燃料电池汽车(FCVs)具有很多优点,如充气时间短、零排放、长续航等,且动力性能明显增强,是新能源汽车强劲的竞争对手。目前,日本FCVs技术较为成熟,产业链基本完善,而我国也开始重视氢能发展,并在燃料电池领域形成了全新的研究格局。
作为FCVs动力源,氢气本身易爆、易挥发,因此人们对于汽车车载氢系统的安全性提出了疑问。联合国欧洲经济委员会为对各国安全技术要求进行协调,使得公众对FCVs更加认可,成立了专项工作组,起草了全球技术法规GTRNO.13《氢燃料电池汽车全球技术法规》,在该技术法规中对氢燃料电池汽车的安全性作出了明确规定。
燃料电池汽车车载氢系统所面临的危险源主要是着火和爆炸,因此电动汽车安全要求相关内容也可用于FCVs。本文将着重对车载氢系统安全问题进行分析。
燃料电池汽车车载氢系统安全问题分析
氢能安全性分析
氢能所面临的安全问题较多,如易挥发、易燃易爆、氢脆等等。但这一系列安全隐患的发生都需要基于特定条件,只要能够对必要条件进行有效控制,就能够在使用时避免氢气安全隐患。例如,氢气爆炸条件为体积密度达到4.0%~75.6%,即当空气中氢气体积浓度在4%~75.6%范围内时,一旦遇火源就会发生爆炸。当氢气体积浓度不在上述范围内时,即便接触火源也不会发生爆炸。
实际上,空气中氢气含量较低,仅为0.5ppm,其密度仅为空气的7%,氢气密度相较于天然气、汽油、丙烷等,浮力大、扩散性强、易挥发,因此在氢气很难在空气中聚集,与汽油易滞留特性不同,即便是发生泄漏,氢气也能迅速通过横向移动扩散,美国Swain博士为对比氢气与汽油的安全性,曾做过泄漏点火试验:两辆汽车燃料分别为氢气和汽油,在人为操作燃料泄漏后点火,3s后可见氢气燃烧所产生的火焰直喷向上,而汽油则从汽车底部开始燃烧;1min后燃烧仅发生在FCVs氢气泄漏部分,车身并无严重损坏;而汽油车则完全烧光。可见,FCVs车载氢系统较汽油车相比,安全性更高。
燃料电池汽车车载氢系统安全问题分析
图 燃料电池汽车氢燃料系统结构示意图
如上图所示,氢气瓶的安装主要是以续航里程为依据,在每个氢气瓶口都设有瓶阀,内置温度传感器,而在瓶阀外还安装有高压传感器。而高压传感器的安装位置可以随意选择,主要是因为气瓶外管路相通。一般情况下,燃料电池汽车约6~8个氢气瓶,每3~4个氢气瓶为一组,每组安装1个高压传感器。
在氢气传输系统管路上,由总阀、减压阀、压力开关、抵押传感器等组件构成,其中总阀主要作用是对整个管路的通断进行控制;减压阀主要是为控制氢气瓶总压力,使其保持在规定压力范围内;压力开关则是为了确保管路压力超预警;抵押传感器则主要是对氢氧燃料反应的压力进行监测。而H2传感器则主要是对车厢内氢气浓度进行监测,为系统判断是否出现氢燃料泄漏提供数据支持。
燃料电池汽车车载氢系统安全性
1、储氢系统安全
燃料电池汽车(FCVs)储氢系统包括加氢系统和车载储氢系统两部分,因此FCVs储氢系统的安全性也将从这两方面进行分析。在加注高压氢气时,氢气瓶温度会瞬时升高,所以在加注时采用了多种策略联合使用的方法,包括氢气预冷、升温控制、分级优化等。
以往储氢罐材料主要采用的是304不锈钢或铬钼钢,但是这类材料重量较大,无法满足FCVs轻量化要求。
