)間內(nèi)瓶?jī)?nèi)氣體散出的熱量主要被瓶身吸收，但Ⅳ型瓶向環(huán)境逸散的熱量更少。從研究結(jié)果來(lái)看，雖然Ⅳ型瓶?jī)?nèi)膽層的比熱容比Ⅲ型瓶大，但其熱導(dǎo)率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Ⅲ型瓶，在快充的加注時(shí)間內(nèi)瓶?jī)?nèi)氫氣散出的熱量主要儲(chǔ)存在內(nèi)膽層，難以傳導(dǎo)到碳纖維復(fù)合層，導(dǎo)致內(nèi)膽層形成較大的溫度梯度，進(jìn)而減小了氫氣與內(nèi)膽層的溫差和熱量傳遞，如圖6（b）所示。從另一角度理解這一現(xiàn)象，即Ⅳ型瓶的快充過(guò)程與絕熱過(guò)程更為接近，有研究表明不同環(huán)境溫度下Ⅳ型瓶的氫氣最大溫升差別很小。加注結(jié)束后雖然瓶?jī)?nèi)氫氣的溫度已達(dá)極值，但瓶身的溫度還會(huì)緩慢上升，一旦超溫將長(zhǎng)時(shí)間保持，嚴(yán)重威脅氫燃料電池汽車的安全運(yùn)行。

學(xué)者們對(duì)可能影響車載儲(chǔ)氫瓶最終溫升的因素進(jìn)行了許多研究，總結(jié)規(guī)律如下：

（1）平均加注速率決定了加注整體時(shí)間，時(shí)間越長(zhǎng)瓶體逸散熱量越多，最終加注溫度越低。

（2）平均加注速率相同時(shí)，加注過(guò)程（先快后慢、先慢后快、階梯式）對(duì)最終溫升影響很小，但加注速度對(duì)溫升影響呈指數(shù)增長(zhǎng)。如開(kāi)始加注速度過(guò)快，則過(guò)程越接近絕熱，瓶?jī)?nèi)氫氣溫度將迅速到達(dá)極值再緩慢下降。氣瓶初始?jí)毫υ? MPa時(shí)，絕熱溫升可超100 ℃。

（3）氫氣預(yù)冷溫度會(huì)顯著影響最終加注溫度，近似呈線性相關(guān)。氫氣預(yù)冷溫度每降低1 ℃，氣瓶?jī)?nèi)的最終溫度降低約0.5 ℃。

（4）環(huán)境溫度（一般認(rèn)為氣瓶初始溫度與環(huán)境溫度一致）對(duì)最終加注溫度的影響較小，基本呈線性相關(guān)。環(huán)境溫度每升高1 ℃，儲(chǔ)氫瓶最終升高約0.3 ℃。

（5）起始?jí)毫?huì)顯著影響儲(chǔ)氫瓶溫升，基本呈線性相關(guān)。起始?jí)毫ι? MPa儲(chǔ)氫瓶最終降低約2 ℃。

（6）氣源壓力主要影響氫氣流速，一定程度增加由動(dòng)能轉(zhuǎn)化的熱量，但對(duì)焦湯效應(yīng)和壓縮效應(yīng)幾乎無(wú)影響，對(duì)最終加注溫度影響較小。

（7）氣瓶長(zhǎng)徑比對(duì)瓶?jī)?nèi)氫氣溫度分布有較大影響。長(zhǎng)徑比大時(shí)，氫氣對(duì)流作用明顯，徑向溫度分布更不均勻，瓶肩和瓶尾處的氫氣溫度要比中部高。

如果不對(duì)溫升效應(yīng)進(jìn)行控制，加注過(guò)程中車載儲(chǔ)氫瓶的溫度會(huì)迅速升高超過(guò)最高工作溫度，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致氣瓶失效發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，另外結(jié)束充裝時(shí)氣瓶?jī)?nèi)氫氣溫度過(guò)高，氫氣密度降低，即使充至目標(biāo)壓力仍達(dá)不到額定SOC。為此一方面可通過(guò)降低加注速度，延長(zhǎng)加注時(shí)間，增加儲(chǔ)氫瓶對(duì)外界的散熱；另一方面可對(duì)氫氣進(jìn)行預(yù)冷，降低所加注氫氣的溫度。研究表明Ⅲ型35 MPa儲(chǔ)氫瓶在一定的加注速率下，不需要預(yù)冷SOC 也能達(dá)到100%；Ⅳ型35 MPa儲(chǔ)氫瓶在環(huán)境溫度較高時(shí)，需要對(duì)氫氣預(yù)冷SOC才能達(dá)到100%。

