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        燃料電池汽車車載氫系統(tǒng)安全問題分析

        2022-04-18 18:18:02李晨
        時(shí)代汽車 2022年7期
        關(guān)鍵詞:安全性

        李晨

        摘 要:當(dāng)前,全球已就“碳中和”達(dá)成共識(shí),提高了對(duì)能源問題的關(guān)注度,而統(tǒng)能源未來形勢(shì)嚴(yán)峻,轉(zhuǎn)型遭遇“陣痛期”。同時(shí),動(dòng)力機(jī)械對(duì)傳統(tǒng)能源的消耗所引發(fā)的環(huán)境污染,給人們健康生活帶來不小威脅,溫室氣體排放等都與傳統(tǒng)燃料使用密不可分,故而人們將目光轉(zhuǎn)移至清潔可持續(xù)燃料?;诖耍鍧嵞茉礆錃獗婚_發(fā)出并用于燃料電池汽車,以燃料電池產(chǎn)生的電能作為動(dòng)力,不僅可以提高能量利用率,且反應(yīng)只產(chǎn)生水這一排放物,不會(huì)污染環(huán)境。但氫氣本身特性使得燃料電池汽車安全性受到質(zhì)疑,在一定程度上限制了燃料電池汽車發(fā)展?;诖耍疚脑诤?jiǎn)要闡述車載氫系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,分析了氫系統(tǒng)的安全問題,以期能夠助力燃料電池車普及推廣。

        關(guān)鍵詞:燃料電池汽車 車載氫系統(tǒng) 安全性

        燃料電池汽車(FCVs)具有很多優(yōu)點(diǎn),如充氣時(shí)間短、零排放、長(zhǎng)續(xù)航等,且動(dòng)力性能明顯增強(qiáng),是新能源汽車強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。目前,日本FCVs技術(shù)較為成熟,產(chǎn)業(yè)鏈基本完善,而我國(guó)也開始重視氫能發(fā)展,并在燃料電池領(lǐng)域形成了全新的研究格局。作為FCVs動(dòng)力源,氫氣本身易爆、易揮發(fā),因此人們對(duì)于汽車車載氫系統(tǒng)的安全性提出了疑問[1]。聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)為對(duì)各國(guó)安全技術(shù)要求進(jìn)行協(xié)調(diào),使得公眾對(duì)FCVs更加認(rèn)可,成立了專項(xiàng)工作組,起草了全球技術(shù)法規(guī)GTRNO.13《氫燃料電池汽車全球技術(shù)法規(guī)》,在該技術(shù)法規(guī)中對(duì)氫燃料電池汽車的安全性作出了明確規(guī)定。

        燃料電池汽車車載氫系統(tǒng)所面臨的危險(xiǎn)源主要是著火和爆炸,因此電動(dòng)汽車安全要求相關(guān)內(nèi)容也可用于FCVs。本文將著重對(duì)車載氫系統(tǒng)安全問題進(jìn)行分析。

        1 氫能安全性分析

        氫能所面臨的安全問題較多,如易揮發(fā)、易燃易爆、氫脆等等。但這一系列安全隱患的發(fā)生都需要基于特定條件,只要能夠?qū)Ρ匾獥l件進(jìn)行有效控制,就能夠在使用時(shí)避免氫氣安全隱患。例如,氫氣爆炸條件為體積密度達(dá)到4.0%~75.6%,即當(dāng)空氣中氫氣體積濃度在4%~75.6%范圍內(nèi)時(shí),一旦遇火源就會(huì)發(fā)生爆炸。當(dāng)氫氣體積濃度不在上述范圍內(nèi)時(shí),即便接觸火源也不會(huì)發(fā)生爆炸。

        實(shí)際上,空氣中氫氣含量較低,僅為0.5ppm,其密度僅為空氣的7%,氫氣密度相較于天然氣、汽油、丙烷等,浮力大、擴(kuò)散性強(qiáng)、易揮發(fā),因此在氫氣很難在空氣中聚集,與汽油易滯留特性不同,即便是發(fā)生泄漏,氫氣也能迅速通過橫向移動(dòng)擴(kuò)散,美國(guó)Swain博士為對(duì)比氫氣與汽油的安全性,曾做過泄漏點(diǎn)火試驗(yàn):兩輛汽車燃料分別為氫氣和汽油,在人為操作燃料泄漏后點(diǎn)火,3s后可見氫氣燃燒所產(chǎn)生的火焰直噴向上,而汽油則從汽車底部開始燃燒;1min后燃燒僅發(fā)生在FCVs氫氣泄漏部分,車身并無嚴(yán)重?fù)p壞;而汽油車則完全燒光??梢?,F(xiàn)CVs車載氫系統(tǒng)較汽油車相比,安全性更高。

