燃料電池汽車加氫站設(shè)計與工程建設(shè)實踐

1、燃料電池汽車加氫站設(shè)計與工程建設(shè)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(Fuel Cell)是氫能使用最重要的技術(shù)之一，作為一種電化學(xué)反應(yīng)裝置，其不經(jīng)過燃燒，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。燃料電池技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)相比，燃料電池具有更高的能源轉(zhuǎn)換效率，而且由于其反應(yīng)的產(chǎn)物是水，不產(chǎn)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(nèi)外進(jìn)行示范運行。燃料電池汽

2、車每日行駛里程和單位里程耗氫量進(jìn)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(nèi)設(shè)置兩輛長管拖車，其儲氫量約560kg，儲存壓力不大于20MPa。站內(nèi)固定儲氫瓶組儲氫量約500kg，儲存壓力不大于45MPa。站內(nèi)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(chǎn)單位運送進(jìn)站后再通過站內(nèi)壓縮機(jī)將氫氣增壓卸載至站內(nèi)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(jī)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儲存、輸配、加注等技術(shù)的

3、綜合應(yīng)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(jī))、氫氣儲存系統(tǒng)(高壓儲氫瓶組)、氫氣加注系統(tǒng)(加氫機(jī)).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(chǎn)單位運送進(jìn)加氫站，氫氣經(jīng)卸氣柱卸載后通過氫氣壓縮機(jī)增壓至43.8MPa儲存到站內(nèi)固定儲氫瓶組中，氫氣長管拖車也可作為站內(nèi)的一級儲氫裝置，當(dāng)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(jī)充裝到燃料電池汽車的車載儲氫瓶中。2.4 加氫站總平面布局加氫站是甲類火災(zāi)危險眭設(shè)施，必須在設(shè)計上保證其安全可靠。在加氫站進(jìn)行站址選擇和

4、站內(nèi)建、構(gòu)筑物及設(shè)備平面布局設(shè)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(shù)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(jìn)行加氫站內(nèi)部平面布局設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)考慮站內(nèi)氫氣壓縮機(jī)間、儲氫裝置、加氫機(jī)、站房、變配電間等建構(gòu)筑物的安全距離滿足表2的要求，同時合理安排站內(nèi)車輛行走路線，避免加氫車輛之間、加氫車輛與站內(nèi)的氫氣拖車之間行駛路線互相干擾。2.5 加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?xì)怏w，與天然氣相比，氫氣與

5、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(shè)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(yīng)力破壞、氫環(huán)境脆化、氫攻擊、泡踵、氫化物生成、高壓氫微細(xì)穿孔、流動性變差等現(xiàn)象7，其中最應(yīng)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(chǎn)生風(fēng)險。在世博加氫站的設(shè)計中，認(rèn)真的考慮了氫氣的儲存、輸配、加注全過程中用氫設(shè)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(yīng)從技術(shù)上保證站內(nèi)的設(shè)備、管路具有可靠的防滲

6、透、防泄漏措施；在設(shè)計上保證泄漏的氫氣能夠及時擴(kuò)散和排除；設(shè)置防雷、防靜電保護(hù)設(shè)施；加氫站所有電器元件需達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的防爆等級要求；站內(nèi)各系統(tǒng)之間設(shè)置安全聯(lián)動系統(tǒng)，具有安全聯(lián)鎖功能。2.6 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(guān)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(jī)增壓后儲存在站內(nèi)的高壓儲氫瓶組中，也可以通過壓縮機(jī)直接增壓對燃料電池車輛進(jìn)行充裝。為了充分利用壓縮機(jī)增壓能力以及保證項目的正常運行和維護(hù)，氫氣增壓系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)的設(shè)置綜合考慮了增壓效率和運行效率之間的關(guān)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，45MPa。

7、理論上按照上述參數(shù)設(shè)置的壓縮機(jī)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(jī)及其外圍的氫氣管路進(jìn)行日常檢修和設(shè)備維護(hù)。2.7 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(Cascade Filling)，采用該種模式的加氫站一般具有一定規(guī)模的站內(nèi)固定儲氫能力而且儲氫壓力一般需要達(dá)到40MPa45MPa，這樣才能對35MPa的車載儲氫瓶組進(jìn)行快速的氫氣加注；另一一種是增壓加注(Booster Filling)，此時站內(nèi)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(jī)增壓，使車載氫瓶的壓力達(dá)到35MP

