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氢气的性质及燃料电池备用电源系统中氢气安全使用的分析

时间:2012-01-06 08:32:21来源:碧空氢能源

目录

第一章:氢气的性质及在氢燃料电池备用电源系统的应用条件

 

 

第二章:安全使用氢气的标准

 

 

第三章:氢燃料电池备用电源系统中(氢)气路的配置和技术参数

 

 

第四章:可能的氢气泄漏分析

 

 

第五章:技术上检测防护和控制手段

 

 

第六章:分析与结论

 

 

第一章:氢气的性质

 

一、 前言:

1766年英国化学家和物理学家卡文迪士 (CavendishH. 1731-1810)发现氢以来,人类对氢的各种性质进行了不断深入的研究。迄今为止,氢气是人类对其性质所了解和掌握最为透彻的物质之一。

由于氢是唯一能提供既没有“温室效应”、又没有任何污染的能源,更由于氢介质用于可循环的能源系统中(氢气可以被利用产生电和热,其副产品水电解又可以得到氢),取之不尽,用之不竭,人们逐渐认识到:氢能技术将是21世纪最有前景,最能从根本上解决人类环境危机和能源危机的终极手段。

在开发和应用各种形式的氢能源技术的同时,无论是对研发的科技人员还是对于普通的使用者都有必要深入的了解氢(氢气)的各种性质。掌握它,使用它,依靠它,热爱它。

 

二、 氢气的性质:

氢是一种化学元素,化学符号:H,原子序数是1,在元素周期表列第一位。在地球上,氢是最丰富的元素。但在自然界中,却没有纯氢的存在。氢仅存在于各种含氢的化合物之中。如:存在于水,石油,天然气,硫化氢及各种生物物质中。其中,水是最普通的含氢化合物(H2O)。

氢的单态形式是氢气H2Hydrogen),是双原子气体。相对分子量为2.0158。在标准状况下,氢气的密度为0.0899g/L,是所有气体中密度最小的,只有空气的1/14。在标准情况下,每克氢气的体积为11.2L。在开放的大气中,氢气将以大约20m/s的速度很快逃逸扩散。氢气难溶于水。1体积的水中仅能溶解0.0214体积的氢气。氢气稍溶于有机溶剂。

氢气是一种无色无味无毒的气体,在通常情况下呈气态,称为气态氢或氢气。在压强为1.01 X105Pa时,固态氢熔点为:-259.14°C13.86K),形状为雪状。而无色液态氢的沸点为:-252.80°C20.2K)。液态氢通常称为“液氢”,其液体密度为169g/L。液氢有超导性质。

在常温下,氢气的化学性质稳定。不容易和其它物质发生化学反应。但在条件改变时(点燃、加热或使用催化剂),氢气很容易和多种物质发生化学反应。如:氢气+非金属或非金属氧化物,氢气+活泼金属,氢气+金属氧化物,氢气+饱和烃或不饱和烃。

氢气具有易燃易爆的危险性:

A) 氢气能在空气中燃烧,与空气中的氧气发生化学反应,生成水:

2H+ O2 = 2H2O

释放大量热能,其燃烧值为液化石油气的2.5倍,为汽油的3倍。可作为火箭高能燃料。

B) 氢气的最小引燃能量为0.019mJ,引燃温度为400°C。要避免任何火源(包括:明火、高温载热体、静电火花)。

C) 氢气与空气混合达到一定的比例后,被点燃时会产生爆炸。这个体积分数范围叫爆炸极限范围,指空气中所含氢气的体积占混合气体体积的百分比。氢气的爆炸极限范围是4%-74.2%。氢气的爆炸的条件是需要严格仔细检测和防范的。当氢气浓度小于4%或者大于74.2%时,即使遇到火源,也只有燃烧而不会爆炸。

氢气具有还原性: 氢气作为还原剂用于金属材料的提炼和半导体工业。

氢气的材料性质:

“氢脆”是指高压氢气可以深入容器材料内部,改变材料的机械性能,引起材料脆化的现象,分为:内部氢脆(internal hydrogen embrittlement),外部氢脆(external hydrogen embrittlement),和氢反应脆化(hydrogen reaction embrittlement). 与氢气使用者密切相关的是外部氢脆的可能性。密切注意高压储氢容器,瓶口阀,减压阀和各种配件的选择和检查。

 

三、 氢气的来源:

如上所阐述,氢气在能源可再生自循环系统中起到重要的中介作用。也就是说:氢气是一个“能源载体”。自然界中不存在纯氢,只能从氢化合物中分解得到。其方法也就是我们用以得到氢气的来源。

中国已经是世界上的产氢大国。总年产量已达1000多万吨。氢气主要是作为一种中间产品而生产的,是用天然气、原油和焦炭作为原料来生产的。目前中国最大的氢气消耗量是用在合成氨的生产。而作为直接产品和燃料的使用很少。中国每年产生的焦炉气有400亿立方米(其中,50%以上的成分为氢气,即:200亿立方米)。由于无法处理而白白烧掉。目前,中国氢能源的应用和市场远没有成熟。

在中国中型以上的工业城市均有氢气供应来源。全国也出现了供应氢气的连锁企业。像国际上最大的氢气供应商Air Products and Chemicals Inc.已经在国内各地建立了30多家工厂和供应网点。国内各个主要工业地区所在的城市也都可以提供高压氢气换装和销售。

 

四、 氢气的存储方法:

氢气的存储有高压气态存储、液态存储、金属氧化物储氢器、无机物存储、有机物储氢和微球存储。与氢燃料电池备用电源应用相关的存储方式为高压气态储氢和金属氧化物储氢。

高压气态储氢瓶又分为钢氢气瓶和碳纤维缠绕铝内胆储氢瓶。

地面固定的氢燃料电池备用电源系统的配气一般使用符合国标GB5099-1994标准的氢气钢瓶。瓶口压力为15MPa,水容积40L,瓶重50Kgs。储氢气量485g

车载及悬挂的氢燃料电池系统的配气一般使用符合国际DOT标准的碳纤维缠绕氢气瓶。瓶口压力为25Mpa,瓶重11.5Kgs,储氢量600g;或35Mpa,瓶重64Kgs,储氢量2750g

固态金属氧化物储氢瓶主要为车载和便携式氢燃料电池备用电源系统配气。符合YDB053-2010的标准。瓶口压力为25-50Bar。放氢流速0.2-2.0L/Min。重量1.15-6.1Kgs。储氢量9-60g

 

五、 氢气的分类(GB/T3634-1995):

      1 纯度<99.99% 工业氢

2  ≥99.99% 纯氢

3  ≥99.999% 高纯氢

4  ≥99.9999% 超纯氢

* 氢燃料电池备用电源需使用纯氢等级以上的氢气。

 

六、 氢气的成本(国内平均价格):

1 纯氢/40L/ \40

 

 

第二章:安全使用氢气的标准

 

          一、 关于氢气使用的国家规定与标准

国家质量监督检验检疫总局在2008121日发布了《氢气使用安全技术规程》,GB 4962-2008。该国标已经于2009101日实施。该国标十分清楚地规范了氢气的使用、置换、存储、压缩与充装、排放、安全防护等各方面的安全标准。划分了安全性与不安全性。严格按照该标准存储,运输和使用氢气,安全性是得到保障的。

           二、 关于氢气存储和运输的国家规定与标准

国家质量技术监督局颁发了自200171日开始生效的国技监发[2000]250号关于《气瓶安全监察规程》和2003424日国家质量监督检验检疫总局令第46号公布的《气瓶安全监察规定》。该规程与规定详细规范了氢气载体(气瓶)的制造,使用,维护,检验和废弃的详细规范。中国人民解放军总装备部也有对于高压无缝钢瓶定期检验与评定的标准GJB 6542-2008。严格按照这些标准使用氢气瓶,安全性是得到保证的。

