林佳享

(廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建 廈門 361023)

燃料電池汽車以其零排放、加氫時間短、續(xù)駛里程長和高效率等優(yōu)點，發(fā)展前景被廣泛看好。然而由于燃料電池所用氫氣具有易燃易爆、可燃范圍寬、燃燒熱值高、爆炸能量大[1]、密度小等特性，使得燃料電池汽車供氫系統(tǒng)存在一定的安全隱患。特別是隨著汽車供氫系統(tǒng)工作壓力從35 MPa提升到70 MPa，更加考驗供氫系統(tǒng)的安全可靠性。為確保燃料電池客車使用安全可靠，對其供氫系統(tǒng)的研究與設(shè)計尤為重要。

1 客車供氫系統(tǒng)的組成

供氫系統(tǒng)是燃料電池客車的能量供應(yīng)源頭，其功能是將高壓儲氫瓶內(nèi)的氫氣通過壓力調(diào)節(jié)器減壓后輸送到燃料電池電堆，為燃料電池電堆提供合適壓力、濕度、溫度與流量的氫氣[2]。整個供氫系統(tǒng)主要由儲氫瓶組、系統(tǒng)管路、電控單元等組成。客車供氫系統(tǒng)組成架構(gòu)如圖1所示。

圖1 客車供氫系統(tǒng)組成架構(gòu)

1)儲氫瓶組。一般設(shè)計單瓶容量為140 L、耐壓35 MPa或70 MPa的氫瓶規(guī)格，每個儲氫瓶的瓶口與瓶尾都安裝了超溫超壓保護裝置。當發(fā)生氫氣溫度或者壓力異常時，該裝置就會及時泄放氫氣。瓶口裝有組合閥，將高壓傳感器、截止閥、電磁閥、溫度傳感器等多項功能集成于一體，可以極大地節(jié)省安裝空間，提高了系統(tǒng)的集成度。

2)系統(tǒng)管路。按照功能可以分為供氫管路、充氫管路、排氫管路三部分:

①供氫管路是從氫瓶組合閥到燃料電池電堆入口之間的管路，其中包括過流閥、次級過濾器、壓力調(diào)節(jié)器、主電磁閥與手動截止閥等部件。過流閥具有流量限制功能，當氫氣流量異常時，可以起到安全保護作用；次級過濾器是用來過濾介質(zhì)中可能存在的顆粒性雜質(zhì)等，以保護管道上的其他部件不受損害和阻塞[3]；壓力調(diào)節(jié)器主要用來降低高壓端氫氣的壓力和穩(wěn)定低壓端氫氣的壓力，保證進入燃料電池電堆的是滿足要求的低壓氫氣。氫氣流量應(yīng)保持在12～20 L/min 范圍內(nèi)，所以需要對低壓端的氫氣進行壓力監(jiān)測，通過控制壓力調(diào)節(jié)器的開度來滿足所需的氫氣流量。主電磁閥用來控制氫氣管路的通斷，起到控制燃料電池啟、停的作用；手動截止閥用來手動控制低壓端氫氣流向燃料電池電堆管路的通斷，當燃料電池電堆需要啟動之前，必須先手動將其打開。

②充氫管路是從氫氣加注口到氫瓶組合閥之間的管路，其中包括加注口、壓力表、過濾器、單向閥與過流閥等部件。加注口可以按照35 MPa或70 MPa的壓力標準進行設(shè)計，加注口內(nèi)部具有顆粒物雜質(zhì)過濾功能，并且還具有單向閥結(jié)構(gòu)控制氫氣的流動方向，避免氫氣回流、倒流、外泄[4]。

③排氫管路是由放空閥與安全閥接出的連接外界大氣的管路,和儲氫瓶超溫超壓保護裝置與易熔塞組成的排氫放空管路兩部分組成。其主要作用是排放車載供氫系統(tǒng)中內(nèi)漏的氫氣；在壓力調(diào)節(jié)器出現(xiàn)問題失靈時排放超過設(shè)計要求壓力的氫氣；在發(fā)生車輛事故，如碰撞、火災(zāi)時能夠及時將儲氫瓶中儲存的氫氣完全排空[5]。

