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关注氢能安全|氢气储存方式多样,安全可控!

2018-12-04 作者:华宇 来源:中国客车网

  氢能以其清洁、高效的特点被公认为未来最有潜力的能源载体,安全、高效的储存技术是实现氢能利用的关键。在氢气储存方面,我们目前是如何实现安全使用的呢?

  氢气储存方式

  氢气的储存主要有高压气态储氢、低温液态储氢、金属氢化物储氢和有机液体储氢。在我国,高压气态储氢应用最为广泛。  

  高压气态储氢

  高压气态储氢以气罐为储存容器,通过高压压缩的方式存储气态氢。其优点是成本低、能耗相对小,可以通过减压阀调节氢气的释放速度,充放气速度快,动态响应好,能在瞬间开关氢气。

  根据应用方式的不同,高压气态储氢分为车用高压气态储氢和固定式高压气态储氢。

  (1)车用高压气态储氢

  主要应用于车载系统,大多使用金属内胆碳纤维全缠绕气瓶(III型)和塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶(IV型)。  

  当前,国内车载系统中主要以III型瓶为主,国内做车用氢瓶的生产企业有北京科泰克、北京天海、沈阳斯林达、中材、富瑞特装等多家企业。

  (2)固定式高压气态储氢

  主要应用在固定场所,如制氢厂、加氢站以及其他需要储存高压氢气的地方。目前主要使用大直径储氢长管和钢带错绕式储氢罐。

  大直径储氢长管,石家庄安瑞科气体机械有限公司2002年在国内率先研制成功20/25MPa大容积储氢长管,并应用于大规模氢气运输。继而开发的45MPa储氢瓶组,已成功用于国内众多加氢站。长管气瓶材料为铬钼钢4130X,强度高,具有良好的抗氢脆能力。

  钢带错绕式储氢罐,目前有45MPa和98MPa两种型号,如浙大与巨化集团制造生产的两台国内最高压力等级98MPa立式高压储罐,安装在常熟的丰田加氢站中。

  低温液态储氢

  低温液态储氢是将氢气压缩后冷却到-252 ℃以下,使之液化并存放在绝热真空储存器中。与高压气态储氢相比,低温液态储氢的质量和体积储氢密度都有大幅度提高,通常低温液态储氢的质量储氢密度可以达到5.7%。

  仅从质量和体积储氢密度分析,低温液态储氢是比较理想的储氢技术,是未来重要的发展方向,它的运输能力是高压气态氢气运输的十倍以上,可配合大规模风电、水电、光电电解水制氢储运。  

  在欧美日等国家,液氢应用相对比较成熟,在运输、加氢站和车载中都有应用。我国液氢主要应用在航天领域,以及少数的电子行业。航天101所在液氢的制备、储运、应用上都有成熟的经验。我国相关部门正在研究制定液氢民用标准,车用液氢技术研究正在进行中,液氢将应用在一些长途、重型商用车,以及加氢站中。

  金属氢化物储氢

  金属氢化物储氢是利用过渡金属或稀土材料与氢反应,以金属氢化物形式吸附氢,然后加热氢化物释放氢。金属氢化物质量储氢密度在2~4.5 %,由于储氢合金安全、无污染、可重复利用等优点,目前主要应用于潜艇、船舶等需要配重及港口等对重量不敏感的大型器械方面。北京有色院、北京浩运金能、厦门钨业、宁波申江、湖南科力远、安泰科技、江苏申建等公司都在做固体储氢材料的研究。图为北京有色院金属氢化物储氢容器。  

  有机液体储氢

  有机液体储氢是利用不饱和芳香烃、烯炔烃等作为储氢载体,与氢气发生可逆化学反应来实现储放氢,质量储氢密度达到7%左右,在到达用户端时,载氢液体通过催化反应器释放氢气供氢燃料电池使用。经脱氢后储氢载体再回流到储罐中,并到加氢站置换新的载氢液体有机储氢。

