汽车用氢燃料电池加氢站系统设计与控制的研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 1011.94KB 115 页 15积分
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第一章 绪论
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第一章 绪论
§1.1 引言
§1.1.1 概述
随着我国经济的快速发展，汽车消费不断升温，特别是汽车进入家庭也成为
势不可挡的潮流，我国已成为能源消耗大国。但随之而来的石油资源供需日益紧
张，特别是随着石油和煤的开采而急剧减少，能源需求急剧增长的情况下，它的
位置在当今社会越来越突出。据预测，地球上的石油按当今速度开采，2050 年以
后在地球上基本上找不到。另外城市汽车排放已成为当今大气污染的主要来源，
在我国城市环境污染 70%是来自汽车尾气的排放，这必将成为制约我国经济持续
发展的一个因素。因此我们当前要把致力于为汽车发动机开发清洁燃料及合理利
用资源将是未来工作的重点之一。目前，发动机用天然气或液化石油气将是很普
遍并且比较成熟，而且相关的资源配置也在不断完善，在环境污染上比汽油用作
燃料是有很大的改观。由于我国有丰富的天然气资源，并且国家在大力搞西气东
输的工程，这为发展天然气汽车提供了良好的环境和措施，并且相关的加气站技
术标准也已经制订了。但是天然气最终也与汽油一样，不久的将来也是会用尽的；
再说天然气在汽车上也不是绝对的环保燃料，它会产生二氧化碳、一氧化碳和氮
氧化物等，有温室效应和造成环境污染等。因而，世界各国也在寻求一种既是绝
对环保燃料又是容易取得的替代物，这自然就把这项任务落在氢能源利用的身上
了。氢作为能源与氧反应就是水，因而汽车利用氢就是真正的零污染。在这方面
的研究，我们国家许多科研所、机构及大学都在进行。但在我国研究氢燃料电池
汽车的基础设施---加氢站的技术还是比较滞后，大部分的工作主要集中在汽车研
发上。因此我认为加气站的技术研究工作也必须同时发展。它们的关系正如是“鸡”
和“蛋”的关系，到底是先有“鸡”还是先有“蛋”？也就是说即氢燃料汽车研
究取得成功，但没有配套的实施措施――加氢站，也是不成的，汽车也是跑不了
的，是没有市场的，同时反过来也一样的道理。
§1.1.2 氢能源
氢作为燃料，可应用火箭、火车、飞机、轮船、汽车等。如一辆氢燃料电池
出租汽车用氢作燃料行驶 250 公里只需消耗 2Kg 多点氢气，而且氢气具有以下优
点：
(1) 氢的热效高。燃烧 1 克氢气可以放出 14 万焦耳的热量，约为燃烧 1 克
汽油的 3 倍，并可以循环使用。
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(2) 氢的原料主要是水，在一个水分子中就有两个氢原子，所以资源丰富，
因为占地球表面积的 71%水中含有大量的氢。
(3) 氢气在燃烧过程中，除了释放出巨大的能量外，产生的废物只有水，不
会造成环境污染，无腐蚀，因而是绝对的“清洁的燃料”。
(4) 氢的用途极为广泛，它不但生成热。而且还能产生化学能，并作为吸热
的工质等。
(5) 氢气重量轻、密度小，与空气混合含氢 4%---75%点燃都能爆炸，适用于
内燃机的燃料，并可在极低的温度下点火启动。
尽管氢气作为能源应用具有以上优点，但氢作为汽车能源面临许多关键性的
问题没有得到解决。首先由于氢气来源主要是工业氢气的提纯造成氢气生产成本
过高，不易推广，无法与汽油，天然气等汽车燃料在价格上的竞争；其次，加氢
站系统的开发，这是氢燃料汽车要全面推向市场的最主要的技术壁垒。目前科研
人员的主要研究方向是氢燃料生产成本的降低以及解决加氢站基础设施的缺乏、
相关技术标准的不完善和储气技术相对滞后等问题。
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§1.2 加氢站发展的状况
§1.2.1 国外发展状况
以氢能为基础的燃料电池汽车是 21 世纪理想的交通工具。目前主要工业国家