8、a。采用前一種技術(shù)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(dǎo)致氫氣流速過快，從而使氫瓶內(nèi)部升溫過快；而后一種不需在站內(nèi)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(jī)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(jìn)一步改進(jìn)。將停在站內(nèi)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(dǎo)致的車載氫瓶升溫過快的問題，在一定程度上提高了氫氣使用的安全性。3 上

9、海世博會加氫站關(guān)鍵沒備集成3.1 高壓儲氫裝置加氫站內(nèi)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(hù)費用遠(yuǎn)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(nèi)的固定儲氫裝置，單個儲氫瓶水容積為895L，儲氫壓力達(dá)到43.8MPa，按6瓶/組和9瓶/組共設(shè)置兩組共1

10、5只ASME高壓站用鋼瓶，固定儲氫總質(zhì)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(shè)有專門的氫氣管道將高壓氫氣從儲氫瓶組輸送至加氫機(jī)側(cè)。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(nèi)將車內(nèi)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(jī)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(dǎo)致瓶組內(nèi)氫氣壓力過高，在設(shè)計和安裝時瓶組上方設(shè)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(jìn)行噴淋降溫，避免由于高溫而導(dǎo)致儲氫瓶內(nèi)氫氣產(chǎn)生超壓現(xiàn)象。3.2 氫氣壓縮設(shè)備常用的氫氣壓縮設(shè)備為隔膜式壓縮機(jī)，該型壓縮機(jī)靠

11、金屬膜片在氣缸中作往復(fù)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(jī)械或液壓驅(qū)動在氣缸內(nèi)往復(fù)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(jī)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(guān)鍵的設(shè)備之一。目前，我國加氫站使用的氫氣壓縮機(jī)，基本上都是以進(jìn)口國外設(shè)備為主。世博加氫站內(nèi)采用了4臺隔膜式氫氣壓縮機(jī)，以兩臺壓縮機(jī)為一組，采用撬裝結(jié)構(gòu)，每個橇內(nèi)的兩臺壓縮機(jī)共用一套閉環(huán)冷卻系統(tǒng)，但每臺壓縮機(jī)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(jī)系統(tǒng)最高可以將氫氣增壓至45

12、MPa。4臺壓縮機(jī)的容量可達(dá)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。3.3 氫氣加注設(shè)備作為氫氣加注設(shè)備的加氫機(jī)與天然氣加氣機(jī)原理相似，整個加氫機(jī)一般由機(jī)殼、觸控面板、軟管、加氫槍、質(zhì)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(hù)、環(huán)境溫度補(bǔ)償、拉斷閥保護(hù)和泄漏報警系統(tǒng)等安全防護(hù)功能。由于氫氣的加注壓力達(dá)到35MPa，遠(yuǎn)高于天然氣25MPa的加注壓力，因此，對加注的安全性也提出了更高的要求。加氫機(jī)中使用的流量汁、閥門、加氫槍、拉斷閥需要做到計量準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)緊湊且能承受高壓。根據(jù)加注對象的不同，加氫機(jī)設(shè)置了不同規(guī)

13、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(jìn)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。此外，此次世博會有20輛使用型車載儲氫瓶的燃料電池轎車，該型儲氫瓶嚴(yán)格要求瓶內(nèi)溫度不得超過85。由于氫氣的逆湯-焦效應(yīng)和型儲氫瓶材料本身的散熱性能限制，需對加注的氫氣進(jìn)行預(yù)冷處理，氫氣的溫度降至-20左右再進(jìn)行充裝。同時根據(jù)SAE燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)委員會制定的標(biāo)準(zhǔn)SAE J2601的要求，在型儲氫瓶內(nèi)設(shè)置測溫點，通過紅外通訊裝置與加氫槍(TK17)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實時監(jiān)控加注過程中瓶內(nèi)的

14、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。3.4 站控系統(tǒng)作為加氫站的神經(jīng)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(jìn)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(guān)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(jī)組成。前置機(jī)(下位機(jī))負(fù)責(zé)實時數(shù)據(jù)的采集功能；管理機(jī)(上位機(jī))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(nèi)所有檢測儀表、閥門狀態(tài)、可燃?xì)怏w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(shù)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?xì)怏w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(jī)顯示可實時、在線了解站區(qū)內(nèi)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(jié)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(jī)遇，此次參與世博期間運營