Стандарты заправки водородом

Европа, Япония и США выразили твердое намерение развивать инфраструктуру для транспортных средств на топливных элементах (FCEV). В 2016 году уже было открыто свыше 230 водородных заправочных станций, а к 2025 году их число достигнет 1680. Семь автопроизводителей объявили о совместных планах продавать или сдавать в лизинг автомобили на топливных элементах - BMW-Toyota, Daimler-Ford-Nissan и Honda-GM.

В связи с этим возникает необходимость в разработке единых стандартов заправки водородом. Разработанные в лабораториях и проверенные на практике в течение последнего десятилетия, эти стандарты создают основу для создания первичной инфраструктуры водородных заправок по всему миру. В настоящее время существует четыре стандарта, разработанных SAE: качества водородного топлива (SAE J2719); заправки водородом (SAE J2601); коммуникации между автомобилем и водородной станцией (SAE J2799); конструкции заправочных сопла-гнезда (SAE J2600).

Стандарт SAE J2719

Стандарт SAE J2719 устанавливает минимально допустимую чистоту водорода 99,97%, а также максимальные уровни содержания различных загрязняющих веществ.

В топливных элементах используется платиновый катализатор, который наносится на поверхность пористого углеродного анода. Катализаторы чрезвычайно чувствительны к химическим загрязнениям, и даже небольшое количество примесей, содержащихся в водороде, приводит к их порче и невосстановимым потерям в производительности топливных ячеек. Это предъявляет высокие требования к чистоте водорода, используемого в качестве топлива для FCEV. Допустимые уровни некоторых видов примесей находятся в диапазоне нескольких частей на миллиард.

Требования стандарта SAE J2719 к чистоте водорода
Загрязняющие примесиХимическая формулаМаксимально допустимые уровни (ppmv)
ВодаH2O5
Углеводороды(C1 basis)2
КислородO25
ГелийHe300
АзотN2100
АргонAr100
Двуокись углеродаCO22
Окись углеродаCO0.2
Соединений серы0.004
ФормальдегидHCHO0.01
Муравьиная кислотаHCOOH0.2
АммиакNH30.1
Галогенированные соединения0.05
Твердые частицы1 mg/kg

Стандарт SAE J2601

Назначение стандарта SAE J2601 – установить единый всемирный протокол заправки легких транспортных средств на топливных элементах (FCEV) на заправочных станциях с давлением 35 MПa и 70 MПa. Увеличение сжатия водорода до 70 MПa позволяет повысить дальность поездки FCEV на одной заправке. Стандарт SAE J2601 относится к легким FCEV с водородным баком, вмещающим от 2 до 10 кг водорода при давлении 70 MПa и от 2,4 до 6 кг при давлении 35 MПa. Отдельные документы стандарта касаются заправки тяжелых грузовиков и вилочных погрузчиков.

Стандарт SAE J2601 позволяет безопасно и быстро (в течение 3-5 минут) полностью заправить легкие транспортные средства на топливных элементах, включая модели с дальностью поездки свыше 500 км. При этом достигается высокая степень наполнения водородных баков и хранилищ водорода без превышения эксплуатационных ограничений. SAE J2601 считается ключевым стандартом, необходимым для коммерциализации автомобилей на топливных элементах и водородных заправочных станций.

SAE J2601 устанавливает ограничения по безопасности и требования к производительности раздаточного устройства газообразного водорода. Критерии включают: максимальную температуру топлива у сопла дозатора, максимальную скорость истечения топлива, максимальную скорость повышения давления и другие параметры, базирующиеся на охлаждающей способности раздаточной колонки станции.

Справочная таблица стандарта J2601

Стандарт SAE J2601 для FCEV малой грузоподъемности использует справочные таблицы для заправки при давлении 35 MПa и 70 MПa. Эти таблицы могут быть запрограммированы в блок управления раздаточного устройства для контроля над процессом заправки. Стандарт J2601 определяет четыре типа раздаточных колонок в зависимости от температуры, до которой предварительно охлаждается водород. В устройствах типа "A" газ охлаждается до -40°C, типа "B" - до -30°C, типа "C" - до -20°C, устройства типа "D" не имеют функции охлаждения. Скорость заправки напрямую связана с охлаждающей способностью раздаточной колонки. Охлаждение необходимо для компенсирования тепла, выделяемого при сжатии газа. В качестве исходных данных в таблицах используются начальное давление в баке FCEV, температура окружающей среды и тип раздаточного устройства. По этим значениям вычисляется допустимая скорость заправки (средняя скорость повышения давления в рампе) и конечное давление, при котором дозатор отключается.

