燃料電池汽車車載氫氣安全研究

dangqiannengyuanhehuanjingwentiriyijinzhang，shijieshangshiyoudengchuantongnengyuanmianlinkujiedeyanzhongkaoyan。tongshi，youdonglijixieshiyongchuantongnengyuanyinqidehuanjingwuranriyiweixiedaorenmendeshenghuo，wenshiqitidepaifang、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(zai)此(ci)背(bei)景(jing)之(zhi)下(xia)開(kai)發(fa)出(chu)了(le)使(shi)用(yong)清(qing)潔(jie)能(neng)源(yuan)氫(qing)氣(qi)作(zuo)為(wei)燃(ran)料(liao)的(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)汽(qi)車(che)。這(zhe)種(zhong)新(xin)能(neng)源(yuan)汽(qi)車(che)由(you)氫(qing)氣(qi)和(he)氧(yang)通(tong)過(guo)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)能(neng)提(ti)供(gong)動(dong)力(li)，氫(qing)氧(yang)反(fan)應(ying)這(zhe)一(yi)過(guo)程(cheng)不(bu)僅(jin)有(you)極(ji)高(gao)的(de)能(neng)量(liang)利(li)用(yong)效(xiao)率(lv)，而(er)且(qie)排(pai)放(fang)物(wu)隻(zhi)有(you)水(shui)，對(dui)環(huan)境(jing)沒(mei)有(you)任(ren)何(he)汙(wu)染(ran)。但(dan)是(shi)，氫(qing)氣(qi)本(ben)身(shen)的(de)特(te)性(xing)如(ru)泄(xie)漏(lou)性(xing)、爆bao炸zha性xing和he氫qing脆cui等deng，使shi得de燃ran料liao電dian池chi汽qi車che存cun在zai著zhe一yi定ding的de安an全quan隱yin患huan，這zhe種zhong新xin能neng源yuan動dong力li係xi統tong的de安an全quan性xing成cheng為wei人ren們men首shou先xian關guan心xin的de問wen題ti。這zhe些xie安an全quan問wen題ti包bao括kuo儲chu氫qing安an全quan

、車載氫氣係統的安全


、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。一台裝有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45000L，這對汽車載氫是不現實的。目前限製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。

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 壓力的複合材料製成。同濟大學研製的燃料電池汽車超越1 號使用的是20 MPa、50 L 車用壓縮氫氣鋁膽複合氣瓶儲氫; 大連新源動力研製的燃料電池轎車使用30 MPa、40 L 車用壓縮氫氣鋁膽複合氣瓶儲氫; 北京奧運會燃料電池示範車使用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複合氣瓶儲氫; 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(de)高(gao)壓(ya)氫(qing)罐(guan)也(ye)已(yi)經(jing)通(tong)過(guo)了(le)相(xiang)應(ying)的(de)實(shi)驗(yan)。如(ru)此(ci)高(gao)的(de)壓(ya)力(li)容(rong)器(qi)，如(ru)果(guo)發(fa)生(sheng)撞(zhuang)車(che)，後(hou)果(guo)不(bu)堪(kan)設(she)想(xiang)。因(yin)此(ci)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)的(de)人(ren)開(kai)始(shi)關(guan)注(zhu)新(xin)的(de)儲(chu)氫(qing)方(fang)式(shi)，以(yi)減(jian)少(shao)高(gao)壓(ya)儲(chu)氫(qing)的(de)危(wei)險(xian)。

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 係列和美國通用公司的“氫動一號”都是以液態氫為燃料。

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麵優於氣氫方案，並且在有效載荷與空間、燃料經濟性
、續駛裏程、加速性能和最高車速等實用性方麵也好於氣氫方案。

雖(sui)然(ran)人(ren)們(men)在(zai)儲(chu)氫(qing)材(cai)料(liao)的(de)選(xuan)擇(ze)方(fang)麵(mian)做(zuo)了(le)很(hen)多(duo)研(yan)究(jiu)，但(dan)是(shi)這(zhe)些(xie)儲(chu)氫(qing)材(cai)料(liao)的(de)儲(chu)氫(qing)效(xiao)率(lv)目(mu)前(qian)還(hai)明(ming)顯(xian)低(di)於(yu)高(gao)壓(ya)儲(chu)氫(qing)
，因(yin)此(ci)有(you)必(bi)要(yao)在(zai)儲(chu)氫(qing)方(fang)式(shi)的(de)選(xuan)擇(ze)上(shang)做(zuo)進(jin)一(yi)步(bu)研(yan)究(jiu)
，以(yi)提(ti)高(gao)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)汽(qi)車(che)的(de)儲(chu)氫(qing)安(an)全(quan)。

