车载氢供应系统研制工作报告

12014-BDB03008车载氢气供应系统研制工作报告1.综述供氢系统是氢燃料电池客车的燃料源头，该系统的安全稳定运行至关重要。我们本着安全、可靠、智能、低耗的思想，在借鉴国内外的相关技术规范、标准，和已有的20MPa氢燃料电池客车供氢系统设计经验基础上，进行了细致、严谨的35MPa氢供气系统设计，从系统零部件选用、关键件设计和电器控制方法等多方面采取措施，确保安全可靠。2.供氢系统总体设计整个供氢系统分为储气瓶组、系统管路、电控单元。储气瓶组共有单瓶容量为140升、耐压35MPa的储氢瓶9个，各储氢瓶瓶尾装有集成围堵，瓶口装有组合阀，集成了压力传感器、温度传感器、电磁阀、安全阀、减压器等多项功能，可以极大地节省空间，提高了系统的集成度，此外，由于减压器功能集成在了瓶口组合阀中，因此，供气气压出储气瓶口后即为低压，几乎将供氢的高压管路长度缩短为0，大大提高安全程度。系统管路按功能可分为供气管路、充气管路、排放管路三部分。供气管路主要由次级过滤器、过流关断阀、手动球阀、高压针阀组成。充气管路由充气阀、球阀、初级过滤器、低压针阀等组成。排放管路为直接对大气放散的PRD出口管路。电控单元包括供氢系统控制器ECM、复位传感器、低压传感器、温度传感器、控制开关盒、线束等。供氢系统控制器对四个传感器进行实时监测，根据传感器数据，和来自上一级系统的控制信号，对1-9号气瓶支路的电磁阀以及过流阀和并组总路上的总阀进行控制。供氢系统控制器还可以通过CAN通讯向上一级控制系统汇报供氢系统数据。总之，采取的安全措施包括如下几点：a.采用组合阀，提高了系统的集成度，缩短了高压管路长度，提高安全程度。b.供气管路装有安全阀、过流关断阀，当管路发生泄漏时能自动关断。c.电控单元设计，采用逐瓶开启供气方式，安全、智能、低耗。详细配置可见供氢系统原理图和配套表。2.1供氢系统原理图2图1供氢系统原理图2.2配套表863项目氢燃料供气系统零部件明细表序号名称规格型号数量建议供应商备注1加注接口TN11WEH35MPa2球阀φ123耐压不低于45MPa3过滤器φ12，3µBE543M1耐压不低于46MPa4高压压力表0-50MPa,轴向1加气面板用5压力表转换接头FNPT1/4-φ816并路总成2耐压不低于45MPa7气瓶连接管9耐压不低于45MPa8组合电磁阀φ8-φ8-φ89带单向阀,24V9高压氢气瓶35MPa，140L9CTC带QF-6T瓶阀10集成尾堵1CTC11尾堵9CTC12组合阀11含减压器13组合阀29不含减压器315低压压力传感器116传感器三通417过流保护集成阀工作压力为4MPa124V20过滤器φ12，0.3µ工作压力为4MPa123低压压力表0-4MPaMNPT1/4124压力表三通φ8-FNPT1/4-φ8125安全阀开启压力1.7MPa，1/21swagelok26安全阀三通φ12－1/2－φ12127针阀φ82swagelok6DBS628不锈高压钢管φ8工作压力为45MPa5米29不锈高压钢管φ12工作压力为45MPa12米不锈低压钢管φ12工作压力为4MPa24米31直通φ12132锥直通NPT1/2-φ12233三通φ12-φ8-φ12334四通φ8-φ8-φ8-φ8135HFS-ECM136加注面板福田400*30013.系统管路流量的设计计算3.1系统供氢流量的计算供氢管道由于是为燃料电池提供氢气，所以其最大流量的根据就是燃料电池的最大用气量，以“863”大巴车的燃料电池为例：整车选用的燃料电池功率为80kW，峰值功率100kW，最大输出电压360V，单片电极电压0.6~0.65V，其电流在峰值功率时应不超过300A。通过实验我们证实，在这种工况下，燃料电池的用氢量为0.6Nm3/kW~0.7Nm3/kW，如果超过这一用氢量就证明该燃料电池的性能是比较差的，效率是比较低的。