燃料电池汽车移动加氢技术的应用

时间：2024-07-28

冯旭翀，符兴锋，杨焕璋，麦德志

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 511434）

燃料电池汽车从骡车到ET、PT再到SOP量产阶段须完成夏季标定实验、冬季标定实验、底盘ESP性能验收、驱动耐久实验、综合耐久实验、道路适应性实验等内容。而氢气作为燃料电池汽车的主要能量补给方式，寻找合适的加氢站资源成为燃料电池汽车研发的拦路虎。据统计，截至2019年底，我国建设完成并投入商业运营的加氢站合计52座[2]。从表1统计数据可得，可以满足燃料电池汽车研发实验使用的只有襄阳、广州和上海的固定式商业运营加氢站。因此，移动式加氢将成为燃料电池汽车开发过程中最重要的一种能源补给方式。

表1 实验场周边固定式加氢站运营情况统计

1 移动加氢工艺流程

加氢站分为站内制氢加氢站和站外制氢加氢站两大类[5]，移动式加氢站由于建设周期短、使用时间短、氢气使用量不大等特点，属于站外制氢加氢站。移动加氢具体工艺流程为：气体运输公司将储氢集装格移动至移动式加氢点，然后把氢气接入加氢机，通过空压机驱动加氢机气动增压泵，增压泵把氢气压力加压至70MPa，再通过加氢枪加注至燃料电池汽车车载储氢瓶。

2 移动式加氢站主要设备介绍

移动式加氢站主要包含空气增压装置、氢气加注装置、氢浓度检测探头、储氢集装格等。空气增压装置应固定在独立支架上，压缩机的吸气、排气管道应采取有效的减振措施。氢气加注装置主要应由氢气管路、安全附件、加氢枪、气体过滤器、控制系统和显示器等组成。氢气加注装置应至少包含安全泄压阀、压力测量仪表和压力传感器、急停按钮、氢浓度检测探头、红外通讯装置等安全设备。其中若氢气加注装置不具备红外通讯功能，则建议燃料电池汽车移动氢气最高加注压力不超过35MPa。

3 氢气化学物理特性分析

氢气在空气中体积分数在4%～74.1%时可被引燃爆炸，引燃温度为400℃。氢气的气体混合物遇点火源能引起燃烧爆炸，氢气比空气轻，在室内使用和存储时，泄漏的气体上升滞留屋顶不易排出，遇火星会引起爆炸。因此在使用氢气时需采取以下措施：①让气源必须远离一切火源及非防爆用电设备；②移动式加氢作业需在室外及空旷开阔的区域进行；③加氢过程中必须做好设备、车辆和人员的除静电处理。

4 燃料电池乘用车移动加氢方案策划

根据本次燃料电池汽车实验的需求，计划安排2台车进行实验，每台车的标称氢气存储量为5.2kg，氢瓶标称氢气存储压力为70MPa，每台车预计每周的氢气使用量为8.1kg，实验计划进行6周时间，预计总的氢气使用量为97.2kg。由于本次移动加氢的氢气使用量较少，因此采用氢气集装格形式进行氢气补充。

本次移动加氢地点计划安排在吐鲁番某实验场内，设备布置方案图具体详见图1。本次实验预计使用的氢气量为97.2kg，符合GB 50516中三级加氢站储氢罐的氢气存储量要求，因此，设备工艺布置可参考相关工艺设施、站外建筑物及构筑物的防火距离要求。经现场实地测量及核算，相关设备设施的安全防火距离均符合国标安全距离要求，无重大安全隐患，可作为移动加氢点，具体信息详见表2。

图1 吐鲁番某实验场移动式加氢方案设备布置方案图

表2 吐鲁番某实验场移动加氢区域安全距离统计表

燃料电池汽车移动式加氢是一项相对高风险的工作，必须采取严格措施来进行安全风险的管控，本文主要从人、机、物、法、环等角度进行管理。

关于“人”方面：①加氢人员必须持特种设备作业资格证上岗，主要包括R1和P5特种作业证；②氢气运输人员需持有道路危险货物运输押送人员从业资格证以及危险货物运输资格证。

关于“机”方面：①移动式加氢设备上的安全阀等安全装置必须经过有资质的第三方机构计量合格；②每次加氢前，需要对加氢设备及氢气集装格进行点检；氢气集装格需要确认氢气汇流排无明显裂纹及缺陷，打开氢气阀门后，用手持式氢浓度检测仪确认氢浓度报警值在1000×10-6以下才能进行加氢作业。③每次加氢前，需对燃料电池实验车辆的状态进行点检，主要内容包括对车辆的前舱、成员舱、氢瓶盖、电堆出口以及氢管路连接处氢气浓度。用INCA读取整车报文，确认整车绝缘、氢浓度传感器、氢瓶温度及压力正常。加氢结束后，也需确认整车参数正常后才能恢复实验。

关于“物”方面：需要提供氢气的危险化学品安全技术说明书、氢气随车产品合格证、危险货物运输资格证等材料。关于“法”方面：①需要提供移动式加氢装置设备操作规程，并在移动加氢前，由现场安全员对加氢操作人员考核确认；②需要制定移动加氢的安全应急预案。

关于“环”方面：①需要在加氢现场黏贴加氢注意事项及危险警示标示；②需要对氢气集装格气瓶温度进行不定期监控，若气瓶瓶身温度超过60℃，则用水给气瓶瓶身降温。