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航天專家靳殷實科普氫燃料電池汽車安全性

2017-10-27 作者:韓喻 來源:中國客車網

pp电子翻阅笔 www.ilsmx.icu   隨著中國新能源汽車的深入發展,氫燃料電池汽車的前景逐漸清晰,越來越多的人相信,中國氫燃料電池汽車將首先應用于商用車領域,尤其是客車和物流車的應用。2017年10月20日,科技部部長萬鋼來到北京億華通科技股份有限公司,參觀了配套億華通技術的福田歐輝全系列氫燃料電池客車。萬鋼部長十分看好氫燃料電池客車在遠程公交領域的發展前景。

  但也有不少的公交客運物流企業對氫燃料電池客車的安全性有所顧慮。國內航天專家靳殷實在近日接受中國客車網采訪時表示,現在很多車企都在研制燃料電池汽車,因此,氫燃料電池汽車的安全性研究更要加強,中國客車不能再重復電動化過程中“先進入后提高”、“先上馬后治理”的現象,否則就會出現低端重復制造、企業扎堆競爭的老路子。

  氫燃料技術:汽車與航天技術擦出的火花

  從國際上來看,目前豐田、本田、日產、現代在氫燃料電池汽車研發生產方面走在了世界前列,寶馬、凱迪拉克等也在推進,近些年美國Van Hool、New Flyer、德國奔馳戴姆勒、日本豐田和日野都有氫燃料電池客車上路運營。

  在國內,2008年北京奧運會期間,福田歐輝與清華大學億華通團隊合作的3輛氫燃料電池客車參與示范;2010年上海世博會期間,清華大學與億華通團隊、同濟大學與上汽合作的各3輛申沃氫燃料電池客車參與示范,2010年新加坡青奧會期間,海格和清華大學億華通團隊合作的1輛氫燃料電池客車參與示范。

  2016年佛山飛馳客車與廣東國鴻、億華通等合作的28輛氫燃料電池客車在云浮、三水開始掛牌運營;2016年,福田歐輝氫燃料電池客車獲得某運營企業100臺訂單,這是全球迄今為止最大的商業化訂單,2017年-2018年,歐輝氫燃料電池客車將在張家口開始運營。

  據中國客車網了解,截止2017年10月第300批工信部公告,已經通過工信部產品公告的客車企業有宇通、福田、金旅、申龍、南京金龍、青年、飛馳等;輕客品牌有上海大通;物流車品牌有東風、青年。

  此外,中植、中通、申沃、揚子江、五洲龍、陸地方舟、沂星等客車企業的氫燃料電池樣車先后亮相,青年、重汽、聯孚等客車企業也都紛紛宣布有樣車問世。

  其實,早在上個世紀60年代,氫燃料電池就已經成功地應用于航天領域。往返于太空和地球之間的“阿波羅”飛船就安裝了這種體積小、容量大的裝置。進入20世紀70年代以后,隨著燃料電池技術成熟,氫燃料電池很快被運用于發電和汽車。

  北京航天發射技術研究所與長征火箭工業有限公司就是在這種情況下,利用技術優勢,共同設立了航天新長征電動汽車技術有限公司,公司依托15所與長征火箭公司多年積累的航天應用技術能力,致力于燃料電池、新能源專用車、新能源汽車零部件等項目與產品的運營。

  靳殷實是這家公司的首席專家,他的身份還包括中國運載火箭技術研究院研究員、全國燃料電池及液流電池標委會委員、全國汽車標委會燃料電池汽車標準工作組成員等。

  從航天專家轉向氫燃料汽車專家,靳殷實積極響應國家新能源戰略,跟隨國家產業政策和市場需求,充分發揮自身的技術優勢,力爭在新能源汽車及零部件行業中貢獻自己的知識和力量。

  靳殷實告訴中國客車網:氫是易燃易爆化學危險品,但氫燃料電池汽車本身是安全的。

  不過,靳殷實認為,氫安全的問題,不但需要汽車企業深入了解,也需要對用戶進行科普。下文的內容,就是中國客車網根據靳殷實研究員的訪談,結合他的演講內容和研究成果,整理而成:

  氫易燃易爆,但它是風險可控相對安全的燃料

  靳殷實介紹,氫氣是易燃易爆危險品,它無色無味,所以人類感官無法對其泄露有所警覺,但它又是一種風險可控的燃料。因此氫燃料電池汽車的安全主要包括三個方面:機械及結構方面的安全、電安全、氫安全。

  根據上圖所示的氫氣特性,氫氣的可燃范圍為4-75vol%,爆炸范圍為18-59vol%,點火能量為0.02mj。結合以往氫氣事故研究,靳殷實向中國客車網介紹,當儲氫氣的壓力容器受熱,氫氣壓力超過容器材料最大壓力極限時,會引起容器爆裂,因此,儲氫氣的壓力容器必須要始終處于安全狀態。