但在实际工况中往往会有超过燃料电池峰值功率的情况发生，如汽车上坡的坡度较大时，而燃料电池的储备功率设计小的情况下，会产生燃料电池过载荷的发生，从而使单片电极电压下降，产生大电流的输出来保证过载功率，这时过载电流会比正常电流高出一倍以上。燃料电池的用氢量是由燃料电池电流大小来决定的。一般情况下，燃料电池的单片电极电压在40.7V是效率、性能比较好的情况，而燃料电池的单片电极电压的压降最好控制在0.6V以上，低于0.6V燃料电池的效率就太低了，性能也比较差，因此在考虑给燃料电池供氢时，一般按0.6~0.7Nm3/kWh计算再乘以一个过量系数，使大客车的系统总流量达到10g/s。根据“863”大巴车用燃料电池的具体参数和实验可以计算出系统的总流量：电堆基本参数：Pr＝80kW，Pp＝100kW，U=360V，Imax＝300A，Us＝0.6~0.65V（Pp）则有：QH＝7Imax10－3N式中：QH——氢气最大理论消耗量，L/min；I——反应电流，A（1）当Us＝0.6V时，N＝Pp/0.6V＝600，即QH＝730010-3600（L/min）＝75.6m3/h（2）当Us＝0.65V时，N＝Pp/0.65V＝554，即QH＝730010-3554（L/min）＝70m3/h这就是燃料电池在峰值功率时的最大用氢量，用这个用氢量再乘以一个过量系数4就是系统管道总的流量，总流量就是300Nm3/h。3.2系统充氢流量的计算充氢管道最大流量的确定是由车载储氢瓶的最大储氢量和要求在多长时间内充完这次氢气所决定的，当然也与加氢站充装氢气的最大速率能力有关，还以“863”大巴车为例，大巴车所选用的储氢瓶为140L/个，共9个气瓶，储氢压力为35MPa，这样其大巴车的总储氢量为0.14m3350kg9＝441Nm3，约36.75kgH2。一般人们希望的充装时间在15分钟以内，这样其最大流量为441Nm315分钟60＝1764Nm3/h。3.3系统放空流量的计算放空管道的流量比较好确定，不会超过车载储氢瓶的总储氢量，一般在刚刚充装完氢气的汽车就发生事故的可能性不大，因此总流量可按储氢总量的80%考虑比较合适，这样管道要放出的氢气量大约为350Nm3。那么氢气放出的时间应该如何确定呢？这要根据氢气瓶耐火烧的时间来确定，只要能在储氢气瓶被彻底烧坏之前将氢气全部放出去，就能较好地保证人员的安全。一般碳纤维缠绕铝合金内胆的氢气瓶的耐火时间均在15分钟以上，这样就确定了放空管道的最大流量应为350Nm315分钟60分钟＝1400Nm3/h。54.系统主要零部件的技术参数项目参数要求备注基本参数工作介质氢气储氢瓶氢瓶种类铝制内胆纤维缠绕氢瓶氢瓶储氢使用压力350Barg氢瓶容积140L氢瓶尺寸总长：1800mm包括瓶阀及接口爆破压力1400Barg氢瓶电磁阀每个氢瓶都有独立的电磁阀氢瓶手动截止阀每个氢瓶都有独立的手动截止阀氢瓶压力安全泄压阀每个氢瓶都有压力安全阀泄压气体必须通过管道排出到车体外组合阀电磁阀供电12VDC满足供电范围9～16VDC手动截止阀单向阀工作压力350Barg，启流压力1psig温度传感器量程-20℃～150℃12VDC供电信号输出0～5VDC精度：±2℃满足供电范围9～16VDC压力传感器量程0Barg～400Barg12VDC供电信号输出0～5VDC满足供电范围9～16VDCPRD≥400Barg下开启110℃±5℃根据相关标准GB8337GB/T4239接口规格37°球形接头溢流阀流量限制溢流阀流量大于400Nm3/h自动关闭接口规格1/2”单向阀工作压力350Barg启流压力1psig接口规格3/8”传感器及电磁阀高压氢气压力传感器测量范围0～400Barg供电电压9～16VDC信号输出0～5VDC该传感器测量氢瓶及高压管路中的氢气压力6低压氢气压力传感器测量范围0～40Barg供电电压9～32VDC信号输出0～5VDC该传感器测量减压后氢气出口管路的压力氢瓶电磁阀供电12VDC满足供电范围9～16VDC高压管路电磁阀