- 燃料電池車載氫氣安全設(shè)計(jì)
- 車載供氫系統(tǒng)的安全措施
- 燃料電池汽車的碰撞安全性問題
當(dāng)前能源和環(huán)境問題日益緊張，世界上石油等傳統(tǒng)能源面臨枯竭的嚴(yán)重考驗(yàn)。同時(shí)，由動(dòng)力機(jī)械使用傳統(tǒng)能源引起的環(huán)境污染日益威脅到人們的生活，溫室氣體的排放、酸雨的形成無不與使用傳統(tǒng)燃料相關(guān)。因此發(fā)展為動(dòng)力機(jī)械使用的清潔可替代燃料，成為目前亟待解決的問題。
在此背景之下開發(fā)出了使用清潔能源氫氣作為燃料的燃料電池汽車［1］。這種新能源汽車由氫氣和氧通過燃料電池產(chǎn)生的電能提供動(dòng)力，氫氧反應(yīng)這一過程不僅有極高的能量利用效率，而且排放物只有水，對(duì)環(huán)境沒有任何污染［2］。但是，氫氣本身的特性如泄漏性、爆炸性和氫脆等，使得燃料電池汽車存在著一定的安全隱患，這種新能源動(dòng)力系統(tǒng)的安全性成為人們首先關(guān)心的問題。這些安全問題包括儲(chǔ)氫安全、車載氫氣系統(tǒng)的安全、燃料電池汽車發(fā)生碰撞以及發(fā)生氫氣泄露時(shí)的安全等。因此，為了燃料電池汽車的推廣使用，有必要對(duì)其安全性進(jìn)行深入研究。
1 燃料電池汽車的儲(chǔ)氫安全
對(duì)燃料電池汽車來講，氫氣的存儲(chǔ)應(yīng)當(dāng)密度高、輕便、安全而且經(jīng)濟(jì)。一臺(tái)裝有 24 L 汽油可行駛 400 km 的汽車，行駛同樣的距離，靠燃燒方式需消耗 8 kg 氫，靠電池供能則僅需 4 kg 氫。4kg 的氫氣在室溫和一個(gè)大氣壓下體積為 45 000L，這對(duì)汽車載氫是不現(xiàn)實(shí)的。目前限制燃料電池汽車推廣的最主要因素就是氫氣的儲(chǔ)存問題。目前比較常用的儲(chǔ)氫技術(shù)有高壓壓縮儲(chǔ)氫、深冷液化儲(chǔ)氫、金屬氫化物儲(chǔ)氫、碳納米管吸附儲(chǔ)氫及有機(jī)液體氫化物儲(chǔ)氫等［3］。
目前大多數(shù)燃料電池汽車都采用高壓壓縮儲(chǔ)氫方法，但是要攜帶足夠行駛 400 ～500 km 的高壓氣態(tài)氫，容器必須由能經(jīng)受住高達(dá)70 MPa 壓力的復(fù)合材料制成［4］。同濟(jì)大學(xué)研制的燃料電池汽車超越 1 號(hào)使用的是 20 MPa、50 L 車用壓縮氫氣鋁膽復(fù)合氣瓶?jī)?chǔ)氫; 大連新源動(dòng)力研制的燃料電池轎車使用 30 MPa、40 L 車用壓縮氫氣鋁膽復(fù)合氣瓶?jī)?chǔ)氫; 北京奧運(yùn)會(huì)燃料電池示范車使用 35MPa、140 L 車用壓縮氫氣瓶?jī)?chǔ)氫; 武漢理工大學(xué)的楚天 2 號(hào)中巴車使用 20 MPa、汽車用壓縮氫氣鋁膽復(fù)合氣瓶?jī)?chǔ)氫; 奔馳公司采用車頂設(shè)置高壓儲(chǔ)氫容器儲(chǔ)氫。目前德國(guó)、美國(guó)和加拿大等國(guó)已經(jīng)通過了 37． 5 MPa 的高壓氫罐的相應(yīng)測(cè)試以及生產(chǎn)許可，工作壓力可高達(dá)68． 9 MPa 的高壓氫罐也已經(jīng)通過了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)［5 －6］。如此高的壓力容器，如果發(fā)生撞車，后果不堪設(shè)想。因此越來越多的人開始關(guān)注新的儲(chǔ)氫方式，以減少高壓儲(chǔ)氫的危險(xiǎn)。
液態(tài)氫存儲(chǔ)具有較高的能量質(zhì)量比，約為氣態(tài)時(shí)的 3 倍，但液態(tài)氫將氣態(tài)氫冷卻到 － 235 ℃才能得到，耗損太大。另外，液態(tài)氫難以存儲(chǔ)，無法避免蒸發(fā)( 每天大約損失 1% ～3%) ，車輛停放時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，蒸發(fā)的氫就會(huì)浪費(fèi)，因此液態(tài)氫存儲(chǔ)要求具有良好的絕熱措施。德國(guó)戴姆勒 － 克萊斯勒公司研發(fā)的 NECAR 系列和美國(guó)通用公司的“氫動(dòng)一號(hào)”都是以液態(tài)氫為燃料［7］。
金屬氫化物儲(chǔ)氫是指在 3 ～ 6 MPa 下讓氫與金屬結(jié)合形成合金，在需要的時(shí)候加熱使氫化物分解脫氫而得到氫氣。這一技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用安全，但是金屬的重量是個(gè)無法忽視的問題，與攜帶的氫相比，金屬的重量太大。
