- 燃料電池車載氫氣安全設計
- 車載供氫系統的安全措施
- 燃料電池汽車的碰撞安全性問題
當前能源和環境問題日益緊張，世界上石油等傳統能源面臨枯竭的嚴重考驗。同時，由動力機械使用傳統能源引起的環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燃料相關。因此發展為動力機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生的電能提供動力，氫氧反應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，這種新能源動力系統的安全性成為人們首先關心的問題。這些安全問題包括儲氫安全、車載氫氣系統的安全、燃料電池汽車發生碰撞以及發生氫氣泄露時的安全等。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，氫氣的存儲應當密度高、輕便、安全而且經濟。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大氣壓下體積為 45 000L，這對汽車載氫是不現實的。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 的高壓氣態氫，容器必須由能經受住高達70 MPa 壓力的復合材料制成［4］。同濟大學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合氣瓶儲氫; 大連新源動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合氣瓶儲氫; 北京奧運會燃料電池示范車使用 35MPa、140 L 車用壓縮氫氣瓶儲氫; 武漢理工大學的楚天 2 號中巴車使用 20 MPa、汽車用壓縮氫氣鋁膽復合氣瓶儲氫; 奔馳公司采用車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通過了 37． 5 MPa 的高壓氫罐的相應測試以及生產許可，工作壓力可高達68． 9 MPa 的高壓氫罐也已經通過了相應的實驗［5 －6］。如此高的壓力容器，如果發生撞車，后果不堪設想。因此越來越多的人開始關注新的儲氫方式，以減少高壓儲氫的危險。
液態氫存儲具有較高的能量質量比，約為氣態時的 3 倍，但液態氫將氣態氫冷卻到 － 235 ℃才能得到，耗損太大。另外，液態氫難以存儲，無法避免蒸發( 每天大約損失 1% ～3%) ，車輛停放時間長時，蒸發的氫就會浪費，因此液態氫存儲要求具有良好的絕熱措施。德國戴姆勒 － 克萊斯勒公司研發的 NECAR 系列和美國通用公司的“氫動一號”都是以液態氫為燃料［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，在需要的時候加熱使氫化物分解脫氫而得到氫氣。這一技術結構簡單、使用安全，但是金屬的重量是個無法忽視的問題，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［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于氣氫方案，并且在有效載荷與空間、燃料經濟性、續駛里程、加速性能和最高車速等實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 車載供氫系統的安全措施
為了保證燃料電池汽車的安全穩定運行，需要設計一套安全有效的供氫系統。在燃料電池汽車上，供氫系統一般包括電磁閥、安全閥、溢流閥、熱熔栓、手動截止閥、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］。車載供氫系統安全措施應從預防與監控兩方面著手。從預防的角度來說，筆者以國內研發的燃料電池中巴車為例，給出了車載供氫安全實例。
如圖 1 所示，燃料電池中巴車隨車攜帶 6 個高壓氫氣罐，在這些氫氣罐上安裝溫度傳感器用來檢測氣罐內氣體溫度，由這些傳感器將氣罐內氣體的溫度信號發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，當壓力低于某值時可以提示駕駛員加注氫氣。其次，駕駛員可根據儀表盤上的壓力讀數判斷氫氣罐是否有泄漏發生。
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設定值時，能通過氣罐安全閥自動泄壓，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，當壓力超過安全閥設定值時，安全閥自動泄壓，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截止閥聯合作用，當電磁閥能正常工作時，手動截止閥處于常開狀態，這時電磁閥由直流電源驅動，無電源時處于常閉狀態，主要起開關氣瓶的作用，與氫氣泄露報警系統聯動，當泄漏氫氣濃度達到保護值能自動關閉，從而達到切斷氫源的目的。當氣罐電磁閥失效時利用手動截止閥切斷氫源，有效避免氫氣泄漏。
加氣口在加注時與加氣機的加氣槍相連，以達到加注的目的，同時加氣口應具有單向閥以及顆粒過濾功能，應與未遮蔽的電氣接頭、電氣開關和其他點火源保持至少 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，可有效防止氣體進入電池。
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，因此管路的材質選用不銹鋼，耐壓要大于 35 MPa。
溢流閥在系統正常工作時，閥門關閉。只有負載超過規定的極限( 系統壓力超過調定壓力)時開啟溢流閥，進行過載保護，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%) 。
過濾閥可防止管路中的雜質進入燃料電池，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汽車的安全碰撞性問題，同時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的結構特點，提出了氫燃料電池汽車存在的碰撞安全性問題。與氫安全相關的主要存在兩個問題:
( 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。如果發生泄漏，氫氣就會迅速擴散。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) 。在空氣中，氫的燃燒范圍很寬，且著火點很低，氫氣火焰幾乎是看不到的，因為在可見光范圍內，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，以保證在碰撞過程中，高壓氫氣罐的動態位移不會太大，避免造成連接管路的斷裂、變形和氫氣的大量泄漏。何健［13］基于顯式有限元理論，按照 CMVDR294 法規對國內自主開發的某燃料電池轎車進行正面碰撞分析，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 3 根橫梁和 2 根縱梁將兩個氫氣罐集成到一個框架總成。縱梁截面為“Π”形，由幾塊板材拼焊而成，中部設計出兩個圓弧形凹槽，可以對氫氣罐進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密切相關。氫的特殊性質使得氫的安全性有不少特點。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，而不像汽油揮發后，滯留在空間中不易疏散［14］。
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邁阿密大學的 MICHAEL［15］分別對燃料電池汽車和汽油汽車的燃燒進行對比試驗，將兩輛汽車分別用氫氣和汽油做燃料，然后做泄漏點火試驗，如圖 3 所示。點火 3 s 后，高壓氫氣產生的火焰直噴上方，而汽油由于比空氣重，則從汽車的下部著火。到 1 min 時，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大火球，完全燒光。這說明氫氣汽車比現在普遍使用的汽油車安全得多。
通過對文獻的調研和實踐經驗對燃料電池汽車的氫安全問題進行了初步探討。發現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設計方面的研究較多，但是氫安全的實驗卻很少，且還不能實現量化。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在應用上的瓶頸之一。為了消除這個瓶頸帶來的負面影響，今后我國要加強車載氫安全研究，包括實驗研究和計算機模擬研究等，同時設計更有效的安全措施，保障燃料電池汽車的氫安全，以加速燃料電池汽車的發展。