供电12VDC满足供电范围9～16VDC安全阀低压超压安全阀19.5Barg下开启具体数值可做更改接口规格1/2”加注口氢气加注受气口WEHTN5工作压力350barg，含50μm过滤器接口规格1/2”过滤器工作压力350Barg过滤粒径7μ传感器及电磁阀高压氢气压力传感器测量范围0～400Barg供电电压9～16VDC信号输出0～5VDC该传感器测量氢瓶及高压管路中的氢气压力低压氢气压力传感器测量范围0～40Barg供电电压9～32VDC信号输出0～5VDC该传感器测量减压后氢气出口管路的压力氢瓶温度传感器量程-20℃～150℃12VDC供电信号输出0～5VDC精度：±2℃满足供电范围9～16VDC氢瓶电磁阀供电12VDC满足供电范围9～16VDC高压管路电磁阀供电12VDC满足供电范围9～16VDC减压器额定减压入口压力350Barg额定减压出口压力14Barg压力波动±1Bar材质不锈钢316出口压力稳定性14±1Barg压力波动峰值10%额定减压出口压力氢气出气接口1/2”不锈钢管连接到指定接口处，可根据要求进行更改，并提供一套相应接口管路氢气管路的设计使用压力350Barg管路及阀的爆破压力800Barg1/2”不锈钢管壁厚0.083”3/8”不锈钢管壁厚0.065”管路连接方式连接方式尽量采用卡套螺纹密封方式采用7连接“O-Ring”管道材料316不锈钢5.电控单元设计供氢系统电控单元包括供氢系统控制器、传感器、控制开关盒、线束组成。具有如下功能：a．逐瓶供气功能开关盒上开关处于“顺序开启”模式时，所有气瓶编组逐个供气，当该瓶供气压力小于设定值时，则依次顺序开启下一储气瓶供气。直至用到最后一个储气瓶。系统自动记忆供气的储气瓶号，每次启动发动机，都将继续使用上一次的气瓶供气。每次加气后，储气瓶编号自动复原，从新按顺序供气。b.全开供气功能开关盒上开关处于“全开”模式时，可同时开启所有储气瓶。c巡检功能开关盒上开关处于“巡检”模式时在外部巡检信号下，可进行各气瓶气压巡检。先从首气瓶开始，依此打开各气瓶，并等待若干秒，待气压稳定后检查高压压力是否正常。若低于设定值则报警。d安全报警功能运行过程中，系统根据供气管路中出现的异常高、低气压发出报警信号，提示用户及时处理，在紧急状态下，在报警的同时切断所有储气瓶：关断情况包括如下几种：1)高压超过最高压力极限值。2)减压器低压输出超过极限值。3)外部强制关断信号报警情况包括如下几种：1)高压超过最高压力极限值。2)减压器低压输出超过极限值。3)外部强制关断信号4)巡检时高压异常5)目前电路处于关断状态eTTCAN传输：供氢系统控制器支持TTCAN协议，可上传剩余气量、正在工作的储气瓶号、高压、低压报警状态、故障代码信息。系统连线如下图所示。8图2电器系统连线5.1电器参数供氢系统控制器：输入电压：DC24V±8V。输入电流：≤500mA(无负载时)。输出电流：DC24V±8V，可为每一电磁阀提供≥3A电流DC24V±0.1V，可为传感器提供≥300mA电流DC12V±0.1V，可为显示器提供≥300mA电流DC5V±0.1V，可为传感器提供≥300mA电流控制开关盒:为无源触点信号，为控制器提供选通信号。显示器（可选件，调试用）：输入电压：DC12V±0.1V。输入电流：≤300mA。5.2连线各器件之间用线束相连，具体见下图。显示器线束开关信号，二线不分屏蔽层对接棕，黄/绿-接总阀控制红-开始工作信号，高有效红-24V黑-地绿/黄-CANL蓝-CANH搭铁总阀24V电源输入大插头线束电磁阀-传感器线束控制总阀及过流保护电磁阀显示器开始工作信号开关盒CAN接口低压传感器温度传感器高压传感器复位传感器10#瓶电磁阀9#瓶电磁阀8#瓶电磁阀7#瓶电磁阀6#瓶电磁阀5#瓶电磁阀4#瓶电磁阀3#瓶电磁阀2#瓶电磁阀1#瓶电磁阀供氢系统控制器（调试用）图3线束接线9在具备以下条件时，1-9#电磁阀才会打开供气：1.系统连线正确