氫燃料電池電堆安全性測(cè)試項(xiàng)目研究

      中國(guó)正在緊鑼密鼓地開(kāi)發(fā)研制各種車用燃料電池，以節(jié)約汽車能源及改善尾氣排放。如何解決氫燃料電池帶來(lái)的安全性成為科研人員迫切研究的重大課題。

    目前石油緊缺，各種清潔能源汽車得到了廣泛的發(fā)展，例如純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、燃?xì)馄嚨?。同時(shí)也出現(xiàn)了各種以氫燃料電池為動(dòng)力的車輛。然而，氫燃料電池電堆的安全性問(wèn)題也逐漸成為阻礙燃料電池汽車發(fā)展的zui關(guān)鍵因素之一。因此將針對(duì)氫燃料電池電堆的安全性測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行研究。
    1. 氫燃料電池原理
    氫燃料電池是以氫氣和氧氣（空氣）為反應(yīng)氣體，利用質(zhì)子交換膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)氫氣的氧化和氧氣的還原，從而產(chǎn)生電壓和反應(yīng)生成的水。
    1.1 在電池的一端, 氫氣通過(guò)導(dǎo)氣板到達(dá)陽(yáng)極，在催化劑的作用下，發(fā)生如下陽(yáng)極反應(yīng)：
    反應(yīng)生成物中，氫離子（質(zhì)子） 穿過(guò)陽(yáng)極和陰極之間的固體電解質(zhì)膜到達(dá)陰極，電子通過(guò)外電路也到達(dá)陰極。
    1.2 在電池的另一端，氧氣通過(guò)導(dǎo)氣板到達(dá)陰極，在催化劑的作用下，發(fā)生陰極反應(yīng)。
    1.3 總的化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)出
    連續(xù)不斷地向電池輸送氫氣和氧氣，電子就會(huì)在外電路連續(xù)運(yùn)動(dòng)形成電流，從而可以向負(fù)載輸出電能。
    2. 車用氫燃料電池電堆安全性分析
    如圖2所示，1、3為端板，2、6為密封墊片，3、5為電流收集片，4為質(zhì)子交換膜組件。此圖是單片電堆，實(shí)際車用的電堆少則幾十片，多則上百片。
    影響氫燃料電池電堆安全性的因素主要有以下幾個(gè)方面：
    2.1 電安全性：轎車用單個(gè)電堆工作時(shí)輸出電壓zui高可達(dá)150V，多個(gè)電堆串聯(lián)后電壓更高。如此之高的輸出電壓對(duì)車內(nèi)乘客的安全造成威脅，這就對(duì)電堆的絕緣強(qiáng)度和介電強(qiáng)度提出了要求。在這個(gè)方面，電堆的安全性和電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車用動(dòng)力蓄電池的安全性有著共通之處，例如對(duì)絕緣等級(jí)、介電強(qiáng)度、高壓防護(hù)等方面的要求。
    2.2 氫氣安全性：氫燃料電池電堆工作時(shí)需要通入大量的氫氣。*，氫氣是可燃易爆氣體，其爆炸濃度限值范圍甚廣，見(jiàn)表1。
    表1 各種車用可燃?xì)?液體爆炸體積容限
    從表1可以看出，氫氣的爆炸體積容限從13—59%都有可能發(fā)生爆炸。那么，需要分析在何種情況下氫氣會(huì)泄漏以及泄漏后何種情況可能引爆氫氣。這就需要將電堆的電安全性和氫氣安全性綜合考慮。
    2.3 綜合分析電堆氫爆炸因素
    2.3.1 可能造成氫泄漏的環(huán)節(jié)：針對(duì)電堆本身來(lái)說(shuō)，氫的泄漏點(diǎn)主要有兩處，*處是氫氣供給接口，另外一處是多片電堆的層疊間隙處。當(dāng)電堆受到外部機(jī)械撞擊時(shí)，其自身的機(jī)械機(jī)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，造成原有密封結(jié)構(gòu)的破壞，導(dǎo)致氫氣泄漏。而電堆的氫氣供給接口除了在被破壞時(shí)會(huì)導(dǎo)致泄漏之外，也要考慮氫氣供氣系統(tǒng)失效導(dǎo)致氫氣供給壓力過(guò)高而帶來(lái)的不穩(wěn)定因素。
    2.3.2 可能引爆氫氣的環(huán)節(jié)：當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，電堆自身或與車身金屬件之間的碰撞摩擦可能產(chǎn)生火花，火花可能引爆泄漏的氫氣。
