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氫燃料供氫系統如何保證安全?

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2020/12/9     瀏覽次數:    

    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都是在一定環境條件下產生的,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到4.0%~75%,即氫氣在空氣中的體積濃度在4.0%~75%之間時,遇火源就會爆炸,而當氫氣濃度小于4.0%或大于75%時,即使遇到火源,也不會爆炸。

    通常情況下,氫的密度僅為空氣的7%(一個標準大氣壓下,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)、擴散性(橫向移動)和快速揮發性??諝庵泻茈y聚集高濃度的氫,如果發生泄漏,氫氣會迅速擴散,特別是在開放環境中,很容易快速逃逸,而不像汽油揮發后滯留在空氣中不易疏散。美國邁阿密大學的Swain博士做過一個著名的試驗,如圖1-1所示。兩輛汽車分別用氫氣和汽油作燃料,然后進行泄漏點火試驗。點火3秒后,高壓氫氣產生的火焰直噴上方,汽油則從汽車的下部著火;到1分鐘時,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。所以氫氣易揮發的性質,與普通汽油車相比,有利于汽車的安全。

燃油與氫燃料對比圖

    國內外對燃料電池汽車制定了很多標準和規范,其中65%以上的內容是針對安全性的規定。燃料電池汽車的氫安全性,主要是指燃料電池汽車運行過程中車載氫系統的安全,主要包括高壓供氫系統、燃料電池發電系統的安全性等。目前,為了保證車載氫系統的安全,各企業主要從材料選擇、氫泄露監測、靜電防護、防爆、阻燃等方面進行預防和控制。
1、材料安全防護
    氫氣與金屬材料接觸會產生氫脆效應,氫脆是溶于金屬中的高壓氫在局部濃度達到飽和后引起金屬塑性下降、誘發裂紋甚至開裂的現象。氫在常溫常壓下并不會對鋼產生明顯的腐蝕,但在高溫高壓下,會產生氫脆,使其強度大大降低,導致失效。如果與氫接觸的材料選擇不當,就會導致氫泄漏和燃料管道失效。目前,高壓儲氫瓶選擇鋁合金或合成材料來避免氫脆的產生。例如,豐田Mirai儲氫瓶采用高強度的混合材料,由三層結構組成,最內層材料是高強度聚合物,中層是強化碳纖維和高強度聚合物的混合材料,外層是玻璃纖維和高強度聚合物的混合材料,其他廠家也有類似的設計,例如昆騰(Quantum)和丁泰克(Dynetek)現在出售的塑料內膽和鋁內膽碳纖維纏繞的高壓儲氫瓶具有重量輕、單位重量儲氫密度高等優點,與鋼制容器相比很好地解決了氫脆問題。國內的燃料電池汽車高壓氫瓶主要采用鋁內膽加碳纖維纏繞的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,并且儲瓶、管道及閥件所能承受的壓力留有足夠的安全余量,儲氫瓶的安裝及高壓氫氣連接管材質均應符合相關國家規范的安全要求。這些材料的使用,均可避免氫脆的發生。
2、元器件防護
    為了防止電路中產生電火花點燃氫氣而產生燃燒或爆炸事故,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傳感器均選用防爆型,而不用觸點式傳感器,因為觸點式傳感器在氫氣含量達到設定值時通過觸點的動作輸出信號,容易產生觸點火花而引發事故;為了防止繼電器觸點動作時產生電弧放電而點燃氫氣,氫安全處理系統中所用的繼電器選用防爆固態繼電器;元器件的防水防塵等級為IP67,以后將逐步提高;線束材料的阻燃級別:垂直燃燒V0和水平燃燒HB級,均為最高等級要求。

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