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专家沙龙|魏蔚:储氢换氢站的实施路径、安全性分析和标准法规瓶颈

时间:  2019-11-27 09:57  来源:  氢智会原创   作者:  魏蔚

前言

目前我国燃料电池汽车的推广,主要以大巴车和物流车等大型燃料电池应用系统为主。为了确保续驶里程,目前此类型的大型燃料电池商用车皆配置多瓶组的Ⅲ型瓶,12.5米大巴车甚至配置Ⅲ型8瓶组的车载供氢系统,储氢量达26kg。若通过现有高压加氢站储氢罐预冷后输送至35MPa加氢机的加注流程,平均加氢速度约2kg/min,再考虑加注前后的挂枪吹扫等待时间,导致整体加注时间超过20分钟;此外,考虑到70MPa系统和四型瓶陆续投放市场的因素,在没有液氢产业链和冷能利用的预冷措施下,中国现行高压加氢模式使得整体加注时间在半个小时以上,甚至会因为预冷不充分而导致大流量快速加注中断。另外,我国加氢站设备系统里的核心设备诸如加氢枪、加氢软管、氢气流量计等依赖进口,加氢站建设成本高、连续加注效率低,同时也增加了安全风险。

储氢换氢型加氢站实施路径

首先,这一实施路径不适合物流车和重卡,主要是物流车和重卡的车载氢系统放在在驾驶室后方,供氢系统框架紧固在行走机构大梁上,拆卸吊装困难,且安装不当会影响到系统的抗冲击性能;同时目前物流车的设计,电堆系统与供氢系统是安装在同一个框架结构中,若单独更换储氢系统,需要变更当下整车布置的设计。

鉴于此,最适合储氢系统模块化更换的车型是公交大巴车辆,车载供氢系统在车辆顶部,安全方便,且由于市内运行车速慢,对车载氢系统的抗冲击性能要求不高,安装简单没有特殊要求,适合频繁更换而不影响性能。根据不同车型分成4,6,8瓶组等几种可拆卸模块化供氢系统,考虑到高压氢管路拆卸会影响到密封性能,因此需要在储氢模块上配置减压装置,连同瓶组和框架一起拆装,更加可行。减压后对应电堆的氢气标准供氢接口,与车辆顶部固定螺栓的连接,是模块化储氢系统的两个接口。在加氢站或制氢充装站中将模块化供氢系统加注完毕‚再根据燃料电池车的需求选择适当的供氢系统进行拆装作业‚完成整套的换氢加注流程。

技术安全性分析

储氢模块整体更换的方式,存在的技术问题主要有以下几个方面:

1)气密性问题:置换方式假设选择更换气瓶则会影响到高压管路气密,作业复杂,高压拆装作业需要经过专业培训的人员才能操作,且拆装会损坏高压管件接头,不仅成本提高,而且会影响气密性,甚至需要重新做气密性试验。因此必须把可拆卸的氢气接口放在低压部分,也就是减压阀之后、进入电堆系统之前。只留降压后连接至电堆的低压管线以及与氢控制器连接的连接线,并提高低压管线接口以及控制器连接线的寿命,适合频繁拆装,确保更换整体供氢系统的作业简单且安全可靠。

2)标准化问题:目前公交车用高压氢瓶有140L、165L等多种容积,外径规格也不完全相同,因此需要将市面上供氢系统规格进行标准化、模块化,尺寸统一才便于更换,不然只能在同一厂家批量化生产的车型中实施更换氢系统模块的操作。

3)氢气品质问题:模块化供氢系统的每次拆装,低压供氢管线与电堆进气管路连接过程中会有少量空气混入,有导致氢气纯度下降的风险,更换操作需要适当考虑氢气置换移除杂质提升电堆寿命。

以上问题都不是什么大问题。难度在于车辆管理与特种设备管理。

标准法规瓶颈

目前的车载储氢瓶组系统,不仅生产厂家与所安装车型的公告保持一致,且每一套系统的瓶组与所固定的商用车辆一一对应,不得任意更换。同时,供氢系统所用氢瓶作为特种设备,在役期间需要进行定期检验,且使用寿命随车报废。若加氢方式改为更换储氢瓶或整系统组,则会面临以下问题:

1)上牌与公告问题。目前新能源车辆上牌与上公告流程是车辆与氢瓶对应,每个氢瓶的序列号与车辆车牌连同建档,非必要不得更换;若采取更换整体供氢系统方式进行加氢,则面临着更换后的氢瓶与车辆不再一一对应,打破了现有管理方式。因此未来首先需要统一氢瓶与供氢系统规格,及其余不同车类搭载氢瓶数量等措施,需要改变整车厂公告与车辆上牌的模式;

2)安全检验报告与安装资质问题。目前具有安装资质的主机厂在整车出厂前会出具车辆与氢瓶的安全报告,并请第三方强制性检验。采取置换模块化的供氢系统进行加氢,则加氢站同时还需面临安装单位资质的许可,以确保安全性,且进行安装作业的人员也需取得监管部门认可批准的资格;所更换的供氢系统模块,也需要经过第三方强制性检验认证。

3)在用压力容器的定期检验问题。目前燃料电池车辆的供氢系统,其中在用的氢瓶是随车辆每三年进行在役检验,检查各项安全指标;若采取置换方式,供氢系统的氢瓶如何进行在役检验?这对当下的特种设备管理是个巨大的挑战。可以考虑的方式,是把当下的三年一次的检验,改为按充装次数达到一定的数值来进行定期检验,如2000/4000/6000/8000次时进行检验;同时在供氢系统的氢控制器上增加可计量充装次数的监测,并能够进行数据采集和数据上传处理等。

4)氢瓶加注问题。目前进行氢气加注前需出示氢瓶使用合格证(在役检验合格)给加氢站人员,才可对氢瓶进行充装。未来供氢系统与车辆分离,不同序列号的供氢系统混杂,充装站能否给氢瓶加注,需要先来判定供氢系统是否检验合格。可考虑通过二维码或者于供氢系统搭载RFID晶片并联网统一管理,或可来解决氢瓶合格辨识以及管理氢瓶寿命的问题。

结论与建议

供氢系统模块化更换的加氢模式,对车辆公告管理、特种设备安全使用管理都是新的挑战。不仅对整车厂、主机厂、氢瓶制造厂以及加氢站运营端的设计规格、安全测试与产品标准化有了新的要求,同时对压力容器注册使用登记、特种设备在役检验、安装资质、充装资质管理等等,面临的都是全新的考验。涉及到的上级主管部门是工信部和国家市场监管总局,而具体下级执行单位包括全国各地的质量技术监督局、安全管理局、特种设备检验研究院等,实施难度比较大。厘清未来氢瓶与供氢系统安全管理与检验流程并落实到相关责任单位,才能确保储氢换氢站未来的可靠性与安全性。可以先从个别单位试点示范,但能否推广实施还是任重道远。
 

魏蔚,女,副教授,高级工程师。张家港氢云新能源研究院有限公司院长,中国技术监督情报协会危化品储工委委员,全国氢能标准化技术委员会观察员,中国氢能供应与利用百人会理事,中国“氢能与燃料电池汽车技术路线图2.0”工作组组员。
 

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