2 車載供氫係統的安全措施

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係統。在燃料電池汽車上，供氫係統一般包括電磁閥
、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。

車載供氫係統安全措施應從預防與監控兩方麵著手。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 gegaoyaqingqiguan
，zaizhexieqingqiguanshanganzhuangwenduchuanganqiyonglaijianceqiguanneiqitiwendu，youzhexiechuanganqijiangqiguanneiqitidewenduxinhaofasongdaojiashishiyibiaopanshang，tongguoqitiwendudebianhualaipanduanwaijieshifouyouyichangqingkuangfasheng。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。壓力傳感器主要用於判斷氣罐中剩餘氫氣量，以保證車輛的正常行駛，當壓力低於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。qiguananquanfayeduigongqingxitongtigongleanquanbaozhang
，dangqiguanzhongqingqiyalichaoguoshedingzhishi
，nengtongguoqiguananquanfazidongxieya，lirupingtiwenduyouyumouzhongyuanyinturanshenggaozaochengqiguanneiqitiyalishangsheng，dangyalichaoguoanquanfashedingzhishi
，anquanfazidongxieya，baozhengqiguanzaianquandegongzuoyalifanweizhinei。

圖1 車載供氫係統示意圖

氣(qi)罐(guan)電(dian)磁(ci)閥(fa)通(tong)常(chang)與(yu)手(shou)動(dong)截(jie)止(zhi)閥(fa)聯(lian)合(he)作(zuo)用(yong)，當(dang)電(dian)磁(ci)閥(fa)能(neng)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)時(shi)，手(shou)動(dong)截(jie)止(zhi)閥(fa)處(chu)於(yu)常(chang)開(kai)狀(zhuang)態(tai)
，這(zhe)時(shi)電(dian)磁(ci)閥(fa)由(you)直(zhi)流(liu)電(dian)源(yuan)驅(qu)動(dong)，無(wu)電(dian)源(yuan)時(shi)處(chu)於(yu)常(chang)閉(bi)狀(zhuang)態(tai)，主(zhu)要(yao)起(qi)開(kai)關(guan)氣(qi)瓶(ping)的(de)作(zuo)用(yong)
，與(yu)氫(qing)氣(qi)泄(xie)露(lu)報(bao)警(jing)係(xi)統(tong)聯(lian)動(dong)
，當(dang)泄(xie)漏(lou)氫(qing)氣(qi)濃(nong)度(du)達(da)到(dao)保(bao)護(hu)值(zhi)能(neng)自(zi)動(dong)關(guan)閉(bi)，從(cong)而(er)達(da)到(dao)切(qie)斷(duan)氫(qing)源(yuan)的(de)目(mu)的(de)。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。

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並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餘氫氣安全放空。

由於供氫管路內氫氣高壓流動，因此管路的材質選用不鏽鋼
，耐壓要大於35 MPa。溢流閥在係統正常工作時，閥門關閉。隻有負載超過規定的極限( 係統壓力超過調定壓力)時開啟溢流閥
，進行過載保護，使係統壓力不再增加( 通常使溢流閥的調定壓力比係統最高工作壓力高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

ranliaodianchiqichecunzaigaoyaqitirongqihegaodianyadianchi，yincitayecunzaibutongyuchuantongqichedeanquanpengzhuangxingwenti
，tongshiyouyuqingdegezhongneizaitexing，qianquanxingyeshiyixiangtiaozhan。文獻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，氫的燃燒範圍很寬，且著火點很低


，氫氣火焰幾乎是看不到的
，因為在可見光範圍內，燃燒的氫放出的能量很少。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］基於顯式有限元理論，按照CMVDR294 法(fa)規(gui)對(dui)國(guo)內(nei)自(zi)主(zhu)開(kai)發(fa)的(de)某(mou)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)轎(jiao)車(che)進(jin)行(xing)正(zheng)麵(mian)碰(peng)撞(zhuang)分(fen)析(xi)，對(dui)比(bi)分(fen)析(xi)兩(liang)種(zhong)氫(qing)氣(qi)罐(guan)保(bao)護(hu)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)方(fang)案(an)的(de)計(ji)算(suan)結(jie)果(guo)，提(ti)出(chu)了(le)安(an)全(quan)有(you)效(xiao)的(de)氫(qing)氣(qi)罐(guan)保(bao)護(hu)方(fang)案(an)
，即(ji)氫(qing)氣(qi)罐(guan)保(bao)護(hu)係(xi)統(tong)采(cai)用(yong)整(zheng)體(ti)式(shi)設(she)計(ji)。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。縱梁截麵為“Π”形，由幾塊板材拚焊而成，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。

