燃料电池汽车氢气加注控制策略分析

陈婕

上海燃料电池汽车动力系统有限公司 上海市 201804

1 引言

在当今世界，“油荒”已经是许多国家共同面临的一大难题，已经在很大程度上限制到了经济发展速度与水平，积极寻找石油的替代品并研究其应用与发展是世界范围内科学家近年来重点研究的课题，可再生的氢是当前科学界提出并已经运用到了实践中的一项选择。另一方面，可再生氢还具有以往的石油所不具有的环保优势，其清洁性又为当下污染大难关提供了一剂良药。综合以上两个背景，研究并实际运用氢燃料电池及配套的氢燃料加注协议与策略，探究这一新技术可能存在的安全问题，排除安全隐患，应对可能发生的不可避免的问题，提出应急机制等一系列的问题是重要而紧迫的。

燃料电池汽车以清洁无污染的氢气做燃料是其最大的特色和亮点，其动力是来源于氢气与自然环境中的氧在燃料电池中产生的电能，一方面氢氧反应具有较为高效的能量效率，完全可以支撑汽车运行，且氢气本身的特性使得这一过程可称为零污染，其排放物只有水而已；另一方面，我们需要充分重视到其可能存在的多种问题，氢气本身所具有的泄露率高、易发生爆炸等长期桎梏给燃料电池汽车事故的发生埋下了多种隐患，这是燃料电池汽车的购买者和制造者们共同关注的问题。此类安全隐患包括了氢气储备设备、车载氢气系统的稳定、电动汽车发生碰撞及其导致的氢气泄露等问题。故而，要想对燃料电动汽车进行更为广泛的深入的推广，对安全性的深入系统性探索迫在眉睫。

2 加氢策略分析

就当前的需要来说，加氢过程中的诉求一是效率方面，实现快速加注并保障安全；另一方面的诉求就是对于成本的降低，实现低成本加注并保障安全；也就是说要在保障安全的基础上实现快速便捷的加注。要想达到这两个目标，当下一般选择分级优化加注策略，辅之以氢气预冷技术和温度控制技术共同设计并改善方案，通过下调氢气在注入氢瓶时的温度，优化工艺流程加强控制，达到对效率、温度及安全性能的最优化调整。

2.1 分级优化加注策略

加氢站储氢系统一般由多个数量不等的储氢罐组成，如果需要多个储氢罐同时工作，就可能导致氢气利用率的降低，而分级优化加注是解决这一问题的一个有效方法，可以提高氢气利用率，使得加氢站的功耗最小化。一般而言，加氢站的储氢罐分为三个不同的级别：低级、中级、高级三个档次，通过程序的设计，可以实现加氢机的有序作业，从低到高为客户提供氢气加注。

举例而言，在35兆帕加氢机研制中，选择三路进气管路的设计，把加氢站的储氢罐划为三组，分别成为低级、中级和高级瓶组。通过程序控制，在加注过程中加氢机依据低级→中级→高级的次序从储氢罐中获取氢气。在70兆帕加氢机的研制及后期运用过程中，保留了35兆帕加氢机三路进气的设计，依然把储氢罐划为三组，分别成为低级瓶组、中级瓶组和高级瓶组。这一设计中我们学习借鉴了SAE J2601 轻型气态氢汽车燃料协议的相关理念，设计了相应的较为科学的程序，从而保障加注过程根据低级→中级→高级的次序从储氢罐中加注，以进一步提高储氢罐中氢气利用效率，实现降低加氢站储氢量、提高加氢站面积使用效率，降低加氢站空间成本。

2.2 温升控制策略

因为高压状态下的氢气在快速加注中会发生焦耳-汤普森效应进而导致大量热量的叠加压缩热，以致我们必须控制氢气加注环节中的温度，保证其在温度上限以下，以免带来安全隐患，所以采用多方面策略共同保障加注过程的安全十分必要。在温度控制这一目标实现过程中，选择并利用氢气的预冷是一剂良方。举例而言，在在70兆帕的氢气加注环境下，氢气的气源是常温的，因为焦耳-汤普森效应，快速加注中或已注入的氢气及气瓶的温度会达到八十五摄氏度以上甚至超过这一指标，如果我们不采取特殊措施，仅仅通过自然降温就会延长加注的时间，加注时间长会导致加注慢影响加注效率的同时又间接导致了时间成本的增加。而我们所选择的氢气预冷技术，可以在氢气加注前通过预先制冷，将气源的温度控制在零下四十摄氏度左右，也就是降低了氢气的基础温度，这样一来，就有效控制了加注过程中的温度增长范围，增强安全指数并大大缩短了加注的时间，有效提高加注的效率，在短短的几分钟之内完成一辆普通轿车的氢气加注。

