加氢站、燃料电池汽车氢安全性

关键词：氢脆效应，加氢站、燃料电池汽车安全防护，加氢站、燃料电池汽车元器件防护，氢气泄露监控，移动加氢站加注过程分析，燃料电池汽车碰撞安全防护

描述；加氢站、燃料电池汽车制定了很多标准和规范，其中主要内容是针对安全性的规定。加氢站、燃料电池汽车的氢安全性，主要是指加氢站、燃料电池汽车运行过程中加氢、车载氢系统的安全，主要包括高压供氢系统、燃料电池发电系统的安全性等。目前，为了保证加氢站、车载氢系统的安全，主要从材料选择、氢泄露监测、静电防护、防爆、阻燃等方面进行预防和控制。


一、加氢站、燃料电池汽车氢系统安全性

1、1加氢站
给燃料电池汽车提供氢气的基础设施，这些加氢站的建设及示范运行活动为今后积累了大量的数据和经验。 最早的氢气加注站也许可以追溯到1980年代位于美国Los Alamos的加氢站，当时美国阿拉莫斯国家实验室为了验证液态氢气作为燃料的可行性而建造了该站。
加氢站、氢气安全方面的标准规范 
1总则  
　　2术语  
　　3基本规定  
　　4站址选择  
　　5总平面布置  
　　6加氢工艺及设施  
　　6.1氢气质量、计量  
　　6.2氢气压缩工艺及设备  
　　6.3氢气储存系统及设备  
　　6.4氢气加氢机  
　　6.5氢气管道及附件  
　　7消防与安全设施  
　　7.1消防设施  
　　7.2工艺系统的安全设施  
　　7.3报警装置  
　　8建筑设施  
　　9给水排水  
　　10电气装置  
　　10.1供配电  
　　10.2防雷与接地  
　　10.3防静电  
　　11采暖通风  
　　12施工、安装和验收  
　　12.1一般规定  
　　12.2设备安装  
　　12.3管道安装  
　　12.4电气仪表安装  
　　12.5竣工验收  
13氢气系统运行管理  

1、2燃料电池汽车
燃料电池汽车制定了很多标准和规范，其中65%以上的内容是针对安全性的规定。燃料电池汽车的氢安全性，主要是指燃料电池汽车运行过程中车载氢系统的安全，主要包括高压供氢系统、燃料电池发电系统的安全性等。目前，为了保证车载氢系统的安全，各企业主要从材料选择、氢泄露监测、静电防护、防爆、阻燃等方面进行预防和控制。

二、加氢站、燃料电池汽车材料安全防护
2、1氢脆效应
氢气与金属材料接触会产生氢脆效应，氢脆是溶于金属中的高压氢在局部浓度达到饱和后引起金属塑性下降、诱发裂纹甚至开裂的现象。氢在常温常压下并不会对钢产生明显的腐蚀，但在高温高压下，会产生氢脆，使其强度大大降低，导致失效。如果与氢接触的材料选择不当，就会导致氢泄漏和燃料管道失效。目前，高压储氢瓶选择铝合金或合成材料来避免氢脆的产生。
例如，丰田Mirai储氢瓶采用高强度的混合材料，由三层结构组成，最内层材料是高强度聚合物，中层是强化碳纤维和高强度聚合物的混合材料，外层是玻璃纤维和高强度聚合物的混合材料，其他厂家也有类似的设计，例如昆腾(Quantum)和丁泰克(Dynetek)现在出售的塑料内胆和铝内胆碳纤维缠绕的高压储氢瓶具有重量轻、单位重量储氢密度高等优点，与钢制容器相比很好地解决了氢脆问题。国内的燃料电池汽车高压氢瓶主要采用铝内胆加碳纤维缠绕的Ⅲ型气瓶。
各种燃料管道以及阀件也都采用适用于氢介质的材料，如抗氢脆的不锈钢（316L，耐压大于5000psi）、铝合金材料或聚合物，并且储瓶、管道及阀件所能承受的压力留有足够的安全余量，储氢瓶的安装及高压氢气连接管材质均应符合相关国家规范的安全要求。这些材料的使用，均可避免氢脆的发生。

