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【干货】氢气安全吗?燃料电池车用氢的安全性分析

楼主:富瑞氢能 时间:2019-08-13 09:07:34


      氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的新能源,被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源,是人类的战略能源发展方向。

1、氢气安全吗?

     ——安全性能不亚于常见燃料,可以满足应用需求 

    氢气的主要特性和其它常见燃料作对比,建立四个坐标分别是扩散、浮力、爆炸下限和燃烧速度的倒数,越靠近坐标原点越危险。可以看出,就扩散、浮力和爆炸下限而言,氢气都远比其它燃料安全,不容易形成可爆炸的气雾,因而只要建立有效的防控手段,氢气的安全性还是十分出众的。 

氢气特性分析如下

■ 氢气泄露速度快于常见燃料,但泄漏总能量不高

■ 氢气具有很高的扩散系数和浮力,泄漏时可迅速降低浓度

■ 氢气爆炸极限范围宽,但爆炸能很低且不产生浓烟年和灰霾

■ 氢脆现象会引起金属脆化裂纹,可以选用合适的材料防护避免。

2、氢气的储运安全吗?

     ——以气氢拖车运输为主,从充装到储运安全措施完善 

运氢的方式主要分为:气氢拖车运输(tube trailer)、气氢管道运输(pipeline)和液氢罐车运输(liquid truck)。从现阶段加氢站对运输距离(<500km,200km为宜)和运输规模(10吨/天)的需求来看,氢气最佳的运输方式仍是气氢拖车。

现阶段氢气运输方式

气氢拖车系统的运行过程如下:



▲气氢拖车

空载气氢拖车在集中制氢厂加氢到满载,然后车辆行驶到加氢站,直接卸下车上管状储存容器作为加氢站的存贮设备,同时拾起原本位于加氢站的“空载”管状容器,运回集中生产厂开始新一轮的加载。  

氢气充装方式

为了将常温下将7kPa的氢气多步压缩至35MPa甚至更高专供氢气长管车充装,整个氢气充装工艺十分复杂,包括压缩机、罐装系统等各环节都有相应的安全措施。

氢气充装工艺流程及设备示意图

       来源:《氢气充装站的扩建及安全技术改造》

  • 氢气压缩机的安全保障,可编程控制器进行集中控制

  • 氢气充装系统的安全保障,超压保护、回流保护、放空保护

3、燃料电池车辆安全吗?

     ——设计完备提供全方位防护,实际运行安全有效 

3.1 车载供氢系统:设计与材料双管齐下,实现用氢安全多重保障

     车载供氢系统是燃料电池汽车的重要组成部分,功能主要是为燃料电池系统提供稳定压力的氢气,而其安全措施主要从预防与监控两方面着手

    从技术设计的角度说:车载供氢系统主要由高压储氢瓶、加注口、单向阀、安全阀、溢流阀、减压阀、电磁阀、热溶栓、压力和温度传感器以及氢管路等零部件组成。其不仅具备过温保护、低压报警、过压保护、过流保护等功能,还考虑到了碰撞安全、氢气泄漏的控制等。

车载供氢系统安全防护措施

      从零部件制造的角度说:用于储存氢气的氢瓶和系统管路由于氢脆等原因对其要求较高,选择合适的材料以及保护结构对储氢系统的安全至关重要。

  • 储氢瓶材料:铝合金内胆碳纤维高压储氢瓶,重量轻、储氢密度高、优良的韧性和抗撞击性能;

  • 储氢罐保护:采用整体式设计,整个框架通过3根横梁和2根纵梁将氢气罐集成到框架总成,保证在撞击时,高压储氢瓶动态位移不会太大,避免断裂;

  • 氢系统管路:氢管路中大多采用316不锈钢材质的管路,其在氢气中的拉伸性能、疲劳性能和老裂纹扩展性能出众,较好的抗氢脆性能;

