深度| 氫燃料電池汽車各環節安全性剖析

2020-11-22 搜狐網

作為未來汽車技術主要方向之一，國內多家車企正在發足馬力強化氫燃料電池的發展：包括上汽集團、宇通客車、福田汽車、中植集團等多家車企。

而大洋電機更是豪擲13.4億投氫燃料電池項目，引發氫能源項目開發投資的熱潮。

甚至有人預言氫燃料電池車將引領汽車行業下一場革命，但是高壓儲氫瓶以及氫的爆燃效果，還是讓人會對氫燃料電池車產生了疑慮：它安全麼？會爆炸麼？

氫氣作為新興能源其安全應用已經十分成熟，現有的燃料電池車輛安全設計可以有效解決氫氣洩露問題，並降低汽車劇烈碰撞等各種場合下發生氫氣爆炸的可能。與燃油車和鋰電池車相比，燃料電池車的安全係數很值得信賴。

氫燃料電池車的安全性，不只是氫燃料電池安不安全的問題，實際上氫燃料電池車從設計研發到量產運行，已經形成了一個較為完備的科學體系。

讓我們從氫氣的特性、儲運過程、燃料電池車輛的安全設計、事故和極端情況下的車輛安全、加氫設施的安全規範等角度來看它的安全性吧。

從氫氣的特性上來看：

「擴散快，不易形成可爆炸氣霧，且其洩露能量和爆炸當量較低」

氫氣的特性

☑ 洩露性

洩露速度快於常見燃料，但洩露總能量不高。

☑ 擴散力

具有很高的擴散係數和浮力，洩漏時可迅速降低濃度。

☑ 爆炸性

爆炸極限範圍寬，但爆炸能很低且不產生濃煙和灰霾。

☑ 氫脆現象

會引起金屬脆化裂紋，可以選用合適的材料防護避免。

在許多情況下，氫比我們目前用來驅動的汽車燃料更安全。作為液體，碳基燃料一旦洩露就會流動散布開來。

當傳統燃料燃燒時，會產生灰燼，同時輻射大量的熱。然而氫卻不是這樣。氫燃燒時不產生熱的灰燼，很少輻射熱量。

更重要的是，當氫氣洩漏時，它不是流動開來，而是迅速揮發散布在大氣中，所以它幾乎沒有時間來燃燒。

從氫氣的儲運過程上來看：

「氫氣作為工業氣體已經有很長的使用歷史，安全規範完整，有標準的操作規程」

氫氣的儲運

☑ 運氫的方式主要分為氣氫拖車運輸、氣氫道運輸和液氫罐車運輸。

從現階段加氫站對運輸距離（500Km,200Km為宜）和運輸規模 （10噸/天)的需求來看，氫氣最佳的運輸方式仍是氣氫拖車。

☑ 氣氫拖車系統的運行過程如下

空載氣氫拖車在集中制氫廠加氫到滿載，然後車輛行駛到加氫站，直接卸下車上管狀儲存容器作為加氫站的存貯設備，同時拾起原本位於加氫站的"空 載"管狀容器，運回集中生產廠開始新一輪的加載。

氣氫拖車安全措施

☑ 氣瓶質量

氣瓶內外表面均經過噴丸處理，並用內窺攝像系統逐只進行內部全面檢查確保不得有任何裂紋狀缺陷存在。

☑ 爆破片裝置

裝在氣瓶的兩端，較安全閥體枳小、重量輕，但密封十分可靠。

☑ 壓力表和溫度計

實時監測氣體壓力和溫度。

☑ 安全聯鎖裝置

裝卸氣過程中嚴禁拖車啟動運行。防止裝卸軟管等連接部位拉斷、氣體洩漏等。

☑ 導靜電裝置

隨時導出運行時及充卸氣時積聚的靜電荷，不至於突然放電而產生電火花。

氫氣的充裝方式

「為了將常溫下將7KPa的氫氣多步壓縮至35MPa甚至更高專供氫氣長管車充裝，整個氫氣充裝工藝十分複雜，包括壓縮機、罐裝系統等各環節都有相應的安全措施。」

☑ 氫氣圧縮機的安全保障

氫氣壓縮機採用控制器進行集中控制，控制系統還設致有各種自動保護功能和故障報警信息顯示功能，可以監控壓縮機各處壓力，一旦壓力超出規定範圍，壓縮機連鎖自動停機以保證安全。

☑ 氫氣充裝系統的安全保障

超壓保護：在氫氣充上設置氫氣超壓洩壓安全閥，避免氫氣充裝系統發生超壓事故。

回流保護：在氫氣上設置氫氣回流閥，域少排放大氣的氫氣量。

放空保護：在充裝排上設置氫氣放空管通，避免形成爆炸性混合氣體。

車輛安全設計

車載供氫系統：設計與材料雙管齊下，實現安全用氫多重保障

「車載供氫系統是燃料電池汽車的重要組成部分，功能主要是為燃料電池系統提供穩定壓力的氫氣，而其安全措施主要從預防與監控兩方面著手。」

☑ 技術設計角度

車載供備系統主要由加注口、單向閥、安全閥、溢流闡、減壓閥、電磁閥、熱溶栓、壓力和溫度傳感器以及氫管路等零部件組成.其不僅具備過溫保護、低壓報警，過壓保爐、過流保護等功能：還考虛到了碰撞安全、氫氣洩漏的控制等。

