關(guān)鍵詞：燃料電池；氫泄漏；壓力控制策略；新能源汽車

0 前言

目前，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云服務(wù)和大數(shù)據(jù)等新興信息通信技術(shù)，融合電動(dòng)化、低碳化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化的新能源汽車新業(yè)態(tài)、新模式正在成為汽車行業(yè)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向［1-2］。發(fā)展壯大新能源汽車，推動(dòng)汽車大國(guó)走向汽車強(qiáng)國(guó)，破解環(huán)境污染、能源短缺和氣候變化難題，實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展，助力產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，減少溫室氣體排放，踐行大國(guó)責(zé)任與擔(dān)當(dāng)，順應(yīng)綠色環(huán)保低碳可重復(fù)再生發(fā)展主旋律，是當(dāng)今市場(chǎng)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。氫能作為高熱值清潔能源，由于其轉(zhuǎn)換效率高效、易提取、可循環(huán)使用、來(lái)源廣等特點(diǎn)，被視為未來(lái)清潔能源的終極替代解決方案［3-4］。全國(guó)五大城市群分別從加氫儲(chǔ)氫等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、公交物流航空等領(lǐng)域應(yīng)用拓展、燃料電池技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)、燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)打造等多方面布局，探索氫能在能源轉(zhuǎn)型過(guò)程中的示范應(yīng)用。氫燃料電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，唯一的產(chǎn)物只有水，可以達(dá)到零排放。由于氫氣高度的可燃性及易擴(kuò)散性，當(dāng)發(fā)生氫泄漏時(shí)必須采取有效的應(yīng)急措施來(lái)保障人員的安全、減少損失。因此，有必要在探測(cè)氫泄漏零部件失效時(shí)進(jìn)行故障診斷，及時(shí)報(bào)警警示，清除導(dǎo)致系統(tǒng)性失效的影響因素，或降低這些影響，以保證系統(tǒng)安全可靠。

1 氫燃料電池系統(tǒng)原理

氫燃料電池系統(tǒng)的整體架構(gòu)主要由氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、燃料電池堆、氧氣供應(yīng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等組成［5］，如圖1 所示。氫氣供應(yīng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)將儲(chǔ)氫艙的高壓儲(chǔ)氫氫氣通過(guò)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)確保在合適的壓力范圍內(nèi)穩(wěn)定輸送至燃料電池堆，由儲(chǔ)氫罐、氣體輸送管路、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和氫氣循環(huán)系統(tǒng)等部分構(gòu)成，完成氫氣的高壓儲(chǔ)存、安全穩(wěn)定輸送，實(shí)現(xiàn)回收再利用及氫氣排放；氧氣供應(yīng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)將空氣中的氧氣通過(guò)氣體引入口、空氣過(guò)濾裝置和通風(fēng)系統(tǒng)輸送至燃料電池堆，確保氧氣充足供應(yīng)及適宜的壓力范圍；燃料電池堆作為燃料電池系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，將氫氣供應(yīng)系統(tǒng)輸送來(lái)的氫氣和氧氣供應(yīng)系統(tǒng)輸送的氧氣混合后發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能，并釋放水蒸氣，以實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換；冷卻系統(tǒng)負(fù)責(zé)將燃料電池堆中電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量通過(guò)冷卻液、水泵和散熱器有效散發(fā)熱量，進(jìn)而使電堆溫度保持在合適的溫度范圍；電氣系統(tǒng)負(fù)責(zé)燃料電池系統(tǒng)直流電能的處理、監(jiān)控和管理，通過(guò)直流-直流（DC/DC）轉(zhuǎn)換器和電池管理系統(tǒng)（BMS）提供相關(guān)設(shè)備適配的電壓和電流，并對(duì)電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、保護(hù)和均衡，管理保障其能夠可靠穩(wěn)定運(yùn)行，并滿足不同設(shè)備的用電供給；控制系統(tǒng)通過(guò)傳感器采集溫度、壓力、電壓、電流等重要參數(shù)，并采用先進(jìn)的控制算法，根據(jù)實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整和優(yōu)化，協(xié)調(diào)燃料電池系統(tǒng)各組件協(xié)同工作高效運(yùn)轉(zhuǎn)，提高系統(tǒng)的效率和可靠性。

