用于燃料电池电动汽车室内停放时的氢气泄漏收集排放装置

772 编辑：中冶有色技术网来源：中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司

2023-12-22 15:10:21

权利要求书： 1.一种用于燃料电池电动汽车室内停放时的氢气泄漏收集排放装置，其特征在于主要由集气罩、气体压缩机、气体缓冲罐和安全排气口组成；所述集气罩内部上方设有第一氢气浓度检测仪；所述集气罩管道连接气体压缩机的进口，气体压缩机的出口管道经止回阀分别连接气体缓冲罐进口和第一排气管道，第一排气管道连接安全排气口；所述气体缓冲罐进口设有第二排气管道连接安全排气口；所述第一排气管道上依次设有第二氢气浓度检测仪和电磁阀，第二排气管道上设有安全阀；所述安全排气口设有节流孔板；所述止回阀和气体缓冲罐进口的管道上设有压力变送器。

2.根据权利要求1所述的氢气泄漏收集排放装置，其特征在于：所述集气罩用钢板制作，集气罩内表面平整，其顶面坡往一侧倾斜，最高处通过管道与气体压缩机相连。

3.根据权利要求2所述的氢气泄漏收集排放装置，其特征在于：所述集气罩底面长度为

5.3m，宽度为2.5m，顶面坡最矮处高度不小于0.166m，最高处高度不小于0.196m。

4.根据权利要求1所述的氢气泄漏收集排放装置，其特征在于：所述第一排气管道的外径不大于Φ32mm。

5.根据权利要求1所述的氢气泄漏收集排放装置，其特征在于：所述气体压缩机为活塞式压缩机。

说明书：用于燃料电池电动汽车室内停放时的氢气泄漏收集排放装置技术领域[0001] 本实用新型属于氢能技术领域，尤其涉及一种用于燃料电池电动汽车室内停放时的氢气泄漏收集排放装置。背景技术[0002] 氢能是一种清洁、高效、低碳的二次能源，对构建清洁低碳、安全高效的能源体系，实现碳达峰、碳中和目标具有重要意义。其中，燃料电池电动汽车是氢能利用的一个重要方向。车载氢系统是燃料电池汽车的储能装置，主要由储氢气瓶、管阀件、加氢口和氢气管路等零部件组成，车载氢系统中日常充满氢气。[0003] 车载供氢系统主要由高压储氢瓶、加注口、单向阀、安全阀、溢流阀、减压阀、电磁阀、热溶栓、压力和温度传感器以及氢管路等零部件组成。为了确保系统安全，供氢系统不但具备过温保护、低压报警、过压保护、过流保护等功能，还考虑到了碰撞安全、氢气泄漏的控制等。其中，氢气泄漏控制系统设有气罐出口电磁阀，电磁阀由直流电源驱动，与氢气泄露报警系统联动，当泄漏氢气浓度达到保护值能自动关闭，从而达到切断氢源的目的，确保了供氢系统的氢气泄漏量很小且是可控的。而碰撞、高压储氢瓶爆炸等极限工况在车辆在停车场停放时发生的情况极其罕见。因此，当车辆在进入停车场停放后，可能造成氢气泄漏的主要是过温保护和过压保护动作时对外排放的氢气，这部分排放量如下：[0004] 1)过温保护：燃料电池车的高压储氢罐上一般会安装温度传感器用来检测气罐内气体温度，由这些传感器将气罐内气体的温度信号发送到驾驶室仪表盘上，通过气体温度的变化来判断外界是否有异常情况发生。为防止储氢瓶因高温高压爆炸，储氢瓶上安装了易熔栓。以丰田的Mirai为例，其易熔栓在110℃的温度下易熔栓会熔解，氢气可以以每分钟不超过118NL的速度逐渐排出，在60分钟内排空。这部分排放的氢气排放速度是可控的。[0005] 2)过压保护：当气罐中氢气压力超过设定值时，能通过气罐安全阀自动泄压，例如瓶体温度由于某种原因突然升高造成气罐内气体压力上升，当压力超过安全阀设定值时，安全阀自动泄压，保证气罐在安全的工作压力范围之内。安全阀的设定压力比储氢瓶最高工作压力高10％。以此估算，安全阀一次动作最大排放量为储氢罐容量的10％。以丰田Mirai的两个储氢罐容积分别是60L和62.4L，储氢压力为35MPa。以此计算，安全阀一次最大3

