燃料電池汽車氫氣加注控制策略分析

陳婕

上海燃料電池汽車動力系統有限公司 上海市 201804

1 引言

在當今世界，“油荒”已經是許多國家共同面臨的一大難題，已經在很大程度上限制到了經濟發展速度與水平，積極尋找石油的替代品并研究其應用與發展是世界范圍內科學家近年來重點研究的課題，可再生的氫是當前科學界提出并已經運用到了實踐中的一項選擇。另一方面，可再生氫還具有以往的石油所不具有的環保優勢，其清潔性又為當下污染大難關提供了一劑良藥。綜合以上兩個背景，研究并實際運用氫燃料電池及配套的氫燃料加注協議與策略，探究這一新技術可能存在的安全問題，排除安全隱患，應對可能發生的不可避免的問題，提出應急機制等一系列的問題是重要而緊迫的。

燃料電池汽車以清潔無污染的氫氣做燃料是其最大的特色和亮點，其動力是來源于氫氣與自然環境中的氧在燃料電池中產生的電能，一方面氫氧反應具有較為高效的能量效率，完全可以支撐汽車運行，且氫氣本身的特性使得這一過程可稱為零污染，其排放物只有水而已；另一方面，我們需要充分重視到其可能存在的多種問題，氫氣本身所具有的泄露率高、易發生爆炸等長期桎梏給燃料電池汽車事故的發生埋下了多種隱患，這是燃料電池汽車的購買者和制造者們共同關注的問題。此類安全隱患包括了氫氣儲備設備、車載氫氣系統的穩定、電動汽車發生碰撞及其導致的氫氣泄露等問題。故而，要想對燃料電動汽車進行更為廣泛的深入的推廣，對安全性的深入系統性探索迫在眉睫。

2 加氫策略分析

就當前的需要來說，加氫過程中的訴求一是效率方面，實現快速加注并保障安全；另一方面的訴求就是對于成本的降低，實現低成本加注并保障安全；也就是說要在保障安全的基礎上實現快速便捷的加注。要想達到這兩個目標，當下一般選擇分級優化加注策略，輔之以氫氣預冷技術和溫度控制技術共同設計并改善方案，通過下調氫氣在注入氫瓶時的溫度，優化工藝流程加強控制，達到對效率、溫度及安全性能的最優化調整。

2.1 分級優化加注策略

加氫站儲氫系統一般由多個數量不等的儲氫罐組成，如果需要多個儲氫罐同時工作，就可能導致氫氣利用率的降低，而分級優化加注是解決這一問題的一個有效方法，可以提高氫氣利用率，使得加氫站的功耗最小化。一般而言，加氫站的儲氫罐分為三個不同的級別：低級、中級、高級三個檔次，通過程序的設計，可以實現加氫機的有序作業，從低到高為客戶提供氫氣加注。

舉例而言，在35兆帕加氫機研制中，選擇三路進氣管路的設計，把加氫站的儲氫罐劃為三組，分別成為低級、中級和高級瓶組。通過程序控制，在加注過程中加氫機依據低級→中級→高級的次序從儲氫罐中獲取氫氣。在70兆帕加氫機的研制及后期運用過程中，保留了35兆帕加氫機三路進氣的設計，依然把儲氫罐劃為三組，分別成為低級瓶組、中級瓶組和高級瓶組。這一設計中我們學習借鑒了SAE J2601 輕型氣態氫汽車燃料協議的相關理念，設計了相應的較為科學的程序，從而保障加注過程根據低級→中級→高級的次序從儲氫罐中加注，以進一步提高儲氫罐中氫氣利用效率，實現降低加氫站儲氫量、提高加氫站面積使用效率，降低加氫站空間成本。

2.2 溫升控制策略

因為高壓狀態下的氫氣在快速加注中會發生焦耳-湯普森效應進而導致大量熱量的疊加壓縮熱，以致我們必須控制氫氣加注環節中的溫度，保證其在溫度上限以下，以免帶來安全隱患，所以采用多方面策略共同保障加注過程的安全十分必要。在溫度控制這一目標實現過程中，選擇并利用氫氣的預冷是一劑良方。舉例而言，在在70兆帕的氫氣加注環境下，氫氣的氣源是常溫的，因為焦耳-湯普森效應，快速加注中或已注入的氫氣及氣瓶的溫度會達到八十五攝氏度以上甚至超過這一指標，如果我們不采取特殊措施，僅僅通過自然降溫就會延長加注的時間，加注時間長會導致加注慢影響加注效率的同時又間接導致了時間成本的增加。而我們所選擇的氫氣預冷技術，可以在氫氣加注前通過預先制冷，將氣源的溫度控制在零下四十攝氏度左右，也就是降低了氫氣的基礎溫度，這樣一來，就有效控制了加注過程中的溫度增長范圍，增強安全指數并大大縮短了加注的時間，有效提高加注的效率，在短短的幾分鐘之內完成一輛普通轎車的氫氣加注。