政府和大部分汽车制造厂商正在投入巨资研制开发。发展燃料电池汽车是一个庞
大的系统工程，它不仅是汽车技术的革命，同时涉及到规划和建设一个庞大的制
氢、储氢及加气站等基础设施。在当今要把燃料电池汽车全面推向市场的过程中，
在最关键技术壁垒中最最难克服的，被认为是比开发燃料电池汽车本身更为复杂
的难题是氢气的加注设施---加氢站的技术。目前氢气作为车用燃料供应设施基本
上是空白，技术资料也不是很完善，在安全保障方面没有一个统一的标准，目前
主要的工业国家政府和汽车制造厂商正在探索和开发之中。
为了实施直接氢气燃料电池汽车(特别是车队)的示范工程，就必须建立氢气
的相关加注设施。通常在作为燃料电池汽车的示范过程时，基本上都选择具有工
业氢气基础设施的地区进行。一是为了氢气在车载运输的相对安全，二是为了从
经济成本上的考虑。这样氢气以液态或压缩气体的形式运输到加气站。在北美和
西欧已建立不少加氢站，例如在 Brassel(FCB 项目-1995)、Chicago(FCB 项目
-1999)、Dearborn(Ford 燃料电池轿车研发项目-1999)、Munich(机场巴士-1999)、
London(FCB 项目-1999)、Hamburg(FCB 项目-2000)、Sacramonto(加州燃料电池伙
伴计划-2000)等。这些加氢站都是作为示范工程的项目，要进入市场，通过以上
的方法(通过运送液氢供氢)将不再是最经济的方式，因为氢气的液化和液氢的存
储毕竟是一高能耗和高损耗(渗透逃逸)的过程。纵观国外的氢基础设施可以发现，
在氢燃料电池汽车的示范站中，一般直接使用现有氢资源(化工厂商品氢气)，既
有通过槽车运送到加氢站的存储方式，也有从氢源地直接加注的方式。后者如日
本的横滨的示范站就建在 Tsurami 制碱公司所在地，其加注能力为 5 辆燃料电池
汽车，所用的储氢和分配系统由日本的岩谷公司开发。当进入车队)的示范阶段，
即开始建设现场制氢加气站。总之，国外加氢站的发展都是处于示范项目阶段，
没有进入正式商业运作，都是处于探索之中。因此，我国在这方面的技术开发，
必须借此机会缩小与国外的差距，发展我国的加氢站事业，为我国氢燃料电池汽
车发展创造良好的前提条件。
§1.2.2 我国发展的现状
我国燃料电池汽车属于刚起步阶段，加氢站的基础设施建设更不例外，至今
还没有建设一座加氢站。但在我国政府的能源战略重点推动下，我国在氢燃料电
池汽车的加氢站基础设施系统开发的速度会更加加快，因此，研究加氢站系统的
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技术是显得相当重要地位。
目前我国把“电动汽车”作为国家 863 重大专项已在同济大学启动，并且在
今年 8月份“超越 1号”已通过国家科技部的验收。同时，为配合氢燃料电池汽
车顺利开发，相关的加氢站建设也作为国家 863 项目在同济大学正式启动。本人
作为此项目的主要研究成员，深刻地认识到在国内、外没有加氢站相关的技术标
准要建设和开发加氢站，我们必须先对加氢站的系统设计、工程建设、系统开发
与控制等进行前期的研究，以减少在建设加氢站时不必要的人力、物力及财力的
浪费和不必要的事故发生，确保加氢站建设的安全性和经济性。本人就是在这种
背景下开始着手写此论文。如果没有此项工作的研究就没有加氢站建设理论指导。
我们现在正在进行的加氢站建设的 863 项目是要求在 2005 年9月在上海运行，因
此本人花了近一个年的时间进行这方面的研究。目前我国在压缩天然气（CNG）
加氢站的相关技术标准也不是很完备，就不用说相关加氢站系统的方面的标准及
相关资料了。在国际上，加氢站也没有一个统一的标准，都是在摸索和探讨之中。
在写此论文时，有关这方面的技术要求和规范等借鉴了许多国外加氢站示范项目
建设的经验及结合我国实际情况。多次与国内外专家讨论论证，论证的主题都是
围绕加氢站的安全为中心而展开的。
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§1.3 加氢站开发的必要性
