氢燃料电池高压储供氢系统船上适应性研究.pdf
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1、 doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2023.04.008 氢燃料电池高压储供氢系统船上适应性研究 付树木,李 俊,袁正艳,杨万宇(中国船级社武汉分社,湖北 武汉 430000)摘要:本文介绍了船用氢燃料电池高压储供氢系统适用性的规范标准依据;结合“三峡氢舟 1”涉氢工艺流程,从氢气储存方式,储供氢管系的选材、焊接工艺、焊接方式、无损探伤、双壁管安装、管系的液压及气密试验分析了其适用性,为氢燃料电池船的推广应用提供实用样例。关键词:高压储供氢系统;储供氢管系;适应性 中图分类号:U664.1 文献标识码:A 文章编号:1673-6478(2023)04-0030-04
2、Research on the Adaptability of Hydrogen Fuel Cell High-pressure Hydrogen Storage and Supply System on Board FU Shumu,LI Jun,YUAN Zhengyan,YANG Wanyu(Wuhan Branch of China Classification Society,Wuhan Hubei 430000,China)Abstract:This paper introduces the standard basis for the applicability of marin
3、e Hydrogen fuel cell high-pressure hydrogen storage and supply system.Combined with the hydrogen related process flow of San Xia Qing Zhou 1,its applicability is analyzed from the aspects of hydrogen storage mode,material selection of hydrogen storage and supply pipeline system,welding process,weldi
4、ng mode,nondestructive testing,double wall pipe installation,hydraulic pressure and air tightness test of pipeline system,providing practical examples for the promotion and application of Hydrogen fuel cell ship.Key words:high-pressure hydrogen storage and supply system;hydrogen storage and supply p
5、ipe system;adaptability 0 引言 随着国家“双碳”目标的推进,越来越多的清洁能源被应用到船舶上来,其中清洁性佳、热值高、可再生、零污染的氢能源成了首选目标,氢燃料动力也是目前全球公认的清洁能源动力终极解决方案,随着储氢技术的发展,氢燃料动力也将成为低碳、零碳船舶动力的重要发展方向1。氢燃料动力装置中燃料电池具有效率高、功率密度高、舒适性好等优势2。储氢供氢的船上适应性成了氢燃料电池船一个不可规避的问题。本研究以正在建造的氢燃料电池动力船“三峡氢舟 1”为例,就高压储供氢系统在船上的适应 收稿日期:2023-05-29 作者简介:付树木(1982-),男,山东滨州人,高级
6、工程师,从事船舶建造检验工作.()性问题展开讨论。1 适用性标准 目前氢燃料电池发电装置在船上应用仍处于起步阶段,相对于比较成熟的陆用标准3-5,船用标准正在不断完善中。中国船级社从 2017 年起发布了相关标准6-7,中国海事局 2022 年 3 月 7 日正式颁布了 氢燃料电池动力船舶技术与检验暂行规则8,各大船级社近几年也发布了多项相关规则规范9-11,IMO 在2022 年 6 月发布了海安会 MSC.1/Circ.1647 通函应用燃料电池发电装置船舶安全暂行指南,目前,标准、法规、规范正在不断积累完善。氢燃料电池发电第 4 期 付树木等,氢燃料电池高压储供氢系统船上适应性研究 31
7、 装置在船舶的应用上,也可以借鉴已成熟的陆上标准,但由于陆上环境和船上环境有很大区别,应针对船上应用场景进行优化,使其适应船上使用要求。从已发布的国内国际标准、规则、规范来看,对氢燃料电池的储供氢系统的相关要求已经基本满足船上适应性的要求。2 储供氢系统材料选用 氢气黏性低,渗透性较高,与氢接触的所有组件使用的材料应具有抗氢脆性。研究表明,奥氏体不锈钢材料的镍含量大于 12%时,其微观组织为稳定的奥氏体组织,抗氢脆性好且稳定,故选用该类材料用于储供氢系统材料在国内外已有很好应用12。对奥氏体不锈钢材料的镍含量的分析表明,镍含量的高低对抗氢脆性有很大的影响,其中极低镍含量的铁素体合金会显著变脆,
8、而镍含量高于 40%时抗氢脆性能也会逐渐降低,选择镍含量为 10%30%的奥氏体合金等耐氢材料即可避免氢脆13,如图 1 所示。目前,我国主要采用的不锈钢管国家标准和行业标准有 40 项左右,现行不锈钢管标准各有不同,具体对比情况见表 1。高压氢气不锈钢无缝管长期工作在高压、高纯氢气环境中,对材料的氢气相容性等使用特性有很高要求。图 1 奥氏体不锈钢氢相容图 Fig.1 Hydrogen compatibility diagram of austenitic stainless steel 表 1 各种标准对比表 Tab.1 Compartable of various standards 规
9、范标准名称 设计压力 金属材料 Ni 含量 Ni 当量 其他化学成分 力学性能 GB/T 208782007 不锈钢和耐热钢牌号及化学成分 无要求 S31603 和 S31608 10%14%无要求 有要求 无要求 GB/T 149762012 流体输送用不锈钢无缝钢管 无要求 S31603 和 S31608 10%14%无要求 与GB/T 20878有差异 有要求 GB/T 402972021 高压加氢装置用奥氏体不锈钢无缝钢管 无要求 S31603 和 S31608 10%14%无要求 与GB/T 20878有差异 有要求 GB 505162021加氢站技术规范 无要求 S31603 12
10、%28.5%无要求 符合 GB/T 14976 T/SSTA 2022022 加氢站高压管路用不锈钢无缝管 138MPa S31603 12.5%28.5%与GB/T 20878有差异 有要求 GB/T 297292022 氢系统安全的基本要求 41MPa S31603、S31608 等 无要求 无要求 无要求 无要求 41MPa S31603、S31608 12%14%28.5%与GB/T 20878有差异 有要求 GB 50177氢气站设计标准征求意见稿 20MPa S31603 12%28.5%无要求 无要求 CCS 材料与焊接规范 2022 无要求 S31603、S31608 10%1
11、4%无要求 与GB/T 20878相同 有要求 CCS船舶应用燃料电池发电装置指南2022 20MPa S31603、S31608 符合 CCS材料与焊接规范 符合 CCS 材料与焊接规范 符合 CCS材料与焊接规范 符合 CCS材料与焊接规范 从表 1 可以看出,氢环境常用金属材料 S31603和 S31608,镍含量大致相同。CCS 指南要求设计压力 20MPa 的管道采用 S31603、S31608 不锈钢,镍含量为 10%14%,故船用高压储供氢系统管材可选用S31603、S31608 不锈钢。“三峡氢舟 1”船上氢燃料用管采用的是美标 TP316L,查询 不锈钢和耐热钢牌号及化学成分
12、(GB/T 208782007)附录 B 表 B.1,美标 TP316L 与国标 S31603 等效,因此本船使用美标TP316L不锈钢管满足国标GB/T 297292022和CCS指南要求。3 氢气储存 氢气黏性低,渗透性较高,易从焊缝、法兰、密封圈等处泄漏,因此氢气的储存尤为关键,常用的氢气储存方式见表 2。压缩氢气的储氢方式具有成本低、充放效率高、对环境污染较小等优点,但是由于容器的空间限制,压缩方式储氢量有限。为了提高船舶续航里程,需要提高船舶氢燃料的携带量,在有限的压缩容器内要提高储氢量往往需要控制压力在 35MPa 或以上,而过32 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 高的储
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