氫燃料電池電堆安全性測試項目研究

      氫燃料電池電堆安全性測試項目研究

      中國正在緊鑼密鼓地開發研制各種車用燃料電池，以節約汽車能源及改善尾氣排放。如何解決氫燃料電池帶來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展，例如純電動汽車、混合動力汽車、燃氣汽車等。同時也出現了各種以氫燃料電池為動力的車輛。然而，氫燃料電池電堆的安全性問題也逐漸成為阻礙燃料電池汽車發展的zui關鍵因素之一。因此將針對氫燃料電池電堆的安全性測試項目進行研究。
    1. 氫燃料電池原理
    氫燃料電池是以氫氣和氧氣（空氣）為反應氣體，利用質子交換膜技術實現氫氣的氧化和氧氣的還原，從而產生電壓和反應生成的水。
    1.1 在電池的一端, 氫氣通過導氣板到達陽極，在催化劑的作用下，發生如下陽極反應：
    反應生成物中，氫離子（質子） 穿過陽極和陰極之間的固體電解質膜到達陰極，電子通過外電路也到達陰極。
    1.2 在電池的另一端，氧氣通過導氣板到達陰極，在催化劑的作用下，發生陰極反應。
    1.3 總的化學反應反應出
    連續不斷地向電池輸送氫氣和氧氣，電子就會在外電路連續運動形成電流，從而可以向負載輸出電能。
    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為質子交換膜組件。此圖是單片電堆，實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方面：
    2.1 電安全性：轎車用單個電堆工作時輸出電壓zui高可達150V，多個電堆串聯后電壓更高。如此之高的輸出電壓對車內乘客的安全造成威脅，這就對電堆的絕緣強度和介電強度提出了要求。在這個方面，電堆的安全性和電動汽車、混合動力汽車用動力蓄電池的安全性有著共通之處，例如對絕緣等級、介電強度、高壓防護等方面的要求。
    2.2 氫氣安全性：氫燃料電池電堆工作時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，見表1。
    表1 各種車用可燃氣/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%都有可能發生爆炸。那么，需要分析在何種情況下氫氣會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節：針對電堆本身來說，氫的泄漏點主要有兩處，*處是氫氣供給接口，另外一處是多片電堆的層疊間隙處。當電堆受到外部機械撞擊時，其自身的機械機構會發生變化，造成原有密封結構的破壞，導致氫氣泄漏。而電堆的氫氣供給接口除了在被破壞時會導致泄漏之外，也要考慮氫氣供氣系統失效導致氫氣供給壓力過高而帶來的不穩定因素。
    2.3.2 可能引爆氫氣的環節：當發生碰撞時，電堆自身或與車身金屬件之間的碰撞摩擦可能產生火花，火花可能引爆泄漏的氫氣。
    此外，當電堆機械結構因外力的施加而產生形變，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。極間短路直接導致的后果是產生電火花，也是引爆氫氣的因素。
    經過對氫燃料電池電堆安全性因素的分析，認為電堆的很多危險環節的相關評定方法和測試項目都可以參考現有的車用儲能裝置及燃氣汽車的相關標準。從這些標準中提取中可以用于氫燃料電池電堆的安全性測試項目，在結合氫燃料電池自身的特點，可以初步制定氫燃料電池電堆的安全性測試項目及基本試驗方法。
    3. 國內車用儲能裝置的測試項目
    目前國內頒布的電動汽車、混合動力汽車的車用儲能裝置的標準主要有：
    GB/T 18384.1-2001電動汽車安全要求第1部分：車載儲能裝置；
    GB/T 18332.2-2001電動道路車輛用金屬氫化物鎳蓄電池；
    GB/Z 18333.1-2001電動道路車輛用鋰離子蓄電池。
    以上標準中針對電動汽車用蓄電池中與氫燃料電池相關的測試項目主要包括以下幾個方面：
