燃料電池汽車加氫站設計與工程建設

1、 / 6燃料電池汽車加氫站設計與工程建設實踐加氫站對于燃料電池汽車的發(fā)展有著積極的推動作用。燃料電池 （FuelCell）是氫能使用最重要的技術之一，作為一種電化學反應裝置，其不經過燃燒，直接將化學能轉化成電能。燃料電池技術廣泛應用于汽車工業(yè)領域，與傳統(tǒng)的內燃機相比，燃料電池具有更高的能源轉換效率，而且由于其反應的產物是水，不產生任何的污染物和溫室氣體，實現(xiàn)了真正的零排放。我國燃料電池汽車事業(yè)的發(fā)展基本與世界同步，在政府的能源、環(huán)保戰(zhàn)略，發(fā)展速度仍在不斷加快。2.1 加氫站儲氫量根據(jù)對世博期間燃料電池公交車、燃料電池轎車和燃料電池觀光車3 類共196 輛氫燃料電池汽車在世博園區(qū)內外進行示范運行

2、。燃料電池汽車每日行駛里程和單位里程耗氫量進行估算，所有燃料電池汽車的日最大氫氣需求量約600kg?？紤]供氫安全系數(shù)和工程實際情況，站內設 置兩輛長管拖車，其儲氫量約 560kg,儲存壓力不大于20MPa。站內固定儲氫瓶組儲氫量約 500kg,儲存壓力不大于45MPa。站內總儲氫 量約1060kg,屬于三級站。該站選擇離站制氫（Off-site）的模式，采用氫氣長管拖車將小于20MPa的壓縮氫氣從生產單位運送進站后再通過站內壓縮機將氫氣增壓卸載至站內高壓儲氫瓶組，以不大于 45MPa 的壓力儲存。車輛加氫時，從儲氫瓶組中輸出氫氣，通過加氫機充裝到燃料電池汽車的車載儲氫瓶中。加氫站是對高壓氫氣的

3、儲存、輸配、加注等技術的綜合應用，世博加氫站系統(tǒng)主要包括：氫氣源（站外供氫）、氫氣壓縮系統(tǒng)（氫氣壓縮機） 、氫氣儲存系統(tǒng)（高壓儲氫瓶組）、氫氣加注系統(tǒng)（加氫機 ）.此外還有高壓氫氣管線、閥門組件和安全、控制系統(tǒng)等 6 ，加氫站的工藝流程由圖所示。氫氣長管拖車將小于 20MPa 的壓縮氫氣從氫氣生產單位運送進加氫站，氫氣經卸氣柱卸載后通過氫氣壓縮機增壓至 4MPa儲存到站內固定儲氫瓶組中，氫氣長管拖車也可作為站內的一級儲 氫裝置，當對車輛加氫時，通過多級取氣的模式從儲氫瓶組中輸出氫氣，通過加氫機充裝到燃料電池汽車的車載儲氫瓶中。加氫站總平面布局加氫站是甲類火災危險眭設施，必須在設計上保證其安全可

4、靠。在加氫站進行站址選擇和站內建、構筑物及設備平面布局設計時，必須符合上海市城市規(guī)劃和站區(qū)防火安全的要求，參照上海市地方規(guī)范燃料電池汽車加氫站技術規(guī)程，確保加氫站與站外重要公共建筑物、明火或散發(fā)火花地點、民用建筑和廠房、庫房、儲罐、鐵道、鐵路、架空通信線、架空電力線路等保持足夠的防火距離滿足表1 的要求。在進行加氫站內部平面布局設計時，應當考慮站內氫氣壓縮機間、儲氫裝置、加氫機、站房、變配電間等建構筑物的安全距離滿足表2 的要求，同時合理安排站內車輛行走路線，避免加氫車輛之間、加氫車輛與站內的氫氣拖車之間行駛路線互相干擾。氫站的氨安全工藝氫氣的安全性問題一直是討論的焦點。氫氣屬于甲類易燃氣體，

5、與天然氣相比，氫氣與空氣混合形成的爆炸混合物具有更寬的爆炸極限范圍(4.1%74.1%),更低的著火能量(0.019mJ由于氫分子體積小，無色無味，因此極易泄 漏并不易被察覺，易于在設備、容器和建筑物頂部積聚，遇明火、熱源極易發(fā)生燃燒爆炸。此外，氫對金屬材料也存在一定的破壞性，如氫應力破壞、氫環(huán)境脆化、氫攻擊、泡踵、氫化物生成、高壓氫微細穿孔、流動性變差等現(xiàn)象7 ，其中最應重視的是氫脆，所以，在選用儲氫材料時必須選用抗氫脆材料，避免因氫脆而產生風險。在世博加氫站的設計中，認真的考慮了氫氣的儲存、輸配、加注全過程中用氫設備和氫氣管路的安全性。對上述問題可能帶來的危險隱患，應從技術上保證站內的設備

