燃料電池車載氫氣安全設(shè)計(jì)
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
3 燃料電池汽車的碰撞安全性問題
燃料電池汽車存在高壓氣體容器和高電壓電池，因此它也存在不同于傳統(tǒng)汽車的安全碰撞性問題，同時(shí)由于氫的各種內(nèi)在特性，其安全性也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)［11］針對(duì)氫燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了氫燃料電池汽車存在的碰撞安全性問題。與氫安全相關(guān)的主要存在兩個(gè)問題:
( 1) 泄漏性。氫是最輕的元素，比液體燃料和其他氣體燃料更容易從小孔中泄漏。如果發(fā)生泄漏，氫氣就會(huì)迅速擴(kuò)散。與汽油、丙烷、天然氣相比，氫氣具有較大的浮力( 快速上升) 和較強(qiáng)的擴(kuò)散性( 橫向移動(dòng)) 。在空氣中，氫的燃燒范圍很寬，且著火點(diǎn)很低，氫氣火焰幾乎是看不到的，因?yàn)樵诳梢姽夥秶鷥?nèi)，燃燒的氫放出的能量很少［12］。因此接近氫氣火焰的人可能不知道火焰的存在，從而增加了危險(xiǎn)性。
( 2) 氫氣罐保護(hù)。高壓氫氣罐的固定支架和鋼帶應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，以保證在碰撞過程中，高壓氫氣罐的動(dòng)態(tài)位移不會(huì)太大，避免造成連接管路的斷裂、變形和氫氣的大量泄漏。何?。?3］基于顯式有限元理論，按照 CMVDR294 法規(guī)對(duì)國(guó)內(nèi)自主開發(fā)的某燃料電池轎車進(jìn)行正面碰撞分析，對(duì)比分析兩種氫氣罐保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的計(jì)算結(jié)果，提出了安全有效的氫氣罐保護(hù)方案，即氫氣罐保護(hù)系統(tǒng)采用整體式設(shè)計(jì)。如圖 2 所示，氫氣罐框架通過 3 根橫梁和 2 根縱梁將兩個(gè)氫氣罐集成到一個(gè)框架總成。縱梁截面為“Π”形，由幾塊板材拼焊而成，中部設(shè)計(jì)出兩個(gè)圓弧形凹槽，可以對(duì)氫氣罐進(jìn)行有效的固定和保護(hù)。
4 汽車發(fā)生氫氣泄露時(shí)的安全性分析
任何燃料的安全性都與其本身的性質(zhì)密切相關(guān)。氫的特殊性質(zhì)使得氫的安全性有不少特點(diǎn)。然而與其他燃料相比，氫氣是一種安全性比較高的氣體。例如氫氣無毒，氫氣在開放的大氣中，很容易快速逃逸，而不像汽油揮發(fā)后，滯留在空間中不易疏散［14］。
邁阿密大學(xué)的 MICHAEL［15］分別對(duì)燃料電池汽車和汽油汽車的燃燒進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，將兩輛汽車分別用氫氣和汽油做燃料，然后做泄漏點(diǎn)火試驗(yàn)，如圖 3 所示。點(diǎn)火 3 s 后，高壓氫氣產(chǎn)生的火焰直噴上方，而汽油由于比空氣重，則從汽車的下部著火。到 1 min 時(shí)，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一個(gè)大火球，完全燒光。這說明氫氣汽車比現(xiàn)在普遍使用的汽油車安全得多。
如果燃料電池汽車發(fā)生車內(nèi)氫氣泄露，也存在一定的危險(xiǎn)性，劉延雷［16］對(duì)燃料電池汽車內(nèi)氫氣泄露擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬研究，考慮了氫氣在車內(nèi)泄露擴(kuò)散后的危險(xiǎn)區(qū)域分布，研究結(jié)論可以為車內(nèi)預(yù)警用氫氣泄露報(bào)警儀的放置( 見圖 4) 以及燃料電池汽車的安全設(shè)計(jì)提供參考。在車內(nèi)發(fā)生氫氣泄露的情況下，整車控制系統(tǒng)能通過車上安裝的氫氣傳感器信號(hào)將氫氣供應(yīng)系統(tǒng)切斷，這一點(diǎn)與傳統(tǒng)汽車在發(fā)生碰撞情況下自動(dòng)切斷油路系統(tǒng)一樣，以保障燃料電池汽車發(fā)生車內(nèi)氫氣泄露時(shí)的安全。
5 結(jié)論
通過對(duì)文獻(xiàn)的調(diào)研和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)燃料電池汽車的氫安全問題進(jìn)行了初步探討。發(fā)現(xiàn)氫安全的問題在國(guó)際上已有較多的理論性研究，尤其是儲(chǔ)氫和車載高壓氫氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的研究較多，但是氫安全的實(shí)驗(yàn)卻很少，且還不能實(shí)現(xiàn)量化。這就導(dǎo)致了人們對(duì)氫安全性的認(rèn)識(shí)不足，氫安全也因此成為了燃料電池汽車在應(yīng)用上的瓶頸之一。為了消除這個(gè)瓶頸帶來的負(fù)面影響，今后我國(guó)要加強(qiáng)車載氫安全研究，包括實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算機(jī)模擬研究等，同時(shí)設(shè)計(jì)更有效的安全措施，保障燃料電池汽車的氫安全，以加速燃料電池汽車的發(fā)展。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/178192.htm
評(píng)論