理论教育 燃料电池系统安全问题的探讨

燃料电池系统安全问题的探讨

时间:2023-10-06 理论教育 版权反馈
【摘要】:在安全方面,氢燃料系统需考虑以下因素。在热量方面,PAFC、MCFC、SOFC燃料电池在使用过程中,会产生大量的热量,这些电池目前还没有在电动汽车上使用。PEMFC燃料电池能被许多汽车公司选为电动汽车的电池,其安全方面的优点是主要原因,因为PEMFC电池使用固体电解质,无漏液现象出现,且发热量低。对于电动汽车来说,氢气存储的安全才是最主要的问题。如果不使用排风系统,这种泄漏会对安全造成很大威胁。

燃料电池系统安全问题的探讨

目前,燃料电池的氢气供应主要采用三种方式:第一类是直接式燃料电池,即燃料直接用氢气;第二类是间接式燃料电池,其燃料是通过某种方法(如蒸汽转化)把甲醇、乙醇、汽油等化合物改质成氢或氢的化合物后再供给燃料电池发电;第三类是再生式燃料电池,是指燃料电池反应生成的水,经某种方法分解成氢和氧,再将氢和氧重新输入燃料电池发电。目前正在研究较多的是前两种方式。直接式燃料电池氢气的存储有三种形式,即超绝缘性能液态储氢罐方式、高压储氢罐方式(通用汽车在“氢动3号”电动汽车压力是34.5MPa),以及将氢吸附在金属氢化物或活性炭中形成固体氢化物的方式。目前,三种储氢方法都有试验样车,如迈阿密试验车使用压缩氢气,加利福尼亚公共汽车使用氢化物储存,德国的一些示范公共汽车使用液态氢。在安全方面,氢燃料系统需考虑以下因素。

1.电池自身的安全性

对于AFC、PAFC、MCFC等使用腐蚀液体作为电解质的电池,电池如果出现撞击、挤压,一旦发生漏液,就可能对乘客造成化学伤害。但对于SOFC、PEM-FC等使用固体电解质的电池,就不会有这种现象发生。在热量方面,PAFC、MCFC、SOFC燃料电池在使用过程中,会产生大量的热量,这些电池目前还没有在电动汽车上使用。目前示范车使用的是发热量低的PEMFC燃料电池,如1997年德国奔驰汽车公司和英国汽车公司推出的电动汽车,以及1999年3月美国福特汽车公司和日本丰田汽车公司研制的电动汽车。PEMFC燃料电池能被许多汽车公司选为电动汽车的电池,其安全方面的优点是主要原因,因为PEMFC电池使用固体电解质,无漏液现象出现,且发热量低。

2.燃料的存储

在燃料存储方面,使用甲醇、乙醇、汽油燃料的电动汽车与传统的液体燃料汽车基本上是一致的。对于电动汽车来说,氢气存储的安全才是最主要的问题。

对于高压储氢方式来说,其存储方式与存储压缩的天然气不同,它不能存储在钢制储存罐中,这是出于两方面的原因:一是氢分子会慢慢渗入金属中,使之变脆;二是在储存氢气压力比天然气所使用的压力要大。所以,钢制罐即使制作得再好,依旧可能发生氢气泄漏。泄漏的氢气会与空气组成具有可燃性或爆炸性的混合气体。如果氢气罐发生裂开,又由于氢气在空气中流动的速度很快,会立即在车内形成含有高浓度氢气的混合气体。即使氢挥发得特别快,在开放区域,会形成短时间的混合气体;在封闭区域,则会有更具爆炸力的混合气体形成。

液态氢气只能在低于-253℃的温度下存在,如果没有外部的冷却系统,即使是最具绝缘性的氢气罐也不能维持这种低温。存储在气罐中的液态氢每天有1%~3%的氢气泄漏,具体泄漏量与电动汽车自身的制造水平以及使用电动汽车的情况有关。如果不使用排风系统,这种泄漏会对安全造成很大威胁。这种形式的存储方式,如果出现灾难性气罐裂开,不但会对乘客造成冻伤伤害,而且会形成含有高浓度氢气的混合爆炸性气体,特别是在特殊的情况下,例如在隧道内,会产生更大的危害。