三、 氢燃料电池备用电源使用氢气需要特殊注意的事项

接触氢气操作的作业人员必须经过专业培训。持有各省、地区质量技术监督局颁发的特种作业资格证并在资格证有效期内持证上岗。持证技术员严格按照安全规程和安全规定作业是安全保证的前提。

按照气瓶安全监察的规程和规定严格选择符合安全规定的气瓶、气阀、汇流排、传输管道等所有氢气使用环节需要使用的设备和器件。严格检验这些设备与器件的合格证。

 

 

 

第三章:氢燃料电池备用电源系统中(氢)气路的配置和技术参数

 

一、 氢燃料电池备用电源系统中氢气气路设计原理图

1.jpg

二、 氢气进入电磁阀组前的压力的传输流程及参数

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由高压氢气瓶供应的氢气经过压力减压、传输进入氢燃料电池备用电源的电磁阀组(氢气进入电堆的压力与开关控制)时,其供气压力为每平方厘米0.45

公斤的低气压。

 

三、 电磁阀组的气路开关与压力的控制

2.jpg

氢燃料电池备用电源的控制器将控制电磁阀组的供气压力维持在额定的工作压力0.5 bar和保证单路供气。任何不正常的压力会立即导致电磁阀组的关闭,切断经过电磁阀传输到电堆的氢气供应。

为控制氢气和空气中氧气在电堆中电化学反应的过程,提高总体能量转换效率,氢燃料电池备用电源的控制器控制电堆中的气体排放阀组,将经过化学置换以后的“废气”定期排空。这个排气过程是一个低压气体(包含有“废旧”氢气)排放过程。气体工作压力为0.5 bar。任何排放压力的不正常,系统控制器立即报警。系统切断氢气供应并自动停机。

 

 

第四章:可能的氢气泄漏分析

 

一、 氢燃料电池备用电源系统按供气路路径划分的子系统示意图:

1.jpg

二、 氢燃料电池备用电源系统按机械结构上的划分:

氢燃料电池备用电源系统按机械结构划分可分为储氢机柜(安装在室外)和电源机柜(安装在室内或室外)二个子系统。

储氢机柜包括氢气供应和电磁阀组2个部分。全部的高压气路都在储氢机柜内部。储氢柜的气路输出为一路低压供氢管道,连接到电源机柜电堆的H2入端接口。

电源柜包括开关电源,电堆,主控制器,辅助控制器,充放电功率模块(DIB工作模式)或65AH蓄电池(DBX工作模式)等部分组成。其气路部分为从电堆的H2入端接口,经过电堆,到电堆的H2输出端接口,通过排气阀组由涡流风扇在密封的通道中经管道排出室外。

 

三、 可能的氢气漏气隐患

在储氢柜中瓶口阀,减压阀,或高压传输管以及各个接口的漏氢。

在储氢柜中电磁阀组及连接口的漏氢。

在电源柜气路部分的漏氢。

 

第五章:技术上检测、防护报警和控制手段

 

一、 机械结构方面的防护、报警及措施

氢气瓶在充气前,充气后,运输中和安装瓶口阀、减压阀的全部过程均按照国家对氢气使用的标准由持证技术员操作和检验。有安全标准的保障。

气体钢瓶在储氢柜中固定在固定架上。有防止重力位移和抗震的保证。

气体钢瓶在安装好瓶口阀、减压阀、安全阀以后,安装氢气瓶口罩。该氢气瓶口罩加锁(1),由专职持高压证技术员负责。防止任何其他人开启或关闭瓶口压力阀门。

氢气电磁阀组内置于氢气柜中一个隔离的封闭空间内。防止任何他人触碰到电磁阀组的任何部分。该封闭空间配置有专门的排风风道和系统控制。由系统控制器根据氢气浓度传感器检测到的信号控制排风风扇和该通道的排风。