除了上述的預冷技術以外，我們還可以通過溫升控制加注技術進一步加強對加注環境及氣瓶內溫度的控制，只有配合采用多種技術手段才能在最大范圍內保障氣瓶溫度不超過設定的安全范圍，我們這里所提及的溫升控制加注技術的主要針對點在于其對加注過程中的流量控制及氣瓶內的壓力控制。所以，要想有效控制氫氣的溫度及溫升幅度，提高加注的效率與安全指數，就必須將預降溫處理與流量壓力控制結合起來，共同作用以實現目標溫度控制。

2.3 機-車通訊策略

在70兆帕的氫燃料汽車加注環境中，為了達到最快加注狀態下的氫氣加入最大量，就必須獲得車載壓縮氫儲氫系統的精確氫荷狀態 （SOC）。一般而言額定壓力下的壓縮氫存儲系統，其存儲的氫的總質量與車載壓縮氫氣存儲系統完全充滿狀態在理論上是可以等同的。

與此同時，為盡量避免障氫氣加注的危險可能及為燃料電池汽車的加注中保障其瓶內溫度維持在安全溫度范圍之內，在燃料加注中實時關注車載壓縮氫氣存儲系統內的各項目指標，尤其是壓力溫度值是特別重要且十分必要的。

氫燃料電池車載供氫系統主要由儲氫設備、安全閥、電磁閥門、截止閥、瓶閥、壓力傳感設備、瓶內溫度監測設備、氫氣泄漏探測器多個部件構成。氫管理系統不但必須時刻監測并控制儲氫系統和車載供氫控制，而且必須實時觀察加氫機通訊，及時將車載壓縮氫氣存儲系統的各種信息數據，例如壓力、容量、溫度等，保持加氫機-燃料電池車之間的數據聯絡。

紅外通訊技術是多個國內外各個地區時下采用的一種較為廣泛的無線連接方法，具有比較強的兼容性，能應用于多種硬件軟件設備，通過數據電脈沖與紅外光脈沖的轉換，充分保障無線信號能夠及時準確地進行收發，具有其他技術無可比擬的優勢，具體如下：第一，相對于較為傳統的點對點的線纜連接方式，這一技術的應用使得操作更為簡便，利用更加方便；第二，小角度（小于30°錐角）、近距離、點對點的這種直線數據傳輸，使其具有保密度高的優勢；第三，傳輸速率較高。具體在機-車通訊系統中涵蓋了車載供氫系統控制模塊、紅外數據發送模塊、加氫槍，紅外數據接收模塊等。紅外數據發送接收兩個模塊都具備配套的安全隔離與自身安全檢測系統。SAE J2799 輕型氣態氫燃料汽車協議中還明確地對氫燃料汽車紅外通訊的軟件硬件規范作出了說明。

3 SAE J2601 氣態氫燃料汽車協議

這一協議對于輕型車輛氫氣加注的協議與過程都給出了明確的說明，這些過程將壓力增加率、燃料溫度、最大燃料流速等具體指標都限制在一定的范圍之內，結合其他因素，例如環境溫度、燃料傳送溫度等，這一協議經過我們的詳細研究是較為完整科學的。從根本上而言，這一協議是一個以目標性查表方法為基礎的關于加注過程及相關因素的一種規范。在氫氣加注過程中的一個重要指標就是加氣站中多個加氣機的單位時間冷卻效率，以及由這一冷卻能力產生的燃料傳輸溫度評級。理論上，SAE J2601 輕型氣態氫汽車的燃料協議有通信和非通信加注的規范加注表與一個非標準、正開發的加注協議。相對通信加注，這一標準應該同SAEJ2799 氫燃料汽車補給站的軟硬件像協調，相互配合而應用的，有地面氫氣車輛和加氣站通信軟硬件設施組建。

4 結語

以燃料電池汽車加注過程、環境、策略及安全控為核心，對其進行較為系統的技術分析和介紹，作為燃料電池開發應用的重要一環，加氫機的相關技術尚且有非常廣闊的發展潛力，我們需要繼續在理論研究與實踐中探索追尋，共同努力逐漸改善控氫技術，進而推動氫燃料電池汽車的普及式發展，為新能源汽車走近千家萬戶，助力我國經濟社會發展特別是交通領域的創新貢獻一份力量。