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車載氫氣供應系統安全失效模式與控制

2008-11-05 15:42:10 零排放汽車網-專注新能源汽車,混合動力汽車,電動汽車,節能汽車等新聞資訊 網友評論 0

一、引言

氫作為潔凈能源和世界上儲存最豐富的能源,是燃料電池的最佳燃料,可以高效、環境友好地將儲存在燃料電池中的化學能溫和地轉化為電能,同時,也可以作為氫能發動機的燃料。盡管電動汽車在動力平臺選擇上當今科學界和企業界還存在爭議,但發達國家中與汽車、能源相關的機構和企業都在進行氫燃料電池研發。作為車載能源氫氣及其貯存,是一個復雜的問題。在世界能源行業中,氫可作為多種用途的能量媒介。由于這種潛在重要性,引起人們對貯氫問題高度關注。盡管氫是比能量(每千克能量)最高的物質(這也是它作為航天用途的原因),但氫密度最小,是能量密度(每立方米能量)最小的物質,這就帶來一個難題,即把大體積氫氣裝入小體積容器,需要加壓。更重要的是,與其它能量載體不同的是,氫難以液化,它不像LPG或丁烷那樣簡單加壓就可以液化。氫必須冷卻到22K才能液化。筆者結合過去所做的所有燃料電池客車氫供應系統的設計、研發及有關試驗工作,對本文重點進行討論氫氣加壓后,車載壓縮氫氣供應系統安全失效模式與控制問題。

二、典型車載氫氣供應系統組成模型

國際上發展車載高壓供氫系統時,幾乎都采取了一致的技術路線,即沿續天然氣汽車供氣系統發展基礎,借鑒其技術、規范和標準,并根據車載高壓供氫系統的特點逐漸完善。當前,供氫系統的研究主要針對氫燃料發動機汽車(這里包括氫燃料摻燒汽車)和氫燃料電池汽車。

車載氫氣供應系統研究與開發,目前比較領先的是加拿大的Dynetek公司和美國的Quantum公司。為適應氫燃料電池汽車的要求,兩家公司都研制了35MPa高壓供氫系統,共同強調氣瓶上(或連接處)應有手動閥、壓力釋放裝置(PRD)、過流閥、個別氣瓶上應有壓力傳感器和溫度傳感器;儲存系統上有帶有單向截止的充氣閥、過濾器、手動閥;供應系統上有過濾器、減壓器、自動閥、PRD、放散閥等裝置,但兩家采取的技術路線上是有所區別的。在最新開發的世界上首臺70MPa氫氣瓶系統中,提出并設計出了氣瓶組合閥系統,氣瓶組合閥包括氣瓶內置并加有電磁閥的減壓器、PRD、高低壓壓力傳感器、溫度傳感器及閥體進出氣口。國外的燃料電池汽車所使用的鋁膽復合氣瓶主要是加拿大Dynetek公司和美國SCI公司的產品,Dynetek已對外銷售35MPa氣瓶并開發完成70MPa氣瓶。

國內車載氫氣供應系統的發展也與國際上發展該系統的技術路線相一致,同樣采取了沿用天然氣汽車供氣系統的技術、標準,其中唯一可供借鑒的行業標準是“QC/T245-2002,壓縮天然氣汽車專用裝置技術條件”,該標準非等效地采用了聯合國歐洲經濟委員會ECER110《關于CNG專用裝置及安裝了CNG專用裝置的機動車報批的統一規定》以及國際標準ISO15500《壓縮天然氣燃料系統部件》的有關條款。典型的車載氫氣供應系統模型見圖1。

車載氫氣供應系統安全失效模式與控制

圖1 車載氫氣供應系統組成模型

這一模型包括了四個要素:即氫儲存、氫供應、測量控制和安全保障。一般氫儲存包括:充氣閥、充氣管線、儲氫瓶或儲氣瓶組;氫供應包括:供氣管路、減壓裝置;測量控制包括:壓力及溫度傳感器、壓力表、氣體泄漏傳感器、測量控制電路;安全保障包括:過濾器、截斷閥、壓力釋放裝置(PRD)、單向閥、過流保護裝置、氣路通斷電磁閥。

