氫燃料自卸車車載儲氫系統研究與應用

【摘" 要】氫燃料自卸車是一種新型的清潔能源交通工具，具備零排放和低噪聲的特點。其中，車載儲氫系統乃是氫燃料車輛的核心技術要點之一，其性能和安全性直接影響著氫燃料車輛的可行性和應用前景。文章首先介紹氫燃料自卸車和車載儲氫系統的基本原理和結構。隨后，對自卸車的運行場景進行分析，通過計算氫燃料自卸車所需儲氫容量，并對車載儲氫系統的關鍵部件進行詳細分析和評價，同時對自卸車進行氣瓶型式與壓力的選擇。接著，對氫燃料自卸車車載儲氫系統的實際應用進行研究和探討，分析框架的結構，并且對裝配式框架、焊接式框架的優缺點進行對比。最后，對未來氫燃料自卸車車載儲氫系統的部件發展方向和挑戰進行展望。該研究結果對于促進氫能源車輛的推廣應用和相關政策制定具有重要意義。

【關鍵詞】氫燃料自卸車;車載儲氫;氣瓶;框架

中圖分類號：U469.7" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）12-0001-05

Research on On-board Hydrogen Storage System for Hydrogen Fuel Dump Truck

【Abstract】Hydrogen fuel dump truck is a new type of clean energy transportation tool，with zero emissions and low noise. Among them，the on-board hydrogen storage system is one of the key technological points of hydrogen fuel vehicles，and its performance and safety directly affect the feasibility and application prospects of hydrogen fuel vehicles. The paper first introduces the basic principles and structures of hydrogen fuel dump trucks and on-board hydrogen storage systems. Then，the running scenarios of dump trucks are analyzed，and the required hydrogen storage capacity of hydrogen fuel dump trucks is calculated. The key components of the on-board hydrogen storage system are analyzed and evaluated in detail，and the types of cylinders and pressure are selected for dump trucks. Then，the actual application of the on-board hydrogen storage system of hydrogen fuel dump trucks is studied and discussed，analyzing the structure of the frame，and comparing the advantages and disadvantages of assembled frame and welded frame. Finally，the development direction and challenges of the components of the on-board hydrogen storage system of hydrogen fuel dump trucks in the future are prospected. The research results have important implications for promoting the application and related policies of hydrogen energy vehicles.

【Key words】hydrogen fuel dump truck;on-board hydrogen storage;cylinder;frame

1" 氫燃料自卸車基本概況

自卸車是一類專門用于運輸和傾卸物料的大型貨車，在建筑工地、礦山、渣土運輸和垃圾處理等領域廣泛應用，能有效地運輸和卸載各類物料。氫燃料自卸車是一種使用氫氣作為燃料的自卸車輛[1]，與傳統的柴油或汽油車相比，碳排放更低，能源效率更高;與純電自卸車相比，其克服了電車的補能慢、溫度低難以工作、冬季續航嚴重打折等缺點[2]。

氫燃料自卸車的燃料系統主要包括氫氣儲罐、燃料電池和電動驅動系統。氫氣儲罐儲存高壓氫氣燃料，燃料電池負責將氫氣與氧氣反應產生電能，電動驅動系統則將電能轉化為機械能驅動車輛運行。同時，還配置了電池組用于儲存電能和驅動輔助系統[3]。典型氫燃料自卸車整車運行原理如圖1所示。

氫燃料自卸車使用的氫氣是一種可再生能源，尾氣排放物只有水，具有零排放和環保的特點[4]。而且氫氣是高效能源，相比傳統燃料，能提供更高的能源密度，使得氫燃料自卸車具有更長的續航里程和更高的運載能力[5]。此外，氫燃料自卸車還具有快速加氫、無噪聲和高可靠性等特點。

然而，氫燃料自卸車也面臨一些挑戰。一方面是氫氣供應的問題，目前加氫站的建設不普及，導致氫燃料自卸車的加氫設施不夠完善[6];另一方面是氫氣儲存的安全性問題，高壓氫氣的儲存和使用需要嚴格的安全措施。

