燃料電池汽車(chē)車(chē)載氫氣安全研究

王 琦，羅馬吉，羅 仲

(武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

當(dāng)前能源和環(huán)境問(wèn)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(wú)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(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(yīng)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(duì)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(wèn)題。這些安全問(wèn)題包括儲(chǔ)氫安全、車(chē)載氫氣系統(tǒng)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(duì)其安全性進(jìn)行深入研究。

1 燃料電池汽車(chē)的儲(chǔ)氫安全

對(duì)燃料電池汽車(chē)來(lái)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(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。4 kg的氫氣在室溫和一個(gè)大氣壓下體積為45 000 L，這對(duì)汽車(chē)載氫是不現(xiàn)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(chǔ)存問(wèn)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(chē)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(chē)超越1號(hào)使用的是20 MPa、50 L車(chē)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(chē)使用30 MPa、40 L車(chē)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(chē)使用35 MPa、140 L車(chē)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(chē)使用20 MPa、汽車(chē)用壓縮氫氣鋁膽復(fù)合氣瓶?jī)?chǔ)氫;奔馳公司采用車(chē)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(guò)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(guò)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(chē)，后果不堪設(shè)想。因此越來(lái)越多的人開(kāi)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(wú)法避免蒸發(fā)(每天大約損失1% ～3%)，車(chē)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(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(chǔ)氫材料代替高壓儲(chǔ)氫來(lái)滿(mǎn)足高儲(chǔ)氫密度可減小燃料電池汽車(chē)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(chē)長(zhǎng)距離行駛。文獻(xiàn)［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(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(chē)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(chē)的儲(chǔ)氫安全。

2 車(chē)載供氫系統(tǒng)的安全措施

為了保證燃料電池汽車(chē)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(chē)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(chē)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(lái)說(shuō)，筆者以國(guó)內(nèi)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(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(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(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(pán)上的壓力讀數(shù)判斷氫氣罐是否有泄漏發(fā)生。

圖1 車(chē)載供氫系統(tǒng)示意圖

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(guò)設(shè)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(nèi)氣體壓力上升，當(dāng)壓力超過(guò)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(kāi)狀態(tài)，這時(shí)電磁閥由直流電源驅(qū)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(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(guò)濾功能，應(yīng)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(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(mén)關(guān)閉。只有負(fù)載超過(guò)規(guī)定的極限(系統(tǒng)壓力超過(guò)調(diào)定壓力)時(shí)開(kāi)啟溢流閥，進(jìn)行過(guò)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(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(tǒng)汽車(chē)的安全碰撞性問(wèn)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(chē)的結(jié)構(gòu)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(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?jiàn)光范圍內(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(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(guī)對(duì)國(guó)內(nèi)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(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(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(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)。

圖2 氫氣罐保護(hù)系統(tǒng)

4 汽車(chē)發(fā)生氫氣泄露時(shí)的安全性分析

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］。

邁阿密大學(xué)的MICHAEL［15］分別對(duì)燃料電池汽車(chē)和汽油汽車(chē)的燃燒進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，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(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(chē)的下部著火。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(xiàn)在普遍使用的汽油車(chē)安全得多。

圖3 燃料電池汽車(chē)和汽油汽車(chē)的燃燒對(duì)比試驗(yàn)

如果燃料電池汽車(chē)發(fā)生車(chē)內(nèi)氫氣泄露，也存在一定的危險(xiǎn)性，劉延雷［16］對(duì)燃料電池汽車(chē)內(nèi)氫氣泄露擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬研究，考慮了氫氣在車(chē)內(nèi)泄露擴(kuò)散后的危險(xiǎn)區(qū)域分布，研究結(jié)論可以為車(chē)內(nèi)預(yù)警用氫氣泄露報(bào)警儀的放置(見(jiàn)圖4)以及燃料電池汽車(chē)的安全設(shè)計(jì)提供參考。在車(chē)內(nèi)發(fā)生氫氣泄露的情況下，整車(chē)控制系統(tǒng)能通過(guò)車(chē)上安裝的氫氣傳感器信號(hào)將氫氣供應(yīng)系統(tǒng)切斷，這一點(diǎn)與傳統(tǒng)汽車(chē)在發(fā)生碰撞情況下自動(dòng)切斷油路系統(tǒng)一樣，以保障燃料電池汽車(chē)發(fā)生車(chē)內(nèi)氫氣泄露時(shí)的安全。

圖4 氫氣泄露報(bào)警儀位置布置示意圖

5 結(jié)論

通過(guò)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(chē)的氫安全問(wèn)題進(jìn)行了初步探討。發(fā)現(xiàn)氫安全的問(wèn)題在國(guó)際上已有較多的理論性研究，尤其是儲(chǔ)氫和車(chē)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(chē)在應(yīng)用上的瓶頸之一。為了消除這個(gè)瓶頸帶來(lái)的負(fù)面影響，今后我國(guó)要加強(qiáng)車(chē)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(chē)的氫安全，以加速燃料電池汽車(chē)的發(fā)展。

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