- 燃料電池車(chē)載氫氣安全設計
- 車(chē)載供氫系統的安全措施
- 燃料電池汽車(chē)的碰撞安全性問(wèn)題
當前能源和環(huán)境問(wèn)題日益緊張，世界上石油等傳統能源面臨枯竭的嚴重考驗。同時(shí)，由動(dòng)力機械使用傳統能源引起的環(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(wú)不與使用傳統燃料相關(guān)。因此發(fā)展為動(dòng)力機械使用的清潔可替代燃料，成為目前亟待解決的問(wèn)題。
在此背景之下開(kāi)發(fā)出了使用清潔能源氫氣作為燃料的燃料電池汽車(chē)［1］。這種新能源汽車(chē)由氫氣和氧通過(guò)燃料電池產(chǎn)生的電能提供動(dòng)力，氫氧反應這一過(guò)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(méi)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(chē)存在著(zhù)一定的安全隱患，這種新能源動(dòng)力系統的安全性成為人們首先關(guān)心的問(wèn)題。這些安全問(wèn)題包括儲氫安全、車(chē)載氫氣系統的安全、燃料電池汽車(chē)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(chē)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(chē)的儲氫安全
對燃料電池汽車(chē)來(lái)講，氫氣的存儲應當密度高、輕便、安全而且經(jīng)濟。一臺裝有 24 L 汽油可行駛 400 km 的汽車(chē)，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(chē)載氫是不現實(shí)的。目前限制燃料電池汽車(chē)推廣的最主要因素就是氫氣的儲存問(wèn)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液體氫化物儲氫等［3］。
目前大多數燃料電池汽車(chē)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70 MPa 壓力的復合材料制成［4］。同濟大學(xué)研制的燃料電池汽車(chē)超越 1 號使用的是 20 MPa、50 L 車(chē)用壓縮氫氣鋁膽復合氣瓶?jì)? 大連新源動(dòng)力研制的燃料電池轎車(chē)使用 30 MPa、40 L 車(chē)用壓縮氫氣鋁膽復合氣瓶?jì)? 北京奧運會(huì )燃料電池示范車(chē)使用 35MPa、140 L 車(chē)用壓縮氫氣瓶?jì)? 武漢理工大學(xué)的楚天 2 號中巴車(chē)使用 20 MPa、汽車(chē)用壓縮氫氣鋁膽復合氣瓶?jì)? 奔馳公司采用車(chē)頂設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(guò)了 37． 5 MPa 的高壓氫罐的相應測試以及生產(chǎn)許可，工作壓力可高達68． 9 MPa 的高壓氫罐也已經(jīng)通過(guò)了相應的實(shí)驗［5 －6］。如此高的壓力容器，如果發(fā)生撞車(chē)，后果不堪設想。因此越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注新的儲氫方式，以減少高壓儲氫的危險。
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(wú)法避免蒸發(fā)( 每天大約損失 1% ～3%) ，車(chē)輛停放時(shí)間長(cháng)時(shí)，蒸發(fā)的氫就會(huì )浪費，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)結構簡(jiǎn)單、使用安全，但是金屬的重量是個(gè)無(wú)法忽視的問(wèn)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(lái)滿(mǎn)足高儲氫密度可減小燃料電池汽車(chē)的危險性; 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(chē)長(cháng)距離行駛。文獻［8］分析了燃料電池汽車(chē)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)濟性、續駛里程、加速性能和最高車(chē)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(chē)的儲氫安全。
2 車(chē)載供氫系統的安全措施
為了保證燃料電池汽車(chē)的安全穩定運行，需要設計一套安全有效的供氫系統。在燃料電池汽車(chē)上，供氫系統一般包括電磁閥、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的輔助安全裝置，其示意圖如圖 1 所示［9］。車(chē)載供氫系統安全措施應從預防與監控兩方面著(zhù)手。從預防的角度來(lái)說(shuō)，筆者以國內研發(fā)的燃料電池中巴車(chē)為例，給出了車(chē)載供氫安全實(shí)例。
