2026-04-11 09:42:15
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采用氫氣作為燃料的電池汽車其火災事故的防範重點就是防止氫氣的泄漏及防靜電。燃料電池車自身的防火安全包括氫供應係統、整車用氫係統及車庫安全, 以防泄漏、防靜電、電氣防爆為主。
當前, 能源和環境問題正成為製約各國經濟持續發展的重要因素。作為世界上僅次於石油化工的第二大產業——汽車工業也因此在悄然發生改變, 一種以氫氣為燃料的燃料電池汽車正成為該行業的發展方向, 從而備受世界各國政府及產業界的高度重視。傳統的汽車以汽油、柴油等為燃料, 不僅消耗了大量的石油資源, 而且汽車尾氣中所含的碳氫化合物、氮氧化物和一氧化碳等對大氣環境也造成了嚴重的汙染。以氫氣為燃料的燃料電池汽車改變了這種現狀。氫氣是一種高效、清潔的能源,它可由水中製取, 資源豐富; 其燃燒熱值高, 燃燒產物也是水, 是世界上最幹淨的能源, 而且還可循環利用, 是一種理想的傳統能源替代物。因此, 這種以氫氣為能源的燃料電池車具有高能效、零排放的特點, 使其成為新一代汽車的發展方向。
然而, 氫氣是一種易燃易爆氣體, 在應用燃料電池的同時如何做好消防安全及防火、防爆工作也成為該項新技術推廣是否成功的一個重要方麵。對此, 筆者從消防安全、防火防爆的角度, 就氫能源及燃料電池汽車的發展現狀、火災危險性方麵進行了闡述, 提出了應采取的措施及對策。
1 氫能源與燃料電池車的開發
1. 1 氫能的優點及開發
將氫氣冷卻至- 240℃ 以下, 再經過加壓, 氫就變成一種無色的液體。液態氫是火箭、火車、飛機、輪船、汽車等的極佳燃料。用作汽車燃料時, 110 km 隻需消耗5 kg氫氣, 基本上是傳統汽車使用汽油量的1/ 3。就氫氣的能效而言, 其不僅有放熱效率高、清潔、可以循環使用等優點, 而且其質量輕、密度小, 便於運送和攜帶, 容易儲藏, 與難儲存的電相比, 優越性更為顯著。它的用途也極為廣泛, 不但能燃燒生熱, 而且還可以產生化學能, 並作為吸熱的工質等。
傳統的製氫方法有電解水製氫及高壓、高溫製氫, 都需要消耗大量的電能和煤或天然氣, 消耗的能量比燃燒這種燃料所產生的能量還要多。這種昂貴的代價使其隻適用於專門用途, 如推進太空火箭或在航天器中維持燃料電池。經過多年的研究, 科研人員已尋找出兩種較為方便的製氫方法: 一是光電化學電池分解水製氫, 該方法利用太陽光照射到半導體氧化鈦表麵時產生的電流使水分解, 產生氫氣, 有效率達12%; 二是生物製氫, 通過人工模仿植物光合作用分解水製取氫氣, 其轉化效率高達75%。此外, 還可利用微生物產生氫氣。這些方法解決了過去製氫技術中所需的昂貴代價, 使之有可能成為一種能廣泛應用的新能源。
但氫的密度很低、體積大, 要縮小體積, 需在- 252℃的極低溫和高壓下進行, 僅此一項作業就要消耗大量的能源。因此, 在研製用氫作燃料的汽車和飛機的過程中, 開發、運輸和儲存氫氣的技術也還有待進一步解決。
1. 2 燃料電池汽車的發展現狀
燃料電池汽車技術與傳統汽車、純電動汽車技術相比, 具有效率高、續駛裏程長、綠色環保、過載能力強、低噪音及設計方便靈活等優點。目前車用燃料電池的燃料來源主要有兩種, 一是直接用氫, 二是車載製氫技術。因這兩種方法存在諸多不同的技術路線, 因此, 什麼樣的氫源最適合用於燃料電池汽車的問題一直以來都是爭論的焦點。國外部分國家采用直接用氫技術, 其氫氣存儲壓力可高達70 MPa; 也有的采用車載製氫技術。在我國,以同濟大學和清華大學為主與相關汽車廠合作研製出的完全自主知識產權的、具有電電混合動力係統特點的超越係列燃料電池轎車也是采用直接用氫技術, 這些車輛參加了2008北京奧運會的示範運行, 2010 年上海世博料電池汽車在上海世博會期間的示範運行, 在世博園區附近建設了一座新的固定加氫站和兩個移動加氫站, 從而在上海建成了由兩個固定加氫站和兩個移動加氫站組成的全國首個氫基礎設施網絡。