    此外，當(dāng)電堆機(jī)械結(jié)構(gòu)因外力的施加而產(chǎn)生形變，造成極間短路；因某些尖銳金屬物體刺入電堆，引起極間短路。極間短路直接導(dǎo)致的后果是產(chǎn)生電火花，也是引爆氫氣的因素。
    經(jīng)過(guò)對(duì)氫燃料電池電堆安全性因素的分析，認(rèn)為電堆的很多危險(xiǎn)環(huán)節(jié)的相關(guān)評(píng)定方法和測(cè)試項(xiàng)目都可以參考現(xiàn)有的車用儲(chǔ)能裝置及燃?xì)馄嚨南嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)。從這些標(biāo)準(zhǔn)中提取中可以用于氫燃料電池電堆的安全性測(cè)試項(xiàng)目，在結(jié)合氫燃料電池自身的特點(diǎn)，可以初步制定氫燃料電池電堆的安全性測(cè)試項(xiàng)目及基本試驗(yàn)方法。
    3. 國(guó)內(nèi)車用儲(chǔ)能裝置的測(cè)試項(xiàng)目
    目前國(guó)內(nèi)頒布的電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車的車用儲(chǔ)能裝置的標(biāo)準(zhǔn)主要有：
    GB/T 18384.1-2001電動(dòng)汽車安全要求第1部分：車載儲(chǔ)能裝置；
    GB/T 18332.2-2001電動(dòng)道路車輛用金屬氫化物鎳蓄電池；
    GB/Z 18333.1-2001電動(dòng)道路車輛用鋰離子蓄電池。
    以上標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì)電動(dòng)汽車用蓄電池中與氫燃料電池相關(guān)的測(cè)試項(xiàng)目主要包括以下幾個(gè)方面：
    絕緣電阻、介電強(qiáng)度
    極間短路
    耐振動(dòng)、沖擊
    耐高溫、高濕
    抗擠壓、穿刺
    耐浸泡
    4. 國(guó)內(nèi)燃?xì)馄嚨陌踩詼y(cè)試項(xiàng)目
    目前國(guó)內(nèi)頒布的燃?xì)馄嚨陌踩詷?biāo)準(zhǔn)主要有：
    《GB 18047-2000車用壓縮天然氣》
    《GB 17258—1998汽車用壓縮天然氣鋼瓶》
    《GB 19159-2003車用液化石油氣》
    《GB 17259—1998機(jī)動(dòng)車用液化石油氣鋼瓶》
    以上標(biāo)準(zhǔn)中，和氫燃料電池電堆安全性相關(guān)的測(cè)試項(xiàng)目主要是氣路、水路等的耐壓性測(cè)試。
    5. 氫燃料電池電堆的安全性測(cè)試項(xiàng)目
    根據(jù)車用氫燃料電池電堆在整車行駛/停放時(shí)的實(shí)際工作環(huán)境和狀態(tài)，考慮氫燃料電池汽車的各種事故情況，參考車用儲(chǔ)能裝置和燃?xì)馄嚨默F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)項(xiàng)目，針對(duì)車用氫燃料電池電堆的特殊原理結(jié)構(gòu)，對(duì)電堆的安全性測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行分析研究。
    經(jīng)過(guò)分析研究，認(rèn)為氫燃料電池電堆的安全性測(cè)試項(xiàng)目和基本方法主要包括以下幾個(gè)方面：
    5.1 電氣安全特性
    絕緣電阻：通過(guò)絕緣電阻測(cè)試儀將1000V的交流電壓（50 Hz或60 Hz）或1600 V的直流電壓連接至電堆的電極及外殼的金屬、非金屬部位，在不同的溫濕度環(huán)境下監(jiān)測(cè)絕緣電阻值。
    介電強(qiáng)度：通過(guò)介電強(qiáng)度測(cè)試儀將1000V的交流電壓（50 Hz或60 Hz）或1600 V的直流電壓連接至電堆的電極及外殼的金屬、非金屬部位保持1min，在不同的溫濕度環(huán)境下監(jiān)測(cè)電流值。
    極間短路：將大電流接觸器的觸點(diǎn)兩端分別連接到電堆輸出的正、負(fù)極，監(jiān)測(cè)接觸器接通周期內(nèi)電堆輸出電壓、電流、單片電壓、溫度等重要參數(shù)的變化。