2 壓力傳感器

氫燃料電池系統(tǒng)中采用多款壓力傳感器，來(lái)測(cè)量氫氣供給系統(tǒng)中的氫氣壓力、空氣供給系統(tǒng)中的氧氣壓力，以及冷卻液循環(huán)中水的循環(huán)壓力。測(cè)量介質(zhì)包括儲(chǔ)氫艙高壓氫氣、進(jìn)電堆中壓氫氣、出電堆循環(huán)低壓氫氣（含水）、進(jìn)電堆空氣和循環(huán)水等，壓力測(cè)量范圍為0.5～90.0 MPa?；谌剂想姵叵到y(tǒng)的氫氣循環(huán)與金屬材料會(huì)產(chǎn)生氫滲透或吸氫現(xiàn)象，從而導(dǎo)致氫氣泄漏，因此燃料電池系統(tǒng)中壓力傳感器的選型對(duì)傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料均有較高要求。

壓力傳感器是利用傳感器內(nèi)部的某一部件在受到外部壓力作用下產(chǎn)生形變或變形，進(jìn)而產(chǎn)生與形變或變形成比例的電信號(hào)。市面上常見(jiàn)的壓力傳感器可分為壓電式、電容式、壓阻式和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等不同類型。

2. 1 工作原理

2. 1. 1 壓電式壓力傳感器

壓電式壓力傳感器的工作原理是采用壓電材料，如特定陶瓷材料或晶體在外部壓力的影響下而產(chǎn)生微小的機(jī)械形變，傳感器的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，導(dǎo)致壓電材料表面的電荷發(fā)生變化，測(cè)量電荷變化并轉(zhuǎn)換成與被測(cè)壓力成比例的電信號(hào)。壓電式壓力傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、靈敏度高、使用壽命長(zhǎng)，且具備較高的可靠性，但其存在溫度漂移大、需溫度補(bǔ)償，不適合靜態(tài)測(cè)量等局限性。

2. 1. 2 電容式壓力傳感器

電容式壓力傳感器的工作原理是當(dāng)外界施加壓力于傳感器的金屬薄膜時(shí)會(huì)發(fā)生微小形變，引起固定電極與金屬薄膜間產(chǎn)生的電容量發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量傳感器電路中電容的變化，將被測(cè)微小形變的壓力物理量轉(zhuǎn)換成與輸出電壓成比例關(guān)系的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部壓力的測(cè)量。電容式壓力傳感器具備良好溫度穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于制造，然而其輸出特性的非線性特點(diǎn)，以及邊緣電容和寄生電容對(duì)干擾的敏感性限制了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

2. 1. 3 壓阻式壓力傳感器

壓阻式傳感器的工作原理是由單晶硅半導(dǎo)體材料封裝而成的傳感器受到與壓力相關(guān)的幾何形變時(shí)電阻率發(fā)生變化，導(dǎo)致由惠斯登電橋的4 個(gè)電阻組成的電橋臂失去平衡，通過(guò)恒壓源或恒流源給電橋供電，測(cè)量電路輸出正比例于壓力變化的電信號(hào)。壓阻式傳感器具備響應(yīng)速度快、分辨率高、適應(yīng)范圍廣、體積小，且價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在線性度低、對(duì)溫度和振動(dòng)敏感、穩(wěn)定性差等缺陷。

2. 1. 4 MEMS 壓力傳感器

MEMS 壓力傳感器采用微型加工技術(shù)集成，由微懸臂梁、微膜片等組成微機(jī)械結(jié)構(gòu)在外部壓力作用時(shí)發(fā)生微小的撓曲或形變引起電容、電阻等微結(jié)構(gòu)電學(xué)性能的變化，通過(guò)信號(hào)調(diào)理、放大和處理轉(zhuǎn)換成與外部壓力成比例的數(shù)字信號(hào)或電壓。MEMS 壓力傳感器因其體積小、精度高、功耗低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)逐漸取代傳統(tǒng)的壓力傳感器。

2. 2 技術(shù)參數(shù)

由于氫氣具有易燃、易爆和易擴(kuò)散的特性，為保障燃料電池汽車的安全性，ISO 23273：2013《 燃料電池道路車輛. 安全性規(guī)范. 帶壓縮氫燃料汽車用氫危險(xiǎn)防護(hù)措施》、GB/T 24549—2020《 燃料電池電動(dòng)汽車 安全要求》、GB/T 29126—2012《 燃料電池電動(dòng)汽車 車載氫系統(tǒng)》、GB/T 34872—2017《質(zhì)子交換膜燃料電池供氫系統(tǒng)技術(shù)要求》等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車規(guī)級(jí)壓力傳感器的參數(shù)給出了以下相應(yīng)要求：