6、、管路具有可靠的防滲透、防泄漏措施；在設計上保證泄漏的氫氣能夠及時擴散和排除；設置防雷、防靜電保護設施；加氫站所有電器元件需達到標準、規(guī)范的防爆等級要求；站內各系統(tǒng)之間設置安全聯(lián)動系統(tǒng)，具有安全聯(lián)鎖功能。加氫站氫氣增壓系統(tǒng)氫氣增壓系統(tǒng)是整個加氫站的關鍵組成。從氫氣長管拖車上卸載下來的氫氣通過氫氣壓縮機增壓后儲存在站內的高壓儲氫瓶組中，也可以通過壓縮機直接增壓對燃料電池車輛進行充裝。為了充分利用壓縮機增壓能力以及保證項目的正常運行和維護，氫氣增壓系統(tǒng)的技術參數(shù)的設置綜合考慮了增壓效率和運行效率之間的關系：正常吸氣壓力為5MPa22MPa,額定排氣壓力為44MPa,單臺最大壓縮能力為20kg/h

7、, 45MPa。理論上按照上述參數(shù)設置白壓縮機組每天只需運行 8h,就可以滿足世 博期間車輛每日加氫的需求，其余時間可用于對壓縮機及其外圍的氫氣管路進行日常檢修和設備維護。加氫站氫氣加注工藝目前，加氫站有2種氫氣加注模式8: 一種是分級加注(CascadeFilling)采 用該種模式的加氫站一般具有一定規(guī)模的站內固定儲氫能力而且儲氫壓力一般需要達到40MPa45MPa,這樣才能對35MPa的車載儲氫瓶組進行快速的氫氣 加注；另一一種是增壓加注(Booster Filling),此時站內的儲氫壓力比較低(例如 20MPa25MPa),先對車載儲氫瓶部分增壓后，再啟動氫氣壓縮機增壓，使車 載氫瓶

8、的壓力達到35MPa。采用前一種技術的優(yōu)點是加氣速度快，加氫站的利 用率高，但在對壓力較低的車載氫瓶加注開始階段會由于壓差過大導致氫氣流速過快，從而使氫瓶內部升溫過快；而后一種不需在站內儲存高壓氫氣，還可以降低加注成本，但為了保證加氣速度，需要的氫氣壓縮機容量較高。目前世界上加氫站大多采用第一種加注模式。世博加氫站采用分級加注的工藝模式，在分析和研究該加注模式的優(yōu)缺點后，對工藝做了進一步改進。將停在站內的氫氣長管拖車也作為分級加注中的一級，由于該級壓力較低，在對車載氫瓶時，首先從該級取氣。這樣可以降低加注時前、后端的壓差，避免由于加注速度過快導致的車載氫瓶升溫過快的問題，在一定程度上提高了氫氣

9、使用的安全性。3xx 世博會加氫站關鍵沒備集成高壓儲氫裝置加氫站內壓縮氫氣的儲存一般采用兩種方式：一種是用具有較大容積的氣瓶，該類氣瓶的單個水容積在600L1500L之間，為無縫鍛造壓力容器；另一種是采用小容積的氣瓶，單個氣瓶的水容積在45L80L,比較上述兩種儲氫系統(tǒng)的特點，可以看出采用大型儲氫瓶組的一次性投資要高于小型的儲氫瓶組，但由于大瓶組系統(tǒng)相對于小瓶組系統(tǒng)而言氣閥、管件和安全附件的數(shù)量要少的多，可靠性和安全性高，且維護費用遠低于小瓶組系統(tǒng)。由于氫氣需求量較大，世博加氫站以大型儲氫瓶組作為站內的固定儲氫裝置，單個儲氫瓶水容積為895L,儲氫壓力達到43.8MPa,按6瓶/組和9瓶/組

10、共設置兩組共15只ASME高壓站用鋼瓶，固定儲氫總質量超過 500kg。這些儲 氫瓶根據(jù)氫氣加注控制策略的要求按1： 2： 2 的比例被分為高壓、中壓和低壓三級，每一級都設有專門的氫氣管道將高壓氫氣從儲氫瓶組輸送至加氫機側。采用大容量高壓儲氫裝置和三級取氣加注的模式，可以在短時間內將車內氫瓶迅速充滿，實現(xiàn)車輛的快速加注。而且可以避免壓縮機的頻繁啟動，優(yōu)化了加氫站的工藝流程。此外，為避免夏季日曬升溫導致瓶組內氫氣壓力過高，在設計和安裝時瓶組上方設置了冷水噴淋裝置，一旦出現(xiàn)夏季氣溫過高的現(xiàn)象，對瓶組進行噴淋降溫，避免由于高溫而導致儲氫瓶內氫氣產生超壓現(xiàn)象。氫氣壓縮設備常用的氫氣壓縮設備為隔膜式壓縮

