中國儲能網(wǎng)訊：目前，隨著環(huán)境污染和能源短缺等問題的日益突出，新能源汽車成為了各大汽車產(chǎn)商和研發(fā)機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)研究對象。
其中，燃料電池汽車因其燃燒效率高，燃燒產(chǎn)物綠色無污染等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具潛力的新能源汽車之一，得到了行業(yè)的廣泛關(guān)注。
然而，燃料電池汽車的商業(yè)化進(jìn)程緩慢，受到關(guān)鍵材料價格成本、加氫站普及程度和安全性能等多方面因素限制。其中，安全性能的影響尤為突出。
氫的各種內(nèi)在特性，決定了氫能系統(tǒng)有著不同于常規(guī)能源系統(tǒng)的危險特征，比如易燃、易泄漏、擴(kuò)散性、爆炸性和氫脆等。對于燃料電池汽車，整車、車載氫系統(tǒng)以及燃料電池系統(tǒng)均存在泄漏和爆炸等風(fēng)險。
本文基于對燃料電池汽車整車、系統(tǒng)和關(guān)鍵部件的理解，依托國家氫能動力質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的相關(guān)實(shí)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對燃料電池汽車運(yùn)行過程中的典型場景進(jìn)行提取，分析包括道路行駛、氫氣加注、停車、駐車等場景的運(yùn)行安全問題。
梳理燃料電池汽車運(yùn)行安全性能特征，從燃料電池系統(tǒng)、車載氫系統(tǒng)、燃料電池整車三層級分析在用燃料電池汽車運(yùn)行安全性能關(guān)鍵要素，提取氫電安全等關(guān)鍵要素核心檢測參數(shù)；研究在用燃料電池汽車運(yùn)行安全性能檢驗(yàn)及評價技術(shù)，研究快速檢驗(yàn)方法與檢驗(yàn)工具，確立在用燃料電池汽車定期檢驗(yàn)流程，構(gòu)建在用燃料電池汽車運(yùn)行安全性能檢驗(yàn)技術(shù)體系。
燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行安全性能分析
在燃料電池汽車運(yùn)行過程中，燃料電池系統(tǒng)作為車輛動力性能的提供源，具有氫氣流量大、產(chǎn)熱較多和輸出高電壓高電流等工作特點(diǎn)，其安全性能涉及到機(jī)械、電氣、熱和化學(xué)等多種因素；同時，車輛行駛中還會受到振動沖擊和冷熱雨塵等環(huán)境影響。
因此，需要對控制系統(tǒng)及其保護(hù)部件、子系統(tǒng)核心部件、外殼管路及連接件等方面提取運(yùn)行安全要素，開展燃料電池系統(tǒng)性能特性、氫氣泄露、絕緣強(qiáng)度、故障/異常保護(hù)等方面的快速、精準(zhǔn)檢驗(yàn)技術(shù)研究。
對于燃料電池電堆的運(yùn)行安全性能，需要對電堆復(fù)雜的電化學(xué)內(nèi)部環(huán)境及振動、沖擊、灰塵、雨淋、環(huán)境溫度大幅度變化等外部環(huán)境條件進(jìn)行綜合考慮，提取燃料電池電堆運(yùn)行安全要素。
氫燃料電池汽車所使用的電堆因具有純電動汽車、混合動力汽車所使用的動力蓄電池的電氣特征，即“通過輸出電量驅(qū)動電動機(jī)工作從而促使車輛前進(jìn)”，從而使很多安全試驗(yàn)項(xiàng)目都可以參考電動車用儲能系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
1.1
性能特性
燃料電池系統(tǒng)隨著車輛的使用會不可避免的出現(xiàn)性能衰減，進(jìn)而影響整車的性能與安全性，因此有必要對燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行性能特性檢測。
燃料電池系統(tǒng)性能包含穩(wěn)態(tài)性能、啟動性能和動態(tài)性能。