排放量约为2.2m。这部分排放的氢气排放量是可控的。

[0006] 由于氢气易燃易爆，为了确保氢燃料电池汽车的使用安全，相关部门制定了《燃料电池电动汽车安全要求》(GB/T24549—2020)等标准，对燃料电池电动汽车的车载氢系统及其管路提出了安全防护要求，重点是防止氢气泄漏、聚集导致的爆燃风险。相关标准主要是防止氢气在车内的聚集。当燃料电池电动汽车进入室内(如地下停车场等)停放时，如车载氢系统出现泄漏，由于氢气比空气轻，泄露后会迅速向高处扩散，漏气上升滞留屋顶不易排出，氢气与空气混合容易形成爆炸性混合物，遇热或明火即发生爆炸。目前，由于保有量较少，国内尚无专用于燃料电池电动汽车的室内停车场。《氢燃料电池电动汽车示范运行配套设施规范》(GB/T29124—2012)中，对停车场所与维修车间的要求主要有：“汽车进入停车场所和维修车间前，须首先开启室内的氢安全报警系统。”“汽车驶入停车场所之前，须检查车载氢系统及安全装置，确保其工作正常，且无泄漏、无故障发生。”“车载氢系统发生泄漏等故障的汽车，必须排除故障或将氢系统内的压力排至不大于0.05MPa，才能进入停车场所和维修车间。”但即使汽车在进入室内停车场时车载氢系统无泄漏，也无法确保在停放时间段内完全无泄漏，而无论每次停车时多小的泄漏量，如不能及时排出室外，多次停车后，积聚的氢气量会越来越多，长期集聚后，与空气混合容易形成爆炸性混合物，遇热或明火即发生爆炸。《氢气使用安全技术规程》(GB4962?2008)的要求“4.1.6建筑物顶内平面应平整，防止氢气在顶部凹处积聚；建筑物顶部或外墙的上部应设气窗或排气孔。排气孔应设在最高处，并朝向安全地带。”对现有的室内停车场，尤其是地下停车场，由于停车场屋面梁的存在，无法避免氢气在顶部的积聚，如需对其进行改造，工作量和投资很大。发明内容[0007] 本实用新型要解决的技术问题是提供一种结构简单、效果良好且成本较低的用于燃料电池电动汽车室内停放时的氢气泄漏收集排放装置。[0008] 为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：[0009] 用于燃料电池电动汽车室内停放时的氢气泄漏收集排放装置，主要由集气罩、气体压缩机、气体缓冲罐和安全排气口组成；集气罩内部上方设有第一氢气浓度检测仪；集气罩管道连接气体压缩机的进口，气体压缩机的出口管道经止回阀分别连接气体缓冲罐进口和第一排气管道，第一排气管道连接安全排气口；气体缓冲罐进口设有第二排气管道连接安全排气口；第一排气管道上依次设有第二氢气浓度检测仪和电磁阀，第二排气管道上设有安全阀；安全排气口设有节流孔板；止回阀和气体缓冲罐进口的管道上设有压力变送器。[0010] 集气罩用钢板制作，集气罩内表面平整，其顶面坡往一侧倾斜，最高处通过管道与气体压缩机相连。[0011] 集气罩底面长度为5.3m，宽度为2.5m，顶面坡最矮处高度不小于0.166m，最高处高度不小于0.196m。[0012] 第一排气管道的外径不大于Φ32mm。[0013] 气体压缩机为活塞式压缩机。[0014] 针对目前停车场存在燃料电池电动汽车氢气泄漏风险，发明人设计了一种用于燃料电池电动汽车室内停放时的氢气泄漏收集排放装置，主要由集气罩、气体压缩机、气体缓冲罐和安全排气口组成；集气罩内部上方设有第一氢气浓度检测仪；集气罩管道连接气体压缩机的进口，气体压缩机的出口管道经止回阀分别连接气体缓冲罐进口和第一排气管道，第一排气管道连接安全排气口；气体缓冲罐进口设有第二排气管道连接安全排气口；第一排气管道上依次设有第二氢气浓度检测仪和电磁阀，第二排气管道上设有安全阀；安全排气口设有节流孔板；止回阀和气体缓冲罐进口的管道上设有压力变送器。使用时，集气罩安装在停车位上方，当第一氢气浓度检测仪检测到燃料电池电动汽车漏氢后，可启动与集气罩相连的气体压缩机，将泄漏的氢气收集入气体缓冲罐中或者直接排放至室外安全处。应用本实用新型，可使现有的室内停车场(尤其是地下停车场)不进行大的改造即可停放燃料电池电动汽车，或使新建的室内停车场(尤其是地下停车场)不因考虑燃料电池电动汽车的停放而增加太大投资。因此，广泛推广应用本实用新型，可在不对现有的室内停车场(尤其是地下停车场)进行大的改造即可收集燃料电池电动汽车泄漏的氢气，满足燃料电池电动汽车在室内停车场安全停放的需要。