1. 3 燃料電池車的供氫係統
我國第一輛原型車車載高壓氫氣儲存供應係統由儲氫瓶組、壓力表、濾清器、減壓器、單向間、電磁閥、手動截止閥及管路等組成。在給儲氣瓶組加氫氣時, 加氫站的壓縮氫氣由壓力表、加氣機, 經客車中部的管路、三通、單向閥和管路, 到達彙流排, 由彙流排進入儲氣瓶組。當燃料電池用氫氣時, 壓縮氫氣由儲氣瓶組經彙流排、電磁閥和三通到達管路。管路的氫氣再經過壓力表和附件氣路、客車後部的濾清器和減壓器, 到達燃料電池。
2 氫氣及燃料電池車的火災危險性分析
氫氣屬於火災危險性為甲類的易燃氣體, 具有易燃易爆的特性。一旦點燃, 燃燒速度極快, 燃燒熱值高。因此, 在燃料電池車的使用中, 一旦在氫氣的製取、儲存及裝卸過程中發生泄漏, 它可與空氣混合形成爆炸性混合物, 遇熱或明火即會發生爆炸, 十分危險。
就氫氣的運輸管道而言, 也存在一定的危險性。在高壓作用下, 氫氣能滲透到金屬設備的碳素中而引起金屬管道及儲存設備的“氫脆”破壞, 使儲存設備和傳輸管道的塑性和強度急劇下降, 導致設備損壞, 引發泄漏。同時, 因高壓作用, 泄漏時氫氣從管口或縫隙處高速噴出會產生靜電, 靜電荷的產生與其噴出時的流速存在同比關係, 當靜電荷達到一定值時也會引發火災或爆炸。
此外, 氫氣的帶電性致使氫氣儲罐的出口處及輸氣管道處易發生靜電積聚放電現象, 這會成為氫氣火災爆炸事故的引火源, 當儲罐及輸氣管道的接地裝置發生故障時, 極易引發火災及爆炸事故。
因此, 采用氫氣作為燃料的電池汽車其火災事故的防範重點就是氫氣的泄漏及防靜電。
3 燃料電池車自身的防火安全對策
燃料電池車自身的防火安全可從氫供應係統、整車用氫係統及車庫安全等來考慮, 以防泄漏、防靜電、電氣防爆為主。
3. 1 燃料電池車供氫係統的防火安全
(1) 所有儲氫瓶、管道以及閥件均應適用於氫介質,儲瓶、管道及閥件所能承受的壓力留有足夠的安全裕量;儲氫瓶的安裝符合相關國家規範的安全要求, 高壓氫氣連接管應采用質量符合國家標準的無縫不鏽鋼管。
(2) 安裝前並組管路需經過30 MPa 水壓實驗和20MPa 氣密檢查實驗後才進行總體安裝; 總裝結束後, 對整車氫供應係統進行兩次氣密性檢查; 在儲氫瓶的出口處設有過流保護裝置, 當管路或間件產生氫氣泄漏使氫氣流量超過燃料電池發動機需要最大流量20%時, 過流保護裝置會自動切斷氫氣供應;
(3) 需在儲氫瓶的總出口設計一個電磁閥, 在探測到氫氣泄漏或處於其他危險情況時可切斷供氫係統。
3. 2 燃料電池車的整車用氫係統的防火安全
整車用氫安全係統主要從防氫氣泄漏及報警、防靜電等方麵著手, 電氣控製係統應包括氫泄漏監測及報警處理係統、車體防靜電接地、車內部件防爆電氣設計等。
(1) 氫泄漏監測係統可安裝在車頂部的儲氫瓶艙、乘客艙、燃料電池發動機艙以及催化燃燒型傳感器附近, 傳感器實時檢測車內的氫含量, 當有任何一個傳感器檢測到的氫體積分數超過氫爆炸下限(空氣中的氫體積分數為4%) 的10%、30%和50%時, 監控器會分別發出I 級、II 級、III 級聲光報警信號。報警處理係統在接收到I級報警信號時, 應啟動聲光報警係統; 同時通過聲光報警通知司機有氫氣泄漏, 關閉氫供應係統中氫氣瓶組出口的電磁閥, 並采取其他相應的處理措施。