        2 燃料電池汽車車載氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        圖1為FCV車載氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。氫氣瓶的安裝主要是以續(xù)航里程為依據(jù),在每個(gè)氫氣瓶口都設(shè)有瓶閥,內(nèi)置溫度傳感器,而在瓶閥外還安裝有高壓傳感器。而高壓傳感器的安裝位置可以隨意選擇,主要是因?yàn)闅馄客夤苈废嗤╗2]。一般情況下,燃料電池汽車約6~8個(gè)氫氣瓶,每3~4個(gè)氫氣瓶為一組,每組安裝1個(gè)高壓傳感器。在氫氣傳輸系統(tǒng)管路上,由總閥、減壓閥、壓力開關(guān)、抵押傳感器等組件構(gòu)成,其中總閥主要作用是對(duì)整個(gè)管路的通斷進(jìn)行控制;減壓閥主要是為控制氫氣瓶總壓力,使其保持在規(guī)定壓力范圍內(nèi);壓力開關(guān)則是為了確保管路壓力超預(yù)警;抵押傳感器則主要是對(duì)氫氧燃料反應(yīng)的壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。而H2傳感器則主要是對(duì)車廂內(nèi)氫氣濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè),為系統(tǒng)判斷是否出現(xiàn)氫燃料泄漏提供數(shù)據(jù)支持。

        3 燃料電池汽車車載氫系統(tǒng)安全性

        3.1 儲(chǔ)氫系統(tǒng)安全

        燃料電池汽車(FCVs)儲(chǔ)氫系統(tǒng)包括加氫系統(tǒng)和車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)兩部分,因此FCVs儲(chǔ)氫系統(tǒng)的安全性也將從這兩方面進(jìn)行分析。在加注高壓氫氣時(shí),氫氣瓶溫度會(huì)瞬時(shí)升高,所以在加注時(shí)采用了多種策略聯(lián)合使用的方法,包括氫氣預(yù)冷、升溫控制、分級(jí)優(yōu)化等[3]。

        以往儲(chǔ)氫罐材料主要采用的是304不銹鋼或鉻鉬鋼,但是這類材料重量較大,無法滿足FCVs輕量化要求。如梅賽德斯奔馳GLCF-Cell所采用的儲(chǔ)氫罐型號(hào)為挪威HexagonⅣ型,安裝于車輛底板和車橋間的碰撞保護(hù)區(qū)內(nèi),周圍輔助車架也形成屏障,有效保護(hù)一大一小兩個(gè)儲(chǔ)氫罐。儲(chǔ)氫罐材料為碳纖維外殼,可儲(chǔ)氫4.4kg,且儲(chǔ)氫壓力為全球標(biāo)準(zhǔn)70MPa,充滿氫燃料僅需3min[4]。又比如本田Clarity儲(chǔ)氫罐采用的是Type3型,為鋁合金內(nèi)襯材質(zhì),符合國(guó)際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GTRNO.13相關(guān)技術(shù)要求。豐田MIRAI儲(chǔ)氫罐數(shù)量縮減為2個(gè),舊款FCVs則有4個(gè)儲(chǔ)氫罐。同時(shí),MIRAI儲(chǔ)氫罐體積變小,安置于后排座椅下方,其由三層混合材料結(jié)構(gòu)組成,最外層為抗沖擊性較強(qiáng)的玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP);中層為碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP),這種材料具有較強(qiáng)的抗壓性;內(nèi)層為塑料內(nèi)膽,主要作用是密封空氣;儲(chǔ)氫罐兩端為環(huán)形保護(hù)層,耐摔耐火性能較強(qiáng)。通過對(duì)CFRP層進(jìn)行優(yōu)化,并合理降低材料用量,儲(chǔ)氫罐重量實(shí)現(xiàn)了大幅度下降?,F(xiàn)代公司在儲(chǔ)氫罐技術(shù)上具有自主研發(fā)能力,現(xiàn)代NEXO3個(gè)儲(chǔ)氫罐大小相同,使用了碳纖維制造的新型材料,抗?jié)B性優(yōu)良,可以長(zhǎng)時(shí)間承受高溫。