  液体有机储氢材料最大的特点就是常温下为液态,能够十分方便地运输和储存。整个使用过程中完全通过热交换降低能耗,且没有温室气体排放,安全保障。其中,武汉氢阳研发了一种稠杂环有机分子作为有机液体储氢材料,储氢高达58g/L,不存在副产物,可逆性好,并可在常温常压下利用管道、槽罐车等运输。该有机液体储氢材料已经投入应用。图为武汉氢阳有机液体储氢。  

  氢气储存安全

  我国应用最为广泛的氢气储存方式是高压气态储氢。目前,我国已经实施能够适用于35MPa和70MPa的高压储氢瓶的相应标准GB/T35544-2017《车用压缩氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶》。标准规定了车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶的型式和参数、技术要求、试验方法、检验规则、标注、包装运输和存储等要求,保障了高压储氢气瓶的安全性。

  车载高压气态储氢安全防护措施:

  过温报警:储氢瓶上安装的温度传感器用来检测瓶内气体温度,传感器将温度信号发送到驾驶室仪表盘上,从而判断瓶内氢气是否超温。

  起火防护:当储氢瓶处于起火环境中时,温度传感器和压力传感器会检测到瓶内气体温度和压力的异常并切断氢气供应。同时,瓶阀上安装有压力泄放装置。

  过压保护:当储氢瓶中氢气压力过高时,能通过压力泄放装置自动泄压,保证储氢瓶在安全的工作压力范围之内。

  过流保护:当供氢管道断裂,溢流阀开启,进行过流保护,截断气体泄漏。

  氢气泄漏监控:储氢瓶电磁阀与氢气泄漏报警系统联动,当泄漏氢气浓度达到保护值时将自动关闭,从而切断氢气供应。

  综合以上,现有的防护措施能有效的解决高压车载储氢瓶的氢气泄漏、爆炸等问题。

  固定式高压气态储氢安全防护措施:

  ① 大直径储氢长管

  气瓶质量:气瓶内外表面均经过喷丸处理,并用内窥摄像系统逐只进行内部全面检查,确保内部质量。气瓶成形及水压试验后逐只进行磁粉检测,确保不得有任何裂纹状缺陷存在,且气瓶的两端螺纹均经磁粉检测,确保连接螺纹质量可靠。

  爆破片装置:爆破片装在气瓶的两端,较安全阀体积小、重量轻,但密封可靠,同时其泄放面积较同体积的安全阀泄放面积要大得多。

  压力表:气瓶充卸气管路上设置有压力表,量程取1.5-3倍的工作压力,精度1.5级。压力表采用防震型,其前端设置压力表阀,便于更换拆卸。

  温度计:考虑到工作环境温度及充气时气体温度升高、卸气时气体温度降低等因素,温度计测量范围应覆盖最低和最高工作温度,测量范围应取-40-80。温度计多采用双金属型,读数方便,坚固耐用,且采用防护套管与介质隔开,易于更换拆卸。

  安全联锁装置:装卸气过程中,即操作仓门打开状态,严禁拖车启动运行,否则会造成装卸软管等连接部位拉断、气体泄漏等严重事故。

  ②钢带错绕式储氢罐

  钢带错绕式储气罐,安全性高,气罐使用温度-40~60℃,储存压力45-95MPa。采用抗氢脆、抗氢腐蚀的奥氏体不锈钢,同时拥有抑爆抗爆、缺陷分散、运行状态在线诊断等优点,储气罐安装安全阀、压力传感器、温度传感器、氢气泄漏探头,通过对气罐的远程在线监控,可时时监测储罐安全状态。

  目前,35MPa气态储氢主要应用于城市内车辆,如城市公交车、物流车、团体班车;70MPa已经研发成功,主要应用于乘用车;液态储氢技术成熟,在我国主要应用于军事领域,民用推广实现后,可解决长途、重载、大功率商用车的用氢需求;有机液体储氢技术突破后,可应用于大部分用氢领域;固体储氢适用于对重量不敏感的领域。

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