- 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，有必要對其安全性進(jìn)行深入研究。
1 燃料電池汽車的儲氫安全
對燃料電池汽車來講，氫氣的存儲應(yīng)當(dāng)密度高、輕便、安全而且經(jīng)濟(jì)。一臺裝有 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存問題。目前比較常用的儲氫技術(shù)有高壓壓縮儲氫、深冷液化儲氫、金屬氫化物儲氫、碳納米管吸附儲氫及有機(jī)液體氫化物儲氫等［3］。
目前大多數(shù)燃料電池汽車都采用高壓壓縮儲氫方法，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 號使用的是 20 MPa、50 L 車用壓縮氫氣鋁膽復(fù)合氣瓶儲氫; 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)合氣瓶儲氫; 北京奧運(yùn)會燃料電池示范車使用 35MPa、140 L 車用壓縮氫氣瓶儲氫; 武漢理工大學(xué)的楚天 2 號中巴車使用 20 MPa、汽車用壓縮氫氣鋁膽復(fù)合氣瓶儲氫; 奔馳公司采用車頂設(shè)置高壓儲氫容器儲氫。目前德國、美國和加拿大等國已經(jīng)通過了 37． 5 MPa 的高壓氫罐的相應(yīng)測試以及生產(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)注新的儲氫方式，以減少高壓儲氫的危險(xiǎn)。
液態(tài)氫存儲具有較高的能量質(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，無法避免蒸發(fā)( 每天大約損失 1% ～3%) ，車輛停放時(shí)間長時(shí)，蒸發(fā)的氫就會浪費(fèi)，因此液態(tài)氫存儲要求具有良好的絕熱措施。德國戴姆勒 － 克萊斯勒公司研發(fā)的 NECAR 系列和美國通用公司的“氫動(dòng)一號”都是以液態(tài)氫為燃料［7］。
金屬氫化物儲氫是指在 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。
選擇儲氫材料代替高壓儲氫來滿足高儲氫密度可減小燃料電池汽車的危險(xiǎn)性; 采用氨硼烷儲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氫 3 種不同儲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。
雖然人們在儲氫材料的選擇方面做了很多研究，但是這些儲氫材料的儲氫效率目前還明顯低于高壓儲氫，因此有必要在儲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)位移不會太大，避免造成連接管路的斷裂、變形和氫氣的大量泄漏。何?。?3］基于顯式有限元理論，按照 CMVDR294 法規(guī)對國內(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］分別對燃料電池汽車和汽油汽車的燃燒進(jìn)行對比試驗(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。
通過對文獻(xiàn)的調(diào)研和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對燃料電池汽車的氫安全問題進(jìn)行了初步探討。發(fā)現(xiàn)氫安全的問題在國際上已有較多的理論性研究，尤其是儲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)致了人們對氫安全性的認(rèn)識不足，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。
