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航天专家靳殷实科普氢燃料电池汽车安全性

2017-10-27 作者:韩喻 来源:中国客车网

  随着中国新能源汽车的深入发展,氢燃料电池汽车的前景逐渐清晰,越来越多的人相信,中国氢燃料电池汽车将首先应用于商用车领域,尤其是客车和物流车的应用。2017年10月20日,科技部部长万钢来到北京亿华通科技股份有限公司,参观了配套亿华通技术的福田欧辉全系列氢燃料电池客车。万钢部长十分看好氢燃料电池客车在远程公交领域的发展前景。

  但也有不少的公交客运物流企业对氢燃料电池客车的安全性有所顾虑。国内航天专家靳殷实在近日接受中国客车网采访时表示,现在很多车企都在研制燃料电池汽车,因此,氢燃料电池汽车的安全性研究更要加强,中国客车不能再重复电动化过程中“先进入后提高”、“先上马后治理”的现象,否则就会出现低端重复制造、企业扎堆竞争的老路子。

  氢燃料技术:汽车与航天技术擦出的火花

  从国际上来看,目前丰田、本田、日产、现代在氢燃料电池汽车研发生产方面走在了世界前列,宝马、凯迪拉克等也在推进,近些年美国Van Hool、New Flyer、德国奔驰戴姆勒、日本丰田和日野都有氢燃料电池客车上路运营。

  在国内,2008年北京奥运会期间,福田欧辉与清华大学亿华通团队合作的3辆氢燃料电池客车参与示范;2010年上海世博会期间,清华大学与亿华通团队、同济大学与上汽合作的各3辆申沃氢燃料电池客车参与示范,2010年新加坡青奥会期间,海格和清华大学亿华通团队合作的1辆氢燃料电池客车参与示范。

  2016年佛山飞驰客车与广东国鸿、亿华通等合作的28辆氢燃料电池客车在云浮、三水开始挂牌运营;2016年,福田欧辉氢燃料电池客车获得某运营企业100台订单,这是全球迄今为止最大的商业化订单,2017年-2018年,欧辉氢燃料电池客车将在张家口开始运营。

  据中国客车网了解,截止2017年10月第300批工信部公告,已经通过工信部产品公告的客车企业有宇通、福田、金旅、申龙、南京金龙、青年、飞驰等;轻客品牌有上海大通;物流车品牌有东风、青年。

  此外,中植、中通、申沃、扬子江、五洲龙、陆地方舟、沂星等客车企业的氢燃料电池样车先后亮相,青年、重汽、联孚等客车企业也都纷纷宣布有样车问世。

  其实,早在上个世纪60年代,氢燃料电池就已经成功地应用于航天领域。往返于太空和地球之间的“阿波罗”飞船就安装了这种体积小、容量大的装置。进入20世纪70年代以后,随着燃料电池技术成熟,氢燃料电池很快被运用于发电和汽车。

  北京航天发射技术研究所与长征火箭工业有限公司就是在这种情况下,利用技术优势,共同设立了航天新长征电动汽车技术有限公司,公司依托15所与长征火箭公司多年积累的航天应用技术能力,致力于燃料电池、新能源专用车、新能源汽车零部件等项目与产品的运营。

  靳殷实是这家公司的首席专家,他的身份还包括中国运载火箭技术研究院研究员、全国燃料电池及液流电池标委会委员、全国汽车标委会燃料电池汽车标准工作组成员等。

  从航天专家转向氢燃料汽车专家,靳殷实积极响应国家新能源战略,跟随国家产业政策和市场需求,充分发挥自身的技术优势,力争在新能源汽车及零部件行业中贡献自己的知识和力量。

  靳殷实告诉中国客车网:氢是易燃易爆化学危险品,但氢燃料电池汽车本身是安全的

  不过,靳殷实认为,氢安全的问题,不但需要汽车企业深入了解,也需要对用户进行科普。下文的内容,就是中国客车网根据靳殷实研究员的访谈,结合他的演讲内容和研究成果,整理而成:

  氢易燃易爆,但它是风险可控相对安全的燃料

  靳殷实介绍,氢气是易燃易爆危险品,它无色无味,所以人类感官无法对其泄露有所警觉,但它又是一种风险可控的燃料。因此氢燃料电池汽车的安全主要包括三个方面:机械及结构方面的安全、电安全、氢安全。

  根据上图所示的氢气特性,氢气的可燃范围为4-75vol%,爆炸范围为18-59vol%,点火能量为0.02mj。结合以往氢气事故研究,靳殷实向中国客车网介绍,当储氢气的压力容器受热,氢气压力超过容器材料最大压力极限时,会引起容器爆裂,因此,储氢气的压力容器必须要始终处于安全状态。