§1.3.1 氢燃料汽车的概述
用氢作燃料是当今世界汽车工业最流行解决汽车尾气污染问题，达到零污染
排放的方法之一。
用氢作燃料具体包括氢燃料电池和氢燃料内燃机两种应用形式。使用氢燃料
的汽车排放出来的是只是水，不会释放出二氧化碳，所以它最明显的优势是有利
于环保。福特 PH2000HFC 轿车即是一辆已经开发研制成功的氢燃料电池汽车，采
用福特轻质底盘，总重量仅为 1500 公斤，具有 100 马力的动力，理论最高时速达
160Km/h，现为 145Km/h，目前正处于商业化过程中。福特汽车公司日前还建成了
同时可以进行气态和液态氢加注的“加氢站”。福特汽车公司称，其氢动力汽车的
效能比一般汽油汽车高 50%。
从能源经济性的角度分析，氢动力汽车优于传统汽车。科研人员预测，大批
量生产氢燃料汽车的前景是很美好的，但是氢作为能源也同样面临难题，这些不
利因素是：生产氢燃料的成本过高使之无法与价格低廉的石油和天然气竞争；氢
气缺乏向用户输送的基础设施，储气技术相对滞后。目前科研人员主要研究方向
是氢燃料的生产和储存。
自从 1994 年首辆燃料电池汽车问世以来，燃料电池汽车的开发席卷全球。当
前燃料电池发动机的氢燃料供应方案有两种：一种是在制造厂家把氢气制好，然
后加到车上（直接氢气方案），另一种是在汽车上通过微型载制氢工厂（车载燃料
转化方案），后者也包括直接甲醇燃料电池，但通过综合考虑（比如安全因素、运
行性能、成本因素等），直接氢气车载储氢技术要更好。直接氢气车载储氢技术（高
压气体或液氢）对满足必要的行驶而不影响乘坐和行李厢空间已无太大的技术障
碍，所剩的是加气站系统技术的开发及规范。
通过分析国外发展的趋势，氢燃料电池汽车及其基础设施(加氢站)的商业化进
程正在通过多途径、多领域的广泛合作得到有效的促进和发展。如美国政府继
PNGV 计划后提出了新的 FreedomCAR 伙伴计划，把伙伴计划扩展到燃料(氢气)
领域；加里福尼亚燃料电池伙伴计划(California Fuel Cell Partnership)则是包含了所
有世界最著名的燃料电池动力系统公司、汽车制造商、燃料(氢气)生产(供应)商、
以及美国和加洲政府的环保、交通和能源部门等共计 29 个合作伙伴；欧共体已开
始了燃料电池公交车合作示范项目并建立了加氢站；德国也在实施清洁能源伙伴
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计划。
§1.3.2 我国开发加氢站系统的必要性
随着我国经济的持续、快速、健康的发展，汽车消费不断升温，特别是汽车
进入家庭已成为势不可挡的潮流，我国已成为能源消耗大国。但随之而来的石油
资源供需日益紧张，尤其城市汽车排放已成为当今大气污染的主要来源，在我国
城市环境污染 70%是来自汽车尾气的排放，这必将成为制约我国经济持续发展的
一个重要因素。因此我们当前要把致力于为汽车发动机开发清洁燃料及合理利用
资源将是未来工作的重点之一。目前，汽车发动机用天然气或液化石油气将在我
国正在普及并且逐步走向成熟阶段，而且相关的资源配置或基础设施也在不断完
善，在环境污染上比汽油用作燃料是有很大的改观。由于我国有丰富的天然气资
源，并且国家在大力搞西气东输的工程，这为发展天然气用作燃料的汽车提供了
良好的环境和条件，并且相关的加气站技术标准也已经出台了。但是天然气最终
也与汽油一样，不久的将来也是会耗尽的；再说天然气在汽车上也不是绝对的环
保燃料，它会产生二氧化碳和氮氧化物等，有温室效应。因而，世界各国现正在
寻求一种既是绝对环保燃料又是容易取得的替代物。这自然就把这项历史性的任
务落在氢能源的利用身上了。氢作为能源与氧反应就是水，因而汽车利用氢就是
真正的零污染。在这方面的研究，我们国家许多科研机构及大学(如同济大学的氢
燃料电池汽车的开发)都在参与这项工作中。但在我国研究氢电池燃料加气站的技
术却是比较滞后，大部分的工作主要集中在汽车的改造上。因此我认为加气站的
技术研究工作也必须同步发展，即是氢燃料汽车研究成功了，但是没有配套的基
础设施也是不成的，汽车也是跑不了的，是没有市场、得不到应用和推广。