  另外,氫氣不允許泄露。當空氣中氫的濃度達到4%-75%的時候,施加靜電、明火或混合空氣溫度達到攝氏527°及以上時,氫氣會發生爆炸。

  燃料電池儲氫方式有三種:高壓儲氫、液氫、金屬氫化物(如下圖)

  附:

  氫燃料電池汽車,廠家和用戶都要學的安全問題,涉及到國家標準的,重點有以下方面:

  首先在加氫過程中的安全

  靳殷實向中國客車網介紹,根據國家標準《燃料電池電動汽車 加氫口》方面的要求如下:

  5.1一般要求

  5.1.1接口型式及尺寸應符合4.1的要求。

  5.1.2加氫口應符合GB/T 24549--2009中4.2.2的有關規定。

  5.1.3加氫口應有防止水和灰塵進人接口并能防止接口損傷的防塵蓋,應有防止防塵蓋丟失的裝置。

  5.1.4加氫口應有接地連接裝置,除非車輛上有其他能消除靜電的措施。

  5.1.5加氫口應有防止壓力超過標稱壓力的壓縮氫氣通過加氫口的功能。

  5.1.6加氫口與氫接觸的材料應與氫兼容,在設計的使用壽命期限內,不會發生氫脆現象。

  《燃料電池電動汽車 安全要求》安全要求如下:

  氣密性:按6.3規定的方法進行氣密性試驗,用檢漏液檢查如果1 分鐘之內無氣泡產生則為合格。

  耐溫性:按6.4規定的方法進行耐溫性試驗后其氣密性應符合5.2.1的要求。

  相容性:加氫口與氫氣接觸的非金屬零件,按6.5規定的方法進行相容性試驗后,其體積膨脹率應不大于25%,體積收縮率應不大于10%,質量變化率應不大于10%。

  耐氧老化性:加氫口與氫氣接觸的非金屬零件,按6.6規定的方法進行耐氧老化性試驗后,不應出現變形、變質、斑點及裂紋等現象。

  液靜壓強度:加氫口的承壓零件按6.7規定的方法進行液靜壓強度試驗后,應不出現任何裂紋、永久變形。

  耐振性:加氫口按6.8規定的方法進行耐振性試驗后,所有連接件不應松動,其氣密性應符合5.2.1的要求。

  耐異常壓力:加氫口按6.9規定的方法進行耐異常壓力試驗后,所有連接件不應松動,其氣密性應符合5.2.1的要求。

  耐久性:加氫口的單向閥完成耐溫性試驗后,按6.10規定的方法再進行耐久性試驗,試驗后不應出現異常磨損,且應符合5.2.1氣密性的要求。

  在供氫系統方面,氫氣溫度、充裝速率會有如下影響:

  氣瓶在進行充裝時,氫氣從加氫站固定容器以很快的流速充入車載儲氫氣瓶,氣瓶內氫氣溫度由于受到壓縮而升高。溫升大小受充裝速率的影響較大,如果在很短的時間內充裝完畢,氣瓶內氣體的溫升很大,中心溫度會超過100℃甚至200℃,因此需要對充裝速率進行實時監測和控制。

  正在編寫的《燃料電池汽車加氫接口通信協議》

  若車輛接到動態加注命令,且以下數據均滿足各自數據的完整性檢查和加注方案檢查,則加氫機執行動態通信加注;最多傳遞8個信號——7個已要求信號,1個可選信號(可同時處理復合數據)。

  ID: 協議標識符

  VN: 版本序列

  RT: 接口類型

  TV: 氫瓶容積

  FC: 加注命令

  MT: 測量溫度

  MP: 測量壓力

  在供氫系統,氣瓶共分四個類型:

 ?、裥?全金屬氣瓶)、

 ?、蛐?金屬內膽纖維環向纏繞氣瓶)、

 ?、笮?金屬內膽纖維全纏繞氣瓶)

 ?、糶?非金屬內膽纖維全纏繞氣瓶)。

 ?、裥禿廷蛐推恐厝荼冉洗?難以滿足單位質量儲氫密度的要求,用于車載供氫系統并不理想。Ⅳ型氣瓶在高壓下,氣體易從非金屬內膽向外滲透, 且金屬閥座與非金屬結構的連接強度難以保。我國已發生多起Ⅳ型氣瓶爆炸事故。

 ?、笮?金屬內膽纖維全纏繞氣瓶)鋁合金內膽纖維全纏繞高壓氫氣瓶所使用的材料主要有:鋁合金、碳纖維、玻璃纖維及樹脂。鋁合金內膽的主要用氣體密封并作為纖維纏繞的芯軸,承受一定的纏繞張力。金屬材料在常溫高壓氫氣條件下易發生氫脆。

