中国车用氢气行业分析报告Word格式.docx

1、3.1、车载供氢系统：设计与材料选用双管齐下，实现用氢安全多重保障 113.2、燃料电池整车：严格的性能测试与密切的氢气监控体系确保车辆安全 154、车辆面对事故和极端情况还安全吗？ 195、加氢基础设施安全吗？ 21图表目录图表 1：氢气与其他常见燃料的特性对比 4图表 2：氢气与其他常见燃气泄漏率（单位时间泄露的体积）对比 5图表 3：氢气和天然气高压储气罐的泄露对比 6图表 4：氢气与其他常见燃气扩散性对比 6图表 5：氢气与其他常见燃气爆炸性对比 7图表 6：氢气和甲烷点火能与燃料浓度的关系 8图表 7：氢气充装工艺流程及设备示意图 10图表 8：车载供氢系统安全防护措施 12图表 9

2、：Mirai 储氢瓶材料及附近车身结构 14图表 10：储氢瓶保护系统 14图表 11：氢气排出位置及方向示意图 15图表 12：燃料电池车各类碰撞检测 16图表 13：世博燃料电池车辆安全检测实践结果 17图表 14：按车体位置分布的氢气超标统计 17图表 15：Mirai 氢气传感器分布示意图 18图表 16：地下停车场氢气泄露过程模拟 20图表 17：不同类型隧道氢气泄露模拟 20图表 18：氢枫能源（十堰）东风特汽加氢站建设项目 21图表 19：撬装式加氢站设备概述 22图表 20：2010加氢站技术规范对设备的要求 22图表 21：加氢站风险评价过程 23图表 22：加氢站站内设备之

3、间的安全距离 24图表 23：各国规范的主要安全距离对比 24图表 24；不同时刻的氢气可燃气云扩散模拟图 26图表 25：不同时刻的爆炸危害区域模拟图 26随着各国对燃料电池汽车产业的不断投入，燃料电池汽车技术逐渐成熟，已经有 多个汽车厂商推出燃料电池商用车型，各国及各区域燃料电池汽车相关标准也在不断 制定和完善中。在燃料选择方面，以氢气作为燃料具有环保、可再生、来源广泛的优 势。但是，由于氢气本身的物化特性，使得车载氢气系统存在着一定的安全隐患，也 使得人们对于燃料电池车的安全性普遍存在顾虑。氢气是最不容易形成可爆炸的气雾的燃料，只要建立有效的防控手段，氢气的安 全性还是十分出众的。与常规

4、能源相比，氢气有很多特性。其中既有有利于安全的属 性，也有不利于安全的属性。有利于安全的属性有：更大的扩散系数和浮力，单位体 积或单位能量的爆炸能更低等；不利于安全的属性有：更宽的爆炸极限范围，更容易 泄漏，更高的火焰传播速度等。本文就人们普遍关心的几个氢能安全问题，结合氢气 的特性进行分析比较。将氢气的主要特性和其它常见燃料作对比，建立四个坐标分别是扩散、浮力、爆 炸下限和燃烧速度的倒数，越靠近坐标原点越危险。可以看出，就扩散、浮力和爆炸 下限而言，氢气都远比其它燃料安全，但氢气的燃烧速度是常见燃料中最快的。氢气与其他常见燃料的特性对比泄露速度快于常见燃料，但泄露总能量不高氢气相对比液体燃料

5、和其他气体更容易从小孔中泄露，因此氢气相对于其他燃料 的泄露速度更快。对于透过薄膜的扩散，氢气的扩散速度是天然气的 3.8 倍。实际当中， 氢气易泄漏更多的是通过燃料管线、阀门、高压储罐上出现的微小裂缝。通过对燃料 运输系统的合理设计，可以避免采用厚度很薄的材料。从表中可以看出，在不同的泄漏状态下氢气的泄漏率大于其他常见燃气。在湍流 情况（流体不规则运动）下，氢气的泄漏率是天然气的 2.8 倍。在层流情况（流体规则 运动）下，氢气的泄漏率比天然气高 26%，丙烷泄漏的更快，比天然气快 38%。氢气与其他常见燃气泄漏率（单位时间泄露的体积）对比根据燃料电池车泄漏位置和泄露时机的不同，氢气的泄漏状

