丰田“Mirai”高压氢气储存系统的开发
摘要
新款丰田 FCV“Mirai”降低了高压氢气储存系统的重量、尺寸和成本，同时提高了加油性能。2008 年丰田 FCHV-adv 上使用的四个 70 MPa 气瓶被减少到两个新的更大直径的气瓶。通过优化罐体的层压结构来减轻重量，并采用了一种新开发的高强度低成本碳纤维材料。通过改进其结构，减小了高压阀的尺寸，并对传统车辆的高压传感器进行了改装，以便在高压氢气气氛中使用。这些创新有助于将整个储存系统的重量比丰田 FCHV-adv 减轻约 15%，同时将零部件数量减少一半，并大幅降低成本。通过在氢气加注站将充装气体温度冷却至-40°C（根据 SAE J2601），大大减少了 FCV 的充装时间。此外，调整了储罐温度传感器的布局和设计的其他方面，以增加根据 SAE J2799 IrDA 通信在车辆和氢气站之间确定的荷电状态（SOC）。在新制定的全球技术法规（GTR）中描述的氢气罐局部火灾测试中，通过在抗冲击能量的储罐保护器中加入防火材料，无需改变外部储罐体积，即可满足跌落和防火要求。
介绍
丰田汽车公司于 1992 年开始开发燃料电池汽车（FCV），此后开展了多个开发项目，旨在实现这些车辆的广泛采用。2008 年发布的丰田 FCHV-adv 采用了 70 MPa 的储罐，而不是 2005 年型号使用的 35 MPa 的储罐，以及各种措施来提高燃油经济性。因此，FCHV-adv 在实际驾驶条件下的行驶里程至少达到 500 公里[1]。继 FCHV-adv 之后，丰田开发了一款新的 FCV 轿车，采用了新的 70 MPa 高压储存系统。因此，新 FCV 的储存系统比丰田 FCHV-adv 更轻、成本更低。
图 1. 储罐安装布局
1. 70 MPa 高压储存系统概述
新开发的高压氢气罐的形状经过优化，可安装在轿车车型的地板下方（图 1）。这种形状确保了车辆既具有足够的内部空间，又具有所需的氢气容量。
表 1 中指定的两个氢气罐中的高压在到达燃料电池（FC）堆栈之前通过高压调节器和喷射器分两个阶段降低（图 2）。
这两个氢气罐通过圆形支架安装在地板下方（图 3）。
表1 储氢气瓶主要参数
图 3. 高压储存系统的外部外观
2. 高压氢气罐的减重
2.1. 改进的碳纤维增强塑料（CFRP）层压方法
由于高压氢气罐在高压储存系统的重量中占比最大，因此对罐体的设计进行了彻底的修改。
图 4 显示了高压氢气罐的结构。
高压氢气罐由最内层的塑料衬里密封氢气，由能承受高压的坚固 CFRP 层组成，周围环绕着抗冲击性高的玻璃纤维增强塑料（GFRP）层和保护器。塑料衬里的两端都有铝制的凸台，一侧用于阀门配件[2]。通过改进 CFRP 层并减少所用材料的数量，新开发的罐体重量减轻了。图 5 显示了高压罐的正常基本层压图案。
图 5. 高压氢气罐的层压图案
通常情况下，采用层压结构的高压 CFRP 氢气罐会结合以下三种缠绕方法：环形缠绕以强化罐体中心区域、低角度螺旋缠绕以强化圆顶区域（在轴向方向）以及高角度螺旋缠绕以强化这些区域的边界。由于强化边界区域所需的高角度螺旋缠绕也会缠绕在罐体中心区域，且角度为 70°，导致增强效率降低，如图 6 所示。
针对罐体中心区域无效的高角度螺旋缠绕，开发了一种无需使用高角度螺旋缠绕即可强化边界区域的层压方法。图 7 对传统层压方法和新方法进行了比较，具体改变如下：
1. 衬里的截面形状被压扁，以便在边界区域进行环形缠绕。
2. 通过逐渐回缩环形缠绕的末端位置，在形成传统衬里形状的同时强化边界区域。
3. 环形缠绕层压集中在内层。
这些改变产生了以下两个效果：首先，消除了约占总层压结构 25%的高角度螺旋缠绕；其次，将强化罐体中心区域的环形缠绕集中在内层，其中产生的应力最高，从而更有效地利用了纤维的强度。这种双重效果使 CFRP 的使用量相比传统层压方法减少了 20%。
图7 传统和新的铺层方式比较
2.2. 凸台优化
凸台的形状也进行了优化，以帮助减少 CFRP 的使用量。通常，通过增加凸缘直径并减小开口端直径，可以降低施加在 CFRP 上的凸台法兰表面压力。这使得在螺旋层中使用更少的 CFRP 成为可能。图 8 展示了传统凸台形状和新凸台形状对内部 CFRP 表面压力的影响。
图 8. 凸台施加在 CFRP 上的表面压力