11、機，該型壓縮機靠金屬膜片在氣缸中作往復運動來壓縮和輸送氣體。膜片沿周邊由兩限制板夾緊并組成氣缸，并由機械或液壓驅動在氣缸內往復運動，從而實現(xiàn)對氣體的壓縮和輸送。金屬膜片的厚度一般在0.3mm0.5mm,將氫氣與液壓回路隔離開來，防止兩者接觸，保證氫氣的純度。氫氣壓縮機在整個加氫站中有著舉足輕重的作用，是整個加氫站中最為關鍵的設備之一。目前，我國加氫站使用的氫氣壓縮機，基本上都是以進口國外設備為主。世博加氫站內采用了 4 臺隔膜式氫氣壓縮機，以兩臺壓縮機為一組，采用撬裝結構，每個橇內的兩臺壓縮機共用一套閉環(huán)冷卻系統(tǒng)，但每臺壓縮機組的 控制系統(tǒng)和放散系統(tǒng)都是相互獨立的，相互不受影響。該壓縮機系統(tǒng)最

12、高可以將氫氣增壓至 45MPa。 4 臺壓縮機的容量可達到80kg/h, 45MPa,完全可以滿足世博期間車輛每天的氫氣加注需求。氫氣加注設備作為氫氣加注設備的加氫機與天然氣加氣機原理相似，整個加氫機一般由機殼、觸控面板、軟管、加氫槍、質量流量計、壓力變送器、防爆電磁閥、氣動閥、安全閥、連接管路和控制系統(tǒng)等組成。除此之外，還具有過壓保護、環(huán)境溫度補償、拉斷閥保護和泄漏報警系統(tǒng)等安全防護功能。由于氫氣的加注壓力達到35MPa,遠高于天然氣25MPa的力口注壓力，因此，對加注的安全性也提 出了更高的要求。加氫機中使用的流量汁、閥門、加氫槍、拉斷閥需要做到計量準確、結構緊湊且能承受高壓。根據(jù)加注對象

13、的不同，加氫機設置了不同規(guī)格的加氫槍(TK16 TK25),可分別為燃料電池轎車和燃料電池公交車進行加注， 其最大加注流量分別控制在2kg/min 和 5kg/min 。在該流量下加注一輛轎車約用1對5min,加注1輛公交車需15min20min。止匕外，此次世博會有20輛使用IV型車載儲氫瓶的燃料電池轎車，該型儲氫 瓶嚴格要求瓶內溫度不得超過 85C。由于氫氣的逆湯-焦效應和IV型儲氫瓶材料 本身的散熱性能限制，需對加注的氫氣進行預冷處理，氫氣的溫度降至-20 左右再進行充裝。同時根據(jù) SAE然料電池汽車標準委員會制定的標準SAE J260的要求，在IV型儲氫瓶內設置測溫點，通過紅外通訊裝置

14、與加氫槍(TK17進行數(shù)據(jù)傳輸，實時監(jiān)控加注過程中瓶內的壓力和溫度變化，一旦出現(xiàn)超壓或超溫趨勢 將立刻停止氫氣加注，從而保證加注過程的安全。站控系統(tǒng)作為加氫站的神經中樞，站控系統(tǒng)控制著整個加氫站的所有工藝流程有條不紊的進行，站控系統(tǒng)功能是否完善對于保證加氫站的正常運行有著至關重要的作用 8 。因此，站控系統(tǒng)必須對加氫站具有全方位的實時監(jiān)控能力。站控制系統(tǒng)采用分布、分級的控制方式，分散控制、集中管理，整個加氫站的站控系統(tǒng)由兩級計算機組成。前置機（下位機）負責實時數(shù)據(jù)的采集功能；管理機 （上位機）用于完成數(shù)據(jù)信號接受處理、顯示、記錄、控制和數(shù)據(jù)上傳。在控制室集中顯示加氫站內所有檢測儀表、閥門狀態(tài)、可燃氣體檢測等信號的監(jiān)測，以及對閥門實現(xiàn)自動控制。站控系統(tǒng)可監(jiān)視、控制整個加氫站運行的全過程，計算所需的技術參數(shù)，自動繪制參數(shù)的實時和歷史趨勢曲線。對站區(qū)采集的數(shù)據(jù)包括卸氣系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)、可燃氣體檢測系統(tǒng)、火焰探測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及加氣系統(tǒng)等所有數(shù)據(jù)。加氫站站控系統(tǒng)實現(xiàn)了加氫站運行的自動控制，同時現(xiàn)場操作人員通過計算機顯示可實時、在線了解站區(qū)內工藝運行情況，保障系統(tǒng)安全、可靠運行，同時完成加氫量的采集。4 結論世博會是一個展示我國新能源汽車發(fā)展與創(chuàng)新的重大機遇，此次參與世博期間