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高惠民(本刊编委会委员）
曾任江苏省常州外汽丰田汽车销售服务有限公司技术总监，江苏技术师范学
院、常州机电职业技术学院汽车工程运用系专家委员，高级技师。
解析丰田燃料电池轿车M ira i高压储氢系统（上) ♦编译/江苏高惠民
丰田汽车公司于1992年开始开发燃料电池汽车(FCV:fuel cell vehicles )，此后进行了许多项目研发，以期使这些汽车得到广泛 使用。丰田FCHV-adv发布于2008年，采用的是燃料存储压力为 70MPa的氢气罐，而不是35MPa的氢气罐。通过各种改善燃料经 济性的措施，FCHV-adv的实际续航里程达到了至少500km。继 FCHV-adv之后，丰田公司开发了一款新型FCV轿车Mi「ai(未来)，使其量产化。该轿车配备了新型7〇MPa高压存储系统。新型FCV的 储氢系统比FCHV-adv的存储系统质量轻得多，且成本更低。 一、70 M Pa高压储氢系统布置
优化了新开发的高压氢气罐形状，使其能够安装在轿车型车辆 的地板下方(图1)。
图1高压氢气罐安装布局
这种形状的高压储氢罐确保了车辆具有足够的内部空间和所 需的氢气容量。两个高压氢罐的规格列于表1。高压氢气通过高压 调节器和喷射器两个元件的减压输送给燃料电池堆(FC)，图2所示 为新型FCV高压储氢系统的基本配置。这两个氢气罐通过圆形支 架安装在地板下方，如图3所示。 表1高压氢气罐规格
标称工作压力(MPa)70
防水摄像头结构类型4层(塑料衬里）
尺寸(mm)FR:O350xL1016, RR: 0436xL748储氢罐容量(L)FR： 60.0, RR： 62.4
储氢罐质量(kg)FR: 42.8, RR: 44.7(不包括氢气和阀门）储氢质量(kg)约5.0
多倍频感应耐压试验装置标准
KHK S0128, SAEJ2579, GTR No.13
欧门委员会法规(EC):No.79/2009号
欧门委员会法规(EC):No.406/2012号
2021/03•丨笠细1與(蘇5
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二、减轻高压氢气罐的质量
1.改进的碳纤维增强树脂(CFRP )层压方法
由于高压氢罐在高压氢气存储系统的质量中占最大比例，因此 对罐的设计进行了彻底的修改，图4所示为高压氢气罐的结构。
图4高压氢气罐的结构
高压氢气罐由最内层的塑料构成内衬，以密封氢气，并被能 够承受高压的坚固碳纤维增强树脂层(CFRP , Carbon Fiber
Reinforced Plastic )包围。CFRP 层之外是玻璃纤维强化树脂层
(GFRP , Glass Fiber Reinforced Plastic )，用以承受冲击。最夕卜层 是含有膨胀石墨的耐火聚氨酯保护层和防跌落的耐冲击聚氨酯保 护层。招法兰位于氢气罐内衬的两端，一端用于阀门配件安装。通 过改进CFRP 层结构和减少材料用量，减轻了新开发的高压氢气罐 的质量。图5所示为高压氢气罐的压层图案。
通常，高压储罐CFRP 层压结构采用以下三种类型的缠绕方法 组合，使用环向缠绕来增强储罐的中心区域；小角度螺旋缠绕来增 强圆顶区域(沿轴向)；大角度螺旋缠绕以加强这些区域的边界。必 要时，为了加强边界区域所需的强度，大角度螺旋绕组也缠绕到中 心区域上。由于大角度螺旋绕组以70°的角度缠绕在储罐的中央区 域，因此加强效果不大，如图6所示。 图5高压氢气罐的压层图案
图6纤维缠绕角度和强度效率之间的关系
针对氢气罐中心区域无效的大角度螺旋缠绕，开发了一种新的 压层方法，该方法可在不使用大角度螺旋缠绕的情况下加强边界区 域。图7是新缠绕压层与传统的压层方法对比。
图7传统和新压层方法的比较
具体来说，对缠绕压层方法进行了以下三个更改：
①内衬的截面形状平展，以使得能够通过在边界区域上也形成 环向缠绕的压层；
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②
通过逐渐改变环向缠绕的端部位置，在形成常规衬套形状 的同时加强了边界区域；
③ 把环向缠绕集中在应力大的内层中。
这些更改具有以下两个效果。首先，消除了占总压层结构约 25%的大角度螺旋绕组。其次，环向缠绕是加强储罐中央区域的一 种非常有效的方法，使最大应力集中在内层。这样可以更有效地利 用纤维的强度。与传统的压层方法相比，这种双重作用使CFRP 的 质量降低了 20%。2.法兰的改进
改进氢气罐两端法兰的形状，以帮助减少CFRP 的使用量。通 过增加法兰直径和减小开口端直径的大小来降低法兰对CFRP 的 层表面压力。并可以减少小角度螺旋缠绕层的使用量约5%，图8所 示为法兰施加到CFRP 层的表面压力。
改善叠层结构和优化法兰可大大减少高压氢气罐的边界区域 (通过消除大角度螺旋缠绕)和圆顶区域(通