3)電控單元。包括供氫系統(tǒng)控制器ECM、壓力傳感器、溫度傳感器、控制開關(guān)盒、線束等。ECM對各個傳感器進行實時監(jiān)測，根據(jù)實時監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù)進行分析處理后，對儲氫氣瓶組合閥中的電磁閥、過流閥和主電磁閥進行控制。ECM還通過CAN通訊向上一級控制系統(tǒng)匯報供氫系統(tǒng)數(shù)據(jù)。通過壓力傳感器和溫度傳感器可以了解整車氫氣的儲備情況和儲氫瓶組的溫度情況，實時監(jiān)測氫氣的使用安全以及燃料的可續(xù)航情況。

2 車載供氫系統(tǒng)儲氫與氫安全技術(shù)

氫氣常溫常壓下為氣態(tài)，具有易燃易爆、能量高、密度小等特性?，F(xiàn)階段所使用或者未來可能發(fā)展的車載供氫系統(tǒng)儲氫技術(shù)，包括高壓氣態(tài)、低溫液態(tài)、固態(tài)和有機液態(tài)等幾種儲氫方式。由于目前高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)比較成熟，是目前汽車上最常用的儲氫方式，下面主要介紹高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)。

高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)是通過高壓的方式將氫氣壓縮到能承受高壓的容器中，期間需要消耗一定的能量。車載氫氣瓶共分為四種類型:全金屬氣瓶(Ⅰ型)、金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞氣瓶(Ⅱ型)、金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶(Ⅲ型)、非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶(Ⅳ型)。Ⅰ型和Ⅱ型氣瓶重量和體積比較大，難以滿足單位儲氫質(zhì)量密度要求[6]?，F(xiàn)階段我國商用車上所采用的是鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞復合Ⅲ型車用儲氫瓶，其優(yōu)點有：快速充裝和排放、內(nèi)部構(gòu)造簡單、氫氣壓縮制備低能耗[7],然而卻有泄漏爆炸隱患，還存在體積比容量低的致命缺陷。

美國能源部制定的儲氫體積容量2015年的目標為70 g/L，而我國當前儲氫瓶最高能達到的僅為25 g/L。如果增大氣瓶的承壓能力會使危險系數(shù)變高，并且安全成本將更高。目前我國燃料電池車主要采用35 MPa的鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲氫瓶產(chǎn)品，其儲氫質(zhì)量密度僅為4.2%(天海工業(yè)Ⅲ瓶)。只有通過安裝更大體積的儲氫瓶來增加儲氫量，進而滿足所需的續(xù)駛里程。而70 MPa的碳纖維纏繞塑料內(nèi)膽氫瓶在我國還處于初步應(yīng)用階段。日本、韓國、歐美等國家大多都采用70 MPa的碳纖維纏繞塑料內(nèi)膽氫瓶，其儲氫質(zhì)量密度高達6%(HexagonⅣ瓶)。

要增大氫瓶內(nèi)部的氣壓，未來國內(nèi)必須研究能承受更大壓力的儲氫瓶材料，以減少氫瓶自身的質(zhì)量，提高儲氫的質(zhì)量和體積密度。同時，從減少氫瓶內(nèi)氣體的外逸和安全性考慮，需要研究氫瓶內(nèi)部金屬鍍層或者密封性好的涂料，以降低氫瓶壓力的損失。

根據(jù)氫氣的特性，燃料電池客車用氫環(huán)節(jié)中需要對其供氫系統(tǒng)的氫安全進行實時監(jiān)測。具體需要注意以下幾個方面:

1)金屬材料長期與氫氣接觸，可能會出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象，導致金屬材料結(jié)構(gòu)遭到破壞。所以客車供氫系統(tǒng)中與氫接觸的材料應(yīng)與氫兼容，如金屬材料應(yīng)選擇具有良好的抗氫脆性能的材料，并且充分考慮氫脆現(xiàn)象對設(shè)計使用壽命的影響[8]。

2)供氫系統(tǒng)管路安裝位置及走向要避開熱源以及電器、蓄電池等可能產(chǎn)生電弧的地方，且至少應(yīng)有200 mm的距離。尤其是其管路接頭不能位于密閉的空間內(nèi)。高壓管路及部件可能產(chǎn)生靜電的地方要可靠接地，或采取其他控制氫泄漏量及濃度的措施，即便在產(chǎn)生靜電時，也不會發(fā)生安全問題。

3)在安裝供氫系統(tǒng)的封閉或半封閉空間上方的適當位置，至少安裝一個氫泄漏探測器，以便能夠?qū)崟r檢測氫氣的泄漏量，并將信號傳遞給氫氣泄漏警告裝置，起到安全預(yù)警作用。

4)排氣裝置應(yīng)盡可能安裝在車輛的高處，且應(yīng)防止排出的氫氣對人員造成危害，避免流向暴露的電氣端子、電氣開關(guān)器件或點火源等部件[9]。排放氫氣時，不能導致車輛周圍(不含排放口)氫氣濃度超過75%LFL。

5)為了系統(tǒng)安全，供氫系統(tǒng)安裝完畢和檢修維護后首次加注氫氣之前，都必須進行管路氣密性檢測和氫氣置換操作。從成本考慮，管路氣密性檢測采用氦氮混合氣(氦氣20%，氮氣80%)作為檢測介質(zhì)。檢測前，將上述氦氮混合氣注入到供氫系統(tǒng)管路至系統(tǒng)工作壓力(35 MPa或70 MPa)后，可采用以下兩種方式同時或之一進行管路氣密性檢測：采用氦氣檢測儀時，應(yīng)盡可能接近測量部位，其泄漏速度應(yīng)不高于0.005 mg/s；使用肥皂水等泄漏檢測液進行目測時，3 min 內(nèi)不應(yīng)出現(xiàn)氣泡。確保管路氣密性符合要求后，對其進行排空處理，但是管路中始終會殘留一定量的氦氮混合氣。為了保證后續(xù)供氫系統(tǒng)加注氫氣安全以及氫氣純度，需將儲氫瓶(出廠時儲氫瓶內(nèi)一般都裝有2～3 bar的氮氣)及管路中的氣體置換為氫氣。進行置換為氫氣操作后，需用氫氣檢漏儀檢測供氫系統(tǒng)管路接頭和閥門等部位是否存在泄漏。整個操作過程中要確保安全可靠。

6)氫管理系統(tǒng)(HMS)實時監(jiān)測。在HMS策略設(shè)計中，每隔100 ms采樣一次氫氣傳感器的值，判斷是否超過報警限。如超過，HMS向整車管理系統(tǒng)(VMS)發(fā)送報警信息，從而實時監(jiān)測供氫系統(tǒng)氫安全。HMS分3級報警，分別是輕度泄漏、中度泄漏和緊急報警[10]。

3 結(jié)束語

現(xiàn)階段我國燃料電池汽車還處于示范運營階段，距離商業(yè)化應(yīng)用還有一段距離。所以針對燃料電池客車供氫系統(tǒng)的研究和設(shè)計不多，許多相關(guān)標準和規(guī)范不健全。但由于氫氣具有易燃易爆、能量高、密度小等特性，在客車供氫系統(tǒng)研究設(shè)計過程中安全性尤為重要。后續(xù)我們應(yīng)該加大客車供氫系統(tǒng)研究設(shè)計工作，持續(xù)提高儲氫、用氫環(huán)節(jié)的安全可靠性。