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丰田汽车公司于1992年开始开发燃料电池汽车(FCV：fuel cell vehicles)，此后进行了许多项目研发，以期使这些汽车得到广泛使用。丰田FCHV-adv发布于2008年，采用的是燃料存储压力为70MPa的氢气罐，而不是35MPa的氢气罐。通过各种改善燃料经济性的措施，FCHV-adv的实际续航里程达到了至少500km。继FCHV-adv之后，丰田公司开发了一款新型FCV轿车Mirai(未来)，使其量产化。该轿车配备了新型70MPa高压存储系统。新型FCV的储氢系统比FCHV-adv的存储系统质量轻得多，且成本更低。优化了新开发的高压氢气罐形状，使其能够安装在轿车型车辆的地板下方(图1)。这种形状的高压储氢罐确保了车辆具有足够的内部空间和所需的氢气容量。两个高压氢罐的规格列于表1。高压氢气通过高压调节器和喷射器两个元件的减压输送给燃料电池堆(FC),图2所示为新型FCV高压储氢系统的基本配置。这两个氢气罐通过圆形支架安装在地板下方，如图3所示。由于高压氢罐在高压氢气存储系统的质量中占最大比例，因此对罐的设计进行了彻底的修改，图4所示为高压氢气罐的结构。高压氢气罐由最内层的塑料构成内衬，以密封氢气，并被能够承受高压的坚固碳纤维增强树脂层(CFRP，Carbon Fiber Rein forced Plastic)包围。CFRP层之外是玻璃纤维强化树脂层(GFRP，Glass Fiber Rein forced Plastic)，用以承受冲击。最外层是含有膨胀石墨的耐火聚氨酯保护层和防跌落的耐冲击聚氨酯保护层。铝法兰位于氢气罐内衬的两端，一端用于阀门配件安装。通过改进CFRP层结构和减少材料用量，减轻了新开发的高压氢气罐的质量。图5所示为高压氢气罐的压层图案。通常，高压储罐CFRP层压结构采用以下三种类型的缠绕方法组合，使用环向缠绕来增强储罐的中心区域；小角度螺旋缠绕来增强圆顶区域(沿轴向)；大角度螺旋缠绕以加强这些区域的边界。必要时，为了加强边界区域所需的强度，大角度螺旋绕组也缠绕到中心区域上。由于大角度螺旋绕组以70°的角度缠绕在储罐的中央区域，因此加强效果不大，如图6所示。针对氢气罐中心区域无效的大角度螺旋缠绕，开发了一种新的压层方法，该方法可在不使用大角度螺旋缠绕的情况下加强边界区域。图7是新缠绕压层与传统的压层方法对比。①内衬的截面形状平展，以使得能够通过在边界区域上也形成环向缠绕的压层；②通过逐渐改变环向缠绕的端部位置，在形成常规衬套形状的同时加强了边界区域；这些更改具有以下两个效果。首先，消除了占总压层结构约25％的大角度螺旋绕组。其次，环向缠绕是加强储罐中央区域的一种非常有效的方法，使最大应力集中在内层。这样可以更有效地利用纤维的强度。与传统的压层方法相比，这种双重作用使CFRP的质量降低了20％。改进氢气罐两端法兰的形状，以帮助减少CFRP的使用量。通过增加法兰直径和减小开口端直径的大小来降低法兰对CFRP的层表面压力。并可以减少小角度螺旋缠绕层的使用量约5％，图8所示为法兰施加到CFRP层的表面压力。改善叠层结构和优化法兰可大大减少高压氢气罐的边界区域(通过消除大角度螺旋缠绕)和圆顶区域(通过减少小角度螺旋缠绕)的CFRP使用量。与其他减轻质量的措施相结合，与以前的高压氢气罐结构相比，这些措施将CFRP的使用量减少了约40％。结果，新开发的高压氢气罐实现质量减轻5.7％的效果，这是世界上最轻量化的储氢罐之一。图9所示为通过传统方法和新开发方法缠绕压层的储氢罐的横截面对比情况。仅将罐的数量从四个减少到两个不足以实现高压存储系统降低成本的目标。