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燃料电池汽车高压供氢组合阀研究综述

时间:  2020-08-24 14:40   来源:  氢云链    作者:  网络转载

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伴随着经济的高速发展,我国的汽车数量也在大幅增加,由汽车尾气导致的环境问题已迫在眉睫。根据中国汽车工业协会公布的数据,截至2015年1~4月,我国汽车产量和销量分别为828.08万辆和814.48万辆,同比增长了4.1%和2.8%,全国的汽车保有量已经突破了1.63亿辆,仅次于美国,成为全球第二。传统的化石燃料汽车排放的尾气中含有一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、碳氢化合物(HC)和细微颗粒物等,在污染生态环境的同时,也危害着人类的身体健康。根据据世界资源研究所和中国环境检测总站的测算,我国有7个城市属于全球大气污染最严重的10个城市。对大气污染的治理已经成了刻不容缓的工作。目前大力推广的新能源汽车有望缓解这一问题。

在新能源汽车中,氢燃料电池汽车因其效率高、续航里程长和近乎零排放的优点,被普遍认为具有广阔的发展前景。氢燃料电池通过氢气和氧气反应产生的化学能来发电。而且氢气因为其资源丰富、无污染、燃烧值高和可再生的特点,得到了各国的广泛认可。氢气的制备、储存和使用问题,是制约氢能使用的关键问题,吸引了大量的研究者投身其中。我国也投入了大量的人力物力,进行氢燃料电池汽车的相关研究。

氢燃料电池汽车的动力系统由储氢设备、供氢组合阀和氢燃料电池组成。用高压储氢气瓶的储存氢气是目前广泛采用的方法。提升储氢压力进而增加储存的氢气质量,可以大大延长燃料电池汽车的续航里程,但送入燃料电池的氢气必须为低压气体。因而需要供氢组合阀来将储氢气瓶中的高压氢气经减压后,稳定地释放到燃料电池中。

高温、大压差、高纯度氢的工作环境,使得供氢组合阀不同于一般的气体阀门,随着储氢气瓶向高压发展,对供氢组合阀密封、减压和安全等方面性能的要求也日渐提高。本文在介绍供氢组合阀组成和功能的基础上,从氢气性质、组合阀材料、组合阀流场仿真、组合阀密封和集成化等方面详细综述与高压供氢组合阀设计密切相关的研究热点。

1、供氢组合阀的功能和组成

1.1供氢组合阀在供氢系统中的功能

1.1.1供氢系统组成

供氢系统是氢燃料电池汽车内部的供能系统,负责氢气的储存、输送和使用。供氢系统主要由高压储氢气瓶、供氢组合阀和氢燃料电池组成。

高压储氢气瓶用来存储温度在临界温度以上的高压气态氢气,高压气态储氢凭借其存储耗能低、成本低、充放氢速度快、工作温度范围广等优点,成为目前被广泛使用的储氢方式。高压气态储氢通过高压压缩的方式将氢气储存在气瓶内,目前35MPa的储氢气瓶已经是较为成熟的产品,70MPa的储氢气瓶也有部分应用。不过从35MPa~70MPa,氢气密度并非是线性增长,70MPa的氢气密度仅比35MPa时增加了约70%。而且压力增加,对钢瓶壁厚的要求会更大,成本升高。有学者认为,储氢压力为55~60MPa时可能会满足最佳的成本效益。目前高压储氢气瓶多采用复合材料纤维缠绕铝内胆结构的Ⅲ型瓶结构。

氢燃料电池是一种以电化学反应的方式将氢气与氧气的化学能通过转换为电能并输出的能量转换装置。氢燃料电池具有能量转化率高、低噪音、零排放和维护要求低等优点。其电解质隔膜两侧分别发生H2失电子的氧化反应与O2得电子的还原反应,电子在外电路中运动形成电流,为其他部件提供电能,最终反应产物为水。燃料电池的工作压力一般在0.16MPa左右,而且为了避免影响燃料电池的正常工作,送入燃料电池的氢气应该保持一定的清洁度。

1.1.2供氢组合阀功能

图1为供氢组合阀功能示意图,供氢组合阀连接着高压储氢气瓶和氢燃料电池,车辆在加氢站加氢时,加氢站的氢气通过供氢组合阀注入高压储氢气瓶。在车辆行驶时,高压储氢气瓶内的高压氢气,经供氢组合阀减压后稳定地输送给氢燃料电池。

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因为储氢气瓶中存储的是高压氢气,而燃料电池需要低压氢气,所以需要供氢组合阀将储氢气瓶中的高压氢气,减压到一定范围后平稳地输送到燃料电池中。而且为了实现自动化,需要能通过电信号控制组合阀内气路的开关,并能够实时监测氢气的温度和压力。为保证氢气中的杂质不进入燃料电池,组合阀还应具有过滤功能。为应对氢气燃烧爆炸等极端情况,组合阀还应具备一定的安全保护功能。总的来说,理想的供氢组合阀的需要实现的功能包括电信号控制气路的开关、将氢气压力降至额定范围、精确控制流量、检测氢气的压力和温度、过滤气体中的杂质和限流保护等。