因此，可以将螺旋缠绕层减少约 5%。改进层压结构和优化凸台大大减少了边界区域（通过消除高角度螺旋缠绕）和圆顶区域（通过减少螺旋缠绕）中 CFRP 的使用量。结合其他减重项目，这些措施使 CFRP 的使用量比传统结构减少了约 40%。因此，所开发的罐体实现了 5.7wt%的重量效率，是世界上最高的之一。图 9 比较了传统方法和新开发方法层压的罐体横截面。
图 9. 采用传统和新压层方法的罐体横截面比较
3. 成本和尺寸的降低
3.1. 普通碳纤维强度的提高
仅仅将气瓶的数量从四个减少到两个是不足以达到高压储存系统的成本目标的。因此，从整个高压储存系统的角度出发，研究了各种降低成本的措施，包括降低材料成本、减少零部件数量和再利用汽油发动机的零部件。特别是，丰田 FCHV-adv 的罐体采用了航空级碳纤维，这种材料非常昂贵。因此，在碳纤维制造商的合作下，提高了普通碳纤维的性能。结果，强度提高到与航空级几乎相同的水平，并开发了更轻的氢气罐。
3.2. 高压阀
除了高压罐，这一开发在降低高压零部件的成本和尺寸方面也取得了进展。大多数高压零部件与氢气接触的部分都使用铝合金或不锈钢作为防止氢脆的措施。与丰田 FCHV-adv 一样，该系统中的高压阀和高压调节器的主体部分采用铝合金，主要部件采用不锈钢。然而，通过修改结构，减少了零部件的数量。图 10 比较了传统阀门和新阀门的结构。
图 10. 传统阀门和新阀门的结构
该开发简化了阀门内的气流路径，并修改了电动截止阀的布局。电动截止阀的内部结构也进行了改进并缩小了尺寸。在丰田 FCHV-adv 中，止回阀等滑动部件被集成到不锈钢套筒中以提高耐用性。在新的 FCV 中，取消了这个套筒，以减少部件数量和阀门尺寸。图 11 比较了传统止回阀和新止回阀的滑动结构。
通常，铝合金的硬度较低，与不锈钢结合时会引起担忧。可能出现的问题包括滑动粘附以及由于金属异物的产生而导致密封性能差。出于这个原因，丰田 FCHV-adv 的设计将不锈钢与不锈钢结合在一起，以抑制磨损和异物的产生[3]。相比之下，新 FCV 的开发旨在用新的表面处理取代不锈钢套筒。
图 12 显示了本研究中使用的球盘磨损测试的概述。制造了一个新的测试器，能够在氢气气氛中测试磨损。
图 13 显示了该测试器的概述。
假设球体一侧为不锈钢阀元件，圆盘一侧为滑动体表面，改变了材料和表面处理。该测试器用于确定考虑到组件的耐用寿命的总滑动距离。测试结果表明，对铝体进行铝氧化表面处理可以确保在氢气中稳定的滑动特性。
图 14 显示了磁盘侧采用的材料以及有和没有铝氧化表面处理的测试期间的平均摩擦系数。
图 15 显示了表面磨损状态。
通过这些措施，阀门的重量减少了约 25%，零部件数量减少了 35%，从而减小了阀门的尺寸并降低了成本。图 16 显示了传统阀门和新阀门的外观。
图 16. 高压阀比较
3.3. 高压调节器
这一开发包括通过重新设计密封部件来降低高压调节器的成本的研究。位于高压调节器下游的喷射器的控制的一个重要方面是高压调节器控制的压力的瞬态特性。如果瞬态压力变化过大，喷射量也会发生很大变化，对燃油经济性产生不利影响。图 17 概述了调节器的结构。
图 17. 高压调节器结构概述
调节器由高压侧的阀元件和低压侧的活塞、弹簧和其他部件组成。当燃料供应时，调节器的瞬态流量与下游喷射器的操作同步变化，在活塞、阀元件和其他部件中产生小行程动作。这种状态导致的不稳定性，例如活塞滑动部分摩擦系数的大变化，会导致瞬态压力特性的变化。该开发采用了成本较低的材料来制作活塞滑动密封，并通过采用创新的密封材料形状确保了稳定的滑动特性。同时，还对活塞形状进行了优化。因此，所开发的调节器以比丰田 FCHV-adv 更低的成本实现了更好的瞬态压力特性。
图 18 显示了不同流量下瞬态压力和滞后的变化。
3.4. 高压接头
高压接头的密封结构也进行了更改，以降低成本。丰田 FCHV-adv 采用的 O 形环密封结构需要使用昂贵的特殊材料，因为在连续消耗氢气后，高压接头的温度会降至-50°C 以下。这一开发采用了一种新的金属密封结构来减少零部件数量。图 19 显示了高压接头的结构。
图 19. 高压接头横截面
管道和接头采用不锈钢制成。然而，考虑到密封性能，为两者指定了最佳材料硬度。这种方法确保了可靠性，无需添加垫圈，从而降低了成本并缩短了组装时间。
3.5. 高压传感器
现有的发动机高压传感器经过改装，可在高压氢气气氛中使用。图 20 显示了高压传感器的横截面。
图 20. 高压传感器
高压传感器的结构是利用半导体应变片检测由于施加高压而引起的膜片的微小变形。然而，如果该传感器在氢气气氛中长时间使用，少量的氢气会溶解到膜片中，导致变形并对传感器的精度产生不利影响。图 21 显示了由于形成氢固溶体而导致的膜片膨胀和变形的测量结果。