圖2 氫氣罐保護係統

4 汽車發生氫氣泄露時的安全性分析

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，而不像汽油揮發後

，滯留在空間中不易疏散。

邁阿密大學的MICHAEL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，然後做泄漏點火試驗
，如圖3 所示。點火3 s 後，高壓氫氣產生的火焰直噴上方
，而汽油由於比空氣重，則從汽車的下部著火。到1 min 時，氫氣作燃料的汽車隻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。

圖3 燃料電池汽車和汽油汽車的燃燒對比試驗

如(ru)果(guo)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)汽(qi)車(che)發(fa)生(sheng)車(che)內(nei)氫(qing)氣(qi)泄(xie)露(lu)

，也(ye)存(cun)在(zai)一(yi)定(ding)的(de)危(wei)險(xian)性(xing)
，劉(liu)延(yan)雷(lei)對(dui)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)汽(qi)車(che)內(nei)氫(qing)氣(qi)泄(xie)露(lu)擴(kuo)散(san)進(jin)行(xing)數(shu)值(zhi)模(mo)擬(ni)研(yan)究(jiu)
，考(kao)慮(lv)了(le)氫(qing)氣(qi)在(zai)車(che)內(nei)泄(xie)露(lu)擴(kuo)散(san)後(hou)的(de)危(wei)險(xian)區(qu)域(yu)分(fen)布(bu)，研(yan)究(jiu)結(jie)論(lun)可(ke)以(yi)為(wei)車(che)內(nei)預(yu)警(jing)用(yong)氫(qing)氣(qi)泄(xie)露(lu)報(bao)警(jing)儀(yi)的(de)放(fang)置(zhi)( 見圖4) 以及燃料電池汽車的安全設計提供參考。在(zai)車(che)內(nei)發(fa)生(sheng)氫(qing)氣(qi)泄(xie)露(lu)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)
，整(zheng)車(che)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)能(neng)通(tong)過(guo)車(che)上(shang)安(an)裝(zhuang)的(de)氫(qing)氣(qi)傳(chuan)感(gan)器(qi)信(xin)號(hao)將(jiang)氫(qing)氣(qi)供(gong)應(ying)係(xi)統(tong)切(qie)斷(duan)，這(zhe)一(yi)點(dian)與(yu)傳(chuan)統(tong)汽(qi)車(che)在(zai)發(fa)生(sheng)碰(peng)撞(zhuang)情(qing)況(kuang)下(xia)自(zi)動(dong)切(qie)斷(duan)油(you)路(lu)係(xi)統(tong)一(yi)樣(yang)，以(yi)保(bao)障(zhang)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)汽(qi)車(che)發(fa)生(sheng)車(che)內(nei)氫(qing)氣(qi)泄(xie)露(lu)時(shi)的(de)安(an)全(quan)。

圖4 氫氣泄露報警儀位置布置示意圖

5 結論

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fa現xian氫qing安an全quan的de問wen題ti在zai國guo際ji上shang已yi有you較jiao多duo的de理li論lun性xing研yan究jiu，尤you其qi是shi儲chu氫qing和he車che載zai高gao壓ya氫qing氣qi係xi統tong設she計ji方fang麵mian的de研yan究jiu較jiao多duo，但dan是shi氫qing安an全quan的de實shi驗yan卻que很hen少shao
，且qie還hai不bu能neng實shi現xian量liang化hua。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wei了le消xiao除chu這zhe個ge瓶ping頸jing帶dai來lai的de負fu麵mian影ying響xiang，今jin後hou我wo國guo要yao加jia強qiang車che載zai氫qing安an全quan研yan究jiu，包bao括kuo實shi驗yan研yan究jiu和he計ji算suan機ji模mo擬ni研yan究jiu等deng，同tong時shi設she計ji更geng有you效xiao的de安an全quan措cuo施shi
，保bao障zhang燃ran料liao電dian池chi汽qi車che的de氫qing安an全quan
，以yi加jia速su燃ran料liao電dian池chi汽qi車che的de發fa展zhan。