1. 设计要求

根据氢气燃料电池测试要求，设计一套氢气系统，为整个测试系统提供安全、可靠、稳定的氢气源。其中，氢气的需求量为100kg/d，氢气出口压力为0.7MPa，温度为20℃±5℃，可同时为两个测试系统提供氢气。系统配有1套50MPa高压储氢瓶组，可避免长管拖车长期驻场，降低系统运营成本。

2. 储氢容器计算说明

市场上氢气长管拖车常规体积为21方左右，瓶组内氢气压力为20MPa，在20℃的室温下，可为测试系统提供300kg的氢气，补气频率为3天一次。然而长管拖车租用费用和司机的人工费用较高，3天的补气周期导致的运营成本较为高昂，且极有可能出现无车可租或无气可买的情况，影响测试平台的正常运营。考虑上述问题，建议在系统内增设氢气储罐，在系统内储存一定量的氢气，可在运营期间降低补气频率，且便于满足客户对系统后续的升级改造需求，如增设测试端口或增设其他涉氢测试平台。

在储罐压力的选择上，20MPa的储氢容器与长管拖车储氢瓶组无异；45MPa的储氢容器技术成熟，生产厂家较多，产品选择性大；70MPa的储罐生产厂家少，且储罐水容积最大仅为3 m3，无法降低补气频率。综合考虑储罐价格和补气周期，建议在系统内增设水容积为21.24 m3的45MPa的储氢容器，与长管拖车直接配气相比，可节约67%的租车费用。

表2.1 储罐计算表

3. 系统流程

系统由增压模块、储气模块、冷却模块、配气模块、氮气模块、控制模块以及安全联锁模块组成，如图3.1所示。沿氢气流通方向依次设置有氢气源、增压模块、储气模块以及配气模块。增压模块包括泄气软管、进气阀、压缩机组和排气阀，且连接有冷却单元；增压模块进口至储气模块出口设有旁通单元，将增压模块与储气模块进行旁通，长管拖车出口氢气可直接经旁通路进入配气系统。储气模块包括50MPa高压氢气储气罐、进出口阀以及安全阀。配气模块设有过滤器、流量计、冷却器、二级调压阀和各开关阀。所有涉氢管道均连接至系统顶部的排放总管；氮气模块包括氮气源和与氮气源连接的仪表气及吹扫单元；安全联锁模块包括氢浓度传感器、声光 警器、氢敏胶带和自然排风风扇，以保证系统的安全性。系统具有旁路配气和增压配气两种模式，实际工作模式可根据客户需求而定。系统工艺图如3.2所示。

1）旁路配气

系统以氢气长管拖车为气源。当系统启动后，长管拖车流出的氢气经冷却器降温后通过旁路直接进入配气模块。在配气模块中通过二级减压至测试压力，供测试工件使用。流量计可实时监控加注量，保压阀可将阀后压力维持在测试压力。氢气系统在首次使用时需要进行气体置换，将系统管路内的杂质吹扫掉。

2）增压配气

系统以氢气长管拖车为气源。当系统启动后，增压模块将长管拖车流出的氢气升压，并经过冷却器降低升压后的氢气温度。冷却后的氢气进入高压氢气储罐，进行储存和缓冲。储气模块与配气模块相连，自储罐流出的高压氢气经配气模块通过二级减压至测试压力，供测试工件使用。流量计可实时监控加注量，保压阀可将阀后压力维持在测试压力。氢气系统在首次使用时需要进行气体置换，将系统管路内的杂质吹扫掉。

图3.1 100kg/d氢气系统组成及功能模块划分

图3.2 100kg/d氢气系统工艺原理示意图

4. 主要设备及参数

4.1 增压模块

本方案增压模块核心设备选用的是隔膜式压缩机，外系统接口条件均按照隔膜式压缩机的对应接口给出。

4.1.1隔膜增压泵配置

增压模块采用知名品牌电机驱动隔膜往复运动的形式给氢气增压，整个增压模块采用一台隔膜泵，可以保证输出压力最大45MPa，在进气压力5~20MPa范围内平均输出流量100kg/12h@12.5MPa进气@45MPa输出。

图4.1隔膜式增压泵示意图

4.1.2 液驱活塞压缩机主要技术参数

n 增压介质：氢气；

n 进气压力MPa：5~20；

n 最大增压压力MPa：45；

n 增压系统设计压力MPa：≥50；

n 容积容量Nm3/h：100

n 进气温度℃：≤35；

n 排气温度℃：<45（后冷器出口温度）；

n 整机功率约：15kW；

n 防爆等级：dIICT4

n 环境温度：-20℃~ +40℃

n 环境湿度：10% ~ 90%

n 环境电源：380V，50Hz。

4.2 冷却模块

本系统冷水机组采用风冷式冷水机组，选用PLC模块控制，实现远程控制及监控功能；具有电流过载、冷媒系统高低压、防冻、超温、相序、延时及水流等安全保护和 警指示功能；液晶显示冷却水进出口温度及设定温度，并具有显示查询故障告警功能。冷水机组需要甲方提供循环冷却水。