1.2供氢组合阀的常见组合形式

集成化是供氢组合阀的未来的发展趋势,但组合阀的功能最初是由各种阀门串联实现的。刘扬等按照逻辑次序,对35MPa供氢组合阀的组成部分进行了选型和设计,其阀门组成如图2所示。该组合阀由手动阀、过滤器、限流阀、电磁阀、减压阀、压力和温度传感器组成。手动阀用来手动控制气路的通断。过滤器负责过滤气体中的杂质,避免它们影响下游的燃料电池正常工作。限流阀主要功能是当供氢系统失控排放时,自动关闭气路,避免过多的氢气进入燃料电池。电磁阀在电信号控制下启闭,从而控制气路的通断。减压阀通过节流过程将高压氢气转变为低压氢气。压力和温度传感器用来监测氢气的压力和温度,以确定供氢系统处于正常工作状态,根据氢气状态方程,还可以计算出剩余氢气质量。

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该装置主要工作流程如下:充气时打开手动阀2,关闭电磁阀;充气完成后,关闭手动阀2,燃料电池需要氢气时,打开电磁阀,氢气流经滤器、限流阀、手动阀1、电磁阀和减压阀后,进入燃料电池。手动阀1的作用是当电磁阀无法工作时,代替电磁阀控制气路的启闭。这种设计基本涵盖了组合阀应该实现的功能,但使用手动阀会降低其自动化程度,并且对于极端情况的考虑也不够充分。

《燃料电池供氢系统的研究进展》中提到的结构如图3所示,包括溢流阀、单向阀、过滤阀、管路电磁阀和减压阀。主要的改进包括:在充气口增加了单向阀,可以避免在加氢时储氢气瓶中的氢气倒流;增加溢流阀,当系统压力过高时释放掉气路内的氢气,避免造成进一步的损害;同时安装了高压和低压传感器以及温度传感器,在监测氢气的温度和储备情况的同时,也确保进入燃料电池的氢气压力在正常范围内,并防止加氢的过程中出现过压的情况;选用双减压阀进行减压,输出压力较为稳定,并且可以通过调节阀门开度来调节压力和流量。该装置的不足在于无法在压力不变的情况下调节流量。

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2、供氢组合阀设计中的关键问题

2.1氢气性质

因为氢气具有不同于一般气体的性质,所以供氢组合阀的设计也不同于其他的气体阀门。设计供氢组合阀的时候,需要充分考虑氢气性质。氢气的化学式为H2,分子量为2.0156g/mol,熔点-259.2℃(14.01K),沸点-252.8℃(20.28K),在标准状态下密度为0.090kg/m3,是世界上已知的密度最小的气体。氢气热值很高,每千克氢气完全燃烧可以释放1.4×108J的热量。氢气也是一种易燃易爆的气体,燃点在600℃左右,在空气中的燃烧界限为5%~75%。氢气的临界压力为1.2945MPa,临界温度为33.25K,根据美国国家标准技术研究所(National Institute of Standardsand Technology,NIST),273K下1mol氢气在不同压力下的体积和密度如表1所示。

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地球上氢气资源丰富,而且来源多样,氢气与氧气反应的产物是水,清洁无污染,氢气还可以用来储存过剩的电能。这些优点使得氢气成为备受瞩目的替代能源。但同时氢气的分子小、渗透率大、易燃易爆等特性,也给供氢组合阀的设计带来了很多挑战,氢气性质对供氢组合阀设计的影响主要在以下三个方面:

1)对材料的劣化作用。临氢环境下的金属会发生氢脆和氢腐蚀等降低材料性能的现象,因此组合阀的需要选取合适的材料。

2)易泄漏扩散。氢气分子极小,渗透率很大。常规的密封方式无法有效地防止氢的泄露,对氢气泄露规律和原理以及更好的密封方式应当展开进一步的研究。

3)易燃易爆。可燃范围宽,燃烧热值高、爆炸能量大。因此组合阀需要能在紧急情况快速释放掉残留的氢气,并尽可能地避免氢气泄露。增强对氢气泄露的检测灵敏度,完善相应的安全预防措施。

2.2组合阀材料

高压氢气环境会对材料产生一定的劣化作用,主要表现为氢脆或氢腐蚀,为避免材料劣化影响组合阀的正常工作,应选择合适的材料。氢脆是由于氢分子通过吸附、渗透进入金属材料,并在其某一局部聚集,从而导致材料性能下降的现象,材料的性能下降主要表现在塑性损减、裂纹和断裂等方面。如果不加以注意可能会导致部件断裂等严重的后果,预防氢脆的重要方法就是选择合适的抗氢材料。

