一种新型的移动加氢车

刘玉红 李迎辉 张志辉

(注：本文作者系安瑞科气体机械有限公司技术中心高级工程师。)

本文介绍的一种新型移动加氢车是在普通储氢长管拖车基础上配置了系列专用装置，能直接给燃料电池汽车提供加注服务。它还能以固定加氢站为母站，实现加氢子站的功能。笔者主要对移动加氢车的主要结构、工作流程、主要特点及安全措施等方面进行介绍。

1 研发背景

氢燃料电池汽车是以氢气为燃料，通过氢气和氧气产生化学反应，将化学能转化为电能驱动电动机带动汽车行驶，而最终排出物是清洁的水，故氢燃料电池车是一种环保型零排放零污染的车辆，也是世界各国正致力于发展的交通工具。氢燃料电池车的推广使用对有效遏制温室气体排放，改善全球环境起到十分积极的作用，有着非常好的发展前景。1993年世界上第一辆氢燃料电池客车在加拿大研制成功，此后氢燃料电池车在世界各国得到迅速发展。中国在发展氢能技术方面也已经迈出了一大步，我国的第一辆氢燃料电池车在清华大学研制成功。推动氢燃料电池车的发展，加氢基础设施——加氢站的建设是必不可少的，我国第一座车用固定加氢站已于2006年在北京市建成，相继有加氢站投入使用。然而建设固定加氢站有着一次性投资大、选址困难、建设周期长等诸多问题，这势必造成在短期内建站数量不足，覆盖范围上难以形成规模化的供气网络，进而限制了燃料电池车的推广发展。

为适应国内市场需求，一种新型的加氢设备——移动加氢车应运而生。它在外观结构上与普通长管拖车接近，但它配置了车载专用加注装置，可以独立给燃料电池车提供加注服务。移动加氢车的使用对氢燃料电池车更早投入商业化运行具有十分重要的意义。2010年上海世博会期间，上海的安亭加氢站辅以2辆移动加氢车，成功地为服务于世博会的近200辆燃料电池观光车提供了加注服务；2011年8月的深圳大运会，移动加氢车又为60辆燃料电池车提供了服务。

2 主要结构

移动加氢车整体结构形式见图1。

移动加氢车由牵引车、半挂车及上装组成。上装部分是移动加氢车的主要功能部件，高度集成了包括高压储氢瓶组、氮气系统、增压系统、加注系统、控制系统等设备。采用40＇标准集装箱框架结构，通过集装箱角件与半挂车上的锁具实现可靠连接。牵引车与半挂车通过牵引销的连接，实现拖动设备整体移动；在不需移动时，牵引车可与半挂车脱离，实现甩挂。

2.1 高压储氢瓶组

储氢瓶组是移动加氢车储存氢气的主要设备，由多只大容积钢制无缝气瓶组成，气瓶采用优质铬钼钢，无缝钢管两端经旋压缩口成形，并经调质热处理来改善材料的综合机械性能，储存压力可高达45 MPa。由于此压力已超出《气瓶安全监察规程》规定的30 MPa压力上限，国内尚无标准可依，在制造时须制定企业标准，且须经气瓶标准化技术委员会审批，型式试验合格后方可用于产品制造。从运输效率方面考虑，选择复合材料的气瓶较为理想，但就目前国内的实际情况来看，复合材料高压气瓶容积较小，多在40～150 L范围，无法储运大量氢气，而大容积复合材料的高压气瓶尚处于研制阶段。

2.2 氮气系统

氮气系统包括液氮瓶、汽化器、高压储氮气瓶。液氮瓶放置于半挂车的前部，低温液氮进入汽化器。汽化器是由一组带铝翅片的不锈钢管组成，经汽化器的充分汽化后氮气进入高压储氮气瓶中储存，使用时通过减压至0.8 MPa左右进入增压机组作为增压系统的驱动气源，也可作为气动控制阀的气源供应。

2.3 增压机组

目前气体增压主要采用2类技术——电驱动的氢气压缩机和非电驱动的气体增压器。压缩机的缺点是体积和自质量大、设备价格昂贵、耗电量大、需要水冷却，优点是排量大；气体增压器恰恰相反，体积小、自质量小、不需电力驱动、造价相对低廉，但是排量小且需耗费大量驱动气体。由此看来，电驱动的氢气压缩机适合用于固定加氢站，而气体增压器更适合于移动加氢车的增压，如果采用三级连续增压方式，最大增压能力可以达到70 MPa。

2.4 加注装置

加注装置主要包括高压管路、控制阀门、加注枪、计量装置等。储氢瓶按1∶2∶3的比例分为高、中、低压3组。每组气瓶均由气动装置来控制阀门的开启和关闭，实现优化顺序加气。设置有2支加注枪，分别为35 MPa和35～70 MPa的2种压力车载瓶提供加注。加氢流量计量及价格数据均在操作面板触摸屏上予以显示。

2.5 控制系统

控制系统包括蓄电池组及电磁控制部分，其中蓄电池组用于给电磁阀提供电力驱动，以控制各气动阀氮气的供应。

3 工作流程

3.1 固定加氢站工作流程

固定加氢站工作流程如图2所示。固定加氢站的气源来自于氢气长管拖车或氢气集装格，经氢气压缩机的增压，由优先顺序控制系统依次控制储存于瓶组中的高、中、低压3组气瓶。首先对高压气瓶进行充装，当加氢机提供加注服务时，应先考虑从低压气瓶中取气，然后再依次是中压和高压气瓶。

3.2 移动加氢车工作流程

移动加氢车的工作流程如图3所示。燃料电池车的车载气瓶最高压力一般不超过35 MPa，利用加注系统与车载气瓶之间的压差，可直接向燃料电池汽车加气。当两者压力达到平衡而无法持续加注时，启动增压器将氢气增压后再行加注，直至达到标定的加注量。通过对高压储氢瓶的优化分级及优先取气程序的设计，可提高加氢车的氢气利用率。

