تحليل سلامة الهيدروجين لمركبات خلايا الوقود

تحليل سلامة الهيدروجين للمركبات التي تعمل بخلايا الوقود

تعتبر الطاقة الهيدروجينية، باعتبارها طاقة جديدة نظيفة وفعالة وآمنة ومستدامة، أنظف طاقة تتمتع بأكبر إمكانات التنمية في القرن الحادي والعشرين وهي الاتجاه الاستراتيجي لتنمية الطاقة.

1. هل الهيدروجين آمن؟

أداء السلامة لا يقل عن أداء الوقود الشائع ويمكن أن يلبي متطلبات التطبيق.

يتم تحليل خصائص الهيدروجين على النحو التالي.

معدل تسرب الهيدروجين أسرع من الوقود الشائع، لكن إجمالي طاقة التسرب ليس مرتفعًا.

يتمتع الهيدروجين بمعامل انتشار وطفو عالي، ويمكن تقليل تركيزه بسرعة عند التسرب.

نطاق الانفجار للهيدروجين واسع، لكن طاقة الانفجار منخفضة جدًا ولا ينتج عنها دخان كثيف وضباب.

يمكن أن يسبب التقصف الهيدروجيني شقوق التقصف المعدنية، والتي يمكن تجنبها عن طريق اختيار المواد المناسبة للحماية.

2. هل تخزين ونقل الهيدروجين آمن؟

يتم نقلها بشكل أساسي بواسطة مقطورات غاز الهيدروجين، مع تدابير أمان مثالية بدءًا من التعبئة وحتى التخزين والنقل.

الطرق الرئيسية لنقل الهيدروجين هي: نقل غاز الهيدروجين بمقطورة (مقطورة أنبوبية)، نقل غاز الهيدروجين عبر أنابيب (خط الأنابيب) ونقل الهيدروجين السائل بناقلة (شاحنة سائلة). من الطلب الحالي لمحطات الهيدروجين لمسافة النقل (<500 كم، 200 كم مناسب) ونطاق النقل (10 طن/يوم)، أفضل طريقة لنقل الهيدروجين هي مقطورة غاز الهيدروجين.

عملية تشغيل نظام مقطورة غاز الهيدروجين هي كما يلي:

يتم تعبئة مقطورة الهيدروجين الغازية الفارغة بالهيدروجين في محطة إنتاج الهيدروجين المركزية حتى يتم تحميلها بالكامل، ومن ثم تسير المركبة إلى محطة الهيدروجين، وتقوم مباشرة بتفريغ حاوية التخزين الأنبوبية الموجودة على السيارة كمعدات تخزين لمحطة الهيدروجين، و تلتقط الحاوية الأنبوبية "الفارغة" الموجودة أصلاً في محطة الهيدروجين وتنقلها مرة أخرى إلى مصنع الإنتاج المركزي لبدء جولة جديدة من التحميل.

طريقة تعبئة الهيدروجين
من أجل ضغط 7 كيلو باسكال من الهيدروجين في درجة حرارة الغرفة إلى 35 ميجا باسكال أو حتى أعلى في خطوات متعددة لملء مركبات الهيدروجين ذات الأنابيب الطويلة، فإن عملية ملء الهيدروجين بأكملها معقدة للغاية، بما في ذلك الضواغط وأنظمة التعليب والوصلات الأخرى التي لها تدابير أمان مقابلة.

3. هل خلية الوقود المركبات آمنة؟
التصميم كامل ويوفر الحماية الشاملة، والتشغيل الفعلي آمن وفعال.

3.1

نظام إمداد الهيدروجين على متن الطائرة: يعمل التصميم والمواد معًا لتحقيق ضمانات متعددة لسلامة الهيدروجين

يعد نظام إمداد الهيدروجين الموجود على متن الطائرة جزءًا مهمًا من مركبات خلايا الوقود. وتتمثل وظيفتها الرئيسية في توفير الهيدروجين بضغط مستقر لنظام خلايا الوقود، وتعتمد تدابير السلامة الخاصة به بشكل أساسي على الوقاية والمراقبة.

من منظور التصميم الفني: يتكون نظام إمداد الهيدروجين الموجود على متن الطائرة بشكل أساسي من زجاجات تخزين الهيدروجين عالية الضغط، ومنافذ التعبئة، والصمامات أحادية الاتجاه، وصمامات الأمان، وصمامات الفائض، وصمامات تقليل الضغط، وصمامات الملف اللولبي، والخثرة الحرارية، والضغط. وأجهزة استشعار درجة الحرارة، وأنابيب الهيدروجين. إنه لا يحتوي فقط على وظائف مثل الحماية من درجة الحرارة الزائدة، وإنذار الضغط المنخفض، والحماية من الضغط الزائد، والحماية من التيار الزائد، ولكنه يأخذ أيضًا في الاعتبار السلامة من الاصطدام والتحكم في تسرب الهيدروجين.