其中，穩(wěn)態(tài)性能主要為系統(tǒng)的額定功率，如果燃料電池系統(tǒng)在運(yùn)行一段時間后功率達(dá)不到出廠時的額定功率，說明系統(tǒng)衰減較大，應(yīng)對系統(tǒng)進(jìn)行維修或更換；啟動特性主要是低溫冷啟動特性，主要指標(biāo)參數(shù)有冷啟動溫度與啟動時間；動態(tài)性能主要為加減載響應(yīng)時間，加減載范圍為10%-90%額定功率。
圖1 燃料電池發(fā)動機(jī)性能特性試驗(yàn)示例
1.2
發(fā)動機(jī)系統(tǒng)氫氣泄露
氫的各種內(nèi)在特性，決定了氫能系統(tǒng)有不同于常規(guī)能源系統(tǒng)的危險特征，比如易燃、易泄漏、擴(kuò)散性、爆炸性、氫脆等。燃料電池系統(tǒng)作為氫氣的消耗端，在氫氣使用過程中也存在一定的泄漏風(fēng)險。
因此，燃料電池堆的氫安全設(shè)計方面，其包裝內(nèi)部的通風(fēng)設(shè)計以及氫泄漏的在線監(jiān)測設(shè)計也需著重考慮。
在氣密性方面，燃料電池堆需保證無泄漏并通過出廠前的氣密檢測等實(shí)驗(yàn)測試內(nèi)容在完成密封性檢查外，運(yùn)行過程中監(jiān)控器工作電壓的變化也是不可或缺的。
如果燃料電池堆中的質(zhì)子交換膜發(fā)生破損后，會出現(xiàn)氫氣泄漏到空氣腔或空氣泄漏到氫氣腔中的現(xiàn)象，在催化劑的作用下，會在泄漏的局部發(fā)生燃燒，對燃料電池堆的安全造成威脅。當(dāng)發(fā)生膜泄漏氫氣與空氣混合后，會引起電壓降低，可以通過檢查單個電池的電壓進(jìn)行判斷。
圖2 燃料電池系統(tǒng)氫氣泄漏檢測
1.3
絕緣性能
在通過循環(huán)冷卻水冷卻燃料電池堆的燃料電池系統(tǒng)中，由于有離子析出到冷卻水中，冷卻水的導(dǎo)電率會隨著時間上升，導(dǎo)致燃料電池產(chǎn)生的電流在冷卻水中流動，進(jìn)而引發(fā)燃料電池系統(tǒng)漏電、短路等故障。另外，燃料電池其他高壓線路或部件會隨著時間老化。
因此有必要對燃料電池系統(tǒng)的絕緣性能進(jìn)行檢測。
圖3 燃料電池系統(tǒng)的絕緣性能
燃料電池車載氫系統(tǒng)運(yùn)行安全性能分析
燃料電池汽車車載氫系統(tǒng)作為燃料電池汽車的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)了氫氣的加注、儲存與供應(yīng)。
車載氫系統(tǒng)需滿足燃料電池用氫技術(shù)要求，同時要結(jié)合儲氫瓶、供氫管路及控制系統(tǒng)的功能要求、安全要求等，對燃料電池汽車的車載氫系統(tǒng)的運(yùn)行安全進(jìn)行綜合分析。通過分析，提取包括氫甁溫度傳感器、加氫口、氣瓶安全閥等部件安全關(guān)鍵要素，建立燃料電池汽車車載氫系統(tǒng)運(yùn)行安全關(guān)鍵參數(shù)體系。
2.1
氫氣泄漏量（儲氫容器）
燃料電池車是以氫氣代替?zhèn)鹘y(tǒng)石油作為動力能源的車輛，利用氫氧反應(yīng)在催化劑的推動下高效地放出能量和產(chǎn)出大量的水，對環(huán)境實(shí)現(xiàn)零污染、零排放，是一種非常符合可持續(xù)發(fā)展理念的理想交通工具。但是氫氣分子小，極易擴(kuò)散，而且其爆炸極限在4%～74.2%之間，范圍較大，一旦出現(xiàn)泄露，極易造成爆炸危險，造成無可挽回的后果。
圖4 儲氫系統(tǒng)中的氫氣探測器
2.2
氫瓶溫度、壓力傳感器
氫氣易燃易爆，因此溫度上的控制非常重要。
對此可以運(yùn)用溫度傳感器監(jiān)控溫度有效地測出氫氣瓶內(nèi)的溫度并在駕駛室內(nèi)的儀表上顯示出，通過氣體溫度的變化判斷外界是否有異常情況發(fā)生。如果氣體溫度突然急劇上升，若非溫度傳感器故障，則在氣瓶周圍可能有火警發(fā)生，可通過氫系統(tǒng)控制器立即報警；另一方面，瓶閥上裝有壓力傳感器監(jiān)控瓶內(nèi)壓力，在加氫過程中提醒加氫員，以及在氫氣剩余量低時及時提醒駕駛員加氫。
2.3
加氫口