如圖 1 所示，燃料電池中巴車(chē)隨車(chē)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(lái)檢測氣罐內氣體溫度，由這些傳感器將氣罐內氣體的溫度信號發(fā)送到駕駛室儀表盤(pán)上，通過(guò)氣體溫度的變化來(lái)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?chē)赡苡谢鹁l(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(chē)輛的正常行駛，當壓力低于某值時(shí)可以提示駕駛員加注氫氣。其次，駕駛員可根據儀表盤(pán)上的壓力讀數判斷氫氣罐是否有泄漏發(fā)生。
氣罐安全閥也對供氫系統提供了安全保障，當氣罐中氫氣壓力超過(guò)設定值時(shí)，能通過(guò)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氣體壓力上升，當壓力超過(guò)安全閥設定值時(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。
氣罐電磁閥通常與手動(dòng)截止閥聯(lián)合作用，當電磁閥能正常工作時(shí)，手動(dòng)截止閥處于常開(kāi)狀態(tài)，這時(shí)電磁閥由直流電源驅動(dòng)，無(wú)電源時(shí)處于常閉狀態(tài)，主要起開(kāi)關(guān)氣瓶的作用，與氫氣泄露報警系統聯(lián)動(dòng)，當泄漏氫氣濃度達到保護值能自動(dòng)關(guān)閉，從而達到切斷氫源的目的。當氣罐電磁閥失效時(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)與加氣機的加氣槍相連，以達到加注的目的，同時(shí)加氣口應具有單向閥以及顆粒過(guò)濾功能，應與未遮蔽的電氣接頭、電氣開(kāi)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節到電池所需要的壓力。當出現危險時(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。
溢流閥在系統正常工作時(shí)，閥門(mén)關(guān)閉。只有負載超過(guò)規定的極限( 系統壓力超過(guò)調定壓力)時(shí)開(kāi)啟溢流閥，進(jìn)行過(guò)載保護，使系統壓力不再增加( 通常使溢流閥的調定壓力比系統最高工作壓力高 10% ～20%) 。
過(guò)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(chē)的碰撞安全性問(wèn)題
燃料電池汽車(chē)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汽車(chē)的安全碰撞性問(wèn)題，同時(shí)由于氫的各種內在特性，其安全性也是一項挑戰。文獻［11］針對氫燃料電池汽車(chē)的結構特點(diǎn)，提出了氫燃料電池汽車(chē)存在的碰撞安全性問(wèn)題。與氫安全相關(guān)的主要存在兩個(gè)問(wèn)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) 和較強的擴散性( 橫向移動(dòng)) 。在空氣中，氫的燃燒范圍很寬，且著(zhù)火點(diǎn)很低，氫氣火焰幾乎是看不到的，因為在可見(jiàn)光范圍內，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，從而增加了危險性。
( 2) 氫氣罐保護。高壓氫氣罐的固定支架和鋼帶應有足夠的強度，以保證在碰撞過(guò)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?。?3］基于顯式有限元理論，按照 CMVDR294 法規對國內自主開(kāi)發(fā)的某燃料電池轎車(chē)進(jìn)行正面碰撞分析，對比分析兩種氫氣罐保護系統設計方案的計算結果，提出了安全有效的氫氣罐保護方案，即氫氣罐保護系統采用整體式設計。如圖 2 所示，氫氣罐框架通過(guò) 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?？v梁截面為“Π”形，由幾塊板材拼焊而成，中部設計出兩個(gè)圓弧形凹槽，可以對氫氣罐進(jìn)行有效的固定和保護。
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(wú)毒，氫氣在開(kāi)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(chē)和汽油汽車(chē)的燃燒進(jìn)行對比試驗，將兩輛汽車(chē)分別用氫氣和汽油做燃料，然后做泄漏點(diǎn)火試驗，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(chē)的下部著(zhù)火。到 1 min 時(shí)，氫氣作燃料的汽車(chē)只有漏出的氫氣在燃燒，汽車(chē)沒(méi)有大問(wèn)題; 而汽油車(chē)則早已成為一個(gè)大火球，完全燒光。這說(shuō)明氫氣汽車(chē)比現在普遍使用的汽油車(chē)安全得多。
通過(guò)對文獻的調研和實(shí)踐經(jīng)驗對燃料電池汽車(chē)的氫安全問(wèn)題進(jìn)行了初步探討。發(fā)現氫安全的問(wèn)題在國際上已有較多的理論性研究，尤其是儲氫和車(chē)載高壓氫氣系統設計方面的研究較多，但是氫安全的實(shí)驗卻很少，且還不能實(shí)現量化。這就導致了人們對氫安全性的認識不足，氫安全也因此成為了燃料電池汽車(chē)在應用上的瓶頸之一。為了消除這個(gè)瓶頸帶來(lái)的負面影響，今后我國要加強車(chē)載氫安全研究，包括實(shí)驗研究和計算機模擬研究等，同時(shí)設計更有效的安全措施，保障燃料電池汽車(chē)的氫安全，以加速燃料電池汽車(chē)的發(fā)展。