Если сравнивать автомобили на топливных элементах с электромобилями, то с учетом нынешнего КПД FCEV, достигающего 60%, заправка водородом (5-10 кг) эквивалентна заряду 100-200 кВтч электроэнергии за время, не превышающее 5 минут. Благодаря SAE J2601 на данный момент FCEV можно считать единственной технологией с нулевым выбросом, которая способна конкурировать по времени заправки и дальности поездки с автомобилями с бензиновыми ДВС.

Стандарт SAE J2799

Интерфейс стандарта J2799

В дополнение к стандарту SAE J2601 с целью дальнейшей оптимизации процесса заправки и обеспечения высокой степени наполения (95-100%) был разработан стандарт беспроводной связи между FCEV и водородной станцией SAE J2799. Этот опциональный протокол использует технологию инфракрасной передачи данных (Infrared Data Association technology) для обмена информацией между транспортным средством, водородным баком и дозатором. Повышение наполняемости бака позволяет достичь большей дальности поездки без дозаправки.

Стандарт SAE J2600

Заправочные разъемы стандарта J2600

SAE J2600 регламентирует конструкцию и порядок испытания заправочных разъемов, сопел и емкостей, предназначенных для заправки наземных транспортных средств, в которых в качестве топлива используется сжатый водород. Разъемы, сопла и емкости в обязательном порядке должны отвечать требованиям стандарта и пройти все установленные испытания, чтобы считаться совместимыми с SAE J2600.

Стандарт применяется к устройствам, которые имеют классы давления H11, H25, H35, H50 и H70. Целями разработки SAE J2600 являются:

  • предотвращение возможности заправки автомобиля на топливных элементах (FCEV), имеющим класс давления ниже, чем класс давления дозатора;
  • допуск возможности заправки FCEV дозатором, имеющим равный или меньший класс давления;
  • предотвращение возможности заправки FCEV на заправочных станциях другого сжатого газа (не водорода);
  • предотвращение возможности заправки других транспортных средств, использующих в качестве топлива сжатый газ, на водородных заправочных станциях.

Протокол MC Default

Принцип протокола MC Default

Стандарт SAE J2601 открыт для изменений, предоставляя разработчикам возможность вносить усовершенствования и предлагать свои решения для быстрой заправки. Одним из таких решений является MC Default.

MC Default – не нормативный протокол заправки, описанный в приложении к стандарту SAE J2601. Метод MC Default, разработанный научно-исследовательским центром Honda R&D представляет собой математическую конструкцию, по которой рассчитывается способность поглощения тепла водородным баком. Метод является аналогом справочных таблиц, используемых в SAE J2601.

Как и протокол J2601, MC Default разработан для заправочных систем, рассчитанных на давление водорода до 70 Мпа. Основным отличием между ними является то, что Honda предлагает динамическое управление скоростью заправки, основанное на измерении температуры газа, а не на скорости повышения давления, используемом справочными таблицами. Благодаря своим адаптивным качествам MC Default предоставляет больше гибкости в дизайне станции и ее лучшее использование.

О SAE

SAE logo

SAE International, созданная в 1905 году в США как сообщество автомобильных инженеров (Society of Automotive Engineers), в настоящее время является всемирной профессиональной ассоциацией инженерных специалистов и организацией стандартизации в различных областях индустрии. Основной упор в деятельности SAE International направлен на транспортные отрасли, такие как автомобилестроение, коммерческие автомобили и аэрокосмическая промышленность. Организация координирует разработку технических стандартов, основанных на передовом опыте, через свои технические комитеты и целевые рабочие группы. В настоящее время SAE International объединяет более 138 тысяч членов по всему миру. Членство в организации предоставляется только физическим лицам, а не компаниям.

SAE разработала более 1600 технических стандартов и практических рекомендаций, касающихся легковых автомобилей и других дорожных транспортных средств. Среди них: классификация моторных масел, стандартизация инструментов и крепежных размеров, бортовых диагностических разъемов и кодов, рекомендации по измерению мощности двигателей. SAE также разработала документы стандартизации и рекомендации по лампам головного света, тормозам, жидкостям для АКПП, коммуникационным сетям, зарядным системам для электромобилей и многих других аспектов автомобилестроения, относящихся к эргономике, дизайну, конструкции, производительности и долговечности транспортных средств.