盡管存在挑戰，但氫燃料作為一種新型的燃料技術，具有巨大的潛力和發展前景。隨著氫能技術的不斷進步和應用推廣，氫燃料自卸車有望在未來成為物流運輸領域的重要選擇。

2" 車載儲氫的主要類型及選擇

目前，氫的儲存主要有高壓氣態、低溫液態、有機物液態以及固態等幾種方法。這些儲存方法在具體參數、優缺點以及發展現狀上各有不同，具體內容可見表1。

在車載應用氫氣方面，按照目前的技術發展程度和車端對儲氫的需要，高壓氣態儲氫可滿足需求，并在一定時期內，將是國內主要推廣的車載儲氫方法。

3" 氫燃料自卸車車載儲氫系統原理

車載儲氫系統作為氫燃料自卸車的關鍵部件之一，承擔著存儲氫氣燃料以供應氫能源汽車燃料需求的重要使命。它通過對氫氣加壓和儲存，使氫能源車得以長時間行駛并提供所需燃料。該系統主要由氫氣儲罐和相關附件組成。氫氣儲罐作為封閉容器，儲存著高壓氫氣燃料。除了氫氣儲罐，車載儲氫系統還包括一系列的附件和組件，如氫氣壓力調節器、安全閥、壓力傳感器等。調節器將高壓氫氣降壓到適當的燃料供應壓力，確保燃料正常進入燃料電池系統;安全閥在氫氣壓力過高時釋放壓力，保障系統安全運行;壓力傳感器則實時監測氫氣罐壓力狀況，提供必要的指示和報警。圖2為典型氫燃料自卸車車載儲氫系統原理及實物示意圖。在車輛行駛過程中，車載儲氫系統將氫氣供應給燃料電池系統，燃料電池將氫氣與氧氣反應產生電能，驅動電動機運轉。可以說，車載儲氫系統是推動氫能源汽車發展的關鍵技術之一。隨著氫能源技術的不斷進步和應用推廣，車載儲氫系統必將進一步提升氫能源汽車的性能和可行性，為清潔能源交通事業做出更大的貢獻。

3.1" 車載儲氫壓力概況

對于氣態氫氣而言，根據氫氣的物理特性并參照圖3顯示的數據，當氫氣壓力在30～40MPa范圍內時，氫氣的質量密度增長較快。然而，一旦壓力超過70MPa，氫氣的質量密度的變化就不再明顯。因此，大多數儲氫瓶的工作壓力選擇在35～70MPa之間。經過行業的不斷發展，綜合權衡儲氫密度、儲氫容量和安全性等因素，最終確定車載儲氫的壓力為35MPa和70MPa。35MPa和70MPa高壓氫氣參數對比如表2所示。

3.2" 自卸車工況分析及壓力選擇

自卸車的運行場景為短倒或城郊固定路線運行，圖4分析了某公司的自卸車在不同場景下的運行里程。通過分析，在不同場景下，自卸車單日運行里程一般不超過400km。

1）氫燃料自卸車總續航里程通過以下公式計算：

Q總=Q電+Q氫

式中：Q總——總續航里程，km;Q電——純電續航里程，km;Q氫——純氫續航里程，km。

2）純電續航里程理論計算公式如下：

Q電=T電/R電

式中：T電——純電電池容量，kW·h;R電——每公里電耗，kW·h/km。

3）純氫續航里程理論計算公式如下：

Q氫=T氫/R氫

式中：T氫——儲氫容量，kg;R氫——每公里氫耗，kg/km。

目前市面上氫燃料自卸車配置的電池一般為180kW·h、100kW·h等規格。然而，隨著燃電系統的發展及整車電電混動技術的配合，未來的發展趨勢一定是大電堆配置小電池。按照配置最小的電池60kW·h進行計算，典型31t自卸車電耗為1.8kW·h/km，如此一來，可純電行駛33km。而若要求總續航里程大于400km，鑒于典型31t自卸車氫耗為0.12kg/km，通過計算可以得出所需要的儲氫容量大于30.8kg。

3.3" 車載儲氫氣瓶選擇

3.3.1" 氣瓶的型式

儲氫瓶作為保存氫的關鍵方式之一，高壓氣態儲氫技術借助其作為容器實現對氫氣的存儲和釋放。依據臨氫材料的不同選擇及外部包裹情況，可將儲氫瓶分為純鋼制金屬瓶（I型）、鋼制內膽纖維纏繞瓶（Ⅱ型）、鋁內膽纖維纏繞瓶（Ш型）及塑料內膽纖維纏繞瓶（IV型）。這些氣瓶由內至外分別由內膽、中間層、表層組成。其中，內膽作為阻隔氫氣的主力軍，是儲氫瓶最關鍵的部分。由于氫氣與金屬會產生氫脆現象，I、Ⅱ、Ш型儲氫瓶內膽在存儲氫氣時存在一定風險。而Ⅳ型儲氫瓶內膽由塑料等復合材料制成，具有良好的耐氫氣滲透性和耐熱性。中間層主要承擔承壓、耐壓，考慮到該層需要具備高拉伸強度、輕量化的特點，碳纖維被選中，廣泛用于Ⅱ、Ш、IV型瓶中的中間層，而作為最外層的表層，主要作用是防護，一般使用玻璃纖維等進行包裹。儲氫瓶結構示意圖如圖5所示。

氫氣氣瓶型式參數對比如表3所示。其中，I、II型瓶重容比大，儲氫密度不高，不符合車載氣瓶的需求，主要用在加氫站等固定儲氫上面。III、IV型瓶因為配置輕質、高強度的纖維，既具備很強的耐壓性，又提升了氣瓶的輕量化，因此成為車載儲氫首選。

3.3.2" 氣瓶的選擇

車載氫氣氣瓶參數對比如表4所示。相較于III型瓶，IV型瓶抗腐蝕能力強，更加安全，更加輕量化，成本低，壽命長。然而，目前國內由于在技術方面存在一些難題，主要包括氣瓶制作工藝、瓶體材料成分、瓶體與瓶口的結合方式等，限制了IV型瓶的發展。不過，值得欣慰的是，目前 IV 型瓶國標已發布，隨著規模化生產的推進，IV型瓶的可靠性將得到進一步驗證，同時成本也會逐漸下降。

對于自卸車而言，盡管IV型瓶有很多技術瓶頸，目前在國內的需求量較低，發展較慢，且研發和批量生產成本高，然而，鑒于IV型瓶具備輕量化、高可靠性、高壓力、高儲氫質量比和長壽命等優勢，一旦成熟批量化后，理論成本比III型瓶低，因此，從長遠發展的角度考慮，應優先選擇IV型瓶。

儲氫壓力從35MPa提升至70MPa，依據表2，儲氫密度從25g/L提升至40g/L，所需空間可通過公式進行計算，不同壓力所需空間計算結果見表5。一般儲氫系統的有效儲氫率為80%。

Z氫=Q氫/m氫

式中：Z氫——氣瓶儲氫容積，m3;m氫——儲氫密度，kg/m3。

儲氫壓力從35MPa提升至70MPa，在相等儲氫量下，空間減小了60%，減小了不到0.6m3，其成本提升了一倍，對于自卸車這種成本敏感型、空間足夠富裕，且單日運行里程不長的產品，35MPa已可以滿足其運行場景。

4" 車載儲氫系統的框架選擇

4.1" 車載儲氫系統的框架簡介

氣瓶通常采用長圓柱體狀設計，然而這種形狀的氣瓶不易固定放置。為了確保車載儲氫系統中氣瓶的安全，必須采取有效的固定措施以降低事故發生的可能性。車載儲氫系統框架作為將氣瓶及相關附件與車載儲氫系統集成于一體的承載裝置，起著對儲氫瓶組進行安裝、固定、支撐和防護的重要作用，影響整個車身及系統的穩定性。目前，市面上的儲氫系統均采用框架結構，通過焊接、裝配等手段把矩形鋼連接在一起，形成一個整體的框架以承重及受力，并通過卡箍來連接儲氫瓶，同時在底座設立安裝孔來與車身連接。但對于氫燃料自卸車而言，裝備質量對整車性能至關重要，所以輕量化設計是該車設計時需要重點考慮的因素之一。

4.2" 車載儲氫系統的框架現狀

目前，在車載儲氫系統的空間利用率、框架輕量化方面，提升的空間還很大。根據目前設計慣例，框架通常采用Q235/Q345材質，每個車載儲氫系統配置8個氣瓶，其中每2個儲氫瓶占據1層，總共4層，自上而下排列。但是這種傳統的車載儲氫系統框架質量較大，接近1000kg。車載儲氫系統的總質量直接關乎氫燃料自卸車的裝載能力。當動力總成空間增加或貨廂高度降低時，常規的設計是通過減少氣瓶數量來匹配受限高度的安裝空間。然而，這樣做必然會對車載儲氫系統的儲氫量造成影響，進而造成整車續航里程下降。隨著中國氫燃料商用車的高速發展，這一問題逐漸成為困擾各個整車廠家和用戶的一大難題。

4.3" 車載儲氫系統的框架對比分析

目前常見的框架結構有裝配式框架和焊接式框架。

1）焊接框架：通常由焊接技術將矩管焊接成籠式結構，按照氫瓶的布置進行分層，每層之間加矩管斜撐進行加強，以實現結構的完整性和穩定性。焊接框架的焊接工藝和質量對儲氫系統的安全性和可靠性至關重要。

2）裝配框架：通常由高強度材料制成，如高強度鋼、復合材料或鋁合金，以確保儲氫系統的穩定性和結構強度。裝配框架可以采用型材、板材等不同的材料進行結合使用。裝配框架必須具備優良的強度和剛度，以承受高壓儲氫罐和相關設備的質量，并確保整個儲氫系統在車輛行駛和振動過程中的穩定性和安全性。

車載儲氫系統的框架類型優缺點對比如表6所示。

4.4" 車載儲氫系統的框架選擇原則

商用車車載儲氫系統裝配框架和焊接框架的設計和制造需要考慮以下因素。

1）強度和剛度：必須具備足夠的強度和剛度，以承受儲氫系統的質量和外部環境的振動和沖擊。

2）輕量化設計：為了降低整車質量和提高燃油經濟性，框架需要采用輕量化材料和結構設計，以減少儲氫系統對車輛整體質量的影響。

3）模塊化設計：為了提高制造效率和便于維護，框架通常采用模塊化設計，使得儲氫系統的不同組件可以獨立裝配和更換。

4）焊接技術：焊接框架的焊接工藝和品質直接影響框架的強度和穩定性。適合儲氫系統材料的焊接方法和焊接參數需進行專門研究和控制，以確保焊縫的品質和可靠性。

5）規范標準：車載儲氫系統的裝配框架和焊接框架的設計制造需要遵循相關的標準和規范，例如《國標GB T 26990—2023 燃料電池電動汽車 車載氫系統技術條件》，并進行可靠性驗證和安全性測試，以確保儲氫系統的穩定運行和安全性。

4.5" 氫燃料自卸車車載儲氫系統的框架選擇

裝配式框架和焊接式框架均有其優缺點，考慮到結構的要求及未來的發展，自卸車車載儲氫系統主體受力框架應采用焊接式，其余非受力框架采用裝配式，這樣既可以滿足強度的要求，且可以實現模塊化設計，同時兼顧了維修便利性及經濟性。同時，結構方面向以下趨勢發展。

1）輕量化設計。商用車對于車輛整體質量和燃油經濟性的要求越來越高。未來的發展趨勢是采用輕量化材料和設計，如高強度鋼、鋁合金等，以減輕儲氫系統裝配框架的質量。輕量化設計可以提高車輛的運輸能力和降低能源消耗。

2）模塊化和集成化。模塊化設計可以簡化制造過程，提高生產效率和質量。集成化設計則可以減少組件間的連接點和接頭，提高整體性能和系統的穩定性。

3）自動化裝配。隨著自動化技術的進步和成本的降低，商用車車載儲氫系統的裝配將更多地采用自動化裝配方式。自動化裝配不僅可以提高生產效率，還可以降低人為錯誤的發生率，并提高裝配質量和一致性。

5" 車載儲氫系統其他部件的發展趨勢

5.1" 氣瓶的發展趨勢

依據上文所述，新一代氣瓶（IV型）采用復合材料作為內膽，以提高儲氫壓力、提升可靠性、減輕質量，未來，內膽的原材料配方、厚度及制作工藝將會成為氫氣存儲的重要研究方向，同時無內膽氣瓶（V型）也會被提及研發。

5.2" 瓶口閥的發展趨勢

瓶口閥是連接氣瓶和儲氫系統的關鍵部分，它需要具備良好的密封性、可靠性和快速開啟閉合的功能。發展趨勢是采用更高級的材料和設計，以提高瓶口閥的耐高壓、耐磨損和耐腐蝕性能，確保氣體的安全供應和控制。

5.3" 減壓閥的發展趨勢

減壓閥負責將氣瓶中的高壓氫氣減壓到燃料電池系統所需的適宜壓力。新一代減壓閥需具備更高的減壓效率、更精確的壓力調節和更低的泄漏率。此外，減壓閥還需要耐腐蝕、防堵塞和抗結冰等特性，以適應不同條件下的使用環境和要求。

5.4" 其他方面

降低車載儲氫系統的成本是一個持續的發展趨勢。通過改進材料選擇、工藝優化和智能制造等方式，以減少制造成本和提高生產效率。

提高儲氫系統的長期可靠性和使用壽命也是一個重要的發展方向。優化系統設計、改進材料和降低部件磨損等措施，以延長儲氫系統的使用壽命。

6" 結論

本文提出了適合氫燃料自卸車車載儲氫系統的氣瓶選擇、氣瓶壓力選擇、部件的選擇及發展方向。

1）根據氫燃料自卸車的運行工況，得出其儲氫量大于30.8kg。

2）通過分析35MPa和70MPa氣體壓力，對于自卸車這種成本敏感型、空間富裕且單日運行里程不長的產品，35MPa的氣體壓力已經可以滿足其運行場景。

3）對比了IV型瓶70MPa、III型瓶70MPa、IV型瓶35MPa、III型瓶35MPa的參數，提出IV型瓶成本降低與III型瓶成本相當時會優先選擇IV型瓶。

4）分析了框架的結構，并對比了裝配式框架、焊接式框架的優缺點，提出自卸車車載儲氫系統主體受力框架應采用焊接式，其余非受力框架采用裝配式。

參考文獻：

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