من منظور تصنيع المكونات: تتمتع زجاجات الهيدروجين وخطوط أنابيب النظام المستخدمة لتخزين الهيدروجين بمتطلبات عالية بسبب تقصف الهيدروجين وأسباب أخرى. يعد اختيار المواد والهياكل الواقية المناسبة أمرًا بالغ الأهمية لسلامة نظام تخزين الهيدروجين.
مادة زجاجة تخزين الهيدروجين: بطانة من سبائك الألومنيوم من ألياف الكربون زجاجة تخزين هيدروجين عالية الضغط، خفيفة الوزن، كثافة تخزين عالية للهيدروجين، صلابة ممتازة ومقاومة للصدمات؛

حماية خزان الهيدروجين: يعتمد تصميمًا متكاملاً، حيث يدمج الإطار بأكمله خزان الهيدروجين في مجموعة الإطار من خلال 3 عوارض متقاطعة و2 عوارض طولية لضمان أن الإزاحة الديناميكية لزجاجة تخزين الهيدروجين عالية الضغط لن تكون كبيرة جدًا أثناء الاصطدام لتجنب الكسر.
خط أنابيب نظام الهيدروجين: معظم خطوط أنابيب الهيدروجين مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ 316، الذي يتميز بخصائص الشد المتميزة، وخصائص التعب وخصائص تمديد الشقوق القديمة في الهيدروجين، ومقاومة جيدة لتقصف الهيدروجين؛

تصميم أنبوب الغاز: يكون اتجاه تفريغ الهيدروجين من أنبوب الغاز على طول الاتجاه الأمامي والخلفي لأسفل السيارة، مما يمكن أن يحمي المقصورة من التأثر باللهب.

3.2 مركبة تعمل بخلايا الوقود: مع اختبارات أداء صارمة ونظام مراقبة دقيق للهيدروجين
يمكن لاختبارات السلامة المتنوعة أن تضمن سلامة واتساق مركبات خلايا الوقود عند خروجها من المصنع: بالإضافة إلى ضمان سلامة نظام الهيدروجين الموجود على متن السيارة، يتم تطبيق اختبارات السلامة ذات الصلة في تطوير أنظمة طاقة مركبات خلايا الوقود. يجب أن تخضع مركبات خلايا الوقود لاختبارات سلامة متعددة قبل مغادرة المصنع.

4. هل لا تزال السيارة آمنة في مواجهة الحوادث والمواقف القاسية؟

ليس من السهل أن تنفجر زجاجات تخزين الهيدروجين عندما تخترقها النار، ومن غير المرجح أن يتسبب تسرب الهيدروجين في مكان ضيق في حدوث انفجار.

سلامة الهيدروجين
هناك العديد من الاختبارات العملية حول سلامة زجاجات تخزين الهيدروجين في ظل ظروف مختلفة. إن سلامة الطاقة الهيدروجينية مضمونة للغاية في ظل تكنولوجيا تخزين واستخدام الهيدروجين.

5. هل البنية التحتية للتزود بالوقود الهيدروجيني آمنة؟
هناك مواصفات فنية ذات صلة لتوجيه وتسريع تحسين نظام معايير الصناعة.

تعد محطات التزود بالوقود الهيدروجيني جزءًا مهمًا من بناء شبكة مركبات خلايا الوقود المستقبلية.

تصميم السلامة محطات التزود بالوقود الهيدروجيني يحتاج إلى وضع المواصفات الفنية المقابلة بناءً على تكوين المعدات وطريقة التزود بالوقود الهيدروجيني لمحطة التزود بالوقود الهيدروجيني نفسها. قامت أكثر من 10 دول في العالم بصياغة لوائح خاصة بمحطات التزود بالوقود الهيدروجيني، بما في ذلك اليابان والولايات المتحدة والمملكة المتحدة. أصدرت بلدي أيضًا "المواصفات الفنية لمحطات التزود بالوقود الهيدروجيني" (GB50516-2010) في عام 2010. وتشير المعايير والمتطلبات الواردة فيها بشكل أساسي إلى معايير محطات إنتاج الهيدروجين، جنبًا إلى جنب مع "كود الحماية من الحرائق لتصميم المباني" الأصلي، والذي تم دمجه معًا توجيه بناء محطات التزود بالوقود الهيدروجيني المحلي.
سلامة جهاز تعبئة الهيدروجين: يتم قفل مسدس التعبئة بواسطة الآلية الكهرومغناطيسية بعد توصيله بمنفذ تعبئة الغاز في السيارة، وسلامته مماثلة لسلامة موصل الشحن في السيارة الكهربائية. يمكن لصمام الملف اللولبي لخط الأنابيب أن يمنع الغاز بشكل فعال من دخول البطارية عند ملء أسطوانة الغاز.
بشكل عام: بسبب الانتشار السريع للهيدروجين، حتى لو حدث تسرب، فإنه سينتشر بشكل عامودي ولن ينتشر إلى المناطق المحيطة. وفي حالة اشتعال وانفجار سحابة غاز قابلة للاشتعال، طالما أن تخطيط المرافق في المحطة يتوافق مع لوائح مسافة الأمان وتم إعداد الجدار المقاوم للانفجار بشكل معقول، فيمكن ضمان النطاق والتأثير من الحادث ضمن نطاق محدود، مما يشير إلى أن المواصفات الإنشائية لمحطة تعبئة الهيدروجين معقولة وفعالة، ويمكن أن تضمن سلامتها الشاملة.