  碳纖維-樹脂復合層是氣瓶的主要承載結構,玻璃纖維-樹脂復合層作為外?;げ闃饕糜誄惺芡獠砍寤髟睪?。樹脂作為基體材料,其功能是粘結增強體并傳遞應力和起抗剪切的作用。車用儲氫氣瓶中,纖維纏繞高壓氫氣瓶具有承壓能力高、質量輕、耐腐蝕性強比強度和比剛度高等優良性能成為國內外研究的熱點。

  關于供氫系統安全

  根據國家標準,《燃料電池電動汽車 車載氫系統技術條件》供氫系統需要開展以下測試:

  常溫壓力循環試驗

  未爆先漏試驗

  槍擊試驗

  極端溫度壓力循環試驗

  環境試驗

  加速應力爆破試驗

  跌落試驗

  當氣瓶遭受尖銳高速物體(如槍彈)沖擊時,會發生纖維斷裂,導致纖維-樹脂增強層強度儲備降低,氣瓶存在爆破的危險。因此,進行槍擊試驗以檢驗氣瓶遭受尖銳高速物體撞擊時能否保持完整而不發生爆炸。

  極端溫度壓力循環試驗用于檢驗汽車在不同地域行駛時的極端溫度條件對氣瓶疲勞壽命和爆破壓力的影響。

  未爆先漏是在氣瓶設計需要遵循的重要設計準則。

  具體來講,氣瓶的破壞應首先發生在鋁內膽,鋁內膽發生破壞后,氣體穿過鋁內膽迅速地擠壓纖維樹脂復合層,發生泄漏,但不導致氣瓶的整體爆破。

  加速應力爆破試驗(上述第5條)

  加速應力爆破試驗主要考察氣瓶在長時間高溫下工作對氣瓶爆破壓力的影響。氣瓶長時間在高溫下工作,性能會因為材料性能尤其是樹脂材料性能的下降而下降。

  跌落試驗(上述第6條)

  氣瓶在運輸、安裝及使用中可能跌落或受到碰撞等,影響氣瓶的性能。因此,有必要進行跌落試驗以檢驗氣瓶抗撞擊的能力。

  壓縮氫氣儲存系統

  根據國家標準,《燃料電池電動汽車 安全要求》需要進行以下試驗:

  關于燃料電池發動機的安全

  根據國家標準《燃料電池電動汽車 燃料電池堆安全要求》,在燃料電池發動機方面,

  通用要求

  1 燃料電池堆應有必要防護, 防止其部件與外部高溫部件或環境接觸。燃料電池堆外殼應避免容易對人體產生危害的結構。

  2 當燃料電池堆中含有易燃、 易爆氣體或有害物質時, 在易見位置清楚標注出來。

  3 燃料電池堆中應用的材料對工作環境要有一定的耐受性,燃料電池堆的工作環境包括振動、 沖擊、多變的溫濕度、電勢以及腐蝕環境; 在易發生腐蝕、 摩擦的部位應采取必要的防護措施。

  4 對燃料電池堆反應氣和冷卻液的進口或出口溫度、壓力或流量等其他相關參數進行監測或者計算。

  5 對燃料電池堆的電壓、或者電流進行監測或者計算。

  機械結構安全要求

  燃料電池堆安裝固定后,在三個軸向: X向、 Y向、 Z向上應能夠承受5.0 g的沖擊加速度, 承受沖擊之后,燃料電池堆機械結構應不發生損壞, 并能夠正常工作, 氣密性應滿足4.3.1和4.3.2的要求,絕緣性應滿足4.4.1的要求。

  機械沖擊脈沖采用半正弦波形、 持續時間15 ms, 每個方向各進行一次。

  (注: X向是車輛前進方向, Y向是側向, Z向是垂直方向。)

  氣密性安全要求

  1 燃料電池堆氣密性安全要求

  燃料電池堆處于冷態, 關閉燃料電池堆的氫氣排氣端口、空氣排氣端口和冷卻液出口,同時向氫氣流道、空氣流道和冷卻液流道加注氦氮混合氣體, 氦氣濃度不低于10%,壓力均設定在正常工作壓力(表壓) ,壓力穩定后關閉進氣閥門,保壓20 min。保壓結束后氣體壓力值不得低于初始壓力的85%。

  (注: 該條款不適用于風冷燃料電池堆。)

  2 燃料電池堆外殼密封安全要求

  如果燃料電池堆單獨密封但非氣密性外殼, 要有防止氫氣在殼內積聚的措施, 如強制通風等將積聚的氫氣排出, 并在合理位置加裝氫濃度傳感器,氫氣的積聚濃度不能超過25% LFL。