(2) 燃料電池車車體底部應有多處接地線, 以防止靜電積聚。
(3) 燃料電池車的氫檢測傳感器均選用防爆型, 氫安全處理係統中所用的繼電器選用防爆固態繼電器, 車體嚴禁使用電源插座、接觸器、繼電器以及機械開關等可以引起電弧的用電裝置, 嚴禁進行電焊、砂輪磨削等可以引起火花、電弧的操作。
3. 3 燃料電池車車庫的防火安全
車庫的安全可從防氫氣積聚及防靜電等方麵考慮。( 1) 車庫內防止氫氣積聚的措施主要包括氫泄漏監測及報警處理係統, 送、排風設施等。車庫內氫泄漏監測係統可實時檢測車庫內的氫體積分數, 當有任何一個傳感器檢測到的氫體積分數超過氫爆炸下限(與車上標準相同) , 監控器會發出報警信號; 同時自動打開車庫上部的進氣窗, 並開啟車庫頂部的排風機排風, 以排出氫氣。
(2) 車庫使用的燈具、排風機電機以及氫檢測傳感器均選用防爆型。
(3) 車庫內嚴禁使用電源插座、接觸器、繼電器以及機械開關等可以引起電弧的用電裝置, 嚴禁進行電焊、砂輪磨削等可以引起火花、電弧的操作。
4 燃料電池加氫站的消防安全措施和對策
筆者以上海安亭加氫站的消防設計為例, 分析了燃料電池加氫站的消防安全措施。
4. 1 燃料電池加氫站的主要設備
(1) 管束拖車: 管束拖車有9 個氣瓶組成, 總水容積2250 L; 質量28180 kg。係統的製造和檢驗符合DOT-3AXX 的規定; 中國特種設備製造許可證: T S2200828-2009。
會期間, 除了6 輛燃料電池公共汽車外, 還有100 輛燃料電池觀光車和90 輛燃料電池轎車一起投入示範運行, 這是中國最大規模的燃料電池汽車集中示範, 其示範規模和示範周期在全球範圍也是名列前茅的。
此外, 氫qing燃ran料liao電dian池chi汽qi車che的de研yan發fa也ye得de到dao了le世shi界jie能neng源yuan公gong司si和he氣qi體ti公gong司si的de支zhi持chi。能neng源yuan企qi業ye投tou入ru巨ju額e資zi金jin主zhu要yao進jin行xing加jia氫qing設she施shi相xiang關guan技ji術shu開kai發fa和he示shi範fan。如ru林lin德de公gong司si2005年在歐洲燃料電池和氫能經濟平台年會上宣稱將在德國的氫能環形公路上建立40座加氫站, 公路將逐漸擴展至歐洲其他20個城市, 並達到10000 km 的長度。為了保障燃
(2) 壓縮機: 壓縮機單台流量最大為28 kg/ h, 共2台。製造和檢驗符合NFPA 52 的規定。
(3) 儲氣瓶組: 9 隻, 布置方式為3×3 。係統的製造和檢驗符合ASME Section VIII, Division 1, Appendix22; 中國特種設備製造許可證: T S2200210- 2010。
(4) 加氣機: 加氣機1 台; 加氣槍2 隻(巴士和轎車各1) ; 布置: 左右兩側。製造和檢驗符合NFPA 52的規定。
4. 2 防火間距
由於我國還沒有《燃料電池汽車高壓氫氣加氫站》的規範和標準, 設計中特別注意拖車之間、壓縮機和高壓儲氣瓶之間、以及控製室和壓縮機之間的防火間距。此外,加氣機也需置於安全位置。在設計中參照了國內外相應的規定和標準, 燃料電池汽車高壓氫氣加氫站站內各設備之間的安全間距為:
儲氣設備的最小間距1. 5 m、設計3. 0 m;
儲氣設備和壓縮機的最小間距3 m、設計3 m;
儲氣設備和加氣機的最小間距6 m、設計17. 5 m;
儲氣設備和站房的最小間距5 m、設計11. 4 m;
壓縮機和加氣機最小間距4 m、設計