[0015] 与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：[0016] (1)由于设置了集气罩，与《氢燃料电池电动汽车示范运行配套设施规范》(GB/T29124—2012)中的措施相比，可消除氢燃料电池电动汽车在停放过程中发生的氢气泄漏带来的安全隐患。[0017] (2)与《氢气使用安全技术规程》(GB4962?2008)的要求“4.1.6建筑物顶内平面应平整，防止氢气在顶部凹处积聚；建筑物顶部或外墙的上部应设气窗或排气孔。排气孔应设在最高处，并朝向安全地带。”相比，可使现有的室内停车场尤其是地下停车场能安全停放氢燃料电池电动汽车而不需进行改造或新建符合该规定的氢燃料电池电动汽车专用停车场。附图说明[0018] 图1是本实用新型的用于燃料电池电动汽车室内停放时的氢气泄漏收集排放装置的整体结构示意图。[0019] 图2是图1氢气泄漏收集排放装置中集气罩的结构示意图。[0020] 图中：1集气罩，2气体压缩机，3气体缓冲罐，4节流孔板，5止回阀，6电磁阀，7安全阀，8第一氢气浓度检测仪，9压力变送器，10第二氢气浓度检测仪，11安全排气口，12第一排气管道，13第二排气管道，14燃料电池电动汽车。具体实施方式[0021] 一、基本结构[0022] 如图1至图2所示，本实用新型的用于燃料电池电动汽车室内停放时的氢气泄漏收集排放装置，主要由集气罩1、气体压缩机2、气体缓冲罐3和安全排气口11组成。其中，[0023] 集气罩内部上方设有第一氢气浓度检测仪8；集气罩管道连接气体压缩机的进口，气体压缩机的出口管道经止回阀5分别连接气体缓冲罐进口和第一排气管道12，第一排气管道连接安全排气口；气体缓冲罐进口设有第二排气管道13连接安全排气口；第一排气管道上依次设有第二氢气浓度检测仪10和电磁阀6，第二排气管道上设有安全阀7；安全排气口设有节流孔板4；止回阀和气体缓冲罐进口的管道上设有压力变送器9。[0024] 二、设计制作[0025] 集气罩用钢板制作，外侧可用槽钢等型钢加强。集气罩内表面平整，其顶面坡往一侧倾斜，最高处开孔通过管道与气体压缩机相连。[0026] 集气罩的容积按氢燃料电池电动汽车储氢瓶安全阀的一次排放量计算，并适当考虑裕量。储氢瓶安全阀设定压力一般比储氢瓶最高工作压力高10％，以此估算，安全阀一次动作最大排放量为最大储氢罐容量的10％。以丰田Mirai为例，它的两个储氢罐容积分别是60L和62.4L，储氢压力为35MPa。考虑最大一个储氢罐超压，安全阀一次最大排放量约为