过减少小角度螺旋缠绕) 的CFRP 使用量。与其他减轻质量的措施相结合，与以前的高压氢 气罐结构相比，这些措施将CFRP 的使用量减少了约40%。结果， 新开发的高压氢气罐实现质量减轻5.7%的效果，这是世界上最轻 量化的储氢罐之一。图9所示为通过传统方法和新开发方法缠绕压 层的储氢罐的横截面对比情况。
爾规结构 新结构
图9传统与新氢气罐横截面的比较三、降低成本和尺寸
1. 增加通用碳纤维的强度
仅将罐的数量从四个减少到两个不足以实现高压存储系统降 低成本的目标。因此，从整个高压存储系统的角度出发，研究了各 种降低成本的措施，包括降低材料成本，减少部件数量以及重复使 用汽油
发动机的部件(如高压传感器)。特别是丰田FCH V -adv 的氢 气罐采用的是航空级碳纤维，其价格非常昂贵。因此，开发新的高 压氢气罐时，在碳纤维制造商的合作下，将通用碳纤维的性能进行 改善。结果是强度提高到几乎与航空级碳纤维相同的水平，而氢气 罐质量更轻。2. 高压阀
该系统的开发在降低高压氢气罐以外的高压组件的成本和尺 寸方面也取得了进展。大多数高压部件在与氢接触的部分使用铝合 金或不锈钢，以防止氢脆化。与丰田FCHV -adv 相同，该系统中的 高压阀和高压调节器使用铝合金作为零件机体，并使用不锈钢作为 内部主要部件。但是，通过改进结构减少了组件的数量。图10比较 了传统阀门和新阀门的结构组成。
这一改进简化了阀门内部的气流路径，并修改了电动截止阀 的布局。电动止回阀的内部结构也得到了改善并减小了尺寸。在丰 田FCHV -adv 中，止回阀等滑动组件被合并到不锈钢套筒中以提 高耐用性。在新的FCV 中，取消了该套筒以减少零件数量和阀门尺 寸。图11比较了止回阀的传统滑动构造和新滑动配合构造。 图11传统和新的阀门滑动配合示意图
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虚拟路由器通常，低硬度的铝合金在与不锈钢结合使用时会出现问题，由 于两种不同性质金属材料接触摩擦产生异物，而异物导致滑动粘 附和不良的密封性。因此，丰田FCHV -adv 的储氢系统设计阀芯 将不锈钢与不锈钢结合在一起，以防止磨损和异物的产生。而新型
FCV 的储氢系统的阀芯开发旨在采用铝体氧化铝膜表面处理代替
不锈钢套筒。试验结果发现，对经表面处理过的铝制套筒能确保在 氢气氛中稳定的滑动特性和工作寿命。图12是通过试验的铝磁盘 材料经氧化铝膜表面处理后与不锈钢球之间的摩擦关系。
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图12试验铝磁盘材料表面氧化铝膜处理和摩擦之间的关系
图13所示为有和没有表面处理的滑动表面差异状态。新设计 的阀体采用这些措施的结果是，阀门的质量减少了约25%，部件数 量减少了35%，从而降低了阀门的尺寸和成本，图14所示为常规阀 和新型阀的夕卜观。
图13有和没有表面处理的滑动表面的差异
图14高压阀比较
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O O O O O O C O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O C 4C O 3.高压调节器
通过重新设计密封件来实现高压调节器的性能和降低零件成 本。位于高压调节器下游的喷射器的控制的重要方面是由高压调节 器控制的压力的瞬时特性。如果瞬态压力变化太大，则喷射量也会 变化很大，从而对燃料经济性产生不利影响。图15概述了调节器的 原理结构图。
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图15高压调节器原理结构
调节器由高压侧的阀芯和低压侧的活塞，弹簧及其他组件组 成。当供应燃料时，调节器的瞬时流量会与下游喷射器的运行同步 变化，在调节器活塞，阀芯和其他组件中产生较小的冲程动作而引 起不稳定性，例如活塞滑动部分的摩擦系数的变化，引起瞬态压力 特性的变化。新调节器通过优化活塞形状
和采用了低成本的活塞滑 动密封材料，以及创新密封材料的形状，确保了调节器稳定的滑动 特性。结果，与丰田FCHV -adv 相比，开发的新调节器以更低的成 本获得了更好的瞬态压力特性。图16所示为在不同流速下瞬态压 力以及反应时间滞后的变化。
图16高压氢气进出口瞬态压力特性比较
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球材料：不锈钢
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没有氧化
不锈钢
有氧化铝膜处理
万向车
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