抗氢材料指的是在高压氢环境下,依然能保持相对优良的性能的金属材料。一般来说,面心立方结构合金比体心立方结构合金的抗氢性能要好;抗氢合金只在某一温度范围内对氢比较敏感;合金的晶粒越细,抗氢性能越好。抗氢脆合金经历了从早期的低强度单相奥氏体合金,到高强度沉淀强化奥氏体合金,再到现在的耐高温高强度高塑性沉淀强化铁镍基奥氏体合金的演变。奥氏体基体具有良好的抗氢脆性能,并且其硬度可以通过沉淀强化提高,因而被大量应用在氢环境中。衡量材料抗氢脆性能的主要指标是断面收缩率和延伸率。中国科学院金属研究所开发的系列抗氢合金HR-1,HR-2等具有较好的综合力学性能和抗氢性能。而且为了提高材料抗氢损伤的性能,合金的冶炼、铸、锻、焊、热处理都应遵循相应的制备规律,严格控制其组织结构。

材料与氢相容性试验数据库是选择抗氢脆材料的重要依据。1960年以来,美国圣地亚哥国家实验室对常用的抗氢材料进行了评估和测试,建立了材料与氢相容性试验数据库。数据库中包括纯铁素体钢、低合金铁素体钢、高合金铁素体钢、奥氏体钢等的拉伸试验数据、断裂力学试验数据、疲劳试验数据等。这些数据为选择氢环境下的材料提供了可靠的支持。

对组合阀来讲,在考虑材料的抗氢性能的同时,也要兼顾其锻造铸造性能。同时要注意在材料加工的时候避免氢进入材料。

2.3组合阀流场仿真

因为氢气的压力、温度和流量会影响燃料电池运行效率,也关乎供氢系统的安全,所以压力、温度和流量的控制规律是供氢组合阀设计中极为重要的问题。而氢气的性质主要是在加注和减压过程中发生剧烈变化,因此这两个过程中氢气流场温度和压力等性质的变化规律具有重要的研究价值。储氢气瓶内的压力一般为35MPa或70MPa,燃料电池需要的氢气压力仅为0.16MPa左右,减压过程的安全、稳定和快速对于供氢组合阀而言至关重要。由于高压氢气的危险性,实验研究具有一定的难度,目前对于减压阀减压过程多采用数值仿真和建立数学模型的方式进行研究。研究内容包括加注氢气期间的温度效应、影响减压效果的关键参数、不同减压结构的减压效果等。

氢气加注过程中会存在一定的温升效应,储氢气瓶内气体的状态是组合阀内部流场的入口边界条件,因此有必要对温升规律进行研究。郑津洋等对70MPa,74L的Ⅲ型储氢气瓶进行了实验和数值仿真,以研究充氢过程的温升现象及其控制规律。实验所用的储氢气瓶内氢气的初始压力分别为9.5MPa和5.5MPa,充气时间为840s和630s。实验及数值仿真结果表明:储氢气瓶内部温度分布较为均匀;加注速率越大,加注终止时气瓶内部氢气温升越大;最终温度随初始压力的增加和环境温度的降低而近似线性地降低。

訚耀保等通过建立数学模型的方法分析了车载超高压气动减压阀的工作机理、基本特性和造成出口压力波动的关键因素。减压阀结构如图4所示,减压阀和阀套在结构上形成压力反馈腔,将负载压力反馈给弹簧,以稳定出口压力。分析结果表明:阀内流道的等效阻尼长度和压力反馈腔体积是影响阀出口压力波动的重要因素,流道的等效阻尼越小,阀口关闭越快,出口压力波动越小;压力反馈腔体积越大,其压力缓冲作用越明显,出口压力波动越小,但延迟时间也越长。

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有研究人员通过建立了减压阀开口系统的绝热节流热力学模型的方式,研究了氢能源汽车输氢系统二级高压气动减压阀出口的气体温度特性。利用稳态流动时,节流前后两截面的焓不变的特点,建立了入口和出口的温度、压力等变量之间的关系式,并利用MATLAB软件绘制出氢气绝热节流过程中的制冷和制热转换曲线和等焓曲线,得出以氢气为工作介质的减压阀出口温度随入口压力升高而升高的结论。

也有研究者采用CFD方法对某氢能源汽车的两级高压气动减压阀进行了流场分析,研究了二维情况下的节流减压过程,得出阀腔内部的压力场和速度场,对两个阀口的减压作用进行了分析。入口压力设置为35MPa,出口压力为0.16MPa。结果表明氢气压力在阀口处迅速下降,阀口附近且偏下游的位置出现最高流速。进一步将入口压力升高到70MPa,得出了两级减压阀各阀腔内部的压力场和速度场分布规律。研究结果表明:氢气压力在阀口处迅速下降,在其它部分压力分布较为均匀;第一级和第二级减压阀的阀口处气体均为超音速流动状态,分别达到了2.5Ma和3.1Ma,且两个减压阀出口的封闭直角区域均存在低速涡流现象。