6、态是不同的：（1）储 氢瓶（35MPa）直接发生泄漏将直接以湍流的形式发生，此时发生泄漏的氢气速度可 达声速的 3 倍多（1308mps）。相比之下，天然气汽车由于气瓶内压力为 20MPa 左右， 发生泄漏时的速度仅为声速的 1.2 倍多（449mps），氢气显然的泄漏要比天然气快。（2） 如果氢气在供给电堆时发生泄露，将以层流的形式发生。这是由于氢瓶后端由于有减 压器，一般一级压力将降为 1.5MPa 左右；在氢气进入燃料电池系统之前会再进行二级 减压，最终供给电堆的氢气压力为 100kPa 左右。相同时间内泄漏的氢气体积总是大于天然气，但泄漏的天然气的能量将大于氢气 的能量。由于天然气和氢

7、气都是储存在汽车的高压气罐中，如果发生泄漏，都是以湍 流的形式，此时氢气的相对泄漏率是天然气的 2.83 倍。一般在 20MPa 压力下的压缩天 然气的体积能量密度仅相当于汽油能量密度的 30%，而国内现行的 35MPa 压力下的压 缩氢气其体积能量密度是汽油的 16.7%。但是泄漏之后的气体处于常温常压的状态，此 时氢气的体积能量密度为 12.74MJ/Nm3，而天然气为 39.82MJ/Nm3，所以在相同时间 内，泄露的氢气体积虽然更多，但是根据泄露情况的不同，泄漏后天然气携带的能量 大约为泄漏氢气 1.11-2.48 倍，下图模拟的是氢气和天然气泄漏时体积和能量对比：氢气和天然气高压储气

8、罐的泄露对比具有很高的扩散系数和浮力，泄漏时可迅速降低浓度氢与汽油、丙烷和天然气相比，氢气具有更大的浮力（快速上升）和更大的扩散性（横向移动）。氢气的密度仅为空气的 7%，而天然气的密度是空气的 55%。所以即使在没有风或不通风的情况下，它们也会向上升，而且氢气会上升的更快一些。但丙 烷和汽油气都比空气重，所以它们会停留在地面，扩散的很慢。氢的扩散系数是天然 气的 3.8 倍、丙烷的 6.1 倍、汽油气的 12 倍。这么高的扩散系数表明，即使在通风不 畅的环境下，泄漏的氢气也将会很快上升并向各个方向快速扩散，迅速降低浓度。在户外，氢的快速扩散对安全是有利的。但在相对密闭的环境中，这如果氢气的

9、泄漏量很小，氢气会快速与空气混合，保持在爆炸极限浓度以下；如果氢气的泄漏量 很大，快速扩散会使得混合气浓度很容易达到爆炸极限，不利于安全。氢气与其他常见燃气扩散性对比爆炸极限范围宽，但爆炸能很低且不产生浓烟和灰霾在空气中，氢的爆炸范围很宽，而且点火能不高。氢气的爆炸极限范围（体积分数）是 4%-75.6%，最小点火能仅为 0.02mJ。而其他燃料的爆炸极限范围则要窄得多，点火能也要高得多。一般来说，氢气爆炸要达到两个条件，除了要满足氢气的爆炸极 限，还要施加静电、明火或混合空气温度达到 527oC 及以上。氢气爆燃的条件是有先 后顺序的，首先要满足浓度，然后再满足点燃条件。如果已经有点燃条件，

10、那么氢气 只会排出多少就燃烧多少，不会爆燃，就像煤气灶燃烧燃气一样。从爆炸上限（UEL）考虑，在泄漏量比较大的情况下，天然气的浓度超过 15%，或 者汽油气的浓度超过 7.8%，的确要比氢气的浓度超过 75%要容易的多。但在实践中经 常发生的情况是，一般通过限制最大可能的燃料流量或者增加空气流通量尽量使燃料 混合物的浓度低于爆炸下限（LEL）。所以爆炸下限比爆炸极限范围更好地表示燃料空 气混合物的着火趋势。而氢气的爆炸下限是汽油气的 4 倍、丙烷的 1.8 倍，只是略低于 天然气。在特定条件下（爆炸下限附近，燃料浓度为 4%-5%），引爆氢气/空气混合物所需 要的能量与点燃天然气/空气混合物所

