摘要：本文介绍了为新型燃料电池汽车（FCV）开发的高压储氢系统部件的演变，旨在进一步普及FCV。开发了一种具有三种不同长度的新型高压储氢罐，在不牺牲轿车内部空间的情况下，储存必要量的氢气。通过对高压阀采用新的加工方法，提高了批量生产能力并大幅节约了成本。考虑到将来可能在不同规模的加氢站加氢，电磁阀采用了曲柄形流道，以阻止水分的流入；在电磁阀的六个可动滑动部件位置上增设了凹槽，以减少在冷冻温度下壁面与可动部件之间的粘合力；通过改进加工方法使活塞与调节器本体直接滑动，活塞的结构也从三层简化为两层。结果，降低了高压调节器的成本和重量。尽管通过优化储氢罐内的氢气喷射角度等措施，采用了三个容积明显不同的储氢罐，但仍保持了与以往系统相同的高填充效率。此外，开发的储氢罐和阀门获得了联合国第134条(UN-R134)法规的认证，该法规的建立旨在允许FCV和其他车辆的相互认可。

关键字：EV和HV系统，储氢罐，系统技术(A3)，高压储氢系统，燃料电池汽车（FCV）

1、前言

为了实现人与自然的和谐共生，除了用电，氢气的利用也备受期待，为了普及氢气，研究人员正在致力于各种技术开发。燃料电池的开发始于1992年，在2014年的FCV车型中，为了安装在轿车大小的空间中，新开发了一种70MPa高压储氢系统，通过实现与汽油车相同的续航里程以及降低成本，有望作为一款极具普及潜力的FCV。此次，为了大规模普及FCV，新开发了一种高压储氢罐系统，除了重量轻、封装性能得到了提高等常规发展之外，还进一步降低了成本并提高了其商业价值，本文将对这些发展进行概述。

2、系统配置

FCV具有“长续航EV”的特点。除了改善油耗外，此次通过确保所需的有效氢气负载量（约5.6kg），大幅提高了续航里程。图1所示为高压储氢罐的车载示意图。在不牺牲乘员活动空间的情况下，利用穿过驾驶席和副驾驶席之间地板下方的中央通道空间，安装了三个储氢罐。

图1 高压储氢罐的安装布置图

为了确保在轻微碰撞等情况下对能够承受住作用于车辆前后的加速度G，对于配置在中央通道内的储氢罐，相比于以往的固定带固定，新采用了颈部安装结构（图2，3）。

图2 储氢罐固定方法的比较

图3 颈部安装固定结构

图4所示为高压储氢系统的基本配置图，表1所示为高压储氢罐的规格。由三个直径相同但长度不同的储氢罐所供应的高压氢气通过高压减压阀和喷射器分2个阶段减压，并供应给FC电堆^（1）。

图4 高压储氢系统的基本配置

表1 高压储氢罐的主要规格

3、高压系统部件的量产技术

3.1 高压阀

此次，为了进一步实现批量生产性和降低成本，采用了一种新的制作方法（图5）。铝合金阀门主体采用适于批量生产的连铸材料，并通过预先成形加工为接近于最终产品的形状，材料的成品率比以往提高了20%。此外，通过优化锻造模具的形状，减少了锻造次数。

部分SUS部件通过采用MIM（金属注射成形），可以成形为复杂的形状，材料成品率比以往的模型提高了35%。为了确保耐压强度，IN、OUT UNION采用了高比强度且耐氢的AUS316LH2；对于可加工性较差的问题，采用了定期将刀具贴在工件上进行加工的低频振动切削（LFV:Low Frequency Vibration-cutting），以抑制切屑的夹带和工件温度的上升，并缩短了加工时间。包括上述在内，通过采用150多项低成本、提高批量生产性的措施，将成本降低到以往模型的四分之一。

图5 高压阀门的新制造方法

考虑到今后各种加氢站的发展，为了防止填充过程中混入氢气的水分流入阀门，将阀门内部的水分行为可视化，在抑制水分流入电磁阀驱动部和抑制水分滞留的两方面，均提高了水平。流道采用了水分难以流入电磁阀内部的曲柄形状。此外，在作为电磁阀可动部件的滑动部增设了凹槽（6处）。通过在壁面与壁面之间设置间隙（图6），即使有水流入，也降低了在冷冻温度下作用在壁面和可动部件之间的粘合力。由此确保了相对于水分流入的鲁棒性，约为以往模型的2.5倍。（图7）