针对传统减压阀噪音大,振动大,能量损耗多的缺点,陈富强等提出如图5所示的新型减压阀结构并进行了数值模拟。该阀由一个多级减压阀和一个多级消声器组成,在不同的阀门开度下进行了仿真计算,对其压力场、速度场和能量损耗进行了研究。金志江等对特斯拉阀进行了氢气减压的参数化研究。选取了水力直径、阀角和内曲线半径为关键参数,分别研究他们对减压效果的影响。特斯拉阀因为没有可动部件,不容易损坏,如果应用在减压阀上可以提高其可靠性和使用寿命。

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2.4组合阀的密封问题

氢气是自然界相对分子质量最小的气体,因此相较于其他的气体而言,更容易发生泄露,甚至渗漏。氢气泄露不仅会导致氢气用量的减少,更重要的是,氢气无色无味,少量的泄露难以被察觉,如果与空气混合达到了一定的浓度范围,就会有燃烧爆炸的危险,是不容忽视的安全隐患。氢气的燃烧爆炸会产生较高的温度场和压力场,对周围的群众的人身和财产安全造成巨大损害。所以应该重视氢气的密封问题。

目前高压氢气大多采用橡胶O型圈密封。但是橡胶O型圈密封结构直接暴露在高压氢气环境中,经常会发生氢的侵入和溶解继而造成橡胶膨胀,吸氢膨胀对其密封性能的影响却鲜有报道。为解决这一问题,周池楼等提出了耦合氢致应变的橡胶超弹性本构模型;然后利用有限元软件ABAQUS,建立了考虑吸氢膨胀效应的橡胶O型圈密封有限元模型,同时对模型进行了验证。利用该模型研究了吸氢膨胀对高压氢气下橡胶O型圈密封特性的影响。结果表明,吸氢膨胀对密封的影响有着正负两种效应:一方面吸氢膨胀会提高密封面上的接触应力,利于密封条件的形成;另一方面也使得O型圈截面的高度和面积以及O型圈的Mises应力增大,从而加剧了橡胶O型圈出现应力松弛和永久变形的倾向,降低了密封可靠性。考虑到吸氢膨胀效应的影响,在设计高压氢气橡胶O型圈密封结构时,预压缩率不应过大,以避免出现O型圈应力过大或挤出失效的情况。

2.5组合阀集成化的研究

阀门间的连接越多,管路越复杂,就存在越多的安全隐患。传统的多级阀门串联的供氢方式,存在管路复杂、结构分散、集成度低等问题,使得车内空间利用率低,松散的结构也存在安全隐患,而氢气的压力与能量调节程度也会影响燃料电池堆的效率,因此对燃料电池供氢系统的集成化展开研究有着重要意义。焦杰等提出如图6所示的集成式组合阀模型,通过AMESim仿真模型研究了阀的设计参数和输出量之间的变化规律,并以阀体轻量化为目标对阀体结构进行了拓扑优化。集成化能大大减少组合阀的质量和体积,结构的精简也有利于安全性的提高。

燃料电池汽车高压供氢组合阀研究综述

对集成化的组合阀进行流量和出口压力控制的研究也十分必要。何雍等提出基于MotoTron平台的氢共轨喷射系统快速原型开发技术。将喷射器入口压力作为输入量,喷射器开启持续时间作为控制量,并通过对控制参数的整定,达到共轨喷射系统氢气输出稳态误差合理、出口流量动态可调的目的。结果表明,该方法能使氢气在燃料电池阳极分布更为均匀,能保证燃料电池的效率与系统性能,解决了常规供氢系统采用稳压定量供给方式的低需求时供应过量、高需求时供求不足的问题。

3、总结

氢燃料电池汽车有望取代传统化石燃料汽车,缓解由汽车尾气引起的大气污染问题。供氢组合阀是燃料电池汽车的关键部件,连接着储氢气瓶和燃料电池堆,其功能包括电信号控制气路的开关、将氢气压力降至额定范围、精确控制流量、检测氢气的压力和温度、过滤气体中的杂质、限流保护等。本文在介绍供氢组合阀组成和功能的基础上,从氢气性质、组合阀材料、组合阀流场仿真、组合阀密封和集成化等方面详细综述与高压供氢组合阀设计密切相关的关键问题,这些问题制约着供氢组合阀的设计和加工。但燃料电池汽车广阔的发展前景必将吸引更多的研究者投身其中,关于供氢组合阀的理论和技术也将日渐成熟,推动燃料电池汽车的商业化应用。
 

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