目前国际国内关于加氢站相关的技术还正在探索之中，因此用氢燃料电池汽
车加气站技术的研究与开发是当前是重中之重。我国已把燃料电池汽车的系统开
发列为 863 项目的重大专项课题，在此系统的开发中，而忽略了加氢站系统的基
础设施研究及开发。其实加氢站的技术是很重要的，直接影响到氢能源在汽车的
应用和推广。就目前来说，氢燃料电池汽车要全面推向市场，最主要的技术壁垒
需要克服的就是加氢站的系统开发。在这种情况下，美国总统布什今年 3月份投
下120 亿美元用在加氢站基础设施的研究开发。在我国氢燃料电池汽车正在开发
之中，为了在开发加氢汽车的试制过程中得以顺利进行，加氢站的研究是非常很
必要的，在开发氢燃料汽车或建设加氢站等，我们必须做好一切必要的安全措施。
一旦出了事故，这是不利于加氢燃料汽车的发展。就正如辛登堡（Hindenburg）事
件，许多人谈“氢”色变，把氢看作为十分危险的爆炸物。因此加氢站基础设施
系统的开发是非常必要的。
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§1.4 加氢站技术研究的内容和意义
§1.4.1 研究的内容
1、汽车用压缩氢气加气站设计要求
在这部分主要涉及的内容有：加气站的分级、选址与规划，与周围建构、筑
物的安全防护间距，加气站的主体设施，加气站的配套设施和工程设计、施工与
验收等。
2、汽车用压缩氢气加气站系统开发与控制
在这部分涉及的主要内容是加气站系统配置的开发及集成管理，这部分对于
加氢站系统的开发具有重要的参考意义和作用。加气站根据不同的运行状况，选
择或配置不同型号的设备，降低加气站建设的成本和运行费用。
3、加氢站系统的安全操作、维护和保养
在这部分涉及的主要内容是为了保证加气站的安全运行，我们必须规范加气
站操作、维护和保养，保证加氢站的运营正常，不发生任何意外事故或把风险降
低到最低程度。
4、加氢站示范项目的系统配置实施方案实例（UNDP－GEF 项目）
在这部分只是简略地介绍了一下 UNDP－GEF 项目的系统配置，而没有详细论
述加氢站的系统设计，只是阐述了此项目的设备优化的配置。
§1.4.2 研究此课题的意义
因此本人认为当今研究此课题具有以下现实意义：
第一，促进加氢燃料电池汽车研究的快速发展。
第二，保障加氢燃料汽车在试验时有可操作的规范性，尽量降低事故的发生。
促进它的健康发展。
汽车用氢燃料电池加氢站系统设计与控制的研究
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第三，为加氢燃料电池汽车研制成功及时推广应用有现实的意义。
第四，我国目前进行西气东输时，许多地方正在考虑建设 CNG 加气站的同时是
否可具有加氢的功能的混合站，以减少将来的投资及重复建设，为尽早
立此项有据可寻。加氢燃料汽车研制成功是可预期的，并且也会很快得
到推广的，因此加氢站是迟早的事情，所以国家尽可能早建立相关这方
面的标准及技术规范。
第五，改善环境、缓解能源不足、降低汽车能源消费费用、实现零污染。
第六，保证加氢站建设的规范性、安全性，提供建设加氢站系统理论基础。
第七，为将来加氢站建设和技术的规范性作一个前期的研究。
第八，确保加氢站示范项目建设的安全运行与管理。
第九，促进我国在加氢站相关设备产业的发展，为我国将来有关加氢站设备的
开发提供一个建设性的建议。
目前，国际许多国家正在加紧这方面的技术研究和试验。在当今我国也必须
抓紧技术攻关，在我国尤其是储存系统、压缩系统和加氢站工程建设等。当然我
们在研究加氢站的技术方面，CNG 加气站技术是有许多地方值得借鉴的。
§1.4.3 研究的实施方案
由于本人参加国家 863 项目――加氢站系统设计、集成与开发的项目，同时
又是 UNDP－GEF 联合国加氢站示范项目的成员，还参与上海市建委《燃料电池
汽车加氢站示范项目工程建设方案及布点规划》项目，因此对于加气站建设的设
计要求、系统开发与控制、安全操作、维护和管理等都做了大量的理论研究工作
并掌握了许多重要的理论；同时，多次与国内外专家开研讨会，并借鉴了大量国
