储氢系统的组成、设计指标及性能指标

SAE J2579-201806  Standard for Fuel System in Fuel Cell and Other Hydrogen Vehicles 

The purpose of this document is to define design, construction, operational, and maintenance requirements for hydrogen fuel storage and handling systems in on-road vehicles.

Performance-based requirements for verification of design prototype and production hydrogen storage and handling systems are also defined in this document. Complementary test protocols (for use in type approval or self-certification) to qualify designs (and/or production) as meeting the specified performance requirements are described.

Crashworthiness of hydrogen storage and handling systems is beyond the scope of this document. SAE J2578 includes requirements relating to crashworthiness and vehicle integration for fuel cell vehicles. It defines recommended practices related to the integration of hydrogen storage and handling systems, fuel cell system, and electrical systems into the overall Fuel Cell Vehicle.

1.储氢系统原理

如下图所示，SAE J2579-201806 《Standard for Fuel System in Fuel Cell and Other Hydrogen Vehicles》中给出了一个典型储氢系统的原理图。在这里我们可以看到储氢系统以低压调节器为界限，与燃料电池系统划分开。在储氢系统内，还可以分为氢气操作子系统和压缩氢瓶子系统。两个子系统以储氢瓶的截止阀（容器截止阀）和加注检查阀为界。

压缩氢瓶子系统内包括一个泄压装置（PRD）、一个储氢容器、一个连接到通往燃料电池系统回路的截止阀和一个连接到加注回路的加注检查阀。氢气操作子系统中，一侧为连接到加氢口的带有止回阀的氢气加注部分，另一侧为包含压力调节器、泄压阀和一个燃料电池系统截止阀的供氢部分。在这个系统里面，为了安全，可以看到几乎每一个可能有高压存留的地方都设计有相应的泄压装置。

SAE这份标准中对储氢系统中各个功能部分的定义值得参考，但是其储氢系统的原理描述都多多少少不够完整，结合各厂家制造的储氢系统会发现其描述中缺少一些零部件。如下图，对比Mirai的储氢系统，SAE举例系统原理图并不能很好的与之对应，SAE原理图中定义零部件似乎比Mirai的储氢系统中定义的更多一些，而实际上是由于许多氢系统主要零部件都被主机厂提高了集成化，比如集成式瓶阀就一般集成了截止阀、传感器等零部件。

图示美国Argonne实验室定义的储氢系统原理图则能更实用地表示储氢系统中的零部件。可以看到整个系统虽然有不少零部件，但是经过集成，系统可以分为几大部件：氢瓶、集成瓶阀、集成压力调节模块、加氢口、储氢系统控制器以及各部分的泄压排氢装置。

集成瓶阀中通常包括过滤器、流量限值阀、热&压 压力释放装置、手动阀、作为加氢入口的止回阀，以及一系列温压传感器。

集成压力控制模块为通常包括自动截止阀、手动放空阀（用于维修）、压力调节器、紧急泄压阀和压力传感器。

2.储氢系统的设计参数

氢系统的基本设计原理图上面已经比较清晰了，我们再来学习一下储氢系统的常见设计参数。参考美国Argonne实验室的对各储氢系统的评估报告，通常储氢系统的设计指标及其设计依据如下：

此表中大部分设计输入均为Argonne实验室与Quantum、ANL等公司讨论得出。从该表中可以看出，OEM厂商对储氢系统的基础设计输入主要是，通过对车辆里程的预期需求来得到储氢系统总储氢量的需求，然后参考供应商提供的数据表及相关标准即可。

还需要注意到的是此表最后提到的“保护性后盖”，根据理解指的应该是氢瓶底部加固加厚的部分，此处一般会填充泡沫材料来防冲击。如下图，看Mirai的储氢系统设计，氢瓶应该不仅有个保护性后盖，氢瓶瓶口侧也应该有一个保护性套子。

3.储氢系统的主要评估参数

如图，Argonne也评价了一下目前一些储氢系统的性能、成本及用氢成本，其中评价储氢系统性能相关的参数可以用来参考一下：总储氢容量、可用储氢容量、系统储氢质量密度、系统储氢体积密度、系统储氢成本（每千瓦时氢气储氢成本）、循环寿命（充放循环，从1/4到满）、最小运输压力。

总结：

1.储氢系统可以划分为：氢气操作子系统和压缩氢瓶子系统。

2.储氢系统虽然零部件不少，但是因为集成，通常可以划分为几大部件：氢瓶、集成瓶阀、集成压力调节模块、加氢口、储氢系统控制器以及各部分的泄压排氢装置。

3.储氢系统的设计参数及设计依据参考第2节的描述。

4.储氢系统的性能可以用储氢容量、系统储氢质量密度、系统储氢体积密度、每千瓦时储氢成本、充放循环寿命、最小运输压力这几个重要参数来评价

参考资料：

Hua, T. Q., Ahluwalia, R. K., Peng, J. K., Kromer, M., Lasher, S., McKenney, K., ... & Sinha, J. (2011). Technical assessment of compressed hydrogen storage tank systems for automotive applications. International Journal of Hydrogen Energy, 36(4), 3037-3049.

Rivard, E., Trudeau, M., & Zaghib, K. (2019). Hydrogen storage for mobility: a review. Materials, 12(12), 1973.

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McDougall, M. (2010). SAE J2579 Validation Testing Program: Powertech Final Report (No. NREL/SR-5600-49867). National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States).