選擇儲(chǔ)氫材料代替高壓儲(chǔ)氫來滿足高儲(chǔ)氫密度可減小燃料電池汽車的危險(xiǎn)性; 采用氨硼烷儲(chǔ)氫可保證在燃料電池操作溫度下釋放大量氫氣以供燃料電池汽車長(zhǎng)距離行駛。文獻(xiàn)［8］分析了燃料電池汽車采用液氫、高壓氣氫和金屬氫化物儲(chǔ)氫 3 種不同儲(chǔ)氫方案的安全性和實(shí)用性，結(jié)果表明液氫方案的加注站安全性、泄漏安全性和易操作性方面優(yōu)于氣氫方案，并且在有效載荷與空間、燃料經(jīng)濟(jì)性、續(xù)駛里程、加速性能和最高車速等實(shí)用性方面也好于氣氫方案。
雖然人們?cè)趦?chǔ)氫材料的選擇方面做了很多研究，但是這些儲(chǔ)氫材料的儲(chǔ)氫效率目前還明顯低于高壓儲(chǔ)氫，因此有必要在儲(chǔ)氫方式的選擇上做進(jìn)一步研究，以提高燃料電池汽車的儲(chǔ)氫安全。
2 車載供氫系統(tǒng)的安全措施
為了保證燃料電池汽車的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要設(shè)計(jì)一套安全有效的供氫系統(tǒng)。在燃料電池汽車上，供氫系統(tǒng)一般包括電磁閥、安全閥、溢流閥、熱熔栓、手動(dòng)截止閥、溫度傳感器和壓力傳感器等在內(nèi)的輔助安全裝置，其示意圖如圖 1 所示［9］。車載供氫系統(tǒng)安全措施應(yīng)從預(yù)防與監(jiān)控兩方面著手。從預(yù)防的角度來說，筆者以國(guó)內(nèi)研發(fā)的燃料電池中巴車為例，給出了車載供氫安全實(shí)例。
如圖 1 所示，燃料電池中巴車隨車攜帶 6 個(gè)高壓氫氣罐，在這些氫氣罐上安裝溫度傳感器用來檢測(cè)氣罐內(nèi)氣體溫度，由這些傳感器將氣罐內(nèi)氣體的溫度信號(hào)發(fā)送到駕駛室儀表盤上，通過氣體溫度的變化來判斷外界是否有異常情況發(fā)生。例如氣體溫度突然急劇上升，如排除溫度傳感器故障之外，則在氫氣罐周圍可能有火警發(fā)生。
壓力傳感器主要用于判斷氣罐中剩余氫氣量，以保證車輛的正常行駛，當(dāng)壓力低于某值時(shí)可以提示駕駛員加注氫氣。其次，駕駛員可根據(jù)儀表盤上的壓力讀數(shù)判斷氫氣罐是否有泄漏發(fā)生。
氣罐安全閥也對(duì)供氫系統(tǒng)提供了安全保障，當(dāng)氣罐中氫氣壓力超過設(shè)定值時(shí)，能通過氣罐安全閥自動(dòng)泄壓，例如瓶體溫度由于某種原因突然升高造成氣罐內(nèi)氣體壓力上升，當(dāng)壓力超過安全閥設(shè)定值時(shí)，安全閥自動(dòng)泄壓，保證氣罐在安全的工作壓力范圍之內(nèi)。
氣罐電磁閥通常與手動(dòng)截止閥聯(lián)合作用，當(dāng)電磁閥能正常工作時(shí)，手動(dòng)截止閥處于常開狀態(tài)，這時(shí)電磁閥由直流電源驅(qū)動(dòng)，無電源時(shí)處于常閉狀態(tài)，主要起開關(guān)氣瓶的作用，與氫氣泄露報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，當(dāng)泄漏氫氣濃度達(dá)到保護(hù)值能自動(dòng)關(guān)閉，從而達(dá)到切斷氫源的目的。當(dāng)氣罐電磁閥失效時(shí)利用手動(dòng)截止閥切斷氫源，有效避免氫氣泄漏。
加氣口在加注時(shí)與加氣機(jī)的加氣槍相連，以達(dá)到加注的目的，同時(shí)加氣口應(yīng)具有單向閥以及顆粒過濾功能，應(yīng)與未遮蔽的電氣接頭、電氣開關(guān)和其他點(diǎn)火源保持至少 200 mm 的距離［10］。
單向閥在加氣口或供氫管路出現(xiàn)損壞情況下防止氣體向外泄漏并提高加氣口的使用壽命。
管路電磁閥在給氣罐充氣時(shí)，可有效防止氣體進(jìn)入電池。
減壓閥可以將氫氣的壓力調(diào)節(jié)到電池所需要的壓力。當(dāng)出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)針閥可以將氫氣瓶中的殘余氫氣安全放空。
由于供氫管路內(nèi)氫氣高壓流動(dòng)，因此管路的材質(zhì)選用不銹鋼，耐壓要大于 35 MPa。
溢流閥在系統(tǒng)正常工作時(shí)，閥門關(guān)閉。只有負(fù)載超過規(guī)定的極限( 系統(tǒng)壓力超過調(diào)定壓力)時(shí)開啟溢流閥，進(jìn)行過載保護(hù)，使系統(tǒng)壓力不再增加( 通常使溢流閥的調(diào)定壓力比系統(tǒng)最高工作壓力高 10% ～20%) 。