        3.2 供氫系統(tǒng)安全

        FCVs供氫系統(tǒng)主要由高壓儲(chǔ)氫罐、減壓閥、穩(wěn)壓罐、傳感器、壓力調(diào)節(jié)閥以及各種管路組成。如梅賽德斯奔馳GLCF-Cell碰撞傳感器一旦監(jiān)測(cè)到發(fā)生重大事故,氫氣瓶罐閥和主氫氣閥將會(huì)在幾毫秒內(nèi)關(guān)閉,使氫氣瓶?jī)?nèi)壓力從70MPa降至1~1.2MPa;而另一個(gè)壓力調(diào)節(jié)閥位于燃料電池組入口,在發(fā)生事故時(shí)氫側(cè)燃料電池組壓力將會(huì)被降至0.1~0.3MPa。以此來確保即便發(fā)生事故也不會(huì)發(fā)生氫泄漏情況。本田Clarity重新設(shè)計(jì)和壓縮了各個(gè)組件,包括調(diào)節(jié)器、壓力傳感器、截止閥等,將其作為內(nèi)置模塊,高壓供氫系統(tǒng)零件數(shù)量大幅度減少,這在很大程度上降低了氫氣泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),位于各個(gè)位置的氫氣傳感器將會(huì)實(shí)時(shí)對(duì)氫氣濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè),一旦發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)異常情況將會(huì)立即關(guān)閉截止閥,從而將氫氣源切斷。豐田MIRAI在供氫系統(tǒng)中使用鋁合金作為高壓部件的主體,有效防止供氫管道出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象。同時(shí),使用明礬對(duì)鋁制主體進(jìn)行處理,確?;瑒?dòng)特定穩(wěn)定,并減少磨損。此外,為避免高壓傳感器膜片因氫滲透進(jìn)而對(duì)傳感器數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性產(chǎn)生影響,MIRAI在高壓傳感器膜片內(nèi)表面添加了經(jīng)過特殊表面處理的薄膜。經(jīng)檢測(cè),添加薄膜后,膜片中情氫固溶體含量減少90%,即便是長(zhǎng)期處于高壓氫氣環(huán)境,傳感器精度也不受影響?,F(xiàn)代NEXO供氫系統(tǒng)中,采用引射器模式代替原有“循環(huán)泵+引射器”方式進(jìn)行氫循環(huán),供氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單,供氫安全性得到提升。同時(shí),NEXO供氫系統(tǒng)還具有快速排氣功能,一旦車輛發(fā)生碰撞,傳感器將會(huì)立即將排氣閥門開啟,快速排空內(nèi)部高壓氫氣。

        3.3 氫系統(tǒng)安全監(jiān)控

        安全監(jiān)控系統(tǒng)主要是檢測(cè)氫氣是否泄漏,監(jiān)控對(duì)象包括FCVs發(fā)動(dòng)機(jī)、儲(chǔ)供氫系統(tǒng)等,監(jiān)控系統(tǒng)壓力、溫度等是否存在異常,從而保證燃料電池汽車在加氫和使用過程更加安全[5]。就目前主流FCVs汽車而言,氫系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)主要由傳感器、控制器組成,其中傳感器又涉及到溫度傳感器、壓力傳感器、泄漏傳感器等。氫系統(tǒng)控制器將會(huì)在工作期間對(duì)氫瓶、氫氣泄漏、整車運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)控,一旦出現(xiàn)異常將會(huì)自主關(guān)閉供氫系統(tǒng)。

        3.3.1 監(jiān)控氫氣泄漏

        在FCVs中容易出現(xiàn)泄漏和集聚氫氣的部位安裝泄漏傳感器,如燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、乘客艙、儲(chǔ)氫瓶等位置,以實(shí)現(xiàn)對(duì)車內(nèi)氫含量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),一旦發(fā)現(xiàn)氫含量異常,將會(huì)立即采取響應(yīng)預(yù)案,確保車內(nèi)乘客安全[6]。而且,當(dāng)傳感器檢測(cè)到氫氣泄漏濃度超過爆炸下限的10%、25%和50%時(shí),監(jiān)控器將會(huì)發(fā)出Ⅰ~Ⅲ級(jí)相應(yīng)等級(jí)的警報(bào)信號(hào),氫氣泄漏控制措施如表1所示。

        3.3.2 氫氣加注安全監(jiān)控

        在FCVs加氫時(shí),氫系統(tǒng)監(jiān)控器一旦監(jiān)測(cè)到氫瓶?jī)?nèi)壓力超過預(yù)設(shè)最高值,或未達(dá)到最低要求時(shí),將會(huì)立即發(fā)送壓力異常報(bào)警信號(hào),整車系統(tǒng)將會(huì)停止向氫瓶?jī)?nèi)加氫。此外,加氫槍上安裝有傳感器,可對(duì)溫度和壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

        3.3.3 氫瓶溫度監(jiān)控

        氫系統(tǒng)控制器在進(jìn)行溫度檢測(cè)時(shí),發(fā)現(xiàn)氣瓶溫度過高或過低,都會(huì)立即將電磁閥關(guān)閉,然后向整車管路系統(tǒng)發(fā)送溫度異常警報(bào),同時(shí)向加氫機(jī)發(fā)送立即結(jié)束工作信號(hào),并顯示出發(fā)生故障的氫瓶的編號(hào),然后通過聲光方式向駕駛員發(fā)送預(yù)警信息,以確保能立即采取相應(yīng)保護(hù)措施。