最安全的要属固体氢化物形式存在的氢气,在一定的温度和压力下,把氢吸附在金属合金内,使用时,通过减小温度和压力来放出氢气。但这种形式最大的缺点是太重,这会减小电动汽车的能量利用率;另一个问题是某些合金具有可燃性,如镁-镍合金中的镁。

3.氢气罐的安全(www.daowen.com)

氢气罐自身的安全,是指电动汽车在使用过程中因气温升高或出现意外事故,如碰撞、翻车使氢气罐发生变形、开裂及爆炸。氢气罐的安全威胁主要来自这两个方面:一是碰撞引起罐体的破裂;二是外界温度对氢气罐的影响。

在正常使用情况下,由于目前氢气罐体采用高性能碳复合材料外壳及应用各种保护装甲技术,并且各种压力状态下的储氢罐都通过相应的认证,因此不会有氢气罐破裂的情况发生。如在2002年春季,通用汽车公司的压力达70MPa的储氢罐已获德国技术监督协会的承认,各项技术指标已达到欧洲综合氢计划(EIHP)的规定、美国的NGVZ行业标准及德国对压力罐所规定的指导性规范。在危险工况下,如果储氢罐装在一个安全性能较好的位置,如安装在后轴的前方,大约在后排座椅的下方,在正常的碰撞实验中只要没有硬物直接碰撞到储氢罐上,储氢罐就不会发生破裂,当然,这需要大量实验的进一步证实。例如,通用公司的“氢动3号”曾经在计算机上进行过20次模拟撞击实验,并进行过一次实际撞击实验。在进行撞击实验时,车辆是在几乎满负荷情况下以56km/h的车速按40%的倾斜角度正面撞击一块可变形挡板,这些模拟及实际的各种类型撞击实验(包括正面撞击、侧面撞击和尾随撞击)结果都表明该型号车已达到欧洲的强制性安全标准。

另一个方面是外界温度对氢气罐的影响,电动汽车在正常行驶情况下或危险工况下,当外部温度升高时,罐内的气压也会随着上升,这对氢气罐安全会造成一定的隐患。所以,为减小内部的气压,需安装一个能自动打开的控制阀,当内部气压超过临界值时,需释放一部分氢气以减小内部气压。

4.氢气的泄漏

由于导气通道、氢气罐或电池组壳本身的裂开,会排放出氢气与空气混合成可燃烧气体,从而引起燃烧与爆炸。在汽车防燃防爆体系中最根本的是:任何地方不得有潜在危险气体的聚集;不允许乘客舱及封闭的货舱内的氢气体积分数超过2%;为防止燃烧或爆炸的发生,主要是控制氢气聚集时的浓度。如果有微量氢气逸出,系统便应向驾驶人发出警告;氢气的逸出再高一点的话,系统就应该转到有限功能运行;当测到的氢气达到一定浓度时,控制阀在接收到来自氢气浓度传感器的信号后便应该迅速关闭储氢罐的出气口,停止汽车的运行。另一方面,在可能聚集氢气的位置安装排风装置,以迅速吹散聚集的氢气,避免其浓度处于爆炸范围内。但氢气的泄漏没想象中那样容易发生且易导致事故,从2000年5月开始,本田公司对其研制的FCX-VS燃料电池车进行了一系列的公路汽车碰撞测试。在车速为55km/h的情况下,两辆汽车迎面发生碰撞后,压缩液氢箱完好无损,并没有发生任何泄漏。引用另外一个实例,Minami Coral Cable大学的Dr.Michael R.Swain模拟氢燃料电池汽车与传统汽油汽车的泄漏情况,他同时对两辆汽车点火,来比较两者之间损伤严重程度。结果表明:汽油汽车受到严重损伤,但氢燃料电池汽车没有受到损伤。

5.车库中停车时的安全

在车库中停放车辆时,特别是地下车库,由于环境处于封闭状态,停放时间又较长,且无人看守,燃料电池汽车在这种环境下存在较大的安全隐患。氢气是一种无色无味气体,即使氢气有泄漏,人也难以发觉。当聚集氢气的浓度在爆炸极限范围内时,一旦有点火源出现,就会发生严重的爆炸事件。针对这种情况,除了车辆本身自带的传感器外,在车库中也应该安装传感器,起到报警作用。更为重要的一点是,根据氢气本身的物理特性,在车库中安装通风设备是更好的选择。通风设备不断地把车库中可能泄漏的氢气排放到室外,使室内的氢气浓度永远达不到爆炸范围的下限值。

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