外加氢站示范项目建设的先进经验和我国的 CNG 加气站的建设经验及我国国情
等，作为研究的实施方案；另外，此 863 项目前期阶段建造了两个类似于加氢站
的简单加氢装置，都建设在同济大学校内，这些加氢装置都是为了配合燃料电池
汽车开发试验用的。
第二章 汽车用压缩氢气加气站设计要求
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第二章 汽车用压缩氢气加气站设计要求
§2.1 基本术语
1、压缩氢气加气站 automobile CHG filling station
为氢燃料汽车储气罐充装车用压缩氢气的专门场所。
2、站房 station house
用于加气站经营和管理的建筑物。
3、加气岛 gas filling island
用于安装加气机的平台。
4、加氢机 CHG dispenser
给汽车储气瓶充装压缩氢气，并带有计量、计价装置的专用设备。
5、加氢枪 dispenser nozzle
附属加氢机，直接给氢气燃料汽车充装气体的手工操作的工具。
6、拉断阀 break away coupling
在一定的外力作用下可被拉断成两节，拉断后具有自密封功能的阀门。
7、挠性支架 flexible support
为防止氢燃料汽车在充装过程中，司机错误驱动汽车，拖拽软管，导致软管
附带插头脱离支架、警示司机停车。
8、快速切断阀 shut-off valve
从全开到全关阀门转动小于一圈，并能关严。
汽车用氢燃料电池加氢站系统设计与控制的研究
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§2.2 汽车用氢质量要求
氢气的质量标准的要求主要是根据汽车动力系统的不同类型来定的。如果氢
气使用在内燃发动机，氢气的纯度 95%就已经足够，目前在内燃发动机使用氢气
没有一个统一的的标准(但参照美国氢气加注示范站对氢气的纯度的要求见表
2-1)。如果使用氢气使用在燃料电池汽车上，氢气的纯度就要求很高，这是因为
如果氢气纯度不高使用在燃料电池汽车上会产生 CO 或 CO2 等对电池有损害(氢气
使用在燃料电池的纯度见表 2-2)。
表 2-1：氢气使用在内燃发动机的纯度
项目
纯度
氢气
>99.95%
氧气
<5ppm
氮气
<400ppm
甲烷
<10ppm
一氧化碳
<10ppm
水分
<3.5ppm
表中纯度和含量以体积分数表示(V/V)
表 2-2：氢气使用在燃料电池的纯度
项目
纯度
氢气
>99.995%
氦气
<39ppm
水+氮气+碳氢化合物
<9ppm
氧气+氩气
<1ppm
一氧化碳+二氧化碳
<1ppm
微粒物质
<350ppm solid particles
其它杂质
<50ppm
(资料来源：Ballard 动力系统)
摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1引言§1.1.1概述随着我国经济的快速发展，汽车消费不断升温，特别是汽车进入家庭也成为势不可挡的潮流，我国已成为能源消耗大国。但随之而来的石油资源供需日益紧张，特别是随着石油和煤的开采而急剧减少，能源需求急剧增长的情况下，它的位置在当今社会越来越突出。据预测，地球上的石油按当今速度开采，2050年以后在地球上基本上找不到。另外城市汽车排放已成为当今大气污染的主要来源，在我国城市环境污染70%是来自汽车尾气的排放，这必将成为制约我国经济持续发展的一个因素。因此我们当前要把致力于为汽车发动机开发清洁燃料及合理利用资源将是未来工作的重点之一。目前，发动机用天然气或液化石...

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作者：赵德峰 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：115 页 大小：1011.94KB 格式：PDF 时间：2024-11-19

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