  燃料電池堆

  在整車方面,《燃料電池電動汽車 安全要求》也提出了具體的要求

  B1.1 加氫口

  (1)加氫口應能防止壓縮氫氣倒流至大氣。

  (2)加氫口標志檢查:應在靠近加氫口處,設有標志,標志應包含以下信息:

  燃料類型、公稱工作壓力、氣瓶報廢日期。

  (3)加氫口應有必要的防護裝置,防止灰塵、水等異物進入加氫口內。

  B1.2 氫排放系統

  B1.2.1 超壓泄放系統(C6試驗方法)

  (1)在連接溫度驅動壓力泄放裝置(TPRD)和壓力驅動泄放裝置(PRD)釋放管路的出口處采取必要的?;ご朧?,防止在使用過程中被異物堵塞,影響氣體釋放。例如:可以加蓋一個管帽。

  (2)通過溫度驅動壓力泄放裝置(TPRD)釋放的氫氣,不應:

 ?、? 流入封閉空間或半封閉空間

 ?、? 流入或流向任一車輪罩

 ?、? 流向氫氣瓶

  (3)通過壓力泄放裝置(如爆破片)釋放的氫氣,不應:

 ?、? 流向裸露的電氣端子、電氣開關或其它引火源

 ?、? 流向或流入乘客艙或貨艙

 ?、? 流向或流入任一汽車輪罩

 ?、? 流向氫氣瓶

  B1.2.2 燃料電池/車輛排氣系統

  在汽車排氣系統的排氣測量點處,氫氣濃度應滿足以下兩項要求:

  (1)在進行正常操作(包括開車和停車)時,任意3 s中內的平均氫氣濃度不超過4%(體積濃度),(2)在任何瞬時氫氣濃度不大于8%(體積濃度)(C4試驗方法)。

  B1.3氫氣泄露情況下的火災防護

  B1.3.1 儲氫系統泄漏或滲透的氫燃料,不應直接排到乘客艙、行李艙、貨艙,或者車輛中 任何存在未受?;で痹諢鷦吹姆獗湛占浠虬敕獗湛占?。

  B1.3.2 任何發生在主截止閥下游的單點泄露不應導致乘客艙內氫氣的體積濃度大于4%。

  B1.3.3 如果在汽車運行過程中,某單點泄露導致封閉空間或半封閉空間內氫氣的體積濃度大于2±1%,應該發出警報,濃度大于3±1%,則應關閉主截止閥停止氫氣供應。

  B1.4 燃料系統泄漏

  加氫管路和主截止閥下游的氫系統不應存在泄漏。應在1.15倍NWP下進行該驗證(C5試驗方法)。

  B1.5 報警裝置

  報警裝置應通過警報燈或具有下列特性的文字顯示對駕駛員發出警報:

  (1)坐在駕駛座位的駕駛員應能夠看到警報,不應受天氣和時間的影響。

  (2)當檢測系統檢測到氫泄漏時,大于2%警報應為黃色;當出現B1.3.3中的泄漏情況時,大于3%,警報應為紅色。

  (3)在車輛運行過程中或燃料電池汽車啟動狀態過程中,當車內封閉空間或半封閉空間內出現氫氣濃度超過2%的泄漏情況時,警報應保持亮起。

  (4)當大于3%泄漏報警發生后,泄漏濃度低于報警值時,只有在下次燃料電池系統啟動時才能復位報警狀態,取消報警。

  (5)車內安裝的氫濃度監測設備精度應高于1%vol。

  B2 碰撞后燃料系統的安全要求

  B2.1 燃料泄漏極限:采用壓縮氣態儲氫形式的汽車,在發生碰撞后的60 min之內,燃料系統的平均氫氣泄漏率不應超過118 NL/min。

  B2.2 封閉空間濃度極限:采用壓縮氣態儲氫形式的車輛,碰撞后的氫燃料泄漏不應使乘客艙、行李艙或貨艙內的氫氣濃度超過4%(體積濃度)。

  附 國家相關法規標準:

  以安全為主要要求的燃料電池相關國家標準如下:

  氫系統安全的基本要求(GB/T 29729-2013 )

  移動式加氫設施安全技術規范(GB/T 31139-2014 )

  氫氧發生器安全技術要求(GB/T 34539-2017))

  加氫站安全技術規范(GB/T 34584-2017)

  加氫站用儲氫裝置安全技術要求(GB/T 34583-2017)

  氫能車輛加氫設施安全運行管理規程(GB/Z 34541-2017)

  小型燃料電池車用低壓儲氫裝置安全試驗方法(GB/T 34544-2017)

  燃料電池電動汽車 燃料電池堆 安全要求(報批中)

  燃料電池電動汽車 安全要求(修訂GB/T 24549-2009)

  工業起升車輛用燃料電池發電系統 第1部分:安全(GB/T31037.1-2014)

  (注:本文圖片和附錄內容均由靳殷實研究員提供)

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