2、2加氢站、燃料电池汽车元器件防护

为了防止电路中产生电火花点燃氢气而产生燃烧或爆炸事故，加氢站、燃料电池汽车的电气元件、管路、阀体均采用相应的防爆、防静电、阻燃、防水、防盐雾材料。例如，加氢站、燃料电池汽车的氢检测传感器均选用防爆型，因为触点式传感器在氢气含量达到设定值时通过触点的动作输出信号，容易产生触点火花而引发事故；为了防止继电器触点动作时产生电弧放电而点燃氢气，氢安全处理系统中所用的继电器选用防爆固态继电器；元器件的防水防尘等级为IP67，以后将逐步提高；线束材料的阻燃级别：垂直燃烧V0和水平燃烧ＨＢ级，均为最高等级要求。
2、3加氢站、燃料电池汽车安全防护
加氢站、燃料电池汽车氢系统的防护措施，主要是对高压储氢瓶及氢气管路进行安全设计，安装各种安全设施。加氢站高压管路、阀门、加气枪、计量、计价系统等。加气枪上要安装压力传感器、温度传感器，同时还应具有过压保护、环境温度补偿、软管拉断裂保护等。
燃料电池汽车的氢系统安全防护体系是由排空管、安全阀、手动截止阀、单向阀、泄压球阀、碰撞传感器、温度传感器、压力传感器、电磁阀、碰撞传感器等构成，并在监控系统中设定相应的防护值，一旦发生异常状况，则通过氢系统控制器将各种监控信息传递给各种安全设施，及时断开或关闭，使燃料电池汽车处于安全状态。

2、4加氢站、燃料电池汽车安全设施主要功能如下：

（1）气瓶安全阀：当储氢瓶氢气压力超过设定值后能自动泄压。例如在瓶体温度由于某种原因突然升高造成瓶内气体压力升高，当压力超过安全阀设定值时，安全阀自动泄压，保证气瓶在安全的工作压力范围之内。

（2）温度传感器：通过气体温度的变化判断外界是否有异常情况发生。如果气体温度突然急剧上升时，若非温度传感器故障，则在气瓶周围可能有火警发生，可通过氢系统控制器立即报警。

（3）气瓶电磁阀：气瓶电磁阀为12V直流电源驱动，无电源时处于常闭状态，主要起开关气瓶的作用，与氢气泄漏报警系统联动。当系统正常通电工作时，电池阀处于开启状态，一旦泄漏氢气浓度达到保护值则自动关闭，从而达到切断氢源的目的。

（4）手动截止阀：通常处于常开状态，当气瓶电磁阀失效时可以手动切断氢源。电磁阀和手动截止阀联合作用，可有效地避免了氢气泄漏。

（5）压力传感器：用于判断气瓶中剩余氢气量，保证车辆的正常行驶。当压力低于某值时可以提示驾驶员加注氢气。

（6）加气口：在加注时与加氢机的加气枪相连，具有单向阀的功能。

（7）单向阀：在加气口损坏时，阻止气体向外泄漏。

（8）管路电磁阀：在给氢气瓶充气时，可有效防止气体进入燃料电池。

（9）减压阀：将氢气的压力调节到燃料电池所需要的压力。当出现异常情况，可以与针阀、安全阀联动将氢气瓶中的残余氢气安全放空。

（10）热熔栓：设置在高压氢瓶内，可防止周边着火导致氢瓶发生爆炸。一旦温度传感器检测到储氢瓶周边温度过高，则氢瓶内的热熔栓将熔化，使氢气低流速释放，如果周边有火源，只出现氢气缓慢燃烧而避免爆燃情况发生。