梅赛德斯奔驰GLCF-Cell所采用的储氢罐型号为挪威HexagonⅣ型,安装于车辆底板和车桥间的碰撞保护区内,周围辅助车架也形成屏障,有效保护一大一小两个储氢罐。储氢罐材料为碳纤维外壳,可储氢4.4kg,且储氢压力为全球标准70MPa,充满氢燃料仅需3min。
本田Clarity储氢罐采用的是Type3型,为铝合金内衬材质,符合国际技术标准GTRNO.13相关技术要求。
丰田MIRAI储氢罐数量缩减为2个,旧款FCVs则有4个储氢罐。同时,MIRAI储氢罐体积变小,安置于后排座椅下方,其由三层混合材料结构组成,最外层为抗冲击性较强的玻璃纤维增强塑料(GFRP);中层为碳纤维增强塑料(CFRP),这种材料具有较强的抗压性;内层为塑料内胆,主要作用是密封空气;储氢罐两端为环形保护层,耐摔耐火性能较强。通过对CFRP层进行优化,并合理降低材料用量,储氢罐重量实现了大幅度下降。
现代公司在储氢罐技术上具有自主研发能力,现代NEXO3个储氢罐大小相同,使用了碳纤维制造的新型材料,抗渗性优良,可以长时间承受高温。
燃料电池汽车车载氢系统安全问题分析
2、供氢系统安全
FCVs供氢系统主要由高压储氢罐、减压阀、稳压罐、传感器、压力调节阀以及各种管路组成。
梅赛德斯奔驰GLCF-Cell碰撞传感器一旦监测到发生重大事故,氢气瓶罐阀和主氢气阀将会在几毫秒内关闭,使氢气瓶内压力从70MPa降至1~1.2MPa;而另一个压力调节阀位于燃料电池组入口,在发生事故时氢侧燃料电池组压力将会被降至0.1~0.3MPa。以此来确保即便发生事故也不会发生氢泄漏情况。
本田Clarity重新设计和压缩了各个组件,包括调节器、压力传感器、截止阀等,将其作为内置模块,高压供氢系统零件数量大幅度减少,这在很大程度上降低了氢气泄漏的风险。同时,位于各个位置的氢气传感器将会实时对氢气浓度进行监测,一旦发现出现异常情况将会立即关闭截止阀,从而将氢气源切断。
丰田MIRAI在供氢系统中使用铝合金作为高压部件的主体,有效防止供氢管道出现氢脆现象。同时,使用明矾对铝制主体进行处理,确保滑动特定稳定,并减少磨损。此外,为避免高压传感器膜片因氢渗透进而对传感器数据精准性产生影响,MIRAI在高压传感器膜片内表面添加了经过特殊表面处理的薄膜。经检测,添加薄膜后,膜片中情氢固溶体含量减少90%,即便是长期处于高压氢气环境,传感器精度也不受影响。
现代NEXO供氢系统中,采用引射器模式代替原有“循环泵+引射器”方式进行氢循环,供氢系统结构更加简单,供氢安全性得到提升。同时,NEXO供氢系统还具有快速排气功能,一旦车辆发生碰撞,传感器将会立即将排气阀门开启,快速排空内部高压氢气。
3、氢系统安全监控
安全监控系统主要是检测氢气是否泄漏,监控对象包括FCVs发动机、储供氢系统等,监控系统压力、温度等是否存在异常,从而保证燃料电池汽车在加氢和使用过程更加安全。就目前主流FCVs汽车而言,氢系统安全监控系统主要由传感器、控制器组成,其中传感器又涉及到温度传感器、压力传感器、泄漏传感器等。氢系统控制器将会在工作期间对氢瓶、氢气泄漏、整车运行状态等进行监控,一旦出现异常将会自主关闭供氢系统。
(1)监控氢气泄漏
在FCVs中容易出现泄漏和集聚氢气的部位安装泄漏传感器,如燃料电池发动机系统、乘客舱、储氢瓶等位置,以实现对车内氢含量的实时监测,一旦发现氢含量异常,将会立即采取响应预案,确保车内乘客安全。而且,当传感器检测到氢气泄漏浓度超过爆炸下限的10%、25%和50%时,监控器将会发出Ⅰ~Ⅲ级相应等级的警报信号,氢气泄漏控制措施如下图所示。
