我國氫能利用安全技術(shù)研究與標準體系建設思考

我國氫能利用安全技術(shù)爭論與標準體系建設思考曹湘洪國際能源爭論中心〔FCEV〕產(chǎn)業(yè)剛進入市場導入期就呈現(xiàn)了快速進展的2023618451座，形成了涵蓋氫生產(chǎn)、氫儲運、加氫站、燃料電池、FCEV件的產(chǎn)業(yè)鏈雛形，20FCEV2030FCEV200萬輛、加氫站數(shù)量達1000余座。氫氣是易燃易爆氣體，利用過程的安全措施一旦失當，簡潔發(fā)生著火爆炸事故，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，但目前對氫氣的危急性解讀存在一些誤區(qū)。2023FCEV和對氫能利用安全技術(shù)爭論的重視與關注。氫能安全利用貫穿氫氣的生產(chǎn)、儲運、加注、FCEVFCEVFCEV、加氫站及相關產(chǎn)業(yè)的快速進展，我國對氫能利用安全技術(shù)的系統(tǒng)性爭論相對匱乏，落后于產(chǎn)業(yè)進展的現(xiàn)實需求，尚不具備支撐產(chǎn)業(yè)安康快速進展的力量。深度缺乏，涉氫設備、材料和部件的安全牢靠性測試方法和檢測認證手段缺乏，燃料電池安全、整車安全、儲氫罐安全爭論不能包括實際應用過程的全部事故場景，加氫站安全技術(shù)爭論接近空白。二是我國已建立的車用氫能安全法FCEV員會下設的假設干標準技術(shù)委員會負責，主要涵蓋整車標準、燃料系統(tǒng)、根底設施、通用根底等方面。這些標準以借鑒、參考、翻譯國外標準為主，缺乏足夠的試驗數(shù)據(jù)和必要的安全技術(shù)爭論支撐。如《加氫站技術(shù)標準》〔GB50516—2023〕20~35m，國外承受8mFCEVFCEV70MPa，由于技術(shù)和制造力量限FCEV35MPa。35MPaFCEV70MPa做保障。在制定標準時雖然可以借鑒國外的爭論成果，但我國應當具備自主進展70MPa90MPaFCEV場推廣領先的國家，開展了系統(tǒng)的安全技術(shù)爭論，建立了設施完備的車用氫能安全爭論測試機構(gòu)，形成了系統(tǒng)全面的臨氫承壓儲氫瓶、閥門、儀表、管件等的安全檢測檢驗方法和標準體系，其閱歷具有肯定的參考和借鑒價值。本文首先指出應科學生疏氫氣的危急性，并依據(jù)氫氣的物理化學性質(zhì)，合理制定用氫安全對策；然后以較大篇幅具體介紹了日本的氫能利用安全技術(shù)爭論狀況及啟FCEV〔一〕氫氣的物理化學性質(zhì)氫是自然界廣泛存在的元素，煤炭、石油、自然氣、動物、植物乃至人體都含有氫元素。氫氣具有無色、無味、無毒、可燃易爆的特點，密度為0.0899kg/Nm3，沸點為–252.8℃，常溫下，氫氣性質(zhì)1，氫氣具有三個特性：一是氫氣爆炸濃度下限與燃燒濃度下限差值遠高于汽油和自然氣。易燃易爆氣體與空氣混合后遇明火引燃，當其濃度即單位體積能量密度到達引爆需要的能量時，才會發(fā)生爆炸，所以燃燒與爆炸的濃度范圍理論上是有差異的，但是不少易燃易爆氣體的燃燒濃度范圍限值與爆炸濃度范圍限值差異不大，準確測定困難，如汽油和自然氣的燃燒濃度范圍下限與爆炸濃度0.1v1.0v%。為了強調(diào)其爆炸的危急性，一些文獻資料只介紹爆炸濃度范圍，甚至將燃燒濃度范圍直接作為爆炸濃度范圍。18.3v%~59.0v%，燃燒濃度范圍是4.0v%~75.0v%，兩者之間是有明顯差異的，假設將氫氣的燃燒濃度范圍〔4.0v%~75.0v%〕當作爆炸濃度范圍，就放大了氫氣的易爆性。二是氫氣燃燒時單位體積發(fā)熱量和單位體積爆炸能相對較低。氫氣燃燒時單位體積發(fā)熱量0.0534.57%。三是氫氣的比重最低。