11、需的能量基本相同。这是由于：氢气的最小点火 能是在浓度为 25%-30%的情况下得到的，在较高或较低的体积分数情况下，引爆氢气 所需的点火能会迅速增加。如果发生爆炸，氢气的爆炸能量是常见燃气中最低的，特别就单位体积爆炸能而 言，氢气爆炸能仅为汽油气的 1/22。在工程上，一般通过安装探测器警报与排风扇来 共同控制氢气浓度保持在 4%的爆炸下限以下，并且探测器的灵敏度设置远远低于爆炸 下限，只有安全保护系统出现重大问题，才会造成氢气大量泄露，而出现这种情况的 概率是很小的。氢气火焰几乎是看不到的，因为在可见光范围内，燃烧的氢气放出的能量很少。 因此接近氢气火焰的人可能会不知道火焰的存在，从而增加

12、了危险。但这也有有利的 一面，由于氢火焰的辐射能力较低，所以附近的物体（包括人）不容易通过辐射热传 递而被点燃。相反，汽油火焰的蔓延一方面可以通过液体汽油的流动，另一方面也可 以通过汽油火焰的辐射。因此，汽油比氢气更容易发生二次着火。而且汽油燃烧产生 的浓烟和灰霾会造成对人的额外伤害，而氢气燃烧只会产生水蒸气。氢气与其他常见燃气爆炸性对比氢气和甲烷点火能与燃料浓度的关系会引起金属脆化裂纹，可以选用合适的材料防护避免氢脆是由氢在进入金属后，局部氢浓度达到饱和后聚合为氢分子，造成应力集中，引起金属塑性下降、诱发裂纹或断裂的现象。锰钢、镍钢以及其它高强度钢都容易发生氢脆。这些金属长期暴露在氢气中，尤

13、其是在高温高压下，其强度会大大降低，导 致失效。氢脆只可防，不可治；一经产生，就很难消除。根据氢的来源不同，氢脆又可分为内部氢脆和环境氢脆。氢在常温常压下并不会 对金属产生明显的腐蚀，但当温度超过 300和压力高于 30MPa 时，会产生氢脆这种腐蚀缺陷，尤其在高温条件更甚。因此在进行氢能安全设计时，如果与氢接触的材料选择不当，就会导致氢的泄漏和燃料管道的脆化断裂。 选择合适的材料，可以避免因氢脆产生的安全风险。金属铝和一些合成材料不会发生氢脆。另外，如果氢气中含有的极性杂质，会强烈地阻止氢化物的生成，如水蒸 汽、H2S、CO2、醇以及其它类似化合物都能阻止金属生成氢化物。只有高纯度金属十 分

14、洁净，放置在不含杂质的极高纯度氢气中，才有利于生成氢化物，发生氢脆。目前 燃料电池车用的储氢瓶都选用铝内胆碳纤维缠绕并且燃料运输管道大多采用 316 不锈 钢材质，都具有较良好的抗氢脆性能。储氢的方式主要分为：低温液态储氢、高压气态储氢和储氢材料三种。氢的质量能量密度很高，大约是汽油的 3 倍，但体积能量极低，常温常压下比汽油低 4 个数量级。较为现实的做法是在生产厂将制得的氢气压缩或液化后进行运输和储存。 运氢的方式主要分为：气氢拖车运输（tube trailer）、气氢管道运输（pipeline）和液氢罐车运输（liquid truck）。拖车运输适用于将制氢厂的氢气输送到距离不太远而同时需用氢气量不很大的用 户，前期投资不高；而管道运输前期投入高，适用于大规模的输送；液氢罐车的运输 能力强但仍存在技术难点。因而从现阶段加氢站对运输距离（500km，200km 为宜） 和运输规模（10 吨/天）的需求来看，氢气最佳的运输方式仍是气氢拖车。我国常用的高压管式拖车一般装 8 根高压储气管。其中高压储气管直径 0.6m、长11m、工作压力 35MPa、工作温度为-4060C、单只钢瓶水容积为 2.25m3，重量 2730kg。 这种车总重 26030kg，装氢气 300kg 以上，输送氢气的效率只有 1.1%，未来更高压力