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燃料电池汽车的氢气排放
2024-09-15 08:34:26· 来源：智驾小强
1.为什么会有氢排放
2.氢气排放的影响
3.减少氢气排放的措施
4.相关标准和法规的要求
1.为什么会有氢气排放
氢燃料电池是一种将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的装置。在氢燃料电池内部，氢气被供给到阳极，与电解质发生反应后产生电子和质子。电子通过外部电路形成电流，而质子则通过电解质膜到达阴极。在阴极，质子与氧气（通常从空气中获取）和电子结合生成水。在这个过程中，因此，理论上讲，燃料电池的主要排放物是水，而不包括氢气。
但因为反应不完全、系统启停和故障以及尾气处理等原因，存在氢燃料电池发动机向外排放氢气的可能。
未完全反应的氢气：在实际运行过程中，由于各种原因（如温度、湿度、氢气纯度、气流速度等），燃料电池内部的反应效率并非100%，部分氢气未能完全参与反应，而是随尾气排出。
虽然燃料电池系统在设计时通常会包含氢气循环机制，以提高氢气的利用率。然而，这一机制并不能保证所有氢气都被完全利用，因此仍会有少量氢气排放。
系统启停和故障情况：在燃料电池汽车启动、停机或发生故障时，系统内的氢气压力可能会发生变化，导致部分氢气被释放到环境中。特别是当动力电池的SOC（荷电状态）变化时，燃料电池系统的状态切换（如从热待机状态切换到发电状态）会伴随氢气的排放。
尾气处理不完全：为了降低尾气中的氢气浓度并提高安全性，燃料电池汽车通常会采用尾气处理系统。这些系统可能包括氢气回收装置、催化燃烧器等，用于将未反应的氢气转化为水或其他无害物质。然而，在实际应用中，由于技术限制和成本考虑，尾气处理系统可能无法完全消除氢气的排放。
系统设计缺失：部分燃料电池系统可能采用直排无循环模式（如氢燃料轮船、游艇等），将未反应的氢气直接排放到大气中，以简化系统结构和降低成本。然而，这种设计会导致氢气的浪费和环境污染。
2.氢气排放的影响
在氢燃料电池汽车应用中，氢气泄漏会导致系统效率下降。为了维持一定的输出功率和行驶里程，需要消耗更多的氢气来补充泄漏的损失，从而增加了燃料消耗和运营成本。
氢气是一种极易燃烧和爆炸的气体，其爆炸极限范围非常宽，是4.0%～75.6%（体积浓度），意思是如果氢气在空气中的体积浓度在4.0%～75.6%之间时，遇火源就会爆炸。且氢气燃烧速度快、热量高。因此，氢气泄漏后极易引发火灾或爆炸事故，对人员安全、设备设施及环境造成威胁。
在密闭或通风不良的空间内，氢气分子小、重量轻，容易在空气中扩散，氢气积聚会引发严重的安全隐患。中国大城市的车辆通常都放置在通风不良的地下车库中，一旦发生泄漏，氢气会迅速扩散到周围环境中，增加事故发生的可能性和范围。
3.减少氢气排放的措施
可以运用系统工程的方法，通过优化系统设计、提高氢气纯度、控制工作条件、加强尾气处理等手段来减少氢燃料电池发动机的氢气排放。
优化系统设计：通过改进燃料电池发动机的设计、提高反应效率以及优化氢气循环系统等方式，可以减少未完全反应的氢气量。采用更高效的氢气循环系统，如再循环系统、双引射器系统或引射器与氢气循环泵并联系统等，可以有效减少未反应氢气的排放并提高氢气利用率。
提高氢气纯度：通过技术手段提高进入燃料电池的氢气纯度，可以减少因杂质影响而导致的反应不完全和氢气排放。
控制工作条件：通过开发智能控制算法和策略，优化燃料电池汽车在不同工况下的运行参数和模式，严格控制燃料电池发动机内的温度、湿度、气流速度等条件，可以减少氢气的排放并提高系统的整体效率。
加强尾气处理：采用更高效的尾气处理技术和装置，如更先进的催化燃烧器或氢气回收系统，可以降低尾气中的氢气浓度，进一步减少氢气排放并提高燃料电池系统的安全性。
提高安全性能：加强燃料电池汽车的安全监测和预警系统建设，及时发现并处理潜在的安全隐患和故障情况，以减少因系统异常而导致的氢气排放。
4.相关标准和法规的要求
为了规范氢燃料电池的氢气排放问题，联合国、日本、美国汽车工程师协会和我国均已制定了相关标准和法规。
例如UN ECE R100法规规定了M和N类氢燃料电池机动车的氢气排放测试方法和排放标准，要求5小时内的氢气排放量应低于125 g，或t小时内的氢气释放量应低于25*t克；在出现故障时，氢气排放量应低于42 g；此外，这种可能的故障限制在30分钟内。
UN ECE R136法规规定了L类氢燃料电池摩托车的氢气排放测试方法和排放标准，要求5小时内的氢气排放量应低于125 g，或t小时内的氢气释放量应低于25*t克；在出现故障时，氢气排放量应低于42 g；此外，这种可能的故障限制在30分钟内。
GB/T 34593-2017《燃料电池发动机氢气排放测试方法》规定了车用燃料电池发动机的氢气排放测试方法，适用于车用质子交换膜燃料电池发动机。该标准的实施有助于促进燃料电池发动机及燃料电池汽车产业的健康发展，并减少氢气排放对环境的影响。
GB/T 37154-2018《燃料电池电动汽车 整车氢气排放测试方法》规定了整车氢气排放测试的方法，分为怠速热机状态氢气排放和循环工况下热机状态氢气排放两种测试状态。
GB/T 24549-2020《燃料电池电动汽车 安全要求》明确规定，怠速热机状态氢气排放测试时，在燃料电池汽车进行正常操作（包括启动和停机）时，任意连续3秒内的平均氢气体积浓度必须维持在4%以下，且任何瞬间的氢气体积浓度峰值不得超过8%。
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