三、車載氫氣供應系統安全失效模式

由于氫特殊的物化特性,國際上在發展氫燃料電池汽車之初就明確提出了“氫安全”概念,在這方面發展比較超前的是加拿大、日本、美國和德國等一些發達國家。燃料電池汽車最不安全的因素之一是供氫系統。氫是一種特殊的氣體元素,在所有氣體中分子量最小,導熱率、聲音傳播速率與平均分子速率最大、粘度與密度最小。這種特殊的性質使氫的泄漏率比其它氣體要高,是甲烷的2.8倍,空氣的3.3倍。氫更是易爆氣體,在某些情況下,氫氣和空氣的混合物能導致爆炸。不言而喻,設計氫燃料電池系統必須認真考慮安全因素。在研究安全失效模式與控制之前,人們必須要了解氫氣與目前常用的車用燃料某些安全性能對比情況,詳見表1

3.1 氫的特性決定其適用于車用燃料

表1幾種車用燃料安全特性[1] [2]

特性

天然氣 (甲烷)

液化石油氣(丙烷)

汽油

密度(NPT下) (kg/m3)

0.089

0.65

2.01

引燃溫度 (℃)

585

540

487

228-501

空氣中燃燒極限 (體積-%)

4-75

4.4-16.5

1.7-10.9

1.0-7.6

最低引燃能量 (MJ)

0.02

0.29

0.26

0.24

空氣中燃燒速度 (cm/s) (按化學計量混和)

346

43

47

40

爆炸極限 (體積-%)

18-59

6.3-14

1.1-1.3

1.1-3.3

爆炸速度 (km/s)

1.48-2.15

1.39-1.64

2-3

1.4-1.7

理論爆炸能量 (kgTNT/m3)

2.02

7.03

4-10

44.22

空氣中擴散系數 (c?O/s)

0.61

0.22

0.15

0.05

從表1中可以看出,氫的突出問題是點火能量小,非常容易著火。但是,表1中所列的其它三種燃料其點火能量也都很低,特別是汽油就更低了。實際上,只要條件合適,一個火花就可以點燃表1中的四種燃料。氫的引燃溫度,明顯高于天然氣、液化石油氣,更明顯高于汽油。從表1還可以看出,氫的最小空氣燃燒極限和天然氣幾乎接近,但明顯高于液化石油氣,更高于汽油。同樣從表1中可以看出,氫的最小爆炸極限明顯高于其它三種燃料,分別高于天然氣2.86倍、液化石油氣和汽油的16.36倍。此外,氫的爆炸極限范圍又是最大的,明顯高于天然氣,更遠遠高于,液化石油氣和汽油,因而,氫又更具危險性。

氫在燃燒時,事實上是看不到火焰的,這又產生了一個安全問題。因此,在使用氫時,防止氫泄漏便是一個關鍵問題。氫的爆炸極限范圍較大,這就產生了另外一個更大的潛在危險,即必須時刻防止有限空間里增加氫的濃度。幸運的是,由于氫的浮力大、平均分子速率高,可以保證氫在所有氣體中以最快的速度擴散。從表1可以看出,氫在空氣中的擴散系數是最高的,要遠遠好于液化石油氣和汽油。從燃料密度看,由于氫的密度很低,因而產生了某些相對優勢。氫氣和天然氣的密度低于空氣的密度(空氣密度是1.29kg/m3),所以在空氣中能快速擴散,而液化石油氣氣體密度要高于空氣密度,在空間底部或地表面容易聚集。汽油是液體,其揮發速度較慢。

氫還有別于其它車用燃料,即對金屬材料有氫脆現象。氫脆是金屬由于吸氫而造成材料變脆,塑性降低,自行斷裂的現象。氫對這些材料的破裂形式勢必造成意想不到的事故,對安全形成極大威脅。隨著金屬材料的廣泛應用,各國對表面處理中的氫脆現象進行了比較多的研究和試驗,并制定了一些標準(例如增加去氫處理,限制高強度鋼的電鍍層,改進材料工藝等)來防止氫脆的破壞。

以壓縮氣體形式儲氫的優點是簡單、無儲存期限限止及對氫氣的純度沒有要求。事實證明,只要高壓儲氫瓶設計正確,使用得當,高壓儲氫是完全安全可行的。當今,世界上高壓儲氫瓶儲氫已廣泛適用于燃料電池汽車中的氫氣供應系統。為了提高燃料電池汽車的續駛里程,汽車制造商已把供氫系統的工作壓力要求從20MPa提高到35MPa,并提出70MPa的目標。