2、5加氢站、燃料电池汽车安全监控

加氢站、燃料电池车载氢系统安全监控主要是对高压管路、阀门、加气枪、计量、计价系统等，储氢瓶系统、乘客舱、燃料电池发动机系统以及尾气排放处的氢气泄露、系统压力、系统温度、电气元件及其他器件进行实时监控，确保燃料电池在加氢、用氢过程中的安全。氢气安全监控系统主要包括氢系统控制器、氢气泄漏传感器、温度传感器和压力传感器等元器件。氢系统控制器在工作过程中，氢系统控制器监控氢瓶及氢管路安全、氢气泄漏状态及整车运行状态，只要出现异常，随时主动关闭供氢系统，保证燃料电池车辆安全。

（1）氢气泄露监控

加氢站、燃料电池汽车在系统易于聚集和泄漏处均放置多个氢气泄露传感器，实时监测系统内的氢含量，一旦发生氢泄漏立即采取响应处置，确保安全。而且当有任何一个传感器检测到的氢体积分数超过氢爆炸下限(空气中的氢体积含量为4％)的10％、25％和50％时，监控器会分别发出I级、II级、III级声光报警信号。具体控制措施，。


2、6加氢站、燃料电池汽车加注安全监控与防护
加氢站工艺及技术参数 
加氢站能满足燃料电池大客车、轿车（Ⅲ、Ⅳ型瓶）、观光车及移动加氢车站内加注和离站加注的要求。氢气通过长管拖车从氢源地运输至加氢站，经由氢气压缩机增压后储存至站内的高压贮气罐中，再通过氢气加气机为燃料电池汽车加注氢气。 
主要技术参数： 
类型：外供氢加氢站 
加注压力：35MPa 
存储压力：42.4MPa 

移动加氢站， 
移动加氢站由加氢系统、高压储氢瓶组系统、增压系统、辅助系统等组成，具有机动灵活、加注能力高、性能可靠、投资成本低、建设周期短的优点。第三代移动加氢站既可独立运行，更适合与固定加氢站配合，以固定站为母站，以被加注对象（燃料电池汽车）的运行范围为服务区域，与母站共同构成小型高压氢气加注网络。移动加氢站由加氢系统、高压储氢瓶组系统、增压系统、辅助系统等组成，具有机动灵活、加注能力高、性能可靠、投资成本低、建设周期短的优点。
第三代移动加氢站既可独立运行，更适合与固定加氢站配合，以固定站为母站，以被加注对象（燃料电池汽车）的运行范围为服务区域，与母站共同构成小型高压氢气加注网络。 

氢气加注机  
   
氢气加注机，加注机主要包括高压管路、阀门、加气枪、计量、计价系统等。加气枪上要安装压力传感器、温度传感器，同时还应具有过压保护、环境温度补偿、软管拉断裂保护及优先顺序加气控制系统等功能。当一台加气机为两种不同储氢压力的燃料电池汽车加氢时，还必须使用不可互换的喷嘴。加气机的设计已应用工业界常采用的故障模式和效应分析(FMEA)程序以及过程危险性分析程序。 
充气过程： 
首先需要将一个多管通信插头插入汽车，以了解其燃料需求 
燃料电池汽车可以同时接受350个大气压和700个大气压的氢气，后者的行程更远。

移动加氢站加注过程分析    
 
氢气真实状态方程 
是高压状态下的氢气，使用理想气体状态方程将带来很大的误差，因此，采用带有压缩因子的真实气体状态方程对加注过程进行描述： 
pV=ZmRT （1 ） 
式中：P ——储气压力，pa 
V ——储气容积，m3 
Z ——压缩因子 
m ——储气质量，kg 
R ——气体常数，氢气为4 2 1 4 J /（k g •K ） 
T ——储气温度，K 
加注模式 
为燃料电池汽车加注时，，高压氢气向车载瓶不断充装，直至达到目标加注质量，加注完毕。加氢站的气源主要包括站内高压储氢瓶和管束车两部分。 
根据燃料电池汽车的残余压力或目标加注量的不同，
加注模式大致可分为以下三种： 
（1） 燃料电池汽车残余压力较高或目标加注量较小时，可直接由管束车对其进行加注。 
（2）燃料电池汽车残余压力中等或目标加注量中等时，先由管束车对其进行加注，当两者压力达到平衡时，管束车无法继续为其加注，则启动增压器，将管束车内的氢气增压至车辆，直至达到目标加注量。 
（3）燃料电池汽车残余压力较低或目标加注量较大时，则由站内高压储氢瓶对其进行快速加注，若达到压力平衡后仍未达到目标加注量，则启动增压器对其补气至目标加注量。