燃料電池汽車在加氫站通過加氫口將氫氣加注存儲在高壓儲氫罐中，加氫口在加注時與加氣機(jī)的加氣槍相連，以達(dá)到加注的目的。
其安裝位置（不應(yīng)位于乘客艙、行李艙和通風(fēng)不良的地方）和高度要考慮安全防護(hù)要求以方便加氫操作，同時加氫口應(yīng)具有單向閥以及顆粒過濾功能，應(yīng)與未遮蔽的電氣接頭、電氣開關(guān)和其他點(diǎn)火源保持至少200 mm的距離。單向閥在加氫口或供氫管路出現(xiàn)損壞情況下防止氣體向外泄漏并提高加氫口的使用壽命。減壓閥可以將氫氣的壓力調(diào)節(jié)到電池所需要的壓力。當(dāng)出現(xiàn)危險時，針閥可以將氫氣瓶中的殘余氫氣安全放空。
此外，加氫通訊裝置包括用于獲得氫燃料電池汽車的儲氫罐參數(shù)和目標(biāo)位置氫濃度的控制器。
用于與加氫站信號連接的發(fā)射器與控制器連接，控制器能夠?qū)涔迏?shù)和目標(biāo)位置氫濃度發(fā)送給發(fā)射器，將儲氫罐參數(shù)和目標(biāo)位置氫濃度發(fā)送給加氫站；當(dāng)儲氫罐參數(shù)在目標(biāo)范圍內(nèi)以及目標(biāo)位置氫濃度小于目標(biāo)氫濃度時，加氫站向儲氫罐加氫；當(dāng)儲氫罐參數(shù)位于目標(biāo)范圍以外或目標(biāo)位置氫濃度大于目標(biāo)氫濃度時，加氫站停止向儲氫罐加氫。需要加氫時，加氫站的加氫槍與儲氫罐的加氫口進(jìn)行對插；加氫站能夠根據(jù)儲氫罐參數(shù)和目標(biāo)位置氫濃度控制加氫過程的通斷，從而提高安全可靠性，降低加氫過程的安全風(fēng)險。
圖5 燃料電池車加氫口
2.4
氣瓶安全閥
氣瓶安全閥對供氫系統(tǒng)提供了安全保障，當(dāng)儲氫瓶氫氣壓力超過設(shè)定值后能自動泄壓。如瓶體溫度由于某種原因突然升高造成瓶內(nèi)氣體壓力升高，當(dāng)壓力超過安全閥設(shè)定值時，安全閥則會自動泄壓，保證氣瓶在安全的工作壓力范圍之內(nèi)。
圖6 氣瓶安全閥
2.5
氫系統(tǒng)故障
燃料電池汽車的燃料是氫氣，由于氫氣本身的特性，使得燃料電池汽車氫系統(tǒng)的安全性成為人們首先關(guān)心的問題。因此，為了燃料電池汽車的推廣和使用，有必要對燃料電池汽車的氫系統(tǒng)安全性進(jìn)行研究。
氫系統(tǒng)是燃料電池汽車上動力系統(tǒng)的重要組成之一，其主要功能是為燃料電池系統(tǒng)供給反應(yīng)所需的氫氣，氫管理系統(tǒng)除應(yīng)具備正常檢測、通訊功能外，還應(yīng)具備可以實(shí)時檢測各傳感器、電磁閥、蜂鳴器等是否發(fā)生故障的功能。
圖7 儀表盤報警顯示
燃料電池整車運(yùn)行安全性能分析
由于氫氣具有易燃、易爆的特點(diǎn)，氫燃料電池汽車的安全性大多都與氫氣的排放和泄露密切相關(guān)。關(guān)于燃料電池整車運(yùn)行安全性能分析，主要對氫氣泄露量、氫氣排放濃度、氫氣濃度報警裝置、防靜電裝置這4個因素進(jìn)行闡述。
針對氫燃料電池汽車中氫氣的安全特殊性及傳統(tǒng)汽車的安全檢驗(yàn)方法體系對燃料電池汽車不適用等問題，分析整車氫安全（氫氣排放、氫氣泄漏、氫氣濃度報警）、防靜電裝置等燃料電池汽車安全運(yùn)行性能檢驗(yàn)關(guān)鍵項(xiàng)目，針對提取的關(guān)鍵性能參數(shù)，建立燃料電池汽車運(yùn)行安全性能關(guān)鍵指標(biāo)檢驗(yàn)技術(shù)體系。
圖8 燃料電池汽車結(jié)構(gòu)圖
3.1
氫氣泄漏量
燃料電池汽車在啟動、行車、停車以及關(guān)閉等操作中不可避免地會泄露或排放出少量氫氣。由于氫氣是易燃易爆氣體，存在安全隱患，因此必須要考慮氫泄露量是否滿足標(biāo)準(zhǔn)。
一般而言，外漏至外界環(huán)境的氫濃度應(yīng)小于75% LFL，乘客艙、其他艙中氫氣濃度應(yīng)該低于50% LFL。當(dāng)氫泄漏傳感器檢測到濃度大于該值時，車輛必須發(fā)出危險提示并提醒司機(jī)。
