燃料电池电动汽车的安全性总结与展望
燃料电池电动汽车的安全性是燃料电池电动汽车产业发展的基础,目前各企业在燃料电池电动汽车上,从材料、关键部件、电堆、系统、氢系统等各方面采取的系统安全措施,经过多年的实际示范运营证明是可靠的。氢燃料电池车的安全性,不只是氢燃料电池安不安全的问题,实际上氢燃料电池车从设计研发到量产及应用运行,都需要建立形成了一个较为完备的科学技术体系。
随着燃料电池成本下降和性能不断提高,各种性能指标已基本达到使用要求,燃料电池汽车商业化、规模化、产业化是必然趋势。而随着技术的发展,一些新技术,尤其是新型车载储氢系统及氢气的储运加技术将逐渐被应用到燃料电池电动汽车的开发与应用中,并会由此带来一些新的安全问题。
(1)新型氢气储运加技术
1)液氢技术。2020 年初,全国氢能标准化技术委员会已经报批了三项液氢标准,涵盖了液氢生产、储运等相关技术内容,预计将于年内发布。我国液氢技术主要运用在航天领域,而民用实践经验不足,安全管理技术和水平比较有限。
随着液氢技术用于氢能储运,加氢站内可能会以低温液态的形式储存氢能,站场的运行机制会随之发生变化,会产生新的安全管理需求,相关技术、装备及标准规范都缺位。建议先借鉴发达国家实践经验,结合我国技术装备发展水平,引进转化部分标准法规。
2)固态储氢技术。固态储氢加氢站具有压力低、成本低等优点,2019 年7 月,由北京有研集团、深圳佳华利道等在辽宁省葫芦岛市建成投产一座固态储氢加氢示范站。后续将跟踪示范站运行情况,适时总结实践经验,研究制定技术规范,提高站场安全管理水平。
目前,我国加氢站氢气供给以长管拖车为主。固态储运技术的应用,会改变氢气加注的部分流程,如增加了氢气析出过程。由于析出氢气压力小,不能直接加注,不能直接采用当前普遍采用的三级加注工艺,要增加一个低压增压过程(从析出压力增压至20MPa 或以上),可能会带来成熟加注工艺的改变,并带来新的安全技术问题。
3)管道输氢技术。管道输氢到站技术目前在上海金山站已有应用实践,工艺流程可以借鉴推广。
需要注意的是,管道输送过程可能会污染氢气,建议开展氢气品质对比分析。不定期同步抽检注入管道前和输送到站场的氢气杂质含量变化,建立基础数据库,为管道气进站后纯化技术和工艺选择提供指导。
4)有机液态储氢技术。有机液态储氢可能带来两个问题,一个是析出氢气压力低,跟固态储氢一样,需要增加一个增压过程,这可能会引起加注工艺的变化;另一个是析出氢的纯度问题,需要基于检验检测结果配套析出氢的纯化装置。
(2)车载储氢技术
目前车载储氢以压缩气态为主,国际以70Mpa 四型瓶为主,国内以35MPa 三型瓶为主。随着技术进步以及终端应用的需求,车载储氢技术最主要的趋势如下:①压力等级与国际接轨,从35MPa 提高到70MPa,储氢瓶也可能从三型瓶向四型瓶过渡;②固态和有机液态储氢技术应用到车载氢系统,直接改变目前的气态储氢方式;③深冷高压技术用于车载储氢。
关于车载储氢压力问题,2017 年发布的GB/T 35544-2017 《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》已经生效实施,对车载70MPa 储氢三型瓶的技术指标做了明确要求。
2020 年7 月,中国技术监督情报协会气瓶安全标准化与信息工作委员会(以下简称“瓶工委”)组织浙江大学等单位起草的团体标准《车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶》,该标准已正式向社会公开征求意见,由此可见,四型瓶在车载储氢上的技术研发及应用开始得到越来越多的关注与重视。
北京有研集团和武汉氢阳分别在固态车载储氢和有机液体车载储氢方面做了探索和示范,但仍然缺乏相关技术标准规范研究和制定。
(3)安全技术的需求及趋势
现有的燃料电池车辆安全设计已经可以较好地解决燃料电池电动汽车的氢电安全问题,并避免汽车剧烈碰撞等各种场合下发生氢气爆炸及高压电泄漏导致的安全问题。在未来新技术不断出现过程中,可以从以下几大方面提升燃料电池汽车安全技术:
1)对于燃料电池电堆:优化关键材料、部件选型及设计,如要求燃料电池堆中应用的材料对工作环境有一定的耐受性,提升燃料电池堆的机械结构安全、气密性安全设计技术等。
2)对于燃料电池系统:优化热管理子系统、空气子系统、氢气子系统等设计,并引入功能安全等设计与管理流程,进一步提升电子电气系统对燃料电池工作状态监控的可靠性。
3)对于燃料电池电动汽车整车:要拥有严格的性能测试和严密的氢电安全监控体系,建立系统的整车结构可靠性及电气可靠性设计技术。
4)对于车载氢系统:需要考虑不同储氢形式,从设计与材料双管齐下,从预防与监控两方面入手设计安全措施,从而实现车载安全用氢多重保障。
5)对于基础设施,加氢站的安全设计需要根据加氢站自身的设备组成和加氢模式建立相应的技术规范。
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