燃料電池汽車移動加氫技術的應用

馮旭翀，符興鋒，楊煥璋，麥德志

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434）

燃料電池汽車從騾車到ET、PT再到SOP量產(chǎn)階段須完成夏季標定實驗、冬季標定實驗、底盤ESP性能驗收、驅(qū)動耐久實驗、綜合耐久實驗、道路適應性實驗等內(nèi)容。而氫氣作為燃料電池汽車的主要能量補給方式，尋找合適的加氫站資源成為燃料電池汽車研發(fā)的攔路虎。據(jù)統(tǒng)計，截至2019年底，我國建設完成并投入商業(yè)運營的加氫站合計52座[2]。從表1統(tǒng)計數(shù)據(jù)可得，可以滿足燃料電池汽車研發(fā)實驗使用的只有襄陽、廣州和上海的固定式商業(yè)運營加氫站。因此，移動式加氫將成為燃料電池汽車開發(fā)過程中最重要的一種能源補給方式。

表1 實驗場周邊固定式加氫站運營情況統(tǒng)計

1 移動加氫工藝流程

加氫站分為站內(nèi)制氫加氫站和站外制氫加氫站兩大類[5]，移動式加氫站由于建設周期短、使用時間短、氫氣使用量不大等特點，屬于站外制氫加氫站。移動加氫具體工藝流程為：氣體運輸公司將儲氫集裝格移動至移動式加氫點，然后把氫氣接入加氫機，通過空壓機驅(qū)動加氫機氣動增壓泵，增壓泵把氫氣壓力加壓至70MPa，再通過加氫槍加注至燃料電池汽車車載儲氫瓶。

2 移動式加氫站主要設備介紹

移動式加氫站主要包含空氣增壓裝置、氫氣加注裝置、氫濃度檢測探頭、儲氫集裝格等?？諝庠鰤貉b置應固定在獨立支架上，壓縮機的吸氣、排氣管道應采取有效的減振措施。氫氣加注裝置主要應由氫氣管路、安全附件、加氫槍、氣體過濾器、控制系統(tǒng)和顯示器等組成。氫氣加注裝置應至少包含安全泄壓閥、壓力測量儀表和壓力傳感器、急停按鈕、氫濃度檢測探頭、紅外通訊裝置等安全設備。其中若氫氣加注裝置不具備紅外通訊功能，則建議燃料電池汽車移動氫氣最高加注壓力不超過35MPa。

3 氫氣化學物理特性分析

氫氣在空氣中體積分數(shù)在4%～74.1%時可被引燃爆炸，引燃溫度為400℃。氫氣的氣體混合物遇點火源能引起燃燒爆炸，氫氣比空氣輕，在室內(nèi)使用和存儲時，泄漏的氣體上升滯留屋頂不易排出，遇火星會引起爆炸。因此在使用氫氣時需采取以下措施：①讓氣源必須遠離一切火源及非防爆用電設備；②移動式加氫作業(yè)需在室外及空曠開闊的區(qū)域進行；③加氫過程中必須做好設備、車輛和人員的除靜電處理。

4 燃料電池乘用車移動加氫方案策劃

根據(jù)本次燃料電池汽車實驗的需求，計劃安排2臺車進行實驗，每臺車的標稱氫氣存儲量為5.2kg，氫瓶標稱氫氣存儲壓力為70MPa，每臺車預計每周的氫氣使用量為8.1kg，實驗計劃進行6周時間，預計總的氫氣使用量為97.2kg。由于本次移動加氫的氫氣使用量較少，因此采用氫氣集裝格形式進行氫氣補充。

本次移動加氫地點計劃安排在吐魯番某實驗場內(nèi)，設備布置方案圖具體詳見圖1。本次實驗預計使用的氫氣量為97.2kg，符合GB 50516中三級加氫站儲氫罐的氫氣存儲量要求，因此，設備工藝布置可參考相關工藝設施、站外建筑物及構筑物的防火距離要求。經(jīng)現(xiàn)場實地測量及核算，相關設備設施的安全防火距離均符合國標安全距離要求，無重大安全隱患，可作為移動加氫點，具體信息詳見表2。

圖1 吐魯番某實驗場移動式加氫方案設備布置方案圖

表2 吐魯番某實驗場移動加氫區(qū)域安全距離統(tǒng)計表

燃料電池汽車移動式加氫是一項相對高風險的工作，必須采取嚴格措施來進行安全風險的管控，本文主要從人、機、物、法、環(huán)等角度進行管理。

關于“人”方面：①加氫人員必須持特種設備作業(yè)資格證上崗，主要包括R1和P5特種作業(yè)證；②氫氣運輸人員需持有道路危險貨物運輸押送人員從業(yè)資格證以及危險貨物運輸資格證。

關于“機”方面：①移動式加氫設備上的安全閥等安全裝置必須經(jīng)過有資質(zhì)的第三方機構計量合格；②每次加氫前，需要對加氫設備及氫氣集裝格進行點檢；氫氣集裝格需要確認氫氣匯流排無明顯裂紋及缺陷，打開氫氣閥門后，用手持式氫濃度檢測儀確認氫濃度報警值在1000×10-6以下才能進行加氫作業(yè)。③每次加氫前，需對燃料電池實驗車輛的狀態(tài)進行點檢，主要內(nèi)容包括對車輛的前艙、成員艙、氫瓶蓋、電堆出口以及氫管路連接處氫氣濃度。用INCA讀取整車報文，確認整車絕緣、氫濃度傳感器、氫瓶溫度及壓力正常。加氫結束后，也需確認整車參數(shù)正常后才能恢復實驗。

關于“物”方面：需要提供氫氣的危險化學品安全技術說明書、氫氣隨車產(chǎn)品合格證、危險貨物運輸資格證等材料。關于“法”方面：①需要提供移動式加氫裝置設備操作規(guī)程，并在移動加氫前，由現(xiàn)場安全員對加氫操作人員考核確認；②需要制定移動加氫的安全應急預案。

關于“環(huán)”方面：①需要在加氫現(xiàn)場黏貼加氫注意事項及危險警示標示；②需要對氫氣集裝格氣瓶溫度進行不定期監(jiān)控，若氣瓶瓶身溫度超過60℃，則用水給氣瓶瓶身降溫。

5 燃料電池乘用車移動加氫實施

移動加氫安全措施準備完成后，對某燃料電池實驗車輛進行了移動式氫氣加注，氫氣加注過程中，吐魯番的環(huán)境溫度為45℃±2℃。從圖2可以看出，在氫瓶內(nèi)部壓力達到70.1MPa后，本次移動加氫結束，累計加注的氫氣量為3.66kg，氫氣加注過程中儲氫瓶1和儲氫瓶2的最高溫度分別達到75℃和71℃。

圖2 某燃料電池汽車加氫過程溫度-壓力-質(zhì)量變化曲線

6 總結

通過本次吐魯番移動加氫實踐，掌握了燃料電池汽車移動加氫的工藝流程，并且從人、機、物、法、環(huán)等角度有效管理了移動加氫的安全風險點，保障了燃料電池汽車實驗的順利開展，同時為后續(xù)的冬季實驗和道路適應性實驗積累了寶貴的安全管理經(jīng)驗。