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氢燃料电池汽车系统安全性分析

发布时间:2020-04-28 23:54内容来源:网络整理 点击:

  我国燃料电池客车已经完成商业示范运营,各种性能指标已基本达到运营要求,开始向大规模产业化迈进。然而,一种新的能源系统要得到推广和应用,其安全性是应该首先被关注的。氢气易挥发、易燃、易爆及氢脆等特性,使得氢气在使用过程中存在一定的安全隐患。

  另外,由于对氢气使用的经验不够丰富,驾驶员在使用氢燃料电池汽车时,心理上也存在着较大的疑虑。本文对氢能安全及在燃料电池汽车上采取的安全措施进行了分析介绍,使人们对燃料电池汽车的安全性有更深入的了解和认识。

  氢能的安全性

  任何能源都有一定的安全性问题,只要在使用过程中,根据其基本特性,通过科学设计,合理使用,就会避免或者降低其危害,为人类的发展提供能量。

  氢能作为一种清洁能源,具有易燃、易爆及氢脆等安全性问题。但这些安全危害的出现都是在一定环境条件下产生的,只要在使用过程中控制必要条件,就可避免氢气的危害。例如,氢气爆炸极限是体积密度达到4.0%~75%,即氢气在空气中的体积浓度在4.0%~75%之间时,遇火源就会爆炸,而当氢气浓度小于4.0%或大于75%时,即使遇到火源,也不会爆炸。

  通常情况下,氢的密度仅为空气的7%(一个标准大气压下,0℃下,密度为0.0899g/L),与汽油、丙烷和天然气相比,具有更大的浮力(快速上升)、扩散性(横向移动)和快速挥发性。空气中很难聚集高浓度的氢,如果发生泄漏,氢气会迅速扩散,特别是在开放环境中,很容易快速逃逸,而不像汽油挥发后滞留在空气中不易疏散。美国迈阿密大学的Swain博士做过一个著名的试验,如图1-1所示。两辆汽车分别用氢气和汽油作燃料,然后进行泄漏点火试验。点火3秒后,高压氢气产生的火焰直喷上方,汽油则从汽车的下部着火;到1分钟时,用氢气作燃料的汽车只有漏出的氢气在燃烧,汽车没有大问题,而汽油车则早已成为大火球,完全烧光。所以氢气易挥发的性质,与普通汽油车相比,有利于汽车的安全。


氢气汽车和汽油车的燃烧对比试验(美国迈阿密大学Swain博士)

  综上,只要合理预防控制氢气的不利安全因素,就会避免产生安全危害。氢工业长期以来的安全运行以及氢能在航空航天等领域的广泛应用,都足以证明这一点。

  燃料电池汽车氢系统安全性

  国内外对燃料电池汽车制定了很多标准和规范,其中65%以上的内容是针对安全性的规定。燃料电池汽车的氢安全性,主要是指燃料电池汽车运行过程中车载氢系统的安全,主要包括高压供氢系统、燃料电池发电系统的安全性等。目前,为了保证车载氢系统的安全,各企业主要从材料选择、氢泄露监测、静电防护、防爆、阻燃等方面进行预防和控制。

  1、材料安全防护

  氢气与金属材料接触会产生氢脆效应,氢脆是溶于金属中的高压氢在局部浓度达到饱和后引起金属塑性下降、诱发裂纹甚至开裂的现象。氢在常温常压下并不会对钢产生明显的腐蚀,但在高温高压下,会产生氢脆,使其强度大大降低,导致失效。如果与氢接触的材料选择不当,就会导致氢泄漏和燃料管道失效。目前,高压储氢瓶选择铝合金或合成材料来避免氢脆的产生。例如,丰田Mirai储氢瓶采用高强度的混合材料,由三层结构组成,最内层材料是高强度聚合物,中层是强化碳纤维和高强度聚合物的混合材料,外层是玻璃纤维和高强度聚合物的混合材料,其他厂家也有类似的设计,例如昆腾(Quantum)和丁泰克(Dynetek)现在出售的塑料内胆和铝内胆碳纤维缠绕的高压储氢瓶具有重量轻、单位重量储氢密度高等优点,与钢制容器相比很好地解决了氢脆问题。国内的燃料电池汽车高压氢瓶主要采用铝内胆加碳纤维缠绕的Ⅲ型气瓶。

  各种燃料管道以及阀件也都采用适用于氢介质的材料,如抗氢脆的不锈钢(316L,耐压大于5000psi)、铝合金材料或聚合物,并且储瓶、管道及阀件所能承受的压力留有足够的安全余量,储氢瓶的安装及高压氢气连接管材质均应符合相关国家规范的安全要求。这些材料的使用,均可避免氢脆的发生。

  2、元器件防护

  为了防止电路中产生电火花点燃氢气而产生燃烧或爆炸事故,燃料电池汽车的电气元件、管路、阀体均采用相应的防爆、防静电、阻燃、防水、防盐雾材料。例如,燃料电池汽车的氢检测传感器均选用防爆型,而不用触点式传感器,因为触点式传感器在氢气含量达到设定值时通过触点的动作输出信号,容易产生触点火花而引发事故;为了防止继电器触点动作时产生电弧放电而点燃氢气,氢安全处理系统中所用的继电器选用防爆固态继电器;元器件的防水防尘等级为IP67,以后将逐步提高;线束材料的阻燃级别:垂直燃烧V0和水平燃烧HB级,均为最高等级要求。

  3、氢系统安全防护

  氢系统的防护措施,主要是对高压储氢瓶及氢气管路进行安全设计,安装各种安全设施。如2-1车载氢系统功能框图所示,燃料电池汽车的氢系统安全防护体系是由排空管、安全阀、手动截止阀、单向阀、泄压球阀、碰撞传感器、温度传感器、压力传感器、电磁阀、碰撞传感器等构成,并在监控系统中设定相应的防护值,一旦发生异常状况,则通过氢系统控制器将各种监控信息传递给各种安全设施,及时断开或关闭,使燃料电池汽车处于安全状态。


车载氢系统功能框图

  氢系统的安全设施主要功能如下:

  气瓶安全阀:当储氢瓶氢气压力超过设定值后能自动泄压。例如在瓶体温度由于某种原因突然升高造成瓶内气体压力升高,当压力超过安全阀设定值时,安全阀自动泄压,保证气瓶在安全的工作压力范围之内。

  温度传感器:通过气体温度的变化判断外界是否有异常情况发生。如果气体温度突然急剧上升时,若非温度传感器故障,则在气瓶周围可能有火警发生,可通过氢系统控制器立即报警。

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