2、7车载氢系统加氢时系统安全性
车载氢系统加氢时，当氢系统控制器检测到氢瓶内压力超过设定的加注压力或低于设定的低压值时，立即向整车管路系统和加氢机发送停止加氢及氢瓶压力过高或过低的报警信息。
另外，加氢枪安装了温度传感器及压力传感器，同时还具有过电压保护、环境温度补偿、软管拉断裂保护及优先顺序加气控制系统等功能。

（3）氢瓶温度监控

当氢系统控制器检测到气瓶的温度超过或低于设定温度时，立即关闭电磁阀，并将氢瓶内温度过高或过低的报警信息发送给整车管路系统和加氢机请求结束正常工作，同时信息提示故障气瓶编号，通过声光报警方式通知司机，立即采取相应措施。

（4）供氢时管路压力监控

当车载氢系统供氢时，氢系统控制器检测低压压力超过或低于设定值时，立即关断电磁阀，并将管路超压或管路低压的报警信息发送给整车管理系统请求结束正常工作，同时声光报警提示司机采取必要措施。

（5）电气元件短路监控

氢系统控制器到电气元件发生短路时，立即关闭氢系统所有电磁阀并使氢系统断电，同时通过声光报警提示司机氢系统短路，采取相应的安全措施。


2、8燃料电池汽车碰撞安全防护

燃料电池汽车的碰撞安全主要包括储氢系统、氢气管路、燃料电池堆、各类阀门、连接头等关键部件在发生碰撞时不能遭受破坏。目前，对燃料电池氢安全的碰撞防护设计除了关键零部件具有防撞能力外，主要通过位置布置、固定装置保护和惯性开关监控碰撞并与整车监控系统联动 ，自动断电、自动关闭阀门等措施来避免灾难的发生。例如，燃料电池混合动力客车的高压储氢瓶一般放在车辆前置顶部，燃料电池模块放在客车后置顶部，动力电池放置于地板下方。前置的储氢瓶，通过车顶部的管路与车辆后部的燃料电池系统连接，在发生泄露时，氢气可以迅速排放到大气中去。燃料电池模块对车身结构基本无影响，而动力电池放置在地板下方，则兼顾了车身重心低稳定性好，

高压储氢瓶组是燃料电池供氢系统中的储能部件，也是安全隐患的根源所在。目前，通过用足够强度的专用储氢系统固定支架将氢瓶组、氢瓶阀及高压管路集成在一起，并用钢带支撑，以保证在碰撞过程中，高压氢瓶的动态位移不会太大，从而避免造成连接管路的断裂和变形导致氢气大量泄漏。何雍等(2011)对燃料电池实车进行了带压前碰和零压后碰试验，马春生等（2014）对燃料电池大客车侧翻状态下氢系统和燃料电池的加速度和动态位移情况进行了仿真研究。结果表明，燃料电池和氢气瓶能达到预期所规范的要求。
另外，由于碰撞过程极为复杂，即使零部件已经设计的非常牢固，也有可能造成某处零部件的损坏，并最终导致氢气泄漏，所以，为了预防此状况的发生，在整车上进行了惯性开关的冗余设计，至少设置2个且在车身的不同部位。当发生碰撞时惯性开关被激活，将碰撞信号传送至氢系统控制器，氢系统控制器立即发出指令关闭储氢瓶阀门，断开氢气供应，将氢气的泄漏量降低至最低。惯性开关的冗余设计不但确保各种碰撞工况都能够被检测到，而且也可避免因某个惯性开关发生故障而检测不到碰撞情况的发生。

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