除了上述的预冷技术以外，我们还可以通过温升控制加注技术进一步加强对加注环境及气瓶内温度的控制，只有配合采用多种技术手段才能在最大范围内保障气瓶温度不超过设定的安全范围，我们这里所提及的温升控制加注技术的主要针对点在于其对加注过程中的流量控制及气瓶内的压力控制。所以，要想有效控制氢气的温度及温升幅度，提高加注的效率与安全指数，就必须将预降温处理与流量压力控制结合起来，共同作用以实现目标温度控制。

2.3 机-车通讯策略

在70兆帕的氢燃料汽车加注环境中，为了达到最快加注状态下的氢气加入最大量，就必须获得车载压缩氢储氢系统的精确氢荷状态 （SOC）。一般而言额定压力下的压缩氢存储系统，其存储的氢的总质量与车载压缩氢气存储系统完全充满状态在理论上是可以等同的。

与此同时，为尽量避免障氢气加注的危险可能及为燃料电池汽车的加注中保障其瓶内温度维持在安全温度范围之内，在燃料加注中实时关注车载压缩氢气存储系统内的各项目指标，尤其是压力温度值是特别重要且十分必要的。

氢燃料电池车载供氢系统主要由储氢设备、安全阀、电磁阀门、截止阀、瓶阀、压力传感设备、瓶内温度监测设备、氢气泄漏探测器多个部件构成。氢管理系统不但必须时刻监测并控制储氢系统和车载供氢控制，而且必须实时观察加氢机通讯，及时将车载压缩氢气存储系统的各种信息数据，例如压力、容量、温度等，保持加氢机-燃料电池车之间的数据联络。

红外通讯技术是多个国内外各个地区时下采用的一种较为广泛的无线连接方法，具有比较强的兼容性，能应用于多种硬件软件设备，通过数据电脉冲与红外光脉冲的转换，充分保障无线信号能够及时准确地进行收发，具有其他技术无可比拟的优势，具体如下：第一，相对于较为传统的点对点的线缆连接方式，这一技术的应用使得操作更为简便，利用更加方便；第二，小角度（小于30°锥角）、近距离、点对点的这种直线数据传输，使其具有保密度高的优势；第三，传输速率较高。具体在机-车通讯系统中涵盖了车载供氢系统控制模块、红外数据发送模块、加氢枪，红外数据接收模块等。红外数据发送接收两个模块都具备配套的安全隔离与自身安全检测系统。SAE J2799 轻型气态氢燃料汽车协议中还明确地对氢燃料汽车红外通讯的软件硬件规范作出了说明。

3 SAE J2601 气态氢燃料汽车协议

这一协议对于轻型车辆氢气加注的协议与过程都给出了明确的说明，这些过程将压力增加率、燃料温度、最大燃料流速等具体指标都限制在一定的范围之内，结合其他因素，例如环境温度、燃料传送温度等，这一协议经过我们的详细研究是较为完整科学的。从根本上而言，这一协议是一个以目标性查表方法为基础的关于加注过程及相关因素的一种规范。在氢气加注过程中的一个重要指标就是加气站中多个加气机的单位时间冷却效率，以及由这一冷却能力产生的燃料传输温度评级。理论上，SAE J2601 轻型气态氢汽车的燃料协议有通信和非通信加注的规范加注表与一个非标准、正开发的加注协议。相对通信加注，这一标准应该同SAEJ2799 氢燃料汽车补给站的软硬件像协调，相互配合而应用的，有地面氢气车辆和加气站通信软硬件设施组建。

4 结语

以燃料电池汽车加注过程、环境、策略及安全控为核心，对其进行较为系统的技术分析和介绍，作为燃料电池开发应用的重要一环，加氢机的相关技术尚且有非常广阔的发展潜力，我们需要继续在理论研究与实践中探索追寻，共同努力逐渐改善控氢技术，进而推动氢燃料电池汽车的普及式发展，为新能源汽车走近千家万户，助力我国经济社会发展特别是交通领域的创新贡献一份力量。