過濾閥可防止管路中的雜質(zhì)進(jìn)入燃料電池，以免損壞電池。
3 燃料電池汽車的碰撞安全性問題
燃料電池汽車存在高壓氣體容器和高電壓電池，因此它也存在不同于傳統(tǒng)汽車的安全碰撞性問題，同時(shí)由于氫的各種內(nèi)在特性，其安全性也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)［11］針對(duì)氫燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了氫燃料電池汽車存在的碰撞安全性問題。與氫安全相關(guān)的主要存在兩個(gè)問題:
( 1) 泄漏性。氫是最輕的元素，比液體燃料和其他氣體燃料更容易從小孔中泄漏。如果發(fā)生泄漏，氫氣就會(huì)迅速擴(kuò)散。與汽油、丙烷、天然氣相比，氫氣具有較大的浮力( 快速上升) 和較強(qiáng)的擴(kuò)散性( 橫向移動(dòng)) 。在空氣中，氫的燃燒范圍很寬，且著火點(diǎn)很低，氫氣火焰幾乎是看不到的，因?yàn)樵诳梢姽夥秶鷥?nèi)，燃燒的氫放出的能量很少［12］。因此接近氫氣火焰的人可能不知道火焰的存在，從而增加了危險(xiǎn)性。
( 2) 氫氣罐保護(hù)。高壓氫氣罐的固定支架和鋼帶應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，以保證在碰撞過程中，高壓氫氣罐的動(dòng)態(tài)位移不會(huì)太大，避免造成連接管路的斷裂、變形和氫氣的大量泄漏。何健［13］基于顯式有限元理論，按照 CMVDR294 法規(guī)對(duì)國(guó)內(nèi)自主開發(fā)的某燃料電池轎車進(jìn)行正面碰撞分析，對(duì)比分析兩種氫氣罐保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的計(jì)算結(jié)果，提出了安全有效的氫氣罐保護(hù)方案，即氫氣罐保護(hù)系統(tǒng)采用整體式設(shè)計(jì)。如圖 2 所示，氫氣罐框架通過 3 根橫梁和 2 根縱梁將兩個(gè)氫氣罐集成到一個(gè)框架總成。縱梁截面為“Π”形，由幾塊板材拼焊而成，中部設(shè)計(jì)出兩個(gè)圓弧形凹槽，可以對(duì)氫氣罐進(jìn)行有效的固定和保護(hù)。
任何燃料的安全性都與其本身的性質(zhì)密切相關(guān)。氫的特殊性質(zhì)使得氫的安全性有不少特點(diǎn)。然而與其他燃料相比，氫氣是一種安全性比較高的氣體。例如氫氣無毒，氫氣在開放的大氣中，很容易快速逃逸，而不像汽油揮發(fā)后，滯留在空間中不易疏散［14］。
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邁阿密大學(xué)的 MICHAEL［15］分別對(duì)燃料電池汽車和汽油汽車的燃燒進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，將兩輛汽車分別用氫氣和汽油做燃料，然后做泄漏點(diǎn)火試驗(yàn)，如圖 3 所示。點(diǎn)火 3 s 后，高壓氫氣產(chǎn)生的火焰直噴上方，而汽油由于比空氣重，則從汽車的下部著火。到 1 min 時(shí)，氫氣作燃料的汽車只有漏出的氫氣在燃燒，汽車沒有大問題; 而汽油車則早已成為一個(gè)大火球，完全燒光。這說明氫氣汽車比現(xiàn)在普遍使用的汽油車安全得多。
通過對(duì)文獻(xiàn)的調(diào)研和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)燃料電池汽車的氫安全問題進(jìn)行了初步探討。發(fā)現(xiàn)氫安全的問題在國(guó)際上已有較多的理論性研究，尤其是儲(chǔ)氫和車載高壓氫氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的研究較多，但是氫安全的實(shí)驗(yàn)卻很少，且還不能實(shí)現(xiàn)量化。這就導(dǎo)致了人們對(duì)氫安全性的認(rèn)識(shí)不足，氫安全也因此成為了燃料電池汽車在應(yīng)用上的瓶頸之一。為了消除這個(gè)瓶頸帶來的負(fù)面影響，今后我國(guó)要加強(qiáng)車載氫安全研究，包括實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算機(jī)模擬研究等，同時(shí)設(shè)計(jì)更有效的安全措施，保障燃料電池汽車的氫安全，以加速燃料電池汽車的發(fā)展。