  • 燃气管设计:燃气管排出氢气的方向是顺延车底部的前后方向,可以保护车舱内不会被火焰殃及。

燃料电池动力汽车车载氢系统及加氢口强检报告:

3.2燃料电池整车:拥有严格的性能测试与密切的氢气监控体系

     多样化的安全性测试能确保燃料电池汽车出厂时的安全性和一致性:除了保证车载氢气系统安全性之外,相关的安全性检测在应用在燃料电池汽车动力系统的开发方面。燃料电池汽车出厂之前就要做多次安全性测试。

来源:《基于氢燃料电池汽车碰撞安全性的研究》,包括氢气泄漏检测系统振动检测追尾碰撞安全以及防追尾检测在内的各类出厂检测,确保整车的用氢安全和各类碰撞情况下的安全性。

      密切的监控体系确保燃料电池车在实际运行时的安全性:根据不同的要求,在燃料电池车上对氢气传感器类型、数量以及布致的位置均有一定的要求。 燃料电池车氢气传感器核心感应元件都使用铂金制造,稳定性高。一般来说,出于对安全性能考虑,燃料电池车总共要求安装4个氢气传感器,而所有传感器信号需直接传送到仪表盘的醒目位置,及时通知驾驶员。

4、车辆面对事故和极端情况还安全吗?

      ——储氢瓶被贯穿火烧不易炸裂, 密闭空间氢气泄露难引发爆炸 氢气安全      

      针对储氢瓶的安全性在各类条件下有多方面实践测试,在氢气储备和使用技术下氢能的安全性是十分有保障的。如下的安全试验和模拟,不难看出氢气实际上有着可以与传统燃油比肩的安全性,甚至更加安全。现实条件下氢气爆炸并非想象中的那么容易实现。

① 储氢瓶子弹贯穿试验,未爆炸;

  
② 储氢瓶火烧试验长达13分,储氢瓶依然完好,未爆炸。


储氢瓶泄漏点火试验:氢燃料电池汽车火焰是从后备箱向上窜,一分钟后氢燃料电池汽车依旧只是氢气向上燃烧,对汽车基本没有损坏,而此时燃油车早已成为一个大火球,只剩下燃烧后的车架。

5、加氢基础设施安全吗?
     ——
已有相关技术规范指导,加快健全行业标准体系 

     加氢站是构建未来燃料电池汽车网络的重要环节

     加氢站的安全设计需要根据加氢站自身的设备组成和加氢模式建立相应的技术规范。世界上已经有10多个国家制定了加氢站法规,包括日本、美国、英国等。我国也于2010年颁布了《加氢站技术规范》(GB50516-2010),其中的标准和要求等主要参考了制氢站的标准,结合原有的《建筑设计防火规范》,共同对国内加氢站建设起到了指导作用。 

    加氢装置安全:加气枪连接到车的加气口后被电磁机构锁住,安全性和电动车充电接头的水平相当。管路电磁阀,在给气瓶充气时,可有效防止气体进入电池。

    加氢站爆炸事故模拟证明安全规范切实有效

    加氢站内存储的大量高压氢气若发生泄漏,极易形成大规模可燃气云,一经点燃便会引发剧烈的爆炸事故,是最主要的安全威胁。国内研究机构有对于加氢站高压氢气泄漏爆炸事故进行模拟研究,对于防爆区域划分、事故防范控制措施制定等方面都具有指导和检验意义。

      综合来看:由于氢气的扩散速度快,即使发生泄露也主要是垂直上升扩散,不会蔓延到周边地区。且在可燃气云被引燃爆炸的情况下,只要站内设施的布置符合安全距离规定,防爆墙设置合理,可以确保事故范围和影响在有限范围内,说明加氢站的建设规范合理有效,能够保障其整体安全性。

      综上,氢气的特性储运过程燃料电池车辆的安全设计事故和极端情况下的车辆安全加氢设施的安全规范5个角度全面分析了氢气的使用安全问题,结论:氢气安全性足以媲美传统燃料和锂电。

     内容来源:国金证券研究所   

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