氫燃料供氫系統(tǒng)如何保證安全？
發(fā)布時(shí)間：
2022-05-31
氫能作為一種清潔能源，具有易燃、易爆及氫脆等安全性問題。但這些安全危害的出現(xiàn)都是在一定環(huán)境條件下產(chǎn)生的，只要在使用過程中控制必要條件，就可避免氫氣的危害。例如，氫氣爆炸極限是體積密度達(dá)到4.0%～75%，即氫氣在空氣中的體積濃度在4.0%～75%之間時(shí)，遇火源就會(huì)爆炸，而當(dāng)氫氣濃度小于4.0%或大于75%時(shí)，即使遇到火源，也不會(huì)爆炸。
氫能作為一種清潔能源，具有易燃、易爆及氫脆等安全性問題。但這些安全危害的出現(xiàn)都是在一定環(huán)境條件下產(chǎn)生的，只要在使用過程中控制必要條件，就可避免氫氣的危害。例如，氫氣爆炸極限是體積密度達(dá)到4.0%～75%，即氫氣在空氣中的體積濃度在4.0%～75%之間時(shí)，遇火源就會(huì)爆炸，而當(dāng)氫氣濃度小于4.0%或大于75%時(shí)，即使遇到火源，也不會(huì)爆炸。
通常情況下，氫的密度僅為空氣的7%(一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，0℃下，密度為0.0899g/L)，與汽油、丙烷和天然氣相比，具有更大的浮力(快速上升)、擴(kuò)散性(橫向移動(dòng))和快速揮發(fā)性。空氣中很難聚集高濃度的氫，如果發(fā)生泄漏，氫氣會(huì)迅速擴(kuò)散，特別是在開放環(huán)境中，很容易快速逃逸，而不像汽油揮發(fā)后滯留在空氣中不易疏散。美國邁阿密大學(xué)的Swain博士做過一個(gè)著名的試驗(yàn)，如圖1-1所示。兩輛汽車分別用氫氣和汽油作燃料，然后進(jìn)行泄漏點(diǎn)火試驗(yàn)。點(diǎn)火3秒后，高壓氫氣產(chǎn)生的火焰直噴上方，汽油則從汽車的下部著火;到1分鐘時(shí)，用氫氣作燃料的汽車只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大火球，完全燒光。所以氫氣易揮發(fā)的性質(zhì)，與普通汽油車相比，有利于汽車的安全。
國內(nèi)外對(duì)燃料電池汽車制定了很多標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，其中65%以上的內(nèi)容是針對(duì)安全性的規(guī)定。燃料電池汽車的氫安全性，主要是指燃料電池汽車運(yùn)行過程中車載氫系統(tǒng)的安全，主要包括高壓供氫系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的安全性等。目前，為了保證車載氫系統(tǒng)的安全，各企業(yè)主要從材料選擇、氫泄露監(jiān)測(cè)、靜電防護(hù)、防爆、阻燃等方面進(jìn)行預(yù)防和控制。
1、材料安全防護(hù)
氫氣與金屬材料接觸會(huì)產(chǎn)生氫脆效應(yīng)，氫脆是溶于金屬中的高壓氫在局部濃度達(dá)到飽和后引起金屬塑性下降、誘發(fā)裂紋甚至開裂的現(xiàn)象。氫在常溫常壓下并不會(huì)對(duì)鋼產(chǎn)生明顯的腐蝕，但在高溫高壓下，會(huì)產(chǎn)生氫脆，使其強(qiáng)度大大降低，導(dǎo)致失效。如果與氫接觸的材料選擇不當(dāng)，就會(huì)導(dǎo)致氫泄漏和燃料管道失效。目前，高壓儲(chǔ)氫瓶選擇鋁合金或合成材料來避免氫脆的產(chǎn)生。例如，豐田Mirai儲(chǔ)氫瓶采用高強(qiáng)度的混合材料，由三層結(jié)構(gòu)組成，最內(nèi)層材料是高強(qiáng)度聚合物，中層是強(qiáng)化碳纖維和高強(qiáng)度聚合物的混合材料，外層是玻璃纖維和高強(qiáng)度聚合物的混合材料，其他廠家也有類似的設(shè)計(jì)，例如昆騰(Quantum)和丁泰克(Dynetek)現(xiàn)在出售的塑料內(nèi)膽和鋁內(nèi)膽碳纖維纏繞的高壓儲(chǔ)氫瓶具有重量輕、單位重量?jī)?chǔ)氫密度高等優(yōu)點(diǎn)，與鋼制容器相比很好地解決了氫脆問題。國內(nèi)的燃料電池汽車高壓氫瓶主要采用鋁內(nèi)膽加碳纖維纏繞的Ⅲ型氣瓶。
各種燃料管道以及閥件也都采用適用于氫介質(zhì)的材料，如抗氫脆的不銹鋼(316L，耐壓大于5000psi)、鋁合金材料或聚合物，并且儲(chǔ)瓶、管道及閥件所能承受的壓力留有足夠的安全余量，儲(chǔ)氫瓶的安裝及高壓氫氣連接管材質(zhì)均應(yīng)符合相關(guān)國家規(guī)范的安全要求。這些材料的使用，均可避免氫脆的發(fā)生。
2、元器件防護(hù)
為了防止電路中產(chǎn)生電火花點(diǎn)燃?xì)錃舛a(chǎn)生燃燒或爆炸事故，燃料電池汽車的電氣元件、管路、閥體均采用相應(yīng)的防爆、防靜電、阻燃、防水、防鹽霧材料。例如，燃料電池汽車的氫檢測(cè)傳感器均選用防爆型，而不用觸點(diǎn)式傳感器，因?yàn)橛|點(diǎn)式傳感器在氫氣含量達(dá)到設(shè)定值時(shí)通過觸點(diǎn)的動(dòng)作輸出信號(hào)，容易產(chǎn)生觸點(diǎn)火花而引發(fā)事故;為了防止繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生電弧放電而點(diǎn)燃?xì)錃猓瑲浒踩幚硐到y(tǒng)中所用的繼電器選用防爆固態(tài)繼電器;元器件的防水防塵等級(jí)為IP67，以后將逐步提高;線束材料的阻燃級(jí)別：垂直燃燒V0和水平燃燒HB級(jí)，均為最高等級(jí)要求。
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