宇通加氢站加氢预冷技术应用研究报告 发布日期：2020-08-08

作者：国家电动客车电控与安全工程技术研究中心 崔国彪

【摘要】燃料电池汽车使用碳纤维缠绕储氢瓶储存高压氢气，车辆在加氢过程中会造成气瓶内部快速升温，若温度超过85℃，储氢瓶的碳纤维材质会受到不可逆的损伤，因此气瓶内部温升制约了加氢速率。为能够实现安全快速加氢，宇通加氢站在国内率先配备了-20℃加氢预冷系统，高压氢气加注前通过冷水机组和换热器进行降温，确保在快速加氢的同时，储氢瓶内温度控制在60℃以下，保障安全快速加氢。

1.引言

燃料电池汽车具有加氢时间短、续驶里程长、环保零排放的特点，其在未来推广普及可以有效改善社会能源结构，提升能源利用效率。燃料电池汽车配置碳纤维缠绕储氢瓶组，在加氢站加注高压氢气，通过燃料电池发电驱动整车运行。车辆在加氢过程中会造成气瓶内部快速升温，若温度超过85℃，储氢瓶的碳纤维材质会受到不可逆的损伤，因此，如何设计兼顾安全和快速的加氢方案至关重要。

宇通加氢站在国内率先配备了-20℃加氢预冷系统，可以有效控制氢气的温升，保障加氢安全。本文以郑州首条燃料电池公交示范线路车辆加氢为研究对象，通过研究加氢过程车载储氢瓶的温升情况，评估-20℃加氢预冷系统的应用效果。

2.示范车辆和加氢站基本情况

2.1 燃料电池公交车

本次研究对象为郑州市首条燃料电池公交示范线路车辆，宇通ZK6125FCEVG5，整车配置北京科泰克科技有限公司的8瓶组车载储氢系统，单支水容积140L，最大工作压力35MPa。

图1 燃料电池公交车氢系统参数

2.2 宇通加氢站

宇通加氢站位于郑州市经开第二十二大街与金秋路交叉口西北处，占地面积4216平方米。该加氢站加注压力等级为35MPa，加氢能力1210kg/12h，配有两台35MPa加氢机，一组45MPa储氢瓶组，四台撬装45MPa氢气隔膜压缩机，一套加氢预冷系统，双班可以满足60辆12米燃料电池客车的加氢需求。

图2 宇通加氢站

2.3加氢预冷系统

宇通加氢站配置-20℃加氢预冷系统，包括冷冻机组和套管式换热器等设备。冷冻机组采用R22作为制冷剂获取冷能，使用冰河冷媒作为载冷剂与氢气实现换热，换热器采用套管式，具体参数如表1、表2所示。

表1 冷冻机组技术参数

图3 冷冻机组

表2 套管换热器技术参数

图4 套管式换热器

3.氢气加注测试结果

车载储氢瓶在加氢过程中的温升情况受多种因素影响，包括环境温度、加氢量、加氢速度、加注模式，本次研究方案考虑郑州本地夏天加氢的环境条件，具体如表3所示。

表3 夏季加氢环境条件及加氢工况

3.1加注模式对储氢瓶温升的影响

在环境温度40℃、加氢开始压力2MPa、加氢结束压力35MPa的工况下，对三级加注模式和直充模式分别进行测试，测试结果如表4。

表4 不同加注模式下的储氢瓶温升情况

由表4可以看出，由于三级加注模式的加氢速率大于直充模式，加氢速率越高，瓶内温升越快，因此三级加注模式对储氢瓶温升的影响大于直充模式。

3.2环境温度对储氢瓶温升的影响

在三级加注模式、加氢开始压力2MPa、加氢结束压力35MPa的工况下，研究不同环境温度对气瓶温升的影响，结论见图5，可以看出，在最高环境温度40℃的工况下，-20℃加氢预冷系统可以确保车载储氢瓶最高温度不超过60℃。

图5 环境温度对储氢瓶温升的影响

3.2加氢开始压力对储氢瓶温升的影响

在三级加注模式、环境温度40℃的工况下，研究不同的加氢开始压力对气瓶温升的影响，可以看出，加氢开始压力越低，加氢时间越长，气瓶温升越高。在加氢开始压力2MPa下，-20℃加氢预冷系统可以确保车载储氢瓶最高温度不超过60℃。

图6 加氢量对储氢瓶温升的影响

4.结论

以郑州首条燃料电池公交示范线路车辆加氢为研究对象，结合-20℃加氢预冷装置的使用，研究了不同加氢条件下加氢过程车载储氢瓶的温升情况，得出以下结论：

(1)在最高环境温度40℃、加氢开始压力2MPa、三级加注模式的工况下，若没有配备预冷系统，车载储氢瓶最高温度可以达到78℃，超过气瓶温度报警值70℃，存在安全风险。而-20℃加氢预冷系统可以确保车载储氢瓶最高温度不超过60℃，低于温度报警值。

(2)同等环境温度和加氢量下，三级加注模式对储氢瓶温升的影响大于直充模式。

(3)同等加氢速度下，加氢时间对储氢瓶温升的影响大于环境温度对储氢瓶温升的影响。