图6 防进水的对策

图7 阀门进水对策的效果

3.2 高压减压阀

在减压阀中，随着下游喷射器的几十毫秒量级的开闭动作，压力调节部的活塞需要以数μm到几百μm的行程滑动。活塞部的密封件必须在活塞大约滑动几千万次的同时与外部的保持密封。因此，滑动部需要保持兼具密封性和可滑动性的表面性状，并且需要微米级的精密切削和表面处理。此次，通过高刚性车床实现了对阀体侧活塞滑动部的切割，通过使活塞直接在阀体上滑动，将结构从3层简化为2层（图8）。由此总成本比以往模型减少了三分之二，重量减少了15%。

图8 三层和两层压力调节器的比较

当气体在减压阀中流动时，由于内部部件的共振有时会产生流动噪声。此次通过将内部部件（销子）的行为可视化来阐明NV（噪声振动）产生的机制。高压运行时观察内部结构，结果发现由于销子的倾斜，提升阀出现偏心，流道变得不均匀，因此造成氢气流产生紊乱，由此确定了这就是激振源。(图9)作为对策，通过延长销子，优化间隙，抑制销子本身的倾斜，使流动噪声降低了约30%。

图9 当压力调节器的流动噪声发生时，对销子周围冲击波的观察图像

3.3 高压温度传感器

对于配置在储氢罐内的高压氢气温度传感器，这次对结构部件进行了重新评估和简化。在以往的模型中，支撑热敏电阻的外壳采用了SUS材料，但在这次的模型中，通过在外壳上使用一体型树脂材料，减少了部件数量和重量（表2）。成本是以往模型的3/4，重量减轻了90%以上。

表2 温度传感器结构的比较

众所周知，当填充氢气通过储氢罐的阀门管道流入氢气罐时，填充氢气的流速会超过声速，有时会产生冲击波（图10）。此次，通过测量对温度传感器产生的应力，发现储氢罐的容积和直径越小，对温度传感器产生应力越大。考虑到这些因素，温度传感器被配置在其恰好能够发挥作用的适当位置（图11）。

图10 加氢过程中储氢罐内氢气流动的可视化（施利伦系统）

图11 加氢过程中温度传感器的输入

4、确保填充性能

当填充预冷氢气时，储氢罐内会产生温度分布，这会导致储氢罐内的平均气体温度与感测温度之间的差异，这可能导致填充量少于通信量填充。此外，该系统由多个不同容积的储氢罐组成，填充过程中，长的（大容积）储氢罐的填充流量会变大。针对储氢罐内的温度分布，通过优化罐内的氢气喷射角度，即使在流量最大的长的储氢罐内，也能够对罐内的平均气体温度进行感测（图12）。由此，即使是新型FCV，也能确保与以往采用通信量填充时相同的填充量。

图12 储氢罐内部温度分布的计算结果（加氢时）

5、系统认证

以往的高压储氢罐需要获得各个国家或地区的认可。随着2015年制定的联合国法则（UN-R134）（基于以国际标准协调为目的的58协定）的开始实施^（3），新系统可适用该条款，从而首次获得了认可。

6、结语

为了大规模普及FCV，本文中开发了一种高压储氢系统，除了重量轻、封装性能得到了提高等常规发展外，还进一步提高了续航里程，降低了成本，以及改进了生产工艺。今后为了进一步普及FCV，将继续推进领先于时代并满足客户需求的技术开发，致力于建立环境友好型氢能社会。

参考文献：

（1）山下，近藤，大神，三石：用于新型FCV的高压储氢系统的开发，汽车工程师学会学术报告会预备稿集，No.37-15S，P909-913（2015）

（2）斋藤，后藤，山下，稻木，近藤等：用于新型FCV的高压氢气阀的开发，汽车工程师学会学术报告会预备稿集，No.37-15S，P914-918（2015）

（3）关于氢燃料电池汽车相互认可的行政令等的制定～关于氢燃料电池汽车，国际互认即将开始，日本经济产业省，News Release，2016年6月30日，

https://warp.da.ndl.go.jp/info:ndljp/pid/10159415/www.meti.go.jp/press/2016/06/20160630002/20160630002.pdf，（参照2021.03.18）

用于新型FCV的高压储氢系统部件的开发

用于新型FCV的FC电堆结构与安装设计