（1） 對(duì)于加氫口與儲(chǔ)氫瓶間管路的檢測(cè)，其泄漏檢測(cè)壓力是工作標(biāo)稱壓力的1.25 倍。

（2） 氫泄漏測(cè)量壓力的準(zhǔn)確度小于等于1.5 級(jí)，壓力測(cè)量量程是被測(cè)量值的1.5～3 倍。

（3） 兼容模擬信號(hào)、PWM 或CAN 等多種形式信號(hào)輸出。

（4） 空間占用緊湊，且使用年限達(dá)到車載級(jí)需求。

（5） 抗電磁干擾強(qiáng)，符合EMC 等級(jí)需求和防爆安全相關(guān)規(guī)定。

目前，燃料電池汽車常見(jiàn)的壓力傳感器為陶瓷壓敏電容與擴(kuò)散硅壓敏電阻兩類，主要測(cè)量燃料儲(chǔ)氫艙高壓壓力、儲(chǔ)氫艙減壓后的氫氣系統(tǒng)中壓壓力及電堆進(jìn)氣低壓壓力，如圖2 所示。

氫燃料電池車載儲(chǔ)氫艙壓縮氫氣儲(chǔ)存壓力為35 MPa 或70 MPa。高壓壓力傳感器的技術(shù)性能參數(shù)見(jiàn)表1。由表1可以看出：氫燃料電池車載高壓、中壓、低壓壓力傳感器壓力范圍、最大壓力、爆破壓力由于所處環(huán)境略有不同，而輸出信號(hào)、精度、工作穩(wěn)定性等其他參數(shù)則類似。

3氫泄漏壓力控制策略

燃料電池汽車的高壓儲(chǔ)氫瓶磨損、位移、錯(cuò)位或氫氣閥破裂，氣體流動(dòng)管路松動(dòng)或破損，燃料電池電堆密封不良或堵塞等因素均會(huì)引發(fā)氫泄漏現(xiàn)象的發(fā)生。氫泄漏往往伴隨著壓力的異常變化，實(shí)時(shí)檢測(cè)氫氣供應(yīng)系統(tǒng)壓力能夠保障燃料電池堆氫氣平穩(wěn)供給，避免基于壓力波動(dòng)引發(fā)的安全問(wèn)題。通過(guò)監(jiān)控氧氣供應(yīng)系統(tǒng)的壓力，確保氫氣和氧氣濃度的混合比例，以提高電化學(xué)反應(yīng)的速率，從而實(shí)現(xiàn)最佳的燃料電池效率和輸出性能［6-7］。

探測(cè)壓力傳感器信號(hào)短路、斷路、離線等異常情況發(fā)生時(shí)，可采取文字顯示、聲音或閃爍報(bào)警等多種控制策略進(jìn)行提醒。采集系統(tǒng)壓力超過(guò)設(shè)置報(bào)警臨界值實(shí)施報(bào)警、關(guān)斷等壓力保護(hù)控制。當(dāng)發(fā)現(xiàn)壓力超過(guò)設(shè)計(jì)壓力時(shí)，應(yīng)及時(shí)啟動(dòng)壓力釋放裝置，采取應(yīng)急排氫措施，快速降低系統(tǒng)壓力，避免氫氣聚積導(dǎo)致安全事故。對(duì)于多個(gè)儲(chǔ)氫艙情況，當(dāng)檢測(cè)氫氣泄漏體積分?jǐn)?shù)超過(guò)4% 時(shí)應(yīng)自動(dòng)實(shí)施氫供應(yīng)關(guān)斷控制，可以僅關(guān)斷發(fā)生氫氣泄漏的供氫系統(tǒng)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著燃料電池技術(shù)和智能傳感技術(shù)，如MEMS 傳感器的不斷發(fā)展，氫泄漏監(jiān)測(cè)能夠更加精準(zhǔn)和快速，通過(guò)多傳感器融合、智能化算法等創(chuàng)新手段，遵循環(huán)境變化及實(shí)際工況進(jìn)行氫氣壓力控制自適應(yīng)調(diào)整，采取更可控、更高效的壓力釋放技術(shù)，確保在氫氣泄漏時(shí)能夠迅速安全釋放氫氣，確保燃料電池汽車在穩(wěn)定、安全的環(huán)境下運(yùn)行，為清潔能源交通的可持續(xù)發(fā)展提供了技術(shù)保障，促進(jìn)燃料電池汽車技術(shù)更好地服務(wù)社會(huì)。燃料電池汽車將成為未來(lái)城市交通系統(tǒng)的重要組成部分，有助于提供清潔、綠色、便捷的出行方式，提升城市環(huán)境質(zhì)量。