4 安全加注分析和試驗(yàn)研究

4.1 氫氣加注過(guò)程的特點(diǎn)和安全性問(wèn)題

商業(yè)化加氫站為提高氫氣加注效率，普遍對(duì)氫氣進(jìn)行預(yù)冷，使整個(gè)加氫過(guò)程控制在3～8分鐘。按照國(guó)標(biāo)《氫燃料電池汽車輛用加注規(guī)范》征求意見(jiàn)稿[13]中分級(jí)，35 MPa 加氫站氫氣預(yù)冷等級(jí)一般按照T0建設(shè)，即0 ～10 ℃；極少數(shù)可以達(dá)到T20，即-20～0 ℃。70 MPa加氫站氫氣預(yù)冷等級(jí)一般按照T40建設(shè)，即-40～－20 ℃；若進(jìn)一步降低預(yù)冷等級(jí)，會(huì)增加能耗，另外過(guò)冷的氫氣對(duì)內(nèi)膽和密封圈有損害（溫度低于233 K 時(shí)碳纖維復(fù)合層和樹脂的性能可能會(huì)出現(xiàn)劣化），也存在超充的風(fēng)險(xiǎn)。所以在35 MPa加氫站對(duì)裝載有Ⅳ型70 MPa儲(chǔ)氫瓶的車輛進(jìn)行加注時(shí)，一般即使將預(yù)冷溫度設(shè)置到最低，氫氣的槍口溫度也不會(huì)低于0 ℃。這種情況下，我們只能對(duì)氫氣流速進(jìn)行控制，以達(dá)到控制車載儲(chǔ)氫瓶最高溫度不超過(guò)85 ℃的目的。

由以上分析可知載有Ⅳ型瓶的70 MPa 氫燃料電池汽車在35 MPa加氫站加注時(shí)有以下特點(diǎn)：

（1）加注過(guò)程為非通信加注。非通信加注時(shí)，加氫系統(tǒng)無(wú)法獲得車載儲(chǔ)氫瓶的實(shí)時(shí)溫度，存在超溫的安全隱患。

（2）溫升效應(yīng)明顯。由于向外導(dǎo)熱慢，Ⅳ瓶的溫升效應(yīng)較Ⅲ瓶顯著增強(qiáng)。

（3）預(yù)冷達(dá)不到快充要求。35 MPa加氫站預(yù)冷等級(jí)多為T0，達(dá)不到快速加注要求。

（4）加注過(guò)程中無(wú)法控制升壓速率。不同于70 MPa加氫機(jī)配置有主動(dòng)調(diào)壓閥，35 MPa加氫機(jī)基本采用被動(dòng)調(diào)壓，加氫過(guò)程無(wú)法主動(dòng)控制升壓速率。

4.2 加注試驗(yàn)及結(jié)果分析

基于上述加注過(guò)程的溫升規(guī)律和安全性特點(diǎn)，為進(jìn)一步研究Ⅳ型瓶70 MPa車輛加注35 MPa氫氣的特點(diǎn)，提出可行性建議，在南方某加氫站進(jìn)行了加注試驗(yàn)?？紤]到危險(xiǎn)性和操作成本，試驗(yàn)盡量選取較為極端的邊界條件，使結(jié)果更具參考價(jià)值。該試驗(yàn)加氫站為35 MPa加氫站，氫氣預(yù)冷等級(jí)為T0，采用水冷換熱方式進(jìn)行預(yù)冷；試驗(yàn)對(duì)象為裝載Ⅳ型70 MPa儲(chǔ)氫瓶車輛，瓶?jī)?nèi)設(shè)置溫度傳感器；試驗(yàn)時(shí)間選為夏季中午，氣瓶處于罩棚遮陰處，加氫機(jī)測(cè)得環(huán)境溫度為32 ℃。初始條件為站端氫氣壓力較高39.5 MPa，氣瓶端氫氣壓力較低5.5 MPa，加氫站設(shè)計(jì)為三級(jí)加注，該試驗(yàn)為一級(jí)加注（分級(jí)加注主要考慮節(jié)約氣體壓縮過(guò)程中輸入的能量，對(duì)于氣瓶溫度效應(yīng)的影響較小，但一定程度上延長(zhǎng)了加注時(shí)間，有利于氣瓶散熱）。