當空氣的比重為1時，汽油蒸氣的比重在3.4~4.0，氫氣僅為0.069不簡潔集聚。生疏和了解氫氣的三個特性，對制定氫能安全利用對策格外重二〕氫與材料的相容性問題氫與材料的相容性問題是高壓氫氣系統(tǒng)選擇的安全性親熱相關。何防止氫脆與金屬材料的選擇開展了大量爭論工作。FCEV溫度不高，局部環(huán)節(jié)是低溫環(huán)境，使用的氫氣純度高，如何選擇材料防止氫FCEV三〕氫能利用的安全對策氫氣和自然氣均為易燃易爆氣體，比照物理化用的。遵守三個根本原則：一是不泄漏，即防止氫氣尤其是壓縮氫氣系統(tǒng)的氫氣泄性能，易發(fā)生氫氣泄漏的部位要設置與氫氣檢測報警聯(lián)動的防爆強制通風設〔一〕日本支持氫能進展戰(zhàn)略的安全技術(shù)爭論日本在FCEV、家用燃料電池等領域處于世界領先地位。2023日本公布了建設氫能社會的路線圖，202320232030家。2080繞氫能利用的根底理論、應用技術(shù)、儀器儀表裝備制造等開展了系統(tǒng)爭論，其中，氫能利用中的安全技術(shù)是最為重要的內(nèi)容之一。進展氫能利用安全技術(shù)爭論后，日本認為其《高壓氣體保安法》可作為制定安全利用氫能標準標準的依50%資金建設和運行的日本自動車爭論所是日本FCEV、電動汽車〔EV〕2有高壓氫氣試驗設備、液壓試驗設備、液化氫試驗設備等。開展了容量為260L70MPaFCEV驗、高壓氫系統(tǒng)設備破壞性測試、容器閥門等的循環(huán)壽命和耐久性試驗、高壓FCEV、電動汽車和汽油車安全性比照爭論等，為〔二〕高壓儲氫瓶設計制造與安FCEV70MPa90MPa，儲氫瓶制造的牢靠性及安全性能測試格外重要。70MPa、90MPa3料，中間層承受碳纖維復合材料，IIIIV塑料內(nèi)膽。儲氫瓶口與出口閥的結(jié)合部位通過特別的構(gòu)造設計確保閥門在使用壓力下不會像炮彈出膛一樣被沖出，瓶身部位玻璃纖維及碳纖維復合材料承受特別的纏繞方法確保儲氫瓶的強度到達長期使用要求。儲氫瓶設計及制造技術(shù)的牢靠性要通過水壓爆破試驗、槍擊試驗和火燒試驗測試等檢測，還要通過汽車碰撞試驗測試儲氫瓶的安全性。70MPa200MPa，90MPa300MPaISO/TS15869、ISO114392.257.62mm正面槍擊儲氫瓶，子彈卡在儲氫瓶殼層內(nèi)，不能擊穿瓶體。當暴露在火災中的105℃后，儲氫瓶熔斷安全閥會快速翻開，朝預先設定的熔斷閥出口方向快速泄放，70MPa60L1min10m。MiraiFCEV80km/h〔三〕高壓氫系統(tǒng)設備材料安全性能評價測試高壓氫氣系統(tǒng)使用的金屬溫〔–40℃〕到高溫〔85℃〕的循環(huán)測試。截止閥、流量調(diào)整閥、緊急迫斷使用性能測試。加氫槍加氫時充注的氫氣溫度高于85℃時，必需馬上停頓加高壓氫環(huán)境下計量準確性測試。氫氣泄漏或著火后自動檢測報警的傳感器要進展靈敏性準確牢靠性測試。為做好上述高壓氫氣系統(tǒng)的設備儀表材料安全性能的評價測試，福岡市政府投資建設了福岡氫能測試爭論中心，該中心有齊全且專業(yè)的測試試驗室，其中包括抗爆試驗倉、高壓氫用閥門耐久性測試、加氫高O室，他們既爭論測試試驗的方法，還承受設備及材料制造商和用戶的托付開展安全性能測試，合格前方可投放市場。〔四〕加氫站安全技術(shù)措施日本的加氫站一般建在交通便利、便利用戶的地段，或在人口稠密處或在交通要道上。日本允許在加油站內(nèi)建設加氫站，即油氫混合站。還允許加氫站內(nèi)建設集裝箱式自然氣或以丙烷為原料的制氫裝置，即在線制氫加氫站。加氫站內(nèi)既有大容量高壓儲氫瓶，也有高壓壓縮機、氫氣接卸設施。