燃料電池車載氫氣安全設(shè)計
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，同時由于氫的各種內(nèi)在特性，其安全性也是一項挑戰(zhàn)。文獻［11］針對氫燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)特點，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，氫氣就會迅速擴散。與汽油、丙烷、天然氣相比，氫氣具有較大的浮力( 快速上升) 和較強的擴散性( 橫向移動) 。在空氣中，氫的燃燒范圍很寬，且著火點很低，氫氣火焰幾乎是看不到的，因為在可見光范圍內(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，從而增加了危險性。
( 2) 氫氣罐保護。高壓氫氣罐的固定支架和鋼帶應有足夠的強度，以保證在碰撞過程中，高壓氫氣罐的動態(tài)位移不會太大，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)對國內(nèi)自主開發(fā)的某燃料電池轎車進行正面碰撞分析，對比分析兩種氫氣罐保護系統(tǒng)設(shè)計方案的計算結(jié)果，提出了安全有效的氫氣罐保護方案，即氫氣罐保護系統(tǒng)采用整體式設(shè)計。如圖 2 所示，氫氣罐框架通過 3 根橫梁和 2 根縱梁將兩個氫氣罐集成到一個框架總成?？v梁截面為“Π”形，由幾塊板材拼焊而成，中部設(shè)計出兩個圓弧形凹槽，可以對氫氣罐進行有效的固定和保護。
4 汽車發(fā)生氫氣泄露時的安全性分析
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。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］。
邁阿密大學的 MICHAEL［15］分別對燃料電池汽車和汽油汽車的燃燒進行對比試驗，將兩輛汽車分別用氫氣和汽油做燃料，然后做泄漏點火試驗，如圖 3 所示。點火 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，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，也存在一定的危險性，劉延雷［16］對燃料電池汽車內(nèi)氫氣泄露擴散進行數(shù)值模擬研究，考慮了氫氣在車內(nèi)泄露擴散后的危險區(qū)域分布，研究結(jié)論可以為車內(nèi)預警用氫氣泄露報警儀的放置( 見圖 4) 以及燃料電池汽車的安全設(shè)計提供參考。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將氫氣供應系統(tǒng)切斷，這一點與傳統(tǒng)汽車在發(fā)生碰撞情況下自動切斷油路系統(tǒng)一樣，以保障燃料電池汽車發(fā)生車內(nèi)氫氣泄露時的安全。
5 結(jié)論
通過對文獻的調(diào)研和實踐經(jīng)驗對燃料電池汽車的氫安全問題進行了初步探討。發(fā)現(xiàn)氫安全的問題在國際上已有較多的理論性研究，尤其是儲氫和車載高壓氫氣系統(tǒng)設(shè)計方面的研究較多，但是氫安全的實驗卻很少，且還不能實現(xiàn)量化。這就導致了人們對氫安全性的認識不足，氫安全也因此成為了燃料電池汽車在應用上的瓶頸之一。為了消除這個瓶頸帶來的負面影響，今后我國要加強車載氫安全研究，包括實驗研究和計算機模擬研究等，同時設(shè)計更有效的安全措施，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
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