    絕緣電阻、介電強度
    極間短路
    耐振動、沖擊
    耐高溫、高濕
    抗擠壓、穿刺
    耐浸泡
    4. 國內燃氣汽車的安全性測試項目
    目前國內頒布的燃氣汽車的安全性標準主要有：
    《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機動車用液化石油氣鋼瓶》
    以上標準中，和氫燃料電池電堆安全性相關的測試項目主要是氣路、水路等的耐壓性測試。
    5. 氫燃料電池電堆的安全性測試項目
    根據車用氫燃料電池電堆在整車行駛/停放時的實際工作環境和狀態，考慮氫燃料電池汽車的各種事故情況，參考車用儲能裝置和燃氣汽車的現行標準和試驗項目，針對車用氫燃料電池電堆的特殊原理結構，對電堆的安全性測試項目進行分析研究。
    經過分析研究，認為氫燃料電池電堆的安全性測試項目和基本方法主要包括以下幾個方面：
    5.1 電氣安全特性
    絕緣電阻：通過絕緣電阻測試儀將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，在不同的溫濕度環境下監測絕緣電阻值。
    介電強度：通過介電強度測試儀將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，在不同的溫濕度環境下監測電流值。
    極間短路：將大電流接觸器的觸點兩端分別連接到電堆輸出的正、負極，監測接觸器接通周期內電堆輸出電壓、電流、單片電壓、溫度等重要參數的變化。
    5.2 耐環境特性
    高溫、濕熱：在一定的溫、濕度環境下工作，觀察電堆的工作狀態、機械部件耐高溫特性以及結露情況。
    振動、沖擊：通過振動/沖擊試驗臺對電堆XYZ三個方向的抗振動/沖擊能力進行測試，觀察電堆機械結構的松脫、開裂等情況。
    跌落：將電堆從1.5 m高度自由落體到硬木質地板，觀察外殼損壞情況后進行其他諸如絕緣電阻、介電強度、耐壓等試驗。
    浸泡：將電堆浸泡于水中或一定濃度的鹽水中一段時間，觀察外殼銹蝕/腐蝕情況。浸泡后進行其他試驗。
    5.3 機械強度
    擠壓、穿刺：通過擠壓/穿刺試驗臺對電堆的相關機械強度進行考核。可分為三個方向。試驗過程中對電堆的輸出電壓、電流、單片電壓、溫度等重要參數進行實時監測。
    耐壓：通過耐壓試驗臺對電堆的氣路、水路的耐壓情況進行測試，可選用zui大工作壓力的3至5倍壓力進行測試，包括耐壓測試和保壓測試。
    6. 結束語
    6.1 氫燃料電池汽車所使用的電堆，因為能輸出電量，驅動電動機工作而使車輛前進，具有純電動汽車、混合動力汽車所使用的動力蓄電池的電氣特征，因此很多安全試驗項目都可以參考電動車用儲能系統的相關標準。
    6.2 氫燃料電池電堆的工作需要依靠外圍氫氣、氧氣供給系統和流量控制系統、空氣加濕系統、冷卻水循環系統，而且也涉及到可燃氣體H2，所以燃氣汽車的相關測試項目也能運用到氫燃料電池電堆的安全性測試中。
    6.3 因為目前國內外尚無針對氫燃料電池電堆的相關標準，所以本文所述的試驗項目中的具體參數，如試驗時間、溫度、壓力等，需要針對電堆開展相應的安全性測試，有了數據的積累方能確定這些參數。
    6.4 為了zui大程度的模擬電堆在整車實際行駛/停放時的真實工作狀態，在安全性測試過程中，如果條件允許，盡量使電堆處于工作狀態下。那么，電堆工作狀態的不同，對安全性測試數據結果的影響還需要大量的試驗研究。
    6.5 電堆的工作需要外圍氫氣、氧氣/空氣、冷卻水等設備的支持。這些設備具有自身或總體的控制系統。控制系統的安全保護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。因此，在未來有必要結合電堆的外圍供給系統和電堆自身來綜合考慮氫燃料電池系統的安全性測試評估。

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