        3.3.4 供氫時(shí)管路壓力監(jiān)控

        控制器一旦監(jiān)測(cè)到到車載氫系統(tǒng)供氫時(shí)壓力出現(xiàn)異常,超過或低于最高和最低值,此時(shí)電磁閥將會(huì)立即被關(guān)閉,然后發(fā)送管路超壓或低壓報(bào)警信息,請(qǐng)求管路系統(tǒng)立即結(jié)束運(yùn)行,并向駕駛員發(fā)送預(yù)警信息,以便駕駛員及時(shí)采取相關(guān)措施。

        3.3.5 電氣元件短路監(jiān)控

        當(dāng)FCVs電氣元件出現(xiàn)故障,監(jiān)控器將會(huì)發(fā)送故障信號(hào),氫系統(tǒng)中全部電磁閥都將被立即關(guān)閉,且系統(tǒng)將會(huì)斷電,并以聲光警報(bào)方式通知駕駛員。

        3.4 碰撞安全

        為確保車輛在發(fā)生碰撞時(shí)氫系統(tǒng)不被損壞,通常都是設(shè)計(jì)碰撞安全系統(tǒng),有效保證氫系統(tǒng)的安全性。為進(jìn)一步提高FCVs碰撞防護(hù)能力,在提高關(guān)鍵部位零件防撞能力的同時(shí),通過一系列措施確保碰撞時(shí)氫系統(tǒng)不被破壞,具體包括優(yōu)化氫系統(tǒng)布設(shè)位置、固定裝置保護(hù)、自動(dòng)斷電、自動(dòng)關(guān)閉閥門等。通常高壓儲(chǔ)氫罐安裝在車輛前置頂部,汽車后置頂部則安裝燃料電池模塊,地板下方安裝動(dòng)力電池。通過車頂管路和后部燃料電池系統(tǒng),可以與前置儲(chǔ)氫罐連接起來,在發(fā)生碰撞導(dǎo)致氫氣泄漏時(shí),可以將氫氣快速排空[7]。燃料電池模塊對(duì)汽車結(jié)構(gòu)影響不大,將動(dòng)力電池安裝于地板下方則可以保證車身重心。

        在燃料電池汽車供氫系統(tǒng)中,高壓儲(chǔ)氫罐組作為重要的儲(chǔ)能部件,同時(shí)也存在巨大的安全隱患。比如,一些專用儲(chǔ)氫系統(tǒng)固定支架的強(qiáng)度非常大,將高壓管路、氫瓶閥和氫瓶罐組集合起來,使用鋼帶進(jìn)行支撐,有效保證高壓氫瓶在發(fā)生碰撞時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)位移,從而避免連接管路在碰撞時(shí)出現(xiàn)斷裂,從而引發(fā)氫氣泄漏。有實(shí)驗(yàn)顯示,對(duì)燃料電池汽車進(jìn)行帶壓前碰和零壓后碰,氫氣瓶和燃料電池均符合相關(guān)要求。

        此外,汽車碰撞是一個(gè)非常復(fù)雜的過程,即便各類零部件設(shè)計(jì)牢固,但是在碰撞時(shí)也可能會(huì)造成某部件損壞,從而導(dǎo)致氫氣漏泄。因此,為了預(yù)防這種情況,可在整車不同部位設(shè)計(jì)至少2個(gè)冗余的慣性開關(guān),開關(guān)在發(fā)生碰撞時(shí)被激活,從而向氫系統(tǒng)控制器傳送碰撞信號(hào),氫系統(tǒng)控制器則發(fā)送關(guān)閉儲(chǔ)氫閥門信號(hào),及時(shí)阻斷氫氣供應(yīng),將氫氣泄漏量控制到最低。慣性開關(guān)的設(shè)計(jì)能夠檢測(cè)到任何形式的碰撞,同時(shí)也能避免某一個(gè)開關(guān)發(fā)生故障而無法檢測(cè)到碰撞發(fā)生。

        4 結(jié)語

        綜上所述,氫能作為一種清潔能源,盡管具有易燃、易爆、氫脆等安全隱患,但是只要采取有效的防控措施,那么其與汽油汽車相比,燃料電池汽車安全性更高。同時(shí),經(jīng)過多年不斷實(shí)踐和規(guī)范,燃料電池汽車安全可靠,具有十分廣闊的發(fā)展前景。而對(duì)于燃料電池汽車而言,如何規(guī)?;?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展是今后亟待思考的重要問題。

        項(xiàng)目名稱:燃料電池商用車集成技術(shù)與研究。項(xiàng)目編號(hào):2020CXGC010406。

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