室外储氢瓶柜按照室外电信机柜的标准制造。配有防雷击,水浸,烟火,地震,门禁盗窃等多项功能。用地脚螺栓或膨胀螺栓与地面水泥台基固定。机柜门配置机柜门锁(2)及机柜门手柄锁(3)。所有3道机械门锁由指定的专职持高压证技术员负责。 

室外氢气瓶柜或电源柜是非密闭和完全通风的。室内电源柜的氢气气路空间由涡流风扇导向室外空间。

电源机柜中的电堆通风道和排气阀组处于一个隔离空间。电堆废气的排出措施由密封通道直接连接到室外由涡流风扇强力排出。该排风的室外部分为三通的结构。排出的氢气经上升通路出口释放,排出的水珠经下坠的通路流出。排出管道及三通终端配置在专门设计的室外排放箱内(室外机)。室外箱保证排放端没有堵塞,雪,雨,倒灌等等意外。视具体情况配置或不配置室外抽风扇。

 

二、 气路设计方面的防护、报警及措施

在主要的气路环节置放氢气压力传感器。提供氢气压力状况实时的测量与控制。根据双路(防止误报警信号的产生)压力传感器实时测试的变量信号,氢燃料电池备用电源控制器将在压力正常情况下给出动态备用时长的监控信息和参数,也将在压力异常情况(氢气泄漏)下,关闭电磁阀组切断室外供氢机柜与室内电堆的供气联系。

 

三、 电子系统的检测、防护报警和控制手段

系统控制器实时检测电堆及电源系统各部分主要的工作参数:电压,电流,温度,湿度等等。如有异常,立即发出告警信号并同时根据情况采取相应的控制动作,如切换供电方式(由电网供电或由备用电源备电),切换电源工作状态(备电工作方式或待机工作方式)。

在电源机柜和储氢柜内部置放氢气浓度传感器(体积浓度或质量浓度)。可以测量氢气最低爆炸下线LELLower Explosion Limited)。对于氢气来讲,其LEL值为4.0%. 即:当氢气在空气中的体积浓度在4.0%~75.6%之间,遇到火源时,氢气会产生爆炸。系统的控制器根据氢气浓度传感器检测氢气浓度值。当检测的氢气浓度达到0.5%1.0%、和2%时,系统将立刻分三级程度用声、光、电方式报警。并根据报警的级别立即采取相应的控制措施。如:联通机柜和机房内强排通风设备,立即切断氢气的供应,紧急关闭电源系统等等防范处理措施。

 

四、 网络通信的报警和控制手段

由于氢燃料电池备用电源是数字电子设备,它可以很容易实现电池所不能实现的各种数字电子技术的功能。如:通信电子技术的三遥(遥信,遥测,遥控)功能和网络功能。

氢燃料电池备用电源控制器的全数字电子控制手段可将上述所有检测结果按照设定的通信协议有线和无线报警。可以自动连接报警电话,报警短信,通知职守人员故障的内容,甚至是录像。在有必要时,可以实现全部的网络功能。可以通过网路中心远程监视和遥控操作系统的各项功能。

 

 

第六章:分析与结论

一、 氢气安全性的定量分析:

室外环境的泄漏:

氢燃料电池备用电源的供氢量很少。一般负载功率为2kW,备电时长6小时的通信基站用340L钢瓶即可。负载功率为5kW,备电时长6小时的通信基站用640L钢瓶。一瓶40L水容积瓶口压力为15Mpa的标准气瓶可容载氢气485克。由于氢气的比重仅为空气比重的1/14,在开放的空间里,若有泄漏时,氢气的平均逃逸速度为20/秒以上。这485克氢气几乎是瞬间就升至天空,几乎不可能有积累到氢气最低爆炸下线LEL体积浓度的4%的时间并在此期间遇到明火点燃。可以说,氢燃料电池备用电源系统在室外空间泄漏的氢气被点燃且达到4%的体积浓度产生爆炸的危险性微乎其微。