  另外,氢气不允许泄露。当空气中氢的浓度达到4%-75%的时候,施加静电、明火或混合空气温度达到摄氏527°及以上时,氢气会发生爆炸。

  燃料电池储氢方式有三种:高压储氢、液氢、金属氢化物(如下图)

  附:

  氢燃料电池汽车,厂家和用户都要学的安全问题,涉及到国家标准的,重点有以下方面:

  首先在加氢过程中的安全

  靳殷实向中国客车网介绍,根据国家标准《燃料电池电动汽车 加氢口》方面的要求如下:

  5.1一般要求

  5.1.1接口型式及尺寸应符合4.1的要求。

  5.1.2加氢口应符合GB/T 24549--2009中4.2.2的有关规定。

  5.1.3加氢口应有防止水和灰尘进人接口并能防止接口损伤的防尘盖,应有防止防尘盖丢失的装置。

  5.1.4加氢口应有接地连接装置,除非车辆上有其他能消除静电的措施。

  5.1.5加氢口应有防止压力超过标称压力的压缩氢气通过加氢口的功能。

  5.1.6加氢口与氢接触的材料应与氢兼容,在设计的使用寿命期限内,不会发生氢脆现象。

  《燃料电池电动汽车 安全要求》安全要求如下:

  气密性:按6.3规定的方法进行气密性试验,用检漏液检查如果1 分钟之内无气泡产生则为合格。

  耐温性:按6.4规定的方法进行耐温性试验后其气密性应符合5.2.1的要求。

  相容性:加氢口与氢气接触的非金属零件,按6.5规定的方法进行相容性试验后,其体积膨胀率应不大于25%,体积收缩率应不大于10%,质量变化率应不大于10%。

  耐氧老化性:加氢口与氢气接触的非金属零件,按6.6规定的方法进行耐氧老化性试验后,不应出现变形、变质、斑点及裂纹等现象。

  液静压强度:加氢口的承压零件按6.7规定的方法进行液静压强度试验后,应不出现任何裂纹、永久变形。

  耐振性:加氢口按6.8规定的方法进行耐振性试验后,所有连接件不应松动,其气密性应符合5.2.1的要求。

  耐异常压力:加氢口按6.9规定的方法进行耐异常压力试验后,所有连接件不应松动,其气密性应符合5.2.1的要求。

  耐久性:加氢口的单向阀完成耐温性试验后,按6.10规定的方法再进行耐久性试验,试验后不应出现异常磨损,且应符合5.2.1气密性的要求。

  在供氢系统方面,氢气温度、充装速率会有如下影响:

  气瓶在进行充装时,氢气从加氢站固定容器以很快的流速充入车载储氢气瓶,气瓶内氢气温度由于受到压缩而升高。温升大小受充装速率的影响较大,如果在很短的时间内充装完毕,气瓶内气体的温升很大,平台温度会超过100℃甚至200℃,因此需要对充装速率进行实时监测和控制。

  正在编写的《燃料电池汽车加氢接口通信协议》

  若车辆接到动态加注命令,且以下数据均满足各自数据的完整性检查和加注方案检查,则加氢机执行动态通信加注;最多传递8个信号——7个已要求信号,1个可选信号(可同时处理复合数据)。

  ID: 协议标识符

  VN: 版本序列

  RT: 接口类型

  TV: 氢瓶容积

  FC: 加注命令

  MT: 测量温度

  MP: 测量压力

  在供氢系统,气瓶共分四个类型:

  Ⅰ型(全金属气瓶)、

  Ⅱ型(金属内胆纤维环向缠绕气瓶)、

  Ⅲ型(金属内胆纤维全缠绕气瓶)

  Ⅳ型(非金属内胆纤维全缠绕气瓶)。

  Ⅰ型和Ⅱ型气瓶重容比较大,难以满足单位质量储氢密度的要求,用于车载供氢系统并不理想。Ⅳ型气瓶在高压下,气体易从非金属内胆向外渗透, 且金属阀座与非金属结构的连接强度难以保。我国已发生多起Ⅳ型气瓶爆炸事故。

  Ⅲ型(金属内胆纤维全缠绕气瓶)铝合金内胆纤维全缠绕高压氢气瓶所使用的材料主要有:铝合金、碳纤维、玻璃纤维及树脂。铝合金内胆的主要用气体密封并作为纤维缠绕的芯轴,承受一定的缠绕张力。金属材料在常温高压氢气条件下易发生氢脆。