因此，从整个高压存储系统的角度出发，研究了各种降低成本的措施，包括降低材料成本，减少部件数量以及重复使用汽油发动机的部件(如高压传感器)。特别是丰田FCHV-adv的氢气罐采用的是航空级碳纤维，其价格非常昂贵。因此，开发新的高压氢气罐时，在碳纤维制造商的合作下，将通用碳纤维的性能进行改善。结果是强度提高到几乎与航空级碳纤维相同的水平，而氢气罐质量更轻。该系统的开发在降低高压氢气罐以外的高压组件的成本和尺寸方面也取得了进展。大多数高压部件在与氢接触的部分使用铝合金或不锈钢，以防止氢脆化。与丰田FCHV-adv相同，该系统中的高压阀和高压调节器使用铝合金作为零件机体，并使用不锈钢作为内部主要部件。但是，通过改进结构减少了组件的数量。图10比较了传统阀门和新阀门的结构组成。这一改进简化了阀门内部的气流路径，并修改了电动截止阀的布局。电动止回阀的内部结构也得到了改善并减小了尺寸。在丰田FCHV-adv中，止回阀等滑动组件被合并到不锈钢套筒中以提高耐用性。在新的FCV中，取消了该套筒以减少零件数量和阀门尺寸。图11比较了止回阀的传统滑动构造和新滑动配合构造。通常，低硬度的铝合金在与不锈钢结合使用时会出现问题，由于两种不同性质金属材料接触摩擦产生异物，而异物导致滑动粘附和不良的密封性。因此，丰田FCHV-adv的储氢系统设计阀芯将不锈钢与不锈钢结合在一起，以防止磨损和异物的产生。而新型FCV的储氢系统的阀芯开发旨在采用铝体氧化铝膜表面处理代替不锈钢套筒。试验结果发现，对经表面处理过的铝制套筒能确保在氢气氛中稳定的滑动特性和工作寿命。图12是通过试验的铝磁盘材料经氧化铝膜表面处理后与不锈钢球之间的摩擦关系。图13所示为有和没有表面处理的滑动表面差异状态。新设计的阀体采用这些措施的结果是，阀门的质量减少了约25％，部件数量减少了35％，从而降低了阀门的尺寸和成本，图14所示为常规阀和新型阀的外观。通过重新设计密封件来实现高压调节器的性能和降低零件成本。位于高压调节器下游的喷射器的控制的重要方面是由高压调节器控制的压力的瞬时特性。如果瞬态压力变化太大，则喷射量也会变化很大，从而对燃料经济性产生不利影响。图15概述了调节器的原理结构图。调节器由高压侧的阀芯和低压侧的活塞，弹簧及其他组件组成。当供应燃料时，调节器的瞬时流量会与下游喷射器的运行同步变化，在调节器活塞，阀芯和其他组件中产生较小的冲程动作而引起不稳定性，例如活塞滑动部分的摩擦系数的变化，引起瞬态压力特性的变化。新调节器通过优化活塞形状和采用了低成本的活塞滑动密封材料，以及创新密封材料的形状，确保了调节器稳定的滑动特性。结果，与丰田FCHV-adv相比，开发的新调节器以更低的成本获得了更好的瞬态压力特性。图16所示为在不同流速下瞬态压力以及反应时间滞后的变化。高压接头的密封结构也被改变以降低成本。丰田FCHV-adv采用的O形圈密封结构，需要使用高成本的特殊材料，因为连续供给高压液态氢气后，高压接头的温度下降至-50℃。新开发采用了新的金属密封结构以减少部件数量，图17所示为高压接头结构。不锈钢被用作管道和接头的材料。但是，考虑到密封性能，两者都规定了最佳的材料硬度。这种方法无需增加垫圈即可确保密封的可靠性，从而降低了成本并缩短了组装时间。改装了现有发动机的高压传感器以供使用在高压氢气气氛中。图18所示为高压传感器的横截面。高压传感器的原理是使用半导体压电技术来检测由于施加高压气体引起的隔膜的微小变形而产生电信号。但是，如果在氢气气氛中长时间使用此传感器，则少量氢气溶解到膜片中，导致变形并严重影响传感器精度，图19所示为由于氢固溶体形成而引起的隔膜膨胀和变形的测量结果。研究了各种对策建议，包括改变隔膜的材料和形状，最后，采用将一薄膜覆盖到隔膜的内表面以抑制氢渗透。这有助于最大程度地降低成本。