室内密闭环境氢气泄漏达到体积浓度4%的计算:

如果机房面积为20平方米、高度为3米的话,一个机房的典型体积为60立方米。其4%的体积浓度为2.4立方米。一瓶15Mpa压力,40L水容积的钢瓶装485克氢气。体积为5.432立方米。那么,在一个全封闭的60立方米机房内,泄漏掉一整瓶氢气的44%, 差不多半瓶氢气时,其室内氢气浓度可以达到危险下线。此时,遇有明火,氢气会产生爆炸!因此,氢气瓶不安置在完全密封的室内环境。只有在通风的环境中,考虑将氢气瓶安置在室内。但必须经专家测算把握。

室内机柜中电堆的“废气”排放:

2kW的电堆中(型号:FCgen-1020ACS),氢气经过的流通速率为 0.5slpm0.5L/分钟)。在5kW的电堆中(型号:2XFCgen-1020ACS),氢气经过的流通速率为 1.0slpm1.0L/分钟)。

氢燃料电池备用电源运行时,其更换氢气的时间间隔为20秒。则,每分钟氢气从电堆中流出的量3.0L0.003立方米), 远小于上面计算的爆炸下线2400L2.4立方米)。倘若电堆的氢气不导出室外,完全排放的室内,对于5kW的系统来讲,连续工作13.33小时。则室内的氢气浓度有可能达到氢气LEL4%的下限。对于一个20kW的系统,

电堆排气完全在室内,连续工作3小时后需要通风。最安全的处理,还是将电堆排气导出室外。

报警和处理级别的设定:

根据氢气爆炸值下限4%,考虑双倍保险系数,本公司氢燃料电池备用电源系统的报警级别设置为三级:对应于 0.5%1.0%2%的氢气浓度。

 

二、 结论

综合上述定性,定量的分析阐述,本公司氢燃料电池备用电源系统对氢气安全隐患的检测和防护是充分的和冗余的。本公司氢燃料电池备用电源系统从机械,气压,电子控制等三个方面从氢气的源头到排放出去的各个环节采取了多重串联的防范措施。使氢气可能发生事故的概率降到最低。定量的讲,如果每一个防范方面之后发生事故的概率是百分之一,经过本系统的三级冗余控制措施,氢燃料电池备用电源系统发生氢气燃爆事故的概率小于百万分之一(0.000001)。

在精密设计检测和防范氢气漏气的基础上,在系统制造和集成中严格选择使用有质量认证的器件。在使用中,严格遵守由合格持证技术员按照国家规则标准操作。在这样的情况下,安全事故是完全可以避免的。氢气的使用也能像通到每家每户的液化石油气一样的安全。事实上,氢气要比液化石油气的使用安全得多。只是由于它的成本和存贮上的问题使之尚没有像液化石油气的使用那样普及。但随着新能源的发展,氢气成本的下降,氢气普及使用的时代正在走向我们的工业和生活。

消除对氢的误解。目前很多人,在工业界甚至是在科学界对于氢的认识有误解。正如我国著名氢能科学家,前国家科技部氢能项目首席科学家毛宗强先生所指出:“目前许多人对氢有偏见,疑虑、甚至恐惧。他们担心氢气的来源、氢的安全,担心氢能是否为人们接受等等,其实都是过虑。”

人们对氢的误解很大程度上来源于人对“爆炸”这个概念直觉的联想和直觉的恐惧而非科学的认证。这样的错误在历史上多次发生过。当年汽油初次在发动机上使用时,引起了争论和质疑。根据美国国会1875年的否决记录:“波士顿的工程师制造出汽油。用在发动机活塞筒内汽油爆炸的方式代替燃料在锅炉里的燃烧。所以危险是显而易见的。”今天,科学和实践都已证明了当年美国国会的无知。

氢气的使用是否有危险和在什么条件下有危险需要有科学的结论。

 

 

 

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