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儲氫換氫站的實施路徑、安全性分析和標準法規瓶頸

作者:中國儲能網新聞中心 來源:商用汽車總站 發布時間:2019-11-30 瀏覽:
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目前我國燃料電池汽車的推廣,主要以大巴車和物流車等大型燃料電池應用系統為主。為了確保續駛里程,目前此類型的大型燃料電池商用車皆配置多瓶組的Ⅲ型瓶,12.5米大巴車甚至配置Ⅲ型8瓶組的車載供氫系統,儲氫量達26kg。若通過現有高壓加氫站儲氫罐預冷后輸送至35MPa加氫機的加注流程,平均加氫速度約2kg/min,再考慮加注前后的掛槍吹掃等待時間,導致整體加注時間超過20分鐘;此外,考慮到70MPa系統和四型瓶陸續投放市場的因素,在沒有液氫產業鏈和冷能利用的預冷措施下,中國現行高壓加氫模式使得整體加注時間在半個小時以上,甚至會因為預冷不充分而導致大流量快速加注中斷。另外,我國加氫站設備系統里的核心設備諸如加氫槍、加氫軟管、氫氣流量計等依賴進口,加氫站建設成本高、連續加注效率低,同時也增加了安全風險。

儲氫換氫型加氫站實施路徑

首先,這一實施路徑不適合物流車和重卡,主要是物流車和重卡的車載氫系統放在在駕駛室后方,供氫系統框架緊固在行走機構大梁上,拆卸吊裝困難,且安裝不當會影響到系統的抗沖擊性能;同時目前物流車的設計,電堆系統與供氫系統是安裝在同一個框架結構中,若單獨更換儲氫系統,需要變更當下整車布置的設計。

鑒于此,最適合儲氫系統模塊化更換的車型是公交大巴車輛,車載供氫系統在車輛頂部,安全方便,且由于市內運行車速慢,對車載氫系統的抗沖擊性能要求不高,安裝簡單沒有特殊要求,適合頻繁更換而不影響性能。根據不同車型分成4,6,8瓶組等幾種可拆卸模塊化供氫系統,考慮到高壓氫管路拆卸會影響到密封性能,因此需要在儲氫模塊上配置減壓裝置,連同瓶組和框架一起拆裝,更加可行。減壓后對應電堆的氫氣標準供氫接口,與車輛頂部固定螺栓的連接,是模塊化儲氫系統的兩個接口。在加氫站或制氫充裝站中將模塊化供氫系統加注完畢再根據燃料電池車的需求選擇適當的供氫系統進行拆裝作業完成整套的換氫加注流程。

技術安全性分析

儲氫模塊整體更換的方式,存在的技術問題主要有以下幾個方面:

1)氣密性問題:置換方式假設選擇更換氣瓶則會影響到高壓管路氣密,作業復雜,高壓拆裝作業需要經過專業培訓的人員才能操作,且拆裝會損壞高壓管件接頭,不僅成本提高,而且會影響氣密性,甚至需要重新做氣密性試驗。因此必須把可拆卸的氫氣接口放在低壓部分,也就是減壓閥之后、進入電堆系統之前。只留降壓后連接至電堆的低壓管線以及與氫控制器連接的連接線,并提高低壓管線接口以及控制器連接線的壽命,適合頻繁拆裝,確保更換整體供氫系統的作業簡單且安全可靠。

2)標準化問題:目前公交車用高壓氫瓶有140L、165L等多種容積,外徑規格也不完全相同,因此需要將市面上供氫系統規格進行標準化、模塊化,尺寸統一才便于更換,不然只能在同一廠家批量化生產的車型中實施更換氫系統模塊的操作。

3)氫氣品質問題:模塊化供氫系統的每次拆裝,低壓供氫管線與電堆進氣管路連接過程中會有少量空氣混入,有導致氫氣純度下降的風險,更換操作需要適當考慮氫氣置換移除雜質提升電堆壽命。

以上問題都不是什么大問題。難度在于車輛管理與特種設備管理。

標準法規瓶頸

目前的車載儲氫瓶組系統,不僅生產廠家與所安裝車型的公告保持一致,且每一套系統的瓶組與所固定的商用車輛一一對應,不得任意更換。同時,供氫系統所用氫瓶作為特種設備,在役期間需要進行定期檢驗,且使用壽命隨車報廢。若加氫方式改為更換儲氫瓶或整系統組,則會面臨以下問題:

1)上牌與公告問題。目前新能源車輛上牌與上公告流程是車輛與氫瓶對應,每個氫瓶的序列號與車輛車牌連同建檔,非必要不得更換;若采取更換整體供氫系統方式進行加氫,則面臨著更換后的氫瓶與車輛不再一一對應,打破了現有管理方式。因此未來首先需要統一氫瓶與供氫系統規格,及其余不同車類搭載氫瓶數量等措施,需要改變整車廠公告與車輛上牌的模式;

2)安全檢驗報告與安裝資質問題。目前具有安裝資質的主機廠在整車出廠前會出具車輛與氫瓶的安全報告,并請第三方強制性檢驗。采取置換模塊化的供氫系統進行加氫,則加氫站同時還需面臨安裝單位資質的許可,以確保安全性,且進行安裝作業的人員也需取得監管部門認可批準的資格;所更換的供氫系統模塊,也需要經過第三方強制性檢驗認證。

3)在用壓力容器的定期檢驗問題。目前燃料電池車輛的供氫系統,其中在用的氫瓶是隨車輛每三年進行在役檢驗,檢查各項安全指標;若采取置換方式,供氫系統的氫瓶如何進行在役檢驗?這對當下的特種設備管理是個巨大的挑戰。可以考慮的方式,是把當下的三年一次的檢驗,改為按充裝次數達到一定的數值來進行定期檢驗,如2000/4000/6000/8000次時進行檢驗;同時在供氫系統的氫控制器上增加可計量充裝次數的監測,并能夠進行數據采集和數據上傳處理等。

4)氫瓶加注問題。目前進行氫氣加注前需出示氫瓶使用合格證(在役檢驗合格)給加氫站人員,才可對氫瓶進行充裝。未來供氫系統與車輛分離,不同序列號的供氫系統混雜,充裝站能否給氫瓶加注,需要先來判定供氫系統是否檢驗合格。可考慮通過二維碼或者于供氫系統搭載RFID晶片并聯網統一管理,或可來解決氫瓶合格辨識以及管理氫瓶壽命的問題。

結論與建議

供氫系統模塊化更換的加氫模式,對車輛公告管理、特種設備安全使用管理都是新的挑戰。不僅對整車廠、主機廠、氫瓶制造廠以及加氫站運營端的設計規格、安全測試與產品標準化有了新的要求,同時對壓力容器注冊使用登記、特種設備在役檢驗、安裝資質、充裝資質管理等等,面臨的都是全新的考驗。涉及到的上級主管部門是工信部和國家市場監管總局,而具體下級執行單位包括全國各地的質量技術監督局、安全管理局、特種設備檢驗研究院等,實施難度比較大。厘清未來氫瓶與供氫系統安全管理與檢驗流程并落實到相關責任單位,才能確保儲氫換氫站未來的可靠性與安全性。可以先從個別單位試點示范,但能否推廣實施還是任重道遠。

魏蔚,女,副教授,高級工程師。張家港氫云新能源研究院有限公司院長,中國技術監督情報協會危化品儲工委委員,全國氫能標準化技術委員會觀察員,中國氫能供應與利用百人會理事,中國“氫能與燃料電池汽車技術路線圖2.0”工作組組員。

關鍵字:儲氫 氫能

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