綜合考慮上述因素,氫并沒有顯示出比其它常用車用燃料(氣體或液體)更大的危險。所以設計的氫系統,只要能夠防止泄漏,并控制最終氫和氧的混和比率,氫的儲存和使用就不再有危險,甚至在某些方面,它比其它普通燃料的危險性更小。

3.2 安全失效嚴酷度、安全失效模式及危害性分類

針對氫的典型安全特性,根據故障影響確定每一故障模式及產品的嚴酷度類別,對車載氫氣供應系統安全失效嚴酷度進行分類[4],見表2。

表2 車載氫氣供應系統安全失效嚴酷度分類

類 別

說 明

Ⅰ類(致命故障)

危及人身安全;引起車輛燒毀,造成重大經濟損失;對周圍環境造成嚴重危害。

Ⅱ類(嚴重故障)

引起主要零部件、系統嚴重損壞或影響行車安全,不能用易損備件和隨車工具在短時間排除。

Ⅲ類(一般故障)

不影響行車安全的非主要零部件故障,可用易損備件和隨車工具在較短時間內排除。

Ⅳ類(輕微故障)

對汽車正常運行基本沒有影響,不需要換零部件,可用隨車工具較容易地排除。

針對典型的車載氫氣供應系統模型,現提出5種主要的安全失效模式。安全失效模式、說明及涉及嚴酷度類別見表3。

表3安全失效模式、說明及涉及嚴酷度類別

安全失效模式名稱

說明

涉及嚴酷度類別

1

氣體外泄漏

系統中的部件外密封失效

如氫儲存中的充氣閥、充氣管路、儲氫瓶或儲氣瓶組;氫供應中的供氣管路、減壓裝置;測量控制中的壓力及溫度傳感器、壓力表、氣體泄漏傳感器、測量控制電路;安全保障中的過濾器、截斷閥、壓力釋放裝置(PRD)、單向閥、過流保護裝置、氣路通斷電磁閥。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ

2

功能件靜態氣體內漏

系統中的部件內密封失效

如氫儲存中的儲氫瓶或儲氣瓶組的氣瓶閥;氫供應中的減壓裝置;安全保障中的截斷閥、單向閥、過流保護裝置、氣路通斷電磁閥。

Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ

3

功能件性能失效

系統中的部件不能正常工作

如氫儲存中的充氣閥、儲氫瓶或儲氣瓶組氣瓶閥;氫供應中的減壓裝置;安全保障中的過濾器、截斷閥、壓力釋放裝置(PRD)、單向閥、過流保護裝置、氣路通斷電磁閥。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ

4

傳感器故障

傳感器輸出不正常

如測量控制中的壓力及溫度傳感器、壓力表、氣體泄漏傳感器。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ

5

電子控制部件故障

電子控制部件失效

如測量控制中的測量控制電路;安全保障中的過流保護裝置、氣路通斷電磁閥。

Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ

根據典型的車載氫氣供應系統,對上述主要的5種安全失效模式,做出定性危害性分析。定性危害性分析是按故障模式發生的概率來評價確定故障模式的方法。

根據本文給出的典型的車載氫氣供應系統模型,筆者借鑒過去曾主持對《燃氣汽車供氣系統安全可靠性研究》[4] 課題中危害性分析的認識,把故障模式的發生概率等級分為五級:

A級(經常發生)——在產品工作期間內某一故障模式的發生概率大于或等于產品在該期間內總的故障概率的20% 。

B級(有時發生)——在產品工作期間內某一故障模式的發生概率大于或等于產品在該期間內總的故障概率的10% ,但小于20% 。

C級(偶然發生)——在產品工作期間內某一故障模式的發生概率大于或等于產品在該期間內總的故障概率的1% ,但小于10% 。

D級(很少發生)——在產品工作期間內某一故障模式的發生概率大于或等于產品在該期間內總的故障概率的0.1% ,但小于1% 。

E級(極少發生)——在產品工作期間內某一故障模式的發生概率小于產品在該期間內總的故障概率的0.1%。

針對國內目前已經使用的氫燃料電池客車,故障模式發生的概率研究工作,現在正在進行,將有專門的報告發表。

四、車載氫氣供應系統安全失效控制措施

4.1 安全區域概念

針對已有的6輛氫燃料電池客車和近10000輛天然氣客車供氣的設計、使用經驗,為防止產生Ⅰ類嚴酷度故障,就必須防止氣體外泄漏,根據氫氣的密度與逃逸特性,客車車載高壓供氫系統安全性和功能性要求特點,建立安全區域概念[3],即按照氫供應系統中各部分的配置情況,將整車的各個部分分為不同的安全等級,并根據不同的安全等級進行設計、選型、配置等,見圖2。建立安全控制系統和測量顯示系統,構建系統組成,保證系統的安全性、可靠性、可安裝性、可維修性和可操作性。

