燃料电池汽车氢安全的研究与设计

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1、A版燃料电池汽车氢安全的研究与设计吴兵(上海汽车集团股份有限公司新能源和技术管理部，上海201804)【摘要】从燃料电池汽车氢安全的角度对氢气的特性进行分析，研究了车载氢系统、燃料电池系统以及氢管理系统的安全设计，为燃料电池汽车氢安全的设计提供了理论与实际参考。【Abstract】Thecharacteristicsofvehiclehydrogenenergyarebrieflyintroducedandstudiedfromthehydrogensafetyviewofthefuelcellvehicles．Andthesafedesig

2、nofthehydrogensystem，fu-elcellsystemandthehydrogenmanagementsystemisstudied．Theoreticalandpracticalinformationisprovided．【关键词】燃料电池汽车氢系统安全doi：10．3969／j．issn．1007-4554．2013．12．010引言1氢气的特性随着世界科技和经济的发展，当前能源和环与传统能源及其他气体介质相比，氢气有许境问题日益紧张。同时，使用传统能源引起的环多特殊的不安全特性。为了更好地对车载氢系统境污染日益威胁到人

3、们的生活，温室气体的排放、的安全进行研究设计，首先从氢气特性着手进行酸雨的形成无不与使用传统燃料相关。采用高效简要概述。无污染的新型能源已经迫在眉睫。在此背景下，(1)氢气的易燃性。在空气中，氢气的燃烧范以氢为媒介氢能源系统得到了人们不断的关注。围很宽，当氢体积比浓度为4％～75％时都能燃燃料电池汽车由氢气和氧气通过燃料电池产生的烧，而其他可燃气体的爆炸极限则窄的多。电能提供动力，氢氧反应这一过程不仅有极高的(2)氢气的泄漏性。由于氢是自然界最轻的能量利用效率，而且排放物只有水，对环境没有任元素，因此氢气将会比其他的气体或液体更容易何污染。泄

4、漏。有数据表明，相对天然气而言，扩散情况下但是，由于氢气本身的特性如易燃性、易爆氢气的泄漏率为天然气泄漏率的3．8倍；层流的性、泄漏性以及氢脆等问题，使得车载氢气系统存情况下，氢气泄漏率为天然气的1．26倍；湍流情在着一定的安全隐患，为了更好地使用氢能源，本况下，氢气泄漏率为天然气的2．83倍。国内现有文在总结国内外先进技术的基础上从燃料电池汽燃料电池汽车中气瓶的压力一般为35MPa左右，车氢系统设计应用角度，对燃料电池汽车氢安全如果气瓶直接发生氢泄漏将直接以湍流的形式发的设计进行了相关分析与研究。生，氢瓶后端由于有减压器一般一级压力将降为收

5、稿日期：2013—09—23上海汽车2013．12·5·蹋1．5MPa左右；在氢气进入燃料电池系统之前会再分，其功能是为燃料电池系统提供稳定压力的氢进行二级减压，最终供给电堆的氢压为100kPa左气，主要由高压氢瓶、加注口、单向阀、溢流阀、减右，此时如果发生泄漏则应该是以层流的形式。压阀、电磁阀、压力传感器、泄压阀以及氢管路等因此，在燃料电池汽车中由于氢气泄漏的压力大零部件组成，如图1所示。小以及位置的不同，将直接影响到氢气泄漏的状压力传感器态。在燃料电池汽车高压氢瓶中，由于氢气压力高达35MPa，此时发生泄漏的氢气速度可达声速的3倍多。相比

6、之下，天燃气汽车由于气瓶内气体压力为20MPa，发生泄漏时的速度仅为声速的1．2倍左右。但由于天然气的容积能量密度为氢气的3倍多，因此同样容积的气瓶天然气泄漏能图1氢系统示意图量将大于氢气的泄漏能量。(3)氢气的扩散性。由于氢气具有更大的浮在零部件材料方面，用于储存氢气的氢瓶由力以及扩散性，如果发生泄漏氢气将会迅速扩散。于氢脆等原因对其要求较高，因此选择合适的材即使在通风不畅的环境下，泄漏的氢气也将会很料以及储氢方式对储氢系统的安全至关重要。美快上升。在普通操作环境下，氢气的扩散系数大国的昆腾以及丁泰克等公司现出售的塑料内胆和概为0．61cm

7、／s，同样条件下天然气的扩散系数铝内胆碳纤维缠绕的高压储氢罐因其重量轻，单则为0．16cm／s，汽油气则低至0．05cm／s。因此位重量储氢密度高，很好解决了氢脆问题并降低在发生泄漏时，泄漏的氢气将向各个方向迅速扩了成本，因此在国内外的燃料电池项目中得到了散并降低浓度。很好的应用。在国外，工作压力高达70MPa的高(4)氢脆。氢脆是由氢在进入金属后，局部氢压氢瓶目前已经通过了相关的实验并得到了应浓度达到饱和后引起金属塑性下降、诱发裂纹或用，预计在不久之后国内70MPa的高压氢瓶也必产生之后断裂的现象。根据氢的来源，可分为内将得到广泛应用。氢系

8、统管路方面，由于系统高部氢脆和环境氢脆。氢在常温常压下并不会对钢压段压力已达35MPa，同时在氢加注过程可能出产生明显的腐蚀，但当温度超过300℃和压力高现压力冲高