☑ 零部件製造角度

用於儲存氫氣的氫瓶和系統管路由於氫脆等原因對其要求較高，因此選擇的材料以及保護結構對儲氫系統的安全至關裡要。

儲氫瓶安全嗎

氫氣瓶的設計

☑ 儲氫瓶材料的選擇

採用鋁合金內膽碳纖維纏繞的高壓儲 氫瓶，其重量輕，單位儲氫密度高，具有優良的韌性和抗撞擊性能

☑ 儲氫罐保護

採用整體式設計，整個框架通過3根橫梁和2根縱梁將氫氣集成到一個框架 總成中，保證在碰撞時，高壓儲氫罐的動態位移不會太大，避免斷裂。

☑ 氫系統管路

氫管路中大多採用316不鏽鋼材質的管路，其在氫氣中的拉伸性能、疲勞性和勞裂紋擴展性能出眾，具有較好的氫脆性能。

☑ 燃氣管設計

燃氣管排出氫氣的方向是順延車底部的前後方向，可以保護車艙內不會被火焰殃及。

氫燃料電池整車：

燃料電池整車：擁有嚴格的性能測試與密切的氫氣監控體系

多樣化電池汽車出廠時的安全性和一致性：除了保證車載氫氣系統安全性之外，相關的安全檢測應用到燃料電池汽車動力系統的開發方面。燃料電池汽車在出廠之前就要做多次安全性測試。

密切的監控體系確保燃料電池車在實際運行時的安全性，根據不同的要求，在燃料電池車上對氫氣傳感器類型、數量以及布致的位置均有一定的要求。

燃料電池車氫氣傳感器核心感應元件都使用鉑金製造，穩定性高。

一般來說，出於對安全性能考慮，燃料電池車總共要求安裝4個氫氣傳感器，而所有傳感器信號需直接傳送到儀錶盤的醒目位置，及時通知駕駛員。

極端情況下的車輛安全

國內外著名的燃料電池車廠商都針對儲氫瓶的安全性在各類條件下做了多方面實踐測試，多角度的展示了氫氣儲備和使用技術下氫能的安全性是十分有保障的。

在豐田內部的氫燃料洩露測試中，與汽油車相比，氫燃料汽車具備更高的安全可靠性。

通過實際的安全試驗和模擬，不難看出氫氣實際上有著可以與傳統燃油比肩的安全性，甚至更加安全。氫氣爆炸的現象很難在現實中出現。

除了以上問題之外，還有一個至關重要的問題：加氫站是構建未來燃料電池汽車網絡的重要環節

加氫站的安全設計需要抿據加氫站自身的設備組成和加氫模式建立相應的技術規範。

世界上已經有10多個國家制定了加氫站法規，包括日本、美國、英國等。

我國也於2010年頒布了 《加氫站技術規範》（GB50516-2010)其中的標準和要求等主要參考了制氫站的標準，結合原有的《建築設計防火規範》，共同對國內加氫站建設起到了指導作用。

加氫裝置安全：加氣搶連接到車的加氣口後被電磁機構鎖住，安全性和電動車充電接頭的水平相當，在給氣瓶充氣時，可有效防止氣體進入電池。

值得一提的是，日本最新法律規定，用戶不允許自己操作加氫設備，而應由專業工作人員完成加氫工作，也是出於防止事故犮生的考慮。

加氫站內存儲的大量高壓氫若發生池漏，極易形成大規模可燃氣雲， 一經點燃便會引發劇烈的爆炸事故，是最主要的安全威脅。

國內研究機構有對於加氫站高壓氫氣洩漏爆炸進行模擬研究，對於防爆區域劃分、事故防範控制措施制定等方面都具有指導和檢驗意義。

由於氫氣擴散速度快，即使發生洩露也主要是垂直上升擴散，不會蔓延到周邊地區。

且在可燃氣雲被引燃爆炸的情況下，只要站內設施的布置符合安全距離規定，防爆牆設置合理，可以確保事故範圍和影響在有限範固內，說明加氫站建設規範合理有效，能夠保障整體安全性。

在充分考慮氫氣特性的前提下，氫燃料電池車，有防彈級別的儲氫瓶、有科學嚴密的運輸方式以及安全可靠的加氫設施做保障，有效解決氫氣洩露問題，並降低汽車劇烈碰撞等各種場合下發生氫氣爆炸的可能。

與燃油車和鋰電池車相比，燃料電池車的安全係數很值得信賴。

文章來源：全球氫能燃料技術大會暨展覽會

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