  碳纤维-树脂复合层是气瓶的主要承载结构,玻璃纤维-树脂复合层作为外保护层主要用于承受外部冲击载荷。树脂作为基体材料,其功能是粘结增强体并传递应力和起抗剪切的作用。车用储氢气瓶中,纤维缠绕高压氢气瓶具有承压能力高、质量轻、耐腐蚀性强比强度和比刚度高等优良性能成为国内外研究的热点。

  关于供氢系统安全

  根据国家标准,《燃料电池电动汽车 车载氢系统技术条件》供氢系统需要开展以下测试:

  常温压力循环试验

  未爆先漏试验

  枪击试验

  极端温度压力循环试验

  环境试验

  加速应力爆破试验

  跌落试验

  当气瓶遭受尖锐高速物体(如枪弹)冲击时,会发生纤维断裂,导致纤维-树脂增强层强度储备降低,气瓶存在爆破的危险。因此,进行枪击试验以检验气瓶遭受尖锐高速物体撞击时能否保持完整而不发生爆炸。

  极端温度压力循环试验用于检验汽车在不同地域行驶时的极端温度条件对气瓶疲劳寿命和爆破压力的影响。

  未爆先漏是在气瓶设计需要遵循的重要设计准则

  具体来讲,气瓶的破坏应首先发生在铝内胆,铝内胆发生破坏后,气体穿过铝内胆迅速地挤压纤维树脂复合层,发生泄漏,但不导致气瓶的整体爆破。

  加速应力爆破试验(上述第5条)

  加速应力爆破试验主要考察气瓶在长时间高温下工作对气瓶爆破压力的影响。气瓶长时间在高温下工作,性能会因为材料性能尤其是树脂材料性能的下降而下降。

  跌落试验(上述第6条)

  气瓶在运输、安装及使用中可能跌落或受到碰撞等,影响气瓶的性能。因此,有必要进行跌落试验以检验气瓶抗撞击的能力。

  压缩氢气储存系统

  根据国家标准,《燃料电池电动汽车 安全要求》需要进行以下试验:

  关于燃料电池发动机的安全

  根据国家标准《燃料电池电动汽车 燃料电池堆安全要求》,在燃料电池发动机方面,

  通用要求

  1 燃料电池堆应有必要防护, 防止其部件与外部高温部件或环境接触。燃料电池堆外壳应避免容易对人体产生危害的结构。

  2 当燃料电池堆中含有易燃、 易爆气体或有害物质时, 在易见位置清楚标注出来。

  3 燃料电池堆中应用的材料对工作环境要有一定的耐受性,燃料电池堆的工作环境包括振动、 冲击、多变的温湿度、电势以及腐蚀环境; 在易发生腐蚀、 摩擦的部位应采取必要的防护措施。

  4 对燃料电池堆反应气和冷却液的进口或出口温度、压力或流量等其他相关参数进行监测或者计算。

  5 对燃料电池堆的电压、或者电流进行监测或者计算。

  机械结构安全要求

  燃料电池堆安装固定后,在三个轴向: X向、 Y向、 Z向上应能够承受5.0 g的冲击加速度, 承受冲击之后,燃料电池堆机械结构应不发生损坏, 并能够正常工作, 气密性应满足4.3.1和4.3.2的要求,绝缘性应满足4.4.1的要求。

  机械冲击脉冲采用半正弦波形、 持续时间15 ms, 每个方向各进行一次。

  (注: X向是车辆前进方向, Y向是侧向, Z向是垂直方向。)

  气密性安全要求

  1 燃料电池堆气密性安全要求

  燃料电池堆处于冷态, 关闭燃料电池堆的氢气排气端口、空气排气端口和冷却液出口,同时向氢气流道、空气流道和冷却液流道加注氦氮混合气体, 氦气浓度不低于10%,压力均设定在正常工作压力(表压) ,压力稳定后关闭进气阀门,保压20 min。保压结束后气体压力值不得低于初始压力的85%。

  (注: 该条款不适用于风冷燃料电池堆。)

  2 燃料电池堆外壳密封安全要求

  如果燃料电池堆单独密封但非气密性外壳, 要有防止氢气在壳内积聚的措施, 如强制通风等将积聚的氢气排出, 并在合理位置加装氢浓度传感器,氢气的积聚浓度不能超过25% LFL。

  燃料电池堆

  在整车方面,《燃料电池电动汽车 安全要求》也提出了具体的要求

  B1.1 加氢口

  (1)加氢口应能防止压缩氢气倒流至大气。

  (2)加氢口标志检查:应在靠近加氢口处,设有标志,标志应包含以下信息:

  燃料类型、公称工作压力、气瓶报废日期。

  (3)加氢口应有必要的防护装置,防止灰尘、水等异物进入加氢口内。

  B1.2 氢排放系统

  B1.2.1 超压泄放系统(C6试验方法)

  (1)在连接温度驱动压力泄放装置(TPRD)和压力驱动泄放装置(PRD)释放管路的出口处采取必要的保护措施,防止在使用过程中被异物堵塞,影响气体释放。例如:可以加盖一个管帽。

  (2)通过温度驱动压力泄放装置(TPRD)释放的氢气,不应:

  ⅰ. 流入封闭空间或半封闭空间

  ⅱ. 流入或流向任一车轮罩

  ⅲ. 流向氢气瓶

  (3)通过压力泄放装置(如爆破片)释放的氢气,不应:

  ⅰ. 流向裸露的电气端子、电气开关或其它引火源

  ⅱ. 流向或流入乘客舱或货舱

  ⅲ. 流向或流入任一汽车轮罩

  ⅳ. 流向氢气瓶

  B1.2.2 燃料电池/车辆排气系统

  在汽车排气系统的排气测量点处,氢气浓度应满足以下两项要求:

  (1)在进行正常操作(包括开车和停车)时,任意3 s中内的平均氢气浓度不超过4%(体积浓度),(2)在任何瞬时氢气浓度不大于8%(体积浓度)(C4试验方法)。

  B1.3氢气泄露情况下的火灾防护

  B1.3.1 储氢系统泄漏或渗透的氢燃料,不应直接排到乘客舱、行李舱、货舱,或者车辆中 任何存在未受保护潜在火源的封闭空间或半封闭空间。

  B1.3.2 任何发生在主截止阀下游的单点泄露不应导致乘客舱内氢气的体积浓度大于4%。

  B1.3.3 如果在汽车运行过程中,某单点泄露导致封闭空间或半封闭空间内氢气的体积浓度大于2±1%,应该发出警报,浓度大于3±1%,则应关闭主截止阀停止氢气供应。

  B1.4 燃料系统泄漏

  加氢管路和主截止阀下游的氢系统不应存在泄漏。应在1.15倍NWP下进行该验证(C5试验方法)。

  B1.5 报警装置

  报警装置应通过警报灯或具有下列特性的文字显示对驾驶员发出警报:

  (1)坐在驾驶座位的驾驶员应能够看到警报,不应受天气和时间的影响。

  (2)当检测系统检测到氢泄漏时,大于2%警报应为黄色;当出现B1.3.3中的泄漏情况时,大于3%,警报应为红色。

  (3)在车辆运行过程中或燃料电池汽车启动状态过程中,当车内封闭空间或半封闭空间内出现氢气浓度超过2%的泄漏情况时,警报应保持亮起。

  (4)当大于3%泄漏报警发生后,泄漏浓度低于报警值时,只有在下次燃料电池系统启动时才能复位报警状态,取消报警。

  (5)车内安装的氢浓度监测设备精度应高于1%vol。

  B2 碰撞后燃料系统的安全要求

  B2.1 燃料泄漏极限:采用压缩气态储氢形式的汽车,在发生碰撞后的60 min之内,燃料系统的平均氢气泄漏率不应超过118 NL/min。

  B2.2 封闭空间浓度极限:采用压缩气态储氢形式的车辆,碰撞后的氢燃料泄漏不应使乘客舱、行李舱或货舱内的氢气浓度超过4%(体积浓度)。

  附 国家相关法规标准:

  以安全为主要要求的燃料电池相关国家标准如下:

  氢系统安全的基本要求(GB/T 29729-2013 )

  移动式加氢设施安全技术规范(GB/T 31139-2014 )

  氢氧发生器安全技术要求(GB/T 34539-2017))

  加氢站安全技术规范(GB/T 34584-2017)

  加氢站用储氢装置安全技术要求(GB/T 34583-2017)

  氢能车辆加氢设施安全运行管理规程(GB/Z 34541-2017)

  小型燃料电池车用低压储氢装置安全试验方法(GB/T 34544-2017)

  燃料电池电动汽车 燃料电池堆 安全要求(报批中)

  燃料电池电动汽车 安全要求(修订GB/T 24549-2009)

  工业起升车辆用燃料电池发电系统 第1部分:安全(GB/T31037.1-2014)

  (注:本文图片和附录内容均由靳殷实研究员提供)

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