燃料电池汽车车载氢系统安全问题分析
图  燃料电池汽车车载氢系统氢气泄漏控制措施
(2)氢气加注安全监控
在FCVs加氢时,氢系统监控器一旦监测到氢瓶内压力超过预设最高值,或未达到最低要求时,将会立即发送压力异常报警信号,整车系统将会停止向氢瓶内加氢。此外,加氢枪上安装有传感器,可对温度和压力进行实时监控。
(3)氢瓶温度监控
氢系统控制器在进行温度检测时,发现气瓶温度过高或过低,都会立即将电磁阀关闭,然后向整车管路系统发送温度异常警报,同时向加氢机发送立即结束工作信号,并显示出发生故障的氢瓶的编号,然后通过声光方式向驾驶员发送预警信息,以确保能立即采取相应保护措施。
(4)供氢时管路压力监控
控制器一旦监测到到车载氢系统供氢时压力出现异常,超过或低于最高和最低值,此时电磁阀将会立即被关闭,然后发送管路超压或低压报警信息,请求管路系统立即结束运行,并向驾驶员发送预警信息,以便驾驶员及时采取相关措施。
(5)电气元件短路监控
当FCVs电气元件出现故障,监控器将会发送故障信号,氢系统中全部电磁阀都将被立即关闭,且系统将会断电,并以声光警报方式通知驾驶员。
燃料电池汽车车载氢系统安全问题分析
4、碰撞安全
为确保车辆在发生碰撞时氢系统不被损坏,通常都是设计碰撞安全系统,有效保证氢系统的安全性。为进一步提高 FCVs 碰撞防护能力,在提高关键部位零件防撞能力的同时,通过一系列措施确保碰撞时氢系统不被破坏,具体包括优化氢系统布设位置、固定装置保护、自动断电、自动关闭阀门等。通常高压储氢罐安装在车辆前置顶部,汽车后置顶部则安装燃料电池模块,地板下方安装动力电池。通过车顶管路和后部燃料电池系统,可以与前置储氢罐连接起来,在发生碰撞导致氢气泄漏时,可以将氢气快速排空。燃料电池模块对汽车结构影响不大,将动力电池安装于地板下方则可以保证车身重心。
在燃料电池汽车供氢系统中,高压储氢罐组作为重要的储能部件,同时也存在巨大的安全隐患。比如,一些专用储氢系统固定支架的强度非常大,将高压管路、氢瓶阀和氢瓶罐组集合起来,使用钢带进行支撑,有效保证高压氢瓶在发生碰撞时也不会出现位移,从而避免连接管路在碰撞时出现断裂, 从而引发氢气泄漏。有实验显示,对燃料电池汽车进行带压前碰和零压后碰,氢气瓶和燃料电池均符合相关要求。
此外,汽车碰撞是一个非常复杂的过程, 即便各类零部件设计牢固,但是在碰撞时也可能会造成某部件损坏,从而导致氢气漏泄。因此,为了预防这种情况,可在整车不同部位设计至少 2 个冗余的惯性开关,开关在发生碰撞时被激活,从而向氢系统控制器传送碰撞信号,氢系统控制器则发送关闭储氢阀门信号,及时阻断氢气供应,将氢气泄漏量控制到最低。惯性开关的设计能够检测到任何形式的碰撞,同时也能避免某一个开关发生故障而无法检测到碰撞发生。
结语
综上所述,氢能作为一种清洁能源,尽管具有易燃、易爆、氢脆等安全隐患,但是只要采取有效的防控措施,那么其与汽油汽车相比,燃料电池汽车安全性更高。同时, 经过多年不断实践和规范,燃料电池汽车安全可靠,具有十分广阔的发展前景。而对于燃料电池汽车而言,如何规模化、产业化发展是今后亟待思考的重要问题
文章来源:《新能源汽车》

 

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作者 808, ab