3.3 与固定加氢站的关系

移动加氢车集成度高，且具有灵活、机动、方便加注的特点，特别适合临时性、集中性的供氢场合，可弥补固定加氢站网点不足的缺陷，与固定加氢站配合，以固定站为母站，以被加注对象(燃料电池汽车)的运行范围为服务区域，通过母站和若干个移动加氢车共同构成高压氢气加注网络，使固定加氢站的有效服务半径和利用率得到长足的提升。因此移动加氢车是固定加氢站的重要补充。

4 主要特点

a.系统集成度高，设置控制及操作面板，操作方便易行，操作面板见图4。

b.由多只大容积无缝钢瓶作为储氢设备，储氢量达到1000 Nm3以上。以世博会用观光车为例，车载2只28 L的氢气瓶，压力为35 MPa，一辆移动加氢车一次充装就能够给60多辆观光车提供加注服务。

c.配有牵引车，可以方便、快速地移动到指定区域，使固定加氢站的加注服务范围扩大。

d.配有自增压系统，在储氢瓶内压力不足以直接加注时，自行增压后便可继续加气。

e.配有多种连接接口，在储氢瓶内氢气不足时既可去母站补充，紧急情况下还可通过如氢气集装格连接口，将其中的低压氢气增压后直接给车载瓶加气。

5 安全措施

氢气是一种无色、无味、无嗅、易燃易爆和无毒的气体，也是地球上最轻的一种气体，其标况下密度仅为0.0899 g/L。在空气中燃烧时产生的淡蓝色火焰几乎看不见，它与空气混合的爆炸极限是4%～75%，而且点火能量很小，爆炸能量却很高。氢气通过阀门或管口快速泄放时有引起着火、爆炸的可能。因此，移动加氢车的安全问题不容忽视，移动加氢车在设计时须采取多项安全措施，配合正确的操作、科学的管理，以确保安全使用。

5.1 氢泄漏检测仪

移动加氢车储存高压氢气，且氢分子又非常小，极易泄露。氢气泄露有可能造成着火、爆炸等恶性事故，所以在移动加氢车加注口最近处配备氢气泄漏检测仪器。当空气中氢气浓度达到0.5%时，蜂鸣器就会报警，此时应停止进行加注操作，立即对设备及管路进行检测，排除故障后再投入使用。

5.2 安全泄放装置

移动加氢车设有多支高压无缝气瓶作为储氢设备。每支储氢瓶端口均设置有安全泄放装置，由爆破片和夹持器组成。爆破片设定爆破压力一般取钢瓶的耐压试验压力为上限值。对钢瓶而言，其强度计算是以耐压试验为设计压力的，最小厚度是以耐受水压试验压力为极限值的。这样设定，既可以使气瓶有一定的安全保障(在氢气压力超过钢瓶耐受的极限压力时爆破片立即爆破泄压)，又可以防止气瓶在低压下爆破造成介质流失的损失。

5.3 导静电装置

移动加氢车从固定加氢站处补充氢气，在远离加氢站的地方为燃料电池车加注氢气。多次充卸气过程中氢气与管壁摩擦会产生静电荷。如不及时导出这些静电荷，静电荷积聚到一定程度，小小的一点火星就可能造成起火爆炸，故静电问题不容小觑。移动加氢车的半挂车车架尾部设置有导静电拖地胶带，车辆运行时应将其放至地面，使设备上的静电荷及时导出。在移动加氢车上还设有专门的导静电接地夹，在充卸作业前应将移动加氢车上的导静电接地夹与地面或加注对象间形成导静电通路，以便及时导出静电。

5.4 拉断阀装置

移动加氢车是一种橇装加氢装置，加注系统直接设在半挂车的尾部，打开操作门即可使用，非常方便。加注枪的连接软管设有拉断阀装置，这是一种非常必要的防护措施，拉断阀装置会在较大的拉力作用下断成两节，其分离拉力宜在220～660 N范围，断开后其内置单向阀会防止系统内氢气的外泄，形成密封结构，保护了移动加氢车的安全运行。这样防止了在加气过程尚未结束而汽车启动行驶，拉断管路，形成氢气大量外泄的问题。

5.5 紧急切断系统

移动加氢车操作面板上设置紧急切断按钮。在遇到不宜加气的紧急情况下按下此钮，其相连接的控制系统会自动切断气源和电源供应、强制停止加注。

5.6 压力监测系统

高、中、低压储氢瓶应分别设置压力传感器，压力信号引至加氢车后端操作面板处，使操作人员能很容易地监测到各分组气瓶压力变化情况。

5.7 管路安全阀

储氢瓶端口处设置安全泄放装置以保护气瓶的安全使用，根据储氢瓶的高、中、低压分组分别在分支管路中设置管路安全阀，保护管路的安全使用。

5.8 阻火器

氢气通过阀门或管口快速泄放时会有发生着火的可能，故在各放空管口前均设置有阻火器，防止氢气排空时出现明火现象。

5.9 灭火器

在半挂车部分的两侧便于存取的地方各配置一只不小于5 kg的干粉灭火器，以备急用。

6 结语

移动加氢车是氢能利用基础设施的重要组成部分，也是固定加氢站的重要补充。目前，在固定加氢站数量难以快速发展的情况下，移动加氢车对燃料电池车的发展可以起到有效的推动作用。移动加氢车目前还仅应用到世博会、大运会等项目，作为示范性工程。相信未来在国家政策的大力支持下，氢燃料电池车将会得到更加广泛的推广，移动加氢车则将发挥其更大的作用，使国家的节能环保工作得到进一步推进。