加氫站與周邊建筑物的安全距離只要求遵守《高壓氣體安全8m，加氫站和民宅、10cm的隔離墻。為確保加氫站的安全，實行的安全技術(shù)措施主要有：在氫氣簡潔泄漏的部位都設有高靈敏度氫氣泄漏檢測器，氫氣體積濃度高于1%時準時報警，設有多臺火焰檢測器，能準時覺察站內(nèi)氫氣著火并進展報警。高壓儲氫間、氫壓縮機間等建筑物要考慮氫氣泄漏后不積聚，承受既防雨水又易排氣的屋頂設計，室外加氫機頂棚設計要有利于氫氣向高空擴散?！参濉矲CEVMirai2車體內(nèi)部空間實現(xiàn)隔離〔4〕，SORA10頂，靠頂板實現(xiàn)氫氣和汽車內(nèi)部空間的隔離，防止氫氣泄漏到車廂內(nèi)〔見圖5〕。車身安裝碰撞傳感器，檢測到碰撞時會自動關閉儲氫瓶出口閥門。Mirai2SORA4也會馬上關閉儲氫瓶出口閥門，確保氫氣泄漏后可檢測、可準時終止泄漏。車身承受流線型設計，利于氫氣集中，確保氫氣泄漏后不積聚。為評價氫氣泄漏FCEV試驗、管路等有微小泄漏點火試驗、氫氣泄漏后滯留在汽車某部位點火試驗、假設氫氣布滿在車廂點火試驗、通過安全閥放出的氫氣著火試驗、車輛著火試131L/min100s23.8%，用電火花打火發(fā)生燃爆，前擋風玻璃四周和車體下部有高溫部位，燃爆壓沒有導致車體變形，熱輻射是地面1/1012%以下，電火花打火，瞬間氫氣著火，但缺乏以點燃車廂內(nèi)餐巾紙〔燃燒發(fā)熱量小〕；能使車玻璃裂開的爆40FCEV的車輛著火試驗中，F(xiàn)CEV1min油油箱向下漏油，持續(xù)燃燒，導致輪胎和車體著火，車輛燒毀。電動汽車因電1h，車輛燒毀。試驗結(jié)果說明：FCEV車用氫能安全技術(shù)爭論與標準體系建設的建議〔一〕總體規(guī)劃設計，加大科技投入，形成以國家氫能安全重點試驗室為主體，社會科技力氣樂觀參與的爭論FCEV全生產(chǎn)主管部門總體規(guī)劃設計并籌建氫能安全國家重點試驗室。要借鑒國外閱歷，明確氫能安全技術(shù)必需掩蓋的爭論工程、必需建設的試驗設施和裝備，建設投資和日常爭論經(jīng)費應列入中心財政，確保適時投入。氫能安全國家重點試驗室的爭論工作應由國家安全生產(chǎn)主管部門治理，氫能安全利用的標準標準制定應由國家試驗室負責。氫能安全利用技術(shù)爭論還需要發(fā)揮地方政府和企業(yè)的樂觀性，允許有條件的省市和企業(yè)建設氫能檢測與爭論機構(gòu)，機構(gòu)應由國家安全生產(chǎn)主管部門審定批準，測試儀器設備設施和技術(shù)力氣應滿足國家標準標準的要求，可有償承受氫能系統(tǒng)設備、材料、閥門、管件、儀器、儀表、加氫槍的檢測鑒定認證。逐步形成以氫能安全國家重點試驗室為主體，社會科技力氣樂觀參與的爭論體制。〔二〕加快修訂完善車用氫能安全標準體系建立先進完FCEV需要。車用氫能的開發(fā)利用涉及制氫、氫氣壓縮或液化儲存、運輸、加注、燃料電池、FCEVFCEVFCEV，高壓氫系統(tǒng)〔包括高壓儲氫瓶和容器主閥〕適用《高壓氣體保安法》，其余車輛系統(tǒng)適用《道路運送車輛法》。針對加氫站遵循的法律標準、標準主要有：《高壓氣體保安法》《消防法》《建筑基準法》《加氫站安全檢查標準》等。目前我國進展FCEVFCEV有些標準也缺少先進性。如《加氫站技術(shù)標準》，是十年前借鑒國外標準組織相關標準，經(jīng)國內(nèi)有關專家爭論后制定的，與國外加氫站現(xiàn)行的技術(shù)標準相比，先進性存在缺乏。近十多年來，國際氫能利用快速進步，安全標準也在實踐中不斷修改完善，我們需要在系統(tǒng)爭論安全技術(shù)和借鑒國外先進標準的根底上不斷修改完善我國車用氫能安全標準體系。〔三〕重視構(gòu)建70MPa備制