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2019智新峰会 中国航天科技集团中国运载火箭技术研究院第十五研究所靳殷实 燃料电池汽车安全级标准检测

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2019智新峰会 中国航天科技集团中国运载火箭技术研究院第十五研究所靳殷实 燃料电池汽车安全级标准检测

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来源:
节能与新能源汽车年鉴
日期:
2019/11/07 11:53
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2019年新能源汽车智新峰会暨《节能与新能源汽车年鉴》发行十周年会议在北京裕龙国际酒店举行。2019智新峰会聚集节能与新能源汽车领域权威专家、行业资深人士、地方政府负责人、代表性企业负责人等,围绕政策、标准、整车、动力电池技术、驱动系统、自动驾驶技术等焦点问题进行深入探讨与交流,勾勒出产业未来的走向与趋势,继而大力推动我国新能源汽车产业创新、健康、快速发展。

 

中国航天科技集团中国运载火箭技术研究院第十五研究所研究员靳殷实作为嘉宾参会,发表《燃料电池汽车安全级标准检测》的主旨演讲。

 

中国航天科技集团中国运载火箭技术研究院第十五研究所 靳殷实

 

靳殷实:大家好,来自于航天科技集团一院十五所,我们单位2005年开始搞燃料电池,做了很多的事情。为什么起这个题目,燃料安全性在国内的车辆运输上是非常重要的话题,尤其是现在新能源汽车比较多的是电动汽车,电动汽车在最近随着保有量的增加,出现了事故大幅度的上升。据调查,客户对电动汽车最担忧的地方还不是行驶里程短、充电的问题、价格问题、寿命,最重要的还是安全。

 

媒体上一些的报道,电动汽车着火之后,点都汽车电池着火跟一般的物质着火不一样,燃烧是由氧化剂、有燃料,有外界的条件,像温度什么等等都可以燃烧。电池里面既包含了燃料,又包含了氧化剂,等于电动汽车燃烧起来了之后实际上是扑不灭,只是能够让它自己着完,电动汽车火焰起来很严重,有时候电动汽车着火起来也是很厉害的。燃料电池的汽车和电动汽车不是一回事,像燃料在储氢瓶里面,在内部是着不起来的,只有泄露出来才可以着起来。

 

燃料电池汽车的风险我们还要考虑这些问题:

 

第一,有什么样的危险。

 

第二,危险的程度到底多大。

 

第三,危险是否可控。

 

第四,具体到我们工作中,我们如何控制它,让这个燃料电池很安全,燃料电池汽车使用起来很安全。

 

氢气的特性。氢气排列在元素周期表里面第一位,分子最小,所以氢气太活了,有这样一些物理特性,容易泄露,容易扩散,很轻。化学特点就是容易燃烧,热质很高,热质是汽油的三倍,容易爆炸。还有一个很不好的是氢气无色无味,泄露出来大家是感知不到,对人体也没有害处,万一泄露出来没有办法感知,也不能像天然气里面加一些东西,泄露出来有味道,还不行,加一些杂质后面燃料电池又受不了,所以氢气就有这样一些问题。

 

氢气的事故。这是氢气最大的一次事故,“兴登堡事件”1937年5月坐飞艇,跟航母差不多,可以装好几十人,飞的速度比较慢,是一种奢侈的旅行,相当于现在的邮轮一样,一般人坐不起。这个“兴登堡”大的飞艇在美国是跨大西洋着陆的时候,起火燃烧烧死了30多个人,这是有史以来最大的事故了。从这个事故之后,飞艇都不用氢气了,都改用别的气体,因为氢气不安全。

 

这是美国电力公司使用氢气,氢气泄露出来了,发生了爆燃。我们通俗所说是爆炸,实际上是爆燃,威力很大。

 

清华大学2015年化学实验室的爆炸,很不幸,把一名博士给最后炸死了,没有抢救过来。

 

这是我在网上搜的图,这是在苏州的个体户私自运输氢气,结果泄露出来了之后发生的爆燃,爆炸的威力是何等大,把车欧炸成这个样子,如果通俗的讲,一颗手榴弹不会把这个车炸成这个样子,可想这个威力多大。这是私自把氢气放在煤气罐的瓶子中,结果这个罐子发生了爆炸。

 

