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从研发到应用,如何保证燃料电池安全运行?

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燃料电池的安全性是燃料电池发展过程中避不开的话题,随着技术的进步,燃料电池的安全性已经大大提升,但近些年燃料电池事故仍频繁走入人们的视野。

燃料电池使用的氢由于其本身的物理特性,在制取、储运、使用的过程中都有造成财产损失、人员伤亡的风险。

氢燃料电池汽车多数使用高压储氢罐进行储氢,有泄漏的风险,加之氢气密度小,扩散快,且无色无味,使得氢气泄漏后很难被察觉。如果泄漏量较小,氢气扩散到空气中,危害较小,不易引起大规模火灾;如果处于相对封闭的环境中,由于易燃易爆的物理特性,氢气大量泄漏后很容易引起爆燃。

从发生过的氢燃料电池起火爆燃事件来看,事故大多是设备故障,氢气泄漏导致的。

2023年上半年,丰田曾宣布其正在测试中的液氢卡罗拉(配置|询价)赛车气态氢管发生泄漏,导致起火。

2023年7月,美国加州一辆氢燃料公交车在加氢站加氢时发生爆燃,公交车被毁,加氢站的加氢设施受损。据公交车所属公司报告,事故原因是储氢罐在加氢时爆炸。

因此,在燃料电池系统的使用过程中,需要严格控制氢气的使用环境和火源,以避免发生爆炸事故。

除了设备故障之外,错误的移动、拆装和使用等人为原因也造成了较多事故。

2023年6月,位于荷兰鹿特丹的一辆运输拖车,由于氢气阀门在组装过程中螺栓拧紧不当,阀门上的O形圈爆裂造成氢气泄漏。

因此燃料电池系统的包装和管道等部件需要经过严格的气密性检测和安全设计,并在使用环节加强规范管理,以减少氢气泄漏的风险。

另外,燃料电池车尾气中的氢气浓度过高也有安全隐患。特嗨氢能数据显示,当尾气中氢气含量超过4%时,遇到明火就有发生爆炸的危险。

针对这个问题,国标GB/T24549也做出相应规定,燃料电池汽车尾排氢浓度在任意时刻连续3s内的平均氢气体积浓度应不超过4%,且瞬时氢气体积浓度不超过8%。厂商也进行技术研发,通过多种措施控制尾排氢浓度,提高氢燃料电池车的安全性。

图片来源:特嗨氢能检测

有专家表示,燃料电池汽车的安全性问题是复杂的问题,跟燃料电池电堆、系统、氢系统、整车匹配设计、生产管控、试验验证、售后服务、运维管理等等多个因素是有关系的,而且这些因素之间会存在一个耦合的作用。燃料电池的安全问题不可忽视,如果燃料电池系统出现问题,会对操作人员和设备本身造成危害。

专家同时建议,在使用过程中,需要对燃料电池系统的状态进行密切监测,并采取相应的安全措施进行防范。因此,加强氢气泄漏检测报警、完善相关设备设施的检验流程显得尤为重要。燃料电池厂商为保证电池系统的安全,已开始在生产、使用等多个环节进行优化。

森萨塔已研发出高压氢气压力传感器,以满足对储氢系统压力监测的需求,并在材料上进行优化,避免金属部件产生氢脆现象,造成泄露风险。

康明斯利用大数据,实现车队运行状况可视化,并在氢燃料电池发动机的使用维护方面进行优化,以保障氢燃料电池汽车运营的安全性。对车辆情况进行实时监测,防患于未然。

世椿新能源也在研发并销售装堆机、气密测试机、瑕疵检测机、电堆系统组装生产线等设备,用以在生产安装环节优化燃料电池的安全性。

目前国内使用高强度碳纤维材料的35MPa储氢瓶已实现批量化应用,储氢瓶具有相关的国家、国际安全标准,能够满足在氢气加注过程中,储氢罐温度和压力的快速变化,减少隐患,提升储氢系统的稳定性。

在氢燃料电池的商业化应用中,用户对氢燃料电池的顾虑除了成本高和加氢难,安全性上是否有可靠的保障也成为他们最为关注的问题。

联合国欧洲经济委员会为使公众对燃料电池更加认可,起草了全球技术法规GTRNO.13《氢燃料电池汽车全球技术法规》,在法规中对氢燃料电池汽车的安全性作出了明确规定。

当前我国已经开始进行大规模示范应用,并在实践中不断出台相关政策,制定产业标准和管理规范,让企业在生产和研发过程中有据可依,也保证用户在使用时更加安全。

发改委发布的《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》指出,加快推进燃料电池技术创新,开发关键材料,提高主要性能指标和批量化生产能力,持续提升燃料电池可靠性、稳定性、耐久性。支持新型燃料电池等技术发展。着力推进核心零部件以及关键装备研发制造。加快提高可再生能源制氢转化效率和单台装置制氢规模,突破氢能基础设施环节关键核心技术。开发临氢设备关键影响因素监测与测试技术,加大制、储、输、用氢全链条安全技术开发应用。

同时国家也制定燃料电池安全测试方法,在应用的过程中查缺补漏,保证燃料电池使用的安全稳定。

本月将开始实施的GB/T 20042.2-2023《质子交换膜燃料电池 第2部分:电池堆通用技术条件》就提到,燃料电池制造商应对所有合理的可预见的危险进行评估,在实际可行的条件下为燃料电池堆采取相应的安全措施,对电堆爆燃能量进行主被动控制,确保能量释放时不危及周围环境。

同济大学教授戴海峰表示:“燃料电池汽车总体的发展质量和水平还在提高,安全性是它的关键指标之一,应该得到更多的关注。”

产品生产和使用标准化是产业持续发展的基础,产业规范的制定不仅能加速技术革新,规范的制造和使用流程也有利于燃料电池安全性的提升。

在国家已经开始进行顶层设计,扶持产业的当下,更应当把握机会,通过科学设计、合理使用和严格的安全管理,来保证燃料电池系统的安全运行,以此让更多的用户接受氢燃料电池,为发展提供更安全和可持续的能源解决方案。

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编辑:敬之

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