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2.2Nm，因此，集气罩的最小容积不小于2.2Nm。根据车位的划分要求，每个车位长度为不小于5m(一般取5.3m)，宽度为2.5m，为覆盖整个车位，集气罩的长度a可取5.3m，宽度b可取

2.5m。按此面积和要求的集气罩最小容积计算，集气罩最矮处高度h1取不小于0.166m，集气罩坡度按0.005计算，最高处高度h2取不小于0.196m。考虑0.1m的裕量并取整，h1取0.3m，h2

3

取0.33m。集气罩容积合计约4.1m ，可确保能容纳安全阀一次排放出的氢气。其他型号的氢燃料电池电动汽车所需的集气罩尺寸，可参照此原则计算。

[0027] 安全阀的开启压力按约1.1倍的气体压缩机选型压力设定，可设定为0.4MPa(绝对压力)。如电磁阀或压力变送器故障，造成气体缓冲罐超压时，安全阀开启，将氢气通过第二排气管道排至停车场外室外安全处。[0028] 气体压缩机宜选择活塞式压缩机等容积式压缩机。流量按集气罩内气体每小时换气次数12次计算(参照《氢气站设计规范》(GB50177?2005)中制氢车间事故通风次数的规定)，并核算是否满足燃料电池电动车过温保护时氢气排放速度要求。按前述计算的集气罩容积，可计算出压缩机流量为820L/min。以丰田的Mirai为例，其储氢瓶上安装的易熔栓在110℃的温度下会熔解，氢气以不超过118NL/min的速度逐渐排出，按以上选择的压缩机流量完全可满足易熔栓熔解时的氢气排放速度要求。其他型号的氢燃料电池电动汽车所需的气体压缩机流量，可参照此原则计算。由于压缩机流量和压力较小，采用风冷即可。

[0029] 气体缓冲罐的容积可按10％气体压缩机的流量考虑。按以上所选的气体压缩机的流量820NL/min计算，气体缓冲罐体积按82L选型。[0030] 为实现排气管道布置时不存在凹段，以避免氢气的积聚，压缩机出口管道的管径不宜过大，一般不大于Φ32mm，并宜尽量减小。此处按Φ25×2选取，管道内气体流速按约15m/s控制。根据排气管道的管径、排气量和管道内的气体流速，可计算出所需的排气压力。

以上所选气体压缩机的流量820L/min，可选取排气压力0.3MPa(绝对压力)。为了维持排气管道内的压力，在排气管道出口附近立管上设节流孔板，节流孔板孔径按电磁阀打开时，气体压缩机出口压力维持在压缩机选型压力90％～100％范围内计算。

[0031] 三、工作过程[0032] 如图1所示，集气罩安装在车位正上方，覆盖停车位范围。[0033] 当第一氢气浓度检测仪检测到氢气体积浓度达到0.4％时，说明燃料电池电动汽车14有氢气泄漏，气体压缩机启动，将泄漏的氢气压缩至气体缓冲罐中。当气体缓冲罐进口管道上的压力变送器检测到气体缓冲罐压力升至气体压缩机的选型压力时，第一排气管道上的电磁阀开启，将氢气排至室外安全处。为了防止电磁阀故障无法打开造成气体缓冲罐超压，第二排气管道上的安全阀开启，将氢气通过第二排气管道排至停车场外室外安全处。由于安全排气口处安装的节流孔板的作用，可将气体压缩机出口管道内的压力维持在压缩机可运行的范围内，压缩机不需频繁启停。当第一氢气浓度检测仪检测到的氢气浓度低于

0.4％，说明此时集气罩内的氢气已排净。此时，气体压缩机仍继续运行，直到安装在电磁阀前的第二氢气浓度检测仪检测到氢气浓度低于0.4％时，说明气体缓冲罐内的氢气已基本排放完成，不存在着火和爆炸风险，气体压缩机停止运行，氢燃料电池电动汽车泄漏的氢气排放完毕。