車載氫氣供應系統安全失效模式與控制

圖2 車載氫氣供應系統安全區域劃分示意圖

按照整車可能發生氫氣泄漏的程度、整車電器件及氫供應相關零部件分布密集程度、環境因素、人為因素,將整車上劃分四級安全區[3],詳見表4。

表4 安全區劃分

級別

氫氣泄漏點聚集程度

電器件/氫相關零部件密集程度

氫氣泄漏擴散程度(環境)

人為因素

Ⅰ級安全區

一般/無

不易到達此區且易擴散

無接觸

Ⅱ級安全區

一般/有

易擴散

不易接觸

Ⅲ級安全區

高/高

易堆積、不易擴散

經常接觸

Ⅳ級安全區

極高

極高

極易堆積、擴散困難

不易接觸

4.2 車載氫氣供應系統安全控制類型

為保證氣體不泄漏,不產生Ⅰ、Ⅱ類嚴酷度失效,根據安全區與安全級別,首先應在系統上考慮安全控制,即設置氣體泄漏傳感與控制、超壓壓力釋放裝置(PRD)、受撞擊感應與控制和緊急狀態關閉系統,參見圖3。

車載氫氣供應系統安全失效模式與控制

圖3 系統安全控制

為實現系統安全控制,采用了如圖4所示的控制系統策略,HS-ECM為氫系統電子控制模型。實現儲氣瓶組安全低耗智能供氣系統,保障從系統設計上,對安全失效模式進行控制。

車載氫氣供應系統安全失效模式與控制

圖4車載氫氣供應系統安全控制策略

按一定的設計規范對車載氫氣供應系統的零部件進行設計,包括新近研究開發的35MPa儲氫瓶及耐35MPa壓力的關鍵零部件,其中要對儲氫瓶進行17種典型試驗,對關鍵零部件要進行總計27種典型試驗。這樣做的目的就是嚴格控制嚴酷度類別避免出現Ⅰ、Ⅱ類,故障模式的發生概率等級盡可能在D級和E級。

五、結論與展望

我國GDP每年以大約10%左右的增長速度,規模已達到世界的前三四位,一些統計數據表明,能源消耗急劇增加,造成環境、生態日益惡化[5]。目前,國家提出“節能減排”目標,已經成為當前和今后長期刻不容緩的持久任務。而氫能源就是地球上儲量最豐富的能源,對環境非常友好,氫能利用的產物是水,并且不會產生溫室效應。氫能源作為汽車燃料,是今后車用燃料的重要發展方向之一。

只要充分認識氫氣的特殊物化特性,未雨綢繆,采用多種措施,完全可以設計出一種集安全可靠又具較低成本的車載壓縮氫氣供應系統,只要充分重視氫安全,掌握并駕馭氫特性,就可以逐漸從“必然”走向“自由”,最終達到“和諧”。遵循本文所說的車載氫氣供應系統安全失效控制措施有關設計原則,有理由相信,一種節能、安全、智能型的車載氫氣供應系統即將在我國面試,將為我國燃料電池汽車氫氣供應系統躋身于世界一流水平做出貢獻。

參考文獻

[1] 詹姆斯.拉米尼,安德魯.迪克斯著,朱紅譯,衣寶廉校:《燃料電池系統-原理設計應用》(原書第二版),科學出版社2006.2。

[2] 德國寶馬公司:《驅動未來--氫在中國》,BMW集團,2004。

[3] 徐煥恩,任翼:《燃料電池客車氫供應系統安全設計》,“全國清潔汽車行動巡展,電動車、清潔汽車及汽車環保技術交流研討會”《論文集》,上海,2004.8。

[4] 徐煥恩,馮幸福,沈世恩,殷安民:《燃氣汽車供氣系統安全可靠性研究》,北京市科學技術委員會2000年度課題,2001.11。

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作者:0car0.com 來源:chinaev

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