表4.1 冷水机技术参数表

图4.2冷水机组外观示意图

4.3 储气模块

储气模块包括1套50MPa的高压氢气储气瓶组以及相应的阀门配件，根据100kg/d的用量，可将系统的补气频率降低至1周1次。储罐的示意图以及参数如下所示：

图4.3储气模块外观示意图

n 设计压力：50MPa

n 设计温度：15℃/60℃

n 储存介质：99.999%高纯氢气

n 单瓶容积：1m3

n 氢瓶数量：22个

n 储氢容量：22m3

n 容器用材：S316

n 表面处理：不锈钢表面酸洗钝化

n 安全阀设定压力：48.5MPa

n 高压接口：压力等级20000psi，3/8”CT Female（可根据实际设计变动）

n 容器检漏口：3/8”OD英制卡套管

n 安全阀接口：1/2”NPT Female

4.4 配气模块

本系统配气模块采用进口管阀件集成，总体工艺由驱动路、氮气置换路、测试路与泄放路组成，主要将50MPa的高压氢气减压至0.7MPa(流量100kg/天)，为测试工件提供稳定的氢气源，系统为保证压力稳定性，采用两级减压，一级为手动减压，二级为自动减压，最大程度上保证降压的稳定性和系统的安全性；系统采用具有两个测试出口（可一开一备，也可全开）设计，增加系统的冗余；设备具备氮气吹扫功能。进口设有冷却器，用减压氮气的冷量对氢气进行二次冷却。模块内配有氮气管路和泄放管路，以满足泄放功能和氮气吹扫置换功能。模块出口段均设有取样口，可作为调试气入口、精密压力表接口以及系统置换取样口。

图4.4 配气系统示意图

4.4.1 驱动路

由过滤调压阀、压力表、压力变送器、缓冲瓶、调速阀与电磁阀组成。驱动路为系统的辅助装置，可对氢气冷却，并为减压阀、气动阀提供工艺气。

l 过滤调压阀：保证气体品质的同时，控制输出气体的压力

l 压力表与压力变送器：监控驱动气压力

l 缓冲瓶：保证气体压力

l 调速阀：调节冷却器用量

l 电磁阀：控制系统内的气动阀的开启与关闭

4.4.2 氮气置换路

由气动阀、安全阀、单向阀、压力表与压力变送器组成，主要是对系统进行氮气置换，设备使用前保证系统内气体为氮气，防止爆炸。

l 气动阀：自动控制气体的输出

l 安全阀：防止高压气体反流，保证系统安全

l 单向阀：防止高压气体反流

l 压力表与压力变送器：监控氮气压力

4.4.3 测试路

由冷却器、过滤器、气动阀、手动减压阀、气控减压阀、流量计、取样阀等组成，可将50MPa氢气减压至0.7MPa，为燃料电池测试系统提供稳定气源。

l 冷却器：专为氢气放热特性，增加冷却器，保证气体的稳定

l 过滤器：去除气体杂质

l 气动阀：自动控制气体的输出

l 手动减压阀：一级减压，50MPa氢气减压至5MPa

l 气控减压阀：二级减压，5MPa氢气减压至0.7MPa

l 流量计：监控气体流量

l 取样阀：可提取进入测试平台前的气体，方便分析

l 压力表与压力变送器：监控氢气压力

l 温度变送器：监控氢气温度

4.4.4 泄放路

泄放路由针阀、气动阀、单向阀与安全阀组成。针阀与气动阀配合使用，增加了系统可靠性；单向阀防止气体反流；安全阀保证了系统与测试工件的安全。

4.5 安全联锁模块

安全防护系统由泄漏 警、声光 警、紧急停车、氢敏胶带等系统组成， 警信息集成在氢气系统信息化管理系统之中，所有安防的 警信息将能及时的显示在系统 警栏里，让工作人员迅速做出相应操作。

4.5.1 泄漏 警

在增压模块、储气模块、配气模块设置多处氢浓度传感器对氢气浓度进行实时监控，并设置 警主机，通过采集氢浓度传感器的4-20mA模拟量信号和捕捉动作状态信号。 警主机能够向站控系统发送两级 警信号，用于实现 警信息记录、向控制模块发送 警信号以及联锁停机的功能。

氢浓度传感器按如下区域配置：

当氢浓度检测超过0.4%时，控制系统发出 警，且在上位机提示氢气泄漏区域；当氢浓度检测超过1%时，控制系统发出 警，切断系统管道阀门，且在上位机提示氢气泄漏区域。

4.5.2 紧急停车

系统设置一处ESD紧急停止按钮，操作人员在工作过程中，如发现异常情况，可通过紧急停止按钮进行干预。如果操作人员按下急停旋钮，则系统所有设备停止运转，电磁阀断电，如果复位需要将急停旋钮旋出可以复位。

4.5.3 氢泄漏监测与定位装置

目前对于氢泄漏的监视，除了采用检测仪器和对氢气耗量检查连续地监测之外。当发生泄漏时，还需使用携带型氢气检测仪器定出泄漏位置，但携带式氢气检测仪的成本高昂，且需要人员现场操作，增加了作业风险。因此，本系统采用一种遇氢可变色的氢敏检测胶带材料，将其缠绕在管路连接处即可检测是否有氢气泄漏的发生，可为用氢安全提供保障，同时便于精准、快速地故障定位。

? 氢敏胶带技术参数：

n 变色响应时间：1%H2：2min

10% H2：30s

≥50% H2：10s内

n 变色效果：由灰蓝色变为蓝色

n 拉伸强度：≥20MPa

n 断裂伸长率：≥210%

n 自粘力：≥0.80N·cm-1

n 拉伸搭叠后可快速自粘，稳定包裹于粘贴位置

n 低温不变硬、高温不留胶

n 防水、阻燃、绝缘性能优良

图4.5 氢敏检测胶带及现场示踪示意图

联系方式：上海氢威机械有限公司 Shanghai HydroWei machinery

微信：hydrowei