韩国的江原道的事件,搞燃料电池都知道是氢气爆炸,赞成的影响很大,也死了人。这个报道没有讲清楚最后爆炸的过程,但从这个过程很可能就是发生了氢气,容器爆炸出来泄露出来的氢气再次发生了爆燃,附近的建筑物损失很大,这个氢气炸到了很远的地方,掉下去300米远,这么大的容器一部分,可以炸到300米远,可想这个力是很大的。

 

挪威加氢站的出的一些事故。

 

加州氢气在这个装卸的过程中泄露出来的。

 

总结一下氢气的事故是分两类:

 

第一类,储氢气的容器发生爆炸。这有两个原因:1,压力太大安全阀以及卸压装置失效了,就是压力太大了之后超出设计压力,安全阀没有起作用,容器受不了,最后爆炸了。2,压力可能没有那么大,但是这个容器用的时间太长了,或者是受到的损伤,抗压的结构受到破坏,抗压结构强度降低发生爆炸,这两种情况可以造成容器的爆炸事故。

 

这个爆炸结果有两个损伤:1,直接的物理损害,气浪以及碎片可以炸到人或者是物品,造成物品的损坏,人的损伤。2,炸出来的氢气再被点燃了之后发生了爆燃,这是二次损害,这个损害有可能比第一次损害还要严重。有两个原因会造成两个损害。所以容器很重要,一定处于安全状态。

 

第二类,氢气泄露出来了之后和空气进行混合,混合之后达到了燃烧的条件。燃烧的条件就是4%,氢气在空气中占到4-75%,这个范围中氢气是要燃烧的,学术是叫燃烧,不是爆炸。还有一个更小的范围会发生爆燃,这个范围之后如果遇到了明火,或者是静电,这个时候引起氢气的燃烧,因为它是在一个空间中都满足条件,它不是一个点,所以这个时候的反应会从一个点迅速的蔓延到整个空气中,在短时间中整个空间都发生了一个燃烧,这个改爆燃,这个威力是非常大。这几张表可以说明这个问题,上面的那个表是说不同物质的热质,像煤炭热质很高,很黑质热值很小,因为火药在瞬间发生反应,释放的能量在瞬间。下面的这个表来说明,氢气是爆燃和我们普通所说的爆炸还有本质的区别,在学术上在理论上还有本质的区别。

 

反应在这样几个方面:

 

1,爆炸的时间非常短,爆燃的时间比较长。爆燃的时间可能在几十毫秒到几秒的范围中,如果是范围很大,可以看见从一个点,一两秒,两三秒延续过去的一个过程,时间比较长。

 

2,压力不一样。爆炸的压力很大,火药爆炸压力很大,像枪膛以及炮膛的压力,只有在这样的压力下才会发生使弹丸的速度上去,爆炸压力很大,在几万兆帕的压力,但是爆燃的压力没有那么大,理论上最大是两兆帕。冲击速度不一样,爆燃的速度很慢,可以看到它从一个点,当然也是很快了,一秒钟或者几秒钟延续过去。爆炸和爆燃是两回事,但是氢气的爆燃可以演化为爆炸,在口气混合很高压的情况下也会演化为爆炸,威力仍然也是很大。

 

威力到底有多大呢之就看空气中的氢气的浓度,如果浓度大这个威力更大,最大的浓度是28%作业,因为这个时候的氢气把空气中的氧气全部耗完了,氢气再多的话没有央企也是反应不了,所以这个时候的压力最大,这个时候可以使得环境温度在理想的条件下,可以是增加两千一百度,压力可以达到7-8个压力,这是最大的压力,这是计算的,这是通过理论计算的,和国外一些他们通过实验测出来,基本上是吻合的。

 

最小的压力多大呢,最小的是氢气从4%的浓度算起,4%的时候可以使得温升升高510度,压力是2-3个,2-3个压力大家认为这个其实不大,但是2-3个压力每平方厘米,但每平方米变为20-30吨了,这个压力也是很大的,相当于我们建筑物,一般民用的是每平方米500公斤,它这个如果在一个房间里面发生这个情况没有卸压装置的情况下,一个薄弱的环节经常把房顶炸坏、侧面的墙炸穿都有这个情况,因为整体压力很大。

 

理论上,燃烧范围是4-75%,爆燃范围是18-60%。有静电明火,起火的能量是很小的。

燃料电池汽车的安全大概要分几方面:

 

1,电安全。

 

2,氢安全。

 

3,电池机械结构安全。

 

我们搞燃料电池,主要是说氢安全了。电