根據(jù)上述初始條件，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該次試驗(yàn)若不降速加注超溫的概率很大。故氫氣流速通過(guò)節(jié)流閥設(shè)置為約平常1/4，氫氣預(yù)冷溫度設(shè)置為10 ℃（最低可設(shè)置至5 ℃，加注過(guò)程實(shí)測(cè)為9～12 ℃），由于壓差較大加注過(guò)程基本為定質(zhì)量流量加注。試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)氫瓶的溫度和壓力，若發(fā)生超溫超壓，則立即停止試驗(yàn)。

試驗(yàn)氣瓶的溫度、壓力、加注量隨時(shí)間變化曲線如圖7所示，在整個(gè)約240 s的加注時(shí)間內(nèi)，質(zhì)量流率基本恒定，約為0.56～0.62 kg·min-1，僅在加注快結(jié)束時(shí)有略微下降。加注開(kāi)始時(shí)氫氣溫升非常劇烈，前20 s溫升達(dá)30 ℃；90 s 以后溫升較為緩慢，135 s 以后溫升變得很??；約224 s 時(shí)達(dá)到峰值85.6℃，隨后溫度開(kāi)始略微下降，至充裝結(jié)束溫度約為85.0 ℃；整個(gè)加注過(guò)程最大溫升53.6 ℃，加注結(jié)束時(shí)溫升53 ℃。加注停止后降溫速率立即變快，靜置約150 s后降至72 ℃，氣瓶壓力也隨之緩慢下降。結(jié)果顯示此次試驗(yàn)恰好處在超溫的臨界點(diǎn)，具有較強(qiáng)參考性。在較小加注速率下，溫升已經(jīng)非常明顯，還應(yīng)進(jìn)一步降低加注速率；0.60 kg/min加注速率下，10 ℃的氫氣預(yù)冷溫度不夠低，還應(yīng)進(jìn)一步降低；目前加注協(xié)議的終止壓力為35 MPa，該試驗(yàn)加注結(jié)束時(shí)由于溫度較高，SOC約為85%（以35 MPa為基準(zhǔn)）。

圖7 試驗(yàn)氣瓶溫度、壓力、加注量隨時(shí)間變化曲線

5 結(jié)論

基于以上研究及試驗(yàn)結(jié)果，可從增大儲(chǔ)氫瓶對(duì)環(huán)境的散熱和降低加注氫氣溫度兩個(gè)角度提出安全加注策略：

（1）通過(guò)控制加注速度，延長(zhǎng)整體加注時(shí)間，使瓶身散出熱量增多，可降低最終溫升，同時(shí)要注意控制開(kāi)始時(shí)（前90 s）的加注速度，確保加注前期最大溫升不超過(guò)限定值。

（2）通過(guò)預(yù)冷，對(duì)加注氫氣的溫度進(jìn)行控制，從而降低最終溫升，是目前快速加注的唯一辦法。

相應(yīng)為35 MPa加氫站提出技術(shù)改造方案：

（1）在加注管路上增設(shè)減壓裝置（節(jié)流閥、自動(dòng)減壓閥等）來(lái)控制加注速度，可降低對(duì)氫氣預(yù)冷的要求，改造成本最低，但加注時(shí)間延長(zhǎng)。

（2）提高站內(nèi)加氫預(yù)冷機(jī)組的預(yù)冷等級(jí)，改造成本及能耗較高，但可實(shí)現(xiàn)快充和提高客戶體驗(yàn)。

基于氫燃料電池汽車商業(yè)化應(yīng)用的發(fā)展背景，該文分析了未來(lái)氫燃料電池汽車和加氫站的發(fā)展趨勢(shì)，總結(jié)了70 MPa氫氣加注過(guò)程中的接口、協(xié)議、加注模式以及Ⅲ、Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶和氫氣充裝的溫升特點(diǎn)，通過(guò)加注試驗(yàn)獲得了真實(shí)溫升數(shù)據(jù)，為現(xiàn)有35 MPa加氫站提出改造建議，研究結(jié)果對(duì)加注Ⅳ型35 MPa儲(chǔ)氫瓶也有一定參考價(jià)值。但加注試驗(yàn)難以覆蓋所有使用場(chǎng)景，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，安全加注應(yīng)研究制定專項(xiàng)協(xié)議，使其從現(xiàn)階段保守、低速、低充滿率提升至安全、快速、高效節(jié)能的水平。