    5.2 耐環(huán)境特性
    高溫、濕熱：在一定的溫、濕度環(huán)境下工作，觀察電堆的工作狀態(tài)、機(jī)械部件耐高溫特性以及結(jié)露情況。
    振動(dòng)、沖擊：通過(guò)振動(dòng)/沖擊試驗(yàn)臺(tái)對(duì)電堆XYZ三個(gè)方向的抗振動(dòng)/沖擊能力進(jìn)行測(cè)試，觀察電堆機(jī)械結(jié)構(gòu)的松脫、開(kāi)裂等情況。
    跌落：將電堆從1.5 m高度自由落體到硬木質(zhì)地板，觀察外殼損壞情況后進(jìn)行其他諸如絕緣電阻、介電強(qiáng)度、耐壓等試驗(yàn)。
    浸泡：將電堆浸泡于水中或一定濃度的鹽水中一段時(shí)間，觀察外殼銹蝕/腐蝕情況。浸泡后進(jìn)行其他試驗(yàn)。
    5.3 機(jī)械強(qiáng)度
    擠壓、穿刺：通過(guò)擠壓/穿刺試驗(yàn)臺(tái)對(duì)電堆的相關(guān)機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行考核?？煞譃槿齻€(gè)方向。試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)電堆的輸出電壓、電流、單片電壓、溫度等重要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
    耐壓：通過(guò)耐壓試驗(yàn)臺(tái)對(duì)電堆的氣路、水路的耐壓情況進(jìn)行測(cè)試，可選用zui大工作壓力的3至5倍壓力進(jìn)行測(cè)試，包括耐壓測(cè)試和保壓測(cè)試。
    6. 結(jié)束語(yǔ)
    6.1 氫燃料電池汽車所使用的電堆，因?yàn)槟茌敵鲭娏?，?qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作而使車輛前進(jìn)，具有純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車所使用的動(dòng)力蓄電池的電氣特征，因此很多安全試驗(yàn)項(xiàng)目都可以參考電動(dòng)車用儲(chǔ)能系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
    6.2 氫燃料電池電堆的工作需要依靠外圍氫氣、氧氣供給系統(tǒng)和流量控制系統(tǒng)、空氣加濕系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，而且也涉及到可燃?xì)怏wH2，所以燃?xì)馄嚨南嚓P(guān)測(cè)試項(xiàng)目也能運(yùn)用到氫燃料電池電堆的安全性測(cè)試中。
    6.3 因?yàn)槟壳皣?guó)內(nèi)外尚無(wú)針對(duì)氫燃料電池電堆的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，所以本文所述的試驗(yàn)項(xiàng)目中的具體參數(shù)，如試驗(yàn)時(shí)間、溫度、壓力等，需要針對(duì)電堆開(kāi)展相應(yīng)的安全性測(cè)試，有了數(shù)據(jù)的積累方能確定這些參數(shù)。
    6.4 為了zui大程度的模擬電堆在整車實(shí)際行駛/停放時(shí)的真實(shí)工作狀態(tài)，在安全性測(cè)試過(guò)程中，如果條件允許，盡量使電堆處于工作狀態(tài)下。那么，電堆工作狀態(tài)的不同，對(duì)安全性測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果的影響還需要大量的試驗(yàn)研究。
    6.5 電堆的工作需要外圍氫氣、氧氣/空氣、冷卻水等設(shè)備的支持。這些設(shè)備具有自身或總體的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的安全保護(hù)功能在較大程度上降低了氫氣泄漏和電堆極間短路的危險(xiǎn)。因此，在未來(lái)有必要結(jié)合電堆的外圍供給系統(tǒng)和電堆自身來(lái)綜合考慮氫燃料電池系統(tǒng)的安全性測(cè)試評(píng)估。

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