商用车车载储氢系统轻量化技术研究.docx
商用车车载储氢系统轻量化技术研究1、引言为大力发展氢能，国务院和国家发改委通过鼓励科研创新、财政补贴、城市示范运营等扶持性激励政策支持氢能发展。燃料电池重卡具有零排放、噪声低、振动小等优点，被视为未来可替代传统能源重卡的最优解决方案，近几年得到了快速发展。储氢系统是燃料电池重型卡车重要的组成部分，在开发初期，储氢系统着重于系统安全及操作便利性的开发。随着产品口益成熟及市场环境发展，储氢系统轻量化也成为重要指标。轻量化可降低储氢系统成木，提高产品竞争力和整车续驶里程。本文介绍了储氢系统的轻量化发展，并展望未来商用车储氢系统的发展方向。2、储氢系统轻量化发展在商用车车载储氢系统中，提高气瓶压力、降低气瓶质量、提高储氢密度是储氢容器的发展方向。高压储氢系统中气瓶的重量约占整个储氢系统2/3,液氢储氢系统中气瓶的重量约占整个储氢系统4/5。车载气瓶的质量影响氢燃料电池汽车的行驶里程，储氢系统的轻量化既是低成本的体现，也是高压储氢商业化道路上难以回避的技术瓶颈。2.1储氢瓶轻量化发展储氢方式分为高压储氢和液态储氢两种，根据2021中国氢燃料电池重卡发展白皮书规划，未来发展认为35MPa高压储氢技术是目前暂时的解决方案，短中期解决方案是70MPa高压储氢技术，长期解决方案是液态储氢技术。2J.1高压氢瓶轻量化发展高压气态储氢无论在运输还是应用上是最常见、且a前应用最广泛的储氢方式。其利用气瓶作为储存容器，通过高压压缩方式储存运输气态氢。目前，高压气态储氢容器主要分为纯钢制金属瓶（I型）、钢制内胆纤维缠绕瓶（II型）、铝合金内胆纤维缠绕瓶（川型）和塑料内胆纤维缠绕瓶（IV型）。由于高压气瓶储氢容器1型、11型重量大、质量储氢密度低、氢脆问题严重，难以满足车载质量储氢密度要求，已被淘汰：而H1.型、N型瓶明显减轻了气瓶质量，提高了单位质量储氢密度。Iv型储氢气瓶内胆为塑料，质量相对较小，具有轻量化的发展潜力。目前，国外重卡车载高压储氢容器已发展到IV型气瓶，储氢密度大,质量相对更轻；国内重卡储氢系统应用最广泛的为35VPa和70MPaIn型气瓶。Iv型气瓶处于开发阶段，随着法规和标准的完善，高压储氢气瓶会朝着更轻的N型气瓶方向发展。2.1.2液氢气瓶轻量化发展液氢是一种高能、低温的燃料能源，沸点为-25265C,体积储氢密度为70.7g1.,其中密度是常温常压下气态氢的845倍，是高压气态储氢的数倍。通常，低温液态储氢是将氢气压缩降温至-252C以下，使之液化并存放在绝热真空液氨气瓶中。商用车车载液态储氢气瓶暂无国家标准及法规要求，国内现有张家港富瑞深冷科技有限公司、江苏中集圣达因低温装备有限公司、江苏国富氢能技术装备股份有限公司等厂家均已开始设计研发深冷液氢气瓶。与高压气态储氢相比，同样的储氢量，液氢需要的气瓶数量更少，储氢量更大,质量更轻。从质量储氢和体积储氢密度角度分析，低温液态储氢是氢燃料重卡比较理想的储氢技术。现阶段液氯气瓶的开发，结构类似1.NG气瓶，内外胆均采用不锈钢材质，中间缠绕绝热材料并抽真空，保证气瓶的保温绝热性能。随着国家法规和标准的完善，液氢气瓶后续将朝着铝合金内胆及塑料内胆方向发展，可大幅降低气瓶瓶体H重。2.2储氢固定装置轻量化发展氢燃料商用车氢气供给系统有高压氧气供给系统和液态氢供给系统两类。高压氢气供氢系统如图1，主要由高压氢瓶、紧固拉带、固定框架、连接支架、阀类及管路附件组成；液氢供氢系统如图2,主要由液态氢瓶、紧固拉带、固定框架、连接支架、阀门及管路附件组成。其中高压氢瓶、液氨气瓶、固定框架是重点轻量化对象，占整个储氢系统95%以上的重量。针对其轻量化的最有效的技术主要有优化结构、应用轻量化工艺、选用轻量化材料等。2.2.1结构优化通过优化结构实现产品轻量化，在设计过程中已普遍应用。主要有尺寸优化、形状优化、多个件集成化三种途径，优化方法有基于优秀的结构设计和仿真分析等。从结构优化设计方面而言，尺寸优化和形状优化应用相对比较早”尺寸优化是指在保证结构件的整体性能的同时，对该结构件的截面面积额以及厚度等进行优化，即在设计区域以及设计变量保持原状的状态下，建立起以质量或体积等为目标函数的数学模型，达到推进轻量化的目的。从仿真分析设计方面而言，运用拓扑分析材料受力情况，对产品进行优化设计，再搭载不同工况下的路谱进行仿真，从而对产品结构优化改进，达到轻量化的目的。2.2.2轻量化工艺通过工艺手段进行产品轻量化，常规零件工艺有冲压、焊接、领接、铸造等。通过设计，在满足使用工况条件下，尽可能地通过工艺手段减少材料的使用。新兴起的工艺包括真空压铸工艺、微弧氧化工艺、聚臊喷涂工艺等，通过工艺加强零件强度，进而实现轻量化。2.2.3轻量化材料通过选用新型材料，达到轻量化的目的。液氢气瓶固定装置因气瓶直径较大且多数为单瓶，固定装置尺寸较小，适合使用密度小，强度高的轻质材料，像铝合金、镁合金、塑料聚合物材料和陶瓷材料等，以降低固定装置的重量。高压氢瓶固定装置因气瓶直径较小，且气瓶数量较多，一般为8瓶组或10瓶组，固定装置尺寸较大，更适合使用同密度、同弹性模量且工艺性能好、界面厚度较薄的高强度钢，以降低固定装置的重量。3、总结当今卡车市场竞争口趋激烈，汽车轻量化任重而道远，因此我们还要进一步加强汽车轻质材料研发，提出标准化轻质汽车材料标准,为汽车轻量化发展更定基础。伴随着国家双碳要求、节能减排、绿色环保等政策的实施，氢能重卡的快速上量，轻量化也成为重要衡量指标。在不远的将来，重卡必将以清洁、轻量化的崭新形象，引导新一代的潮流。