结果，在隔膜中形成的氢固溶体的量减少到先前量的大约10％。高压传感器可以长期稳定。在2008年，大多数能够预冷氢气的加氢站只能将加注的氢气温度降低到-20℃，丰田FCHV-adv需要大约10min的加氢气时间。此外，由于与站点和车辆之间的通信标准不兼容，最大充气量(SOC)被限制为仅约90％。但是，随着符合SAEJ2601标准的加氢站开始建设，投入使用，能够将加注的氢气预冷至-40℃，从而将加氢气时间减少到与汽油车加油大致相同的水平。另外，通过确保通信协议兼容性改进了SOC。图20所示为通信系统的配置。图21比较了丰田FCHV-adv和新型FCV的加气时间和SOC(SAE标准条件，内部测量值)。通过改善加气通信设备，还提高了高填充度估计气体的准确性。在设计用于各种不同形状的储气罐的系统的情况下，由于氢气入口和储罐之间的压力损失差异以及每个储罐的热容量特性，温度升高的程度会有所不同。先前的研究确定了加气期间储气罐内部的温度分布。与液体燃料不同，对气体燃料的高填充度估计通常需要在加气过程对压力和温度进行校正。因此，如果储气罐之间或一个储气罐内部的温度差较大，则温度检测点应尽可能接近平均温度。这一改进调整了加油管通向每个储气罐的路径，以使储气罐之间的温差最小。另外，应对一个储气罐内温度差的对策为调整填充气体的喷射方向和温度传感器的位置，以使相对于平均温度的误差最小。这些措施确保了SOC超过95％。图22所示的测试结果证明了温度传感器位置和储气罐内气体喷射方向对SOC的影响。新的高压储氢系统的开发目标之一是根据新建立的全球技术法规(GTR)和相关的欧洲(EU)法规(第7992009号和第40662010号)获得储氢系统组成部件的认证。传统的高压氢气罐已通过了日本标准KHKS0128的型式认证，该标准于2013年建立，是车辆可压缩氢气瓶的技术标准。但是，这次丰田新型FCV的高压储氢系统开发是日本首次尝试在GTR中规定的更严格的测试条件下获得新FCV中使用的高压氢罐和高压阀的认证。与常规测试条件的三个主要区别如下。(1)持续测试，评估储氢系统压力循环耐抗化学和物理冲击(跌落)的性能；(2)评估在环境温度、极端温度和室温条件下氢气压力循环的测试；(3)图23显示了局部燃烧试验和完全吞没篝火试验对比情况。除了在着火测试(即局部着火测试)中整个罐体上的常规加热方式之外，在远离热触发卸压装置的一侧增加了加热测试。因为储氢罐卸压阀门配备有在110℃左右温度下会熔化的易熔塞，即使周围发生火灾，易熔塞会随之触发，释放出氢气，因此不会引起储氢罐本体的炸裂。作为局部防火测试的对策，将耐火材料结合到常规的氢气罐冲击吸收能量的保护层中。这满足了耐摔性和新的耐火性能要求，而没有增加氢气罐的外部体积。图24所示为保护层的结构。丰田的新型FCV中的高压氢存储系统结合了新开发的零部件，例如氢气罐，阀门和调节器。结果，该系统具有足够的储氢能力而不牺牲内部空间。通过改进储氢罐的压层CFRP结构，减轻了系统的质量，与丰田FCHV-adv相比，整个存储系统的质量减轻约15％。此外，采用新开发的低成本和高强度碳纤维、简化每个高压组件以及对现有车辆中的零件进行再利用有助于大幅降低成本，通过确保与SAE J2601和J2799标准（用于加氢真和车辆之间的通信)兼容，提高了加氢性能。结果，加氢时间约为3min，并获得了较高的SOC，从而提高了车辆的可用性。此外，新型FCV还通过了国际标准的车辆氢气瓶ECC7992009认证。开启了燃料电池汽车全面商业化的时代，可以展望下一代FCV技术将继续进一步减少储氢系统的尺寸并提高氢燃料电池的性能。
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