如果發(fā)生泄露，氫氣會迅速擴(kuò)散。在戶外，氫的快速擴(kuò)散對安全是有利的。然而在相對密閉的空間內(nèi)，氫的擴(kuò)散則需要具體問題具體分析。如果泄露量很小，氫氣會快速與空氣混合，保持在著火點(diǎn)之下；如果泄露量很大，快速擴(kuò)散會使得混合氣很容易達(dá)到著火點(diǎn)，不利于安全。因此，最大的潛在風(fēng)險是在密閉的車庫內(nèi)氫氣發(fā)生緩慢泄漏，逐漸累積導(dǎo)致著火或爆炸。
針對燃料電池乘用車，可進(jìn)行密閉艙氫氣泄漏快速精準(zhǔn)測試；針對商用車，可進(jìn)行高進(jìn)度、多點(diǎn)位、實(shí)時氫氣泄漏量測試。
綜上，實(shí)時監(jiān)測氫氣泄露量在一個相對安全的范圍內(nèi)，防患于未然，是非常有必要的。
3.2
氫氣排放濃度
燃料電池汽車在起動、行車、停車、關(guān)閉等常規(guī)操作過程中，為了排出氫氣管路中蓄積的水，需要進(jìn)行排氣操作，在此過程中不可避免地會出現(xiàn)氫氣溢出情況，為了保證安全，必須確保排出的氣體氫濃度低于可燃值。
因此，可分別針對燃料電池乘用車與商用車進(jìn)行怠速狀態(tài)下和對應(yīng)車型工況下的氫氣排放檢測。
圖9 氫氣排放檢測
3.3
氫氣濃度報警裝置
氫泄露檢測報警系統(tǒng)能實(shí)時監(jiān)測氫氣濃度，并在達(dá)到報警閥值時對外CAN通信告警，以便燃料電池控制系統(tǒng)及整車控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的安全保護(hù)措施。設(shè)置2個高靈敏度氫氣濃度檢測傳感器，分別布置于加注單元艙上部和儲氫瓶艙空間正上方，設(shè)計以下分級報警策略：
1. 當(dāng)氫氣濃度達(dá)到0.4%時發(fā)出一級報警，提醒注意并要求及時返廠檢查；
2. 當(dāng)氫氣濃度達(dá)到1%時發(fā)出二級報警，燃料電池系統(tǒng)主動關(guān)閉并提醒立即檢查；
3. 當(dāng)氫氣濃度達(dá)到2%時發(fā)出三級報警，整車高壓安全下電保護(hù)并提醒立即檢查。
圖10 氫氣濃度報警裝置檢測
3.4
防靜電裝置
氫氣屬于火災(zāi)危險性為甲類的易燃?xì)怏w，具有易燃易爆的特性。一旦點(diǎn)燃，燃燒速度極快，燃燒熱值高。
因此，在燃料電池車的使用中，一旦在氫氣的制取、儲存及裝卸過程中發(fā)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(fā)生爆炸，十分危險。
在高壓作用，泄漏時氫氣從管口或縫隙處高速噴出會產(chǎn)生靜電，靜電荷的產(chǎn)生與其噴出時的流速存在同比關(guān)系，當(dāng)靜電荷達(dá)到一定值時也會引發(fā)火災(zāi)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(fā)生靜電積聚放電現(xiàn)象，這會成為氫氣火災(zāi)爆炸事故的引火源，當(dāng)儲罐及輸氣管道的接地裝置發(fā)生故障時，極易引發(fā)火災(zāi)及爆炸事故。
因此，采用氫氣作為燃料的電池汽車其火災(zāi)事故的防范重點(diǎn)就是氫氣的泄漏及防靜電。
圖11 防靜電裝置
結(jié)語
本文基于對燃料電池汽車整車、系統(tǒng)及關(guān)鍵部件的理解，對燃料電池汽車運(yùn)行過程中的典型場景進(jìn)行提取，分析包括道路行駛、氫氣加注、停車、駐車等場景的運(yùn)行安全問題，梳理燃料電池汽車運(yùn)行安全性能特征，構(gòu)建燃料電池系統(tǒng)、車載氫系統(tǒng)、燃料電池整車三層級12項(xiàng)氫電安全等關(guān)鍵要素核心檢測參數(shù)，研究燃料電池汽車運(yùn)行安全性能檢驗(yàn)及評價技術(shù)體系。
如圖12所示，該體系建立了高效、合理的燃料電池汽車定期檢驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車年檢的信息化、合理化及智能化，為燃料電池汽車的差異化年檢奠定基礎(chǔ)。
圖12 燃料電池汽車運(yùn)行安全性能檢驗(yàn)技術(shù)體系
