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聚焦 | 浅析氢燃料电池安全性:知识普及与技术提升一样重要

放大字体  缩小字体 时间:2017-10-23  来源:电池中国  
世纪储能网讯:其实,燃料电池比想象中更安全,我们对燃料电池多一分了解,对它的安全性能就会多一分信赖。燃料电池知识的普及仍任重道远。10月...
其实,燃料电池比想象中更安全,我们对燃料电池多一分了解,对它的安全性能就会多一分信赖。燃料电池知识的普及仍任重道远。

10月20日,全国政协副主席、科技部部长万钢在视察国内龙头燃料电池发动机企业时表示,中国氢燃料汽车产业发展需要形成“顶天立地、铺天盖地”的行业态势。这无疑是对氢燃料电池企业的莫大鼓励。随着技术的发展,氢燃料电池受到越来越多投资者、企业的青睐,国家相关部门越来越重视,氢燃料电池被空前看好。

然而,氢燃料电池并非锂电池,其技术门槛之高并非锂电池所能比,由于普及程度不高,公众对氢燃料电池的了解少,对氢燃料电池车的安全尚有疑虑。

氢气本身特性:易燃易爆 风险可控

氢气是易燃易爆品,它的可燃范围是4~75vol%,爆炸范围是18~59%vol,无色无味,人们凭感官无法对氢气的泄漏有所警觉,这或许就是人们对其有戒备心理的一个重要原因。其实氢气并非不可捉摸,它的安全风险是可控的。

氢气是最轻的气体,在空气中扩散速度快。据中国运载火箭技术研究院十五所研究员、航天新长征电动汽车技术有限公司首席专家靳殷实介绍,氢气向上扩散速度几乎可达到20m/s,是氮气的2倍,天然气的6倍。因此,除非受到屋顶、通风差的屋子或其他充有上升气体的场所限制,氢气的特性会防止它聚集在泄漏处周围。

靳殷实表示,氢气在室内发生泄漏会暂时聚集在天花板处,最终将转移到角落,因此,工业领域通常使用氢气感测器来检测氢气泄漏。几十年来,氢气感测器保持了极高的安全记录。

在开放空间,氢气的扩散系数是汽油的12倍,从危险程度上看,汽油的爆炸能量是相同体积氢气的22倍,在发生爆炸时,由于氢气密度远低于空气,爆炸会发生在气源上方,而汽油的爆炸则发生在燃料周围,汽油的危险程度远甚于氢气。

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图左侧为氢气燃料爆炸,右侧为汽油发生爆炸

关于人们对氢燃料电池车安全问题的疑虑,中国工程院院士衣宝廉解读为,人们已经习惯于汽油作为燃料,对氢气这种燃料缺乏了解,如果采取必要的措施,氢气的安全是可以保障的。

储氢系统研发:为氢燃料电池提供安全保障

不可否认,国内外在运氢过程中都曾发生过一些事故,氢气压力超过储氢容器材料的最大压力极限,引起容器爆裂。因此,储存氢气的压力容器必须处于安全状态。

高压储氢瓶组是燃料电池供氢系统中的重要储能部件,也是安全隐患的根源所在。目前,储氢气瓶主要分为四类,即I金属气瓶、II金属内胆幻想缠绕气瓶、III金属内胆全缠绕气瓶和IV非金属内胆全缠绕气瓶。据了解,鉴于安全考虑,IV型氢气瓶目前在国内禁止使用,而I型、II型气瓶比较笨重,不适合在车上使用,国内在用的III型氢气瓶最多。

业内有企业针对当下氢气瓶存在的不足,研发出铝合金内胆碳纤维全缠绕复合气瓶,采用整体成型的金属内胆,在其外表面缠绕浸渍过定量树脂的高性能纤维。这种气瓶在爆破试验、常温疲劳试验、坠落试验等项目中表现不错,将为氢燃料电池的安全再添保障。

国外70MPa储氢瓶技术比较成熟,在已经或即将量产的车型上搭载的多是70MPa储氢罐,比如丰田Mirai、本田Clarity等车型,续驶里程均在500km以上。国内目前已经开发出车载70MPa储氢瓶样机,据了解,上汽集团也基本掌握了70MPa高压储氢和加注系统关键技术。

除了氢瓶的研发外,氢瓶的固定程度也对氢燃料电池的安全影响重大。业内有企业在这方面比较用心,对储氢系统固定支架做了轻量化与可靠性设计,通过用足够强度的专用储氢系统固定支架将氢瓶组、氢瓶阀及高压管路集成在一起并用钢带支撑,确保高压氢瓶不因碰撞发生太大位移,从而避免连接管路断裂、变形,防止氢气发生泄漏。

安全检测控制:危险消灭在萌芽状态

北京理工大学电动车辆国家工程实验室何洪文教授在近日召开的燃料电池论坛上分享了他们团队关于整车的“氢-电”结构耦合安全控制策略,他们通过对氢气浓度、氢瓶压力进行实时监测,制定安全控制策略,当整车“氢-电”结构检测状态超出判定条件时,实现断电、断氢,提升整车安全性。

山东沂星电动汽车有限公司董事长余达太教授向电池中国网介绍了他们的安全控制策略。该公司在安全检测和控制方面做得更为细致:选择抗氢脆材料,做好“氢-电”系统的防碰撞结构安全设计;进行过压、过流保护,当检测异常时,自动关断氢气供应,防止管路爆裂;进行过温保护,当温度超过允许最大值时,系统将自动泄气;对燃料进行监测,当检测到氢气压力过低时,提示司机加氢等。

企业对氢燃料电池的安全管控细致入微,将安全隐患消灭在萌芽状态。鉴于大量的试验和燃料电池整车的实际运行,衣宝廉表示,氢燃料电池汽车的碰撞安全性能是完全有保证的,能够满足和符合国家碰撞安全标准。

标准持续完善:燃料电池产品安全有支撑

无规矩不成方圆,无标准难保安全。相关标准的不断完善为燃料电池的安全运行提供了有力支撑,也规范了燃料电池行业的发展。

国家标准《燃料电池电动汽车 燃料电池堆安全要求》对燃料电池发动机提出了通用性要求,规定燃料电池堆要有必要防护,防止其部件与外部高温部件或环境接触,燃料电池堆外壳应避免容易对人产生危害的结构;燃料电池堆中应用的材料对工作环境有一定的耐受性,燃料电池堆的工作环境包括振动、冲击、多变的温湿度、电势及腐蚀环境;对燃料电池堆的电压或电流进行监测或计算等。此外,标准还对燃料电池堆的机械结构安全、气密性安全提出了相应要求。

类似的标准有很多。据靳殷实统计,我国整车级燃料电池标准现行5个,包括《氢燃料电池电动汽车示范运行配套规范》《示范运行氢燃料电池电动汽车技术规范》《燃料电池电动汽车 安全要求》等;车用燃料电池系统相关标准4个,包括《汽车用燃料电池发电系统 技术条件》《乘用车燃料电池发电系统测试方法》《客车用燃料电池发电系统测试方法》等;车载氢系统相关标准3个,包括《燃料电池电动汽车 加氢口》《燃料电池电动汽车车载氢系统 技术条件》和《燃料电池电动汽车车载氢系统 试验方法》;燃料电池相关标准现行27个,即将实施4个,包括《燃料电池 模块》《质子交换膜燃料电池发电系统低温特性测试方法》等。

其实,燃料电池比想象中更安全,我们对燃料电池多一分了解,对它的安全性能就会多一分信赖。燃料电池知识的普及仍任重道远。 
 

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