图 21. 氢固溶体引起的隔膜变形
研究了各种对策建议，包括改变隔膜的材料和形状。最后，在隔膜的内表面添加了一层薄膜以抑制氢的渗透。这种薄膜可以使用现有的表面处理技术应用，这有助于最大限度地降低成本。因此，隔膜中氢固溶体形成的量减少到以前的大约 10%。已经确认，即使在高压氢气气氛中长时间使用，这种量也不会对传感器的精度产生不利影响。
4. 加油性能的提高
2008 年，大多数能够预冷氢气的氢气站只能将充装气体的温度降至-20°C。因此，丰田 FCHV-adv 需要大约 10 分钟的加油时间。此外，由于与站和车辆之间的通信标准不兼容，最大荷电状态（SOC）仅限制在约 90%。然而，符合 SAE J2601 标准的氢气站已经开始进入市场。这些车站能够将充装气体的温度预冷至-40°C，从而将加油时间缩短到与汽油车大致相同的水平。此外，通过确保通信协议的兼容性，SOC 得到了改善。
图 22 显示了通信系统的配置。
图 23 比较了丰田 FCHV-adv 和新型燃料电池汽车（SAE 标准条件，内部测量值）的加注时间和荷电状态（SOC）。
图 23. 氢气加注时间和 SOC 的比较。
图 24. SOC 与喷射方向（θ）和温度传感器位置（L）的关系。
这项开发还通过使用通信设备提高了高加注程度估计的准确性。在为各种不同形状的储罐设计的系统中，由于氢气入口和储罐之间的压力损失以及每个储罐的热容特性不同，温度升高的程度也会有所不同。之前的研究还确定了加注过程中储罐内部的温度分布。与液体燃料不同，气态燃料的高加注程度估计通常需要在加注过程中对压力和温度进行校正。因此，如果储罐之间或一个储罐内部的温差较大，检测尽可能接近平均温度的温度就非常重要。这项开发调整了通向每个储罐的加注管道的路径，以尽量减少储罐之间的温差。此外，作为应对一个储罐内部温差的对策，调整了加注气体的喷射方向和温度传感器的位置，以尽量减少相对于平均温度的误差。这些措施确保了 SOC 超过 95%。图 24 显示了测试结果，展示了储罐内部温度传感器位置和气体喷射方向对 SOC 的影响。
5. 认证
这项开发的一个目标是为氢储存系统的组件部分在新制定的全球技术法规（GTR）和相关欧洲（EU）法规（第 79/2009 号和第 406/2010 号）下获得认证。传统的高压氢气储罐是根据日本标准 KHK S0128 进行类型认证的，该标准于 2013 年作为车辆可压缩氢气气瓶的技术标准而建立。然而，这是日本首次尝试在 GTR 中描述的更严格测试条件下，为新型燃料电池汽车中使用的高压氢气储罐和高压阀门获得认证。与传统测试条件的三个主要区别如下。
1. 在化学和物理冲击（跌落）抵抗后持续评估压力循环的应用
2. 在环境温度条件下的压力循环测试中，除了室温外，还在极端温度下进行评估，使用氢气
3. 在火灾测试（即局部火灾测试）中，除了整个储罐上的常规模式外，在远离热激活泄压装置的一侧增加加热模式
图 25 显示了上述第 1 点的评估模式，
局部火烧
图 26 完全火烧
使用氢气进行的压力循环测试应用于整个氢储存系统，包括测试特别针对的部件以外的部分，使用车辆切割体。图 27 显示了该测试的外观。
图 27. 氢气压力循环测试的外观。
作为局部火灾测试的对策，在传统的冲击能量吸收保护器中加入了耐火材料。这在不增加外部储罐体积的情况下满足了跌落抵抗和新的耐火性能要求。图 28 显示了保护器的结构。
图 28. 新的储罐保护器。
总结/结论
丰田新型燃料电池汽车中的高压氢储存系统采用了新开发的部件，如储罐、阀门和调节器。因此，该系统在不牺牲内部空间的情况下具有足够的氢气储存容量。通过改进储罐的层压 CFRP 结构，减轻了系统的重量，与丰田 FCHV-adv 相比，整个储存系统的重量效益提高了约 15%。此外，采用新开发的低成本高强度碳纤维、简化每个高压部件以及重复使用现有车辆的部件，有助于大幅降低成本。通过确保与氢气站和车辆之间通信的 SAE J2601 和 J2799 标准的兼容性，提高了加注性能。结果，实现了大约 3 分钟的加注时间和高 SOC，从而提高了车辆的可用性。此外，该燃料电池汽车还根据车辆用氢气瓶的国际标准以及 EC/79/2009 获得了认证。
作为燃料电池汽车全面商业化的下一步，技术开发将继续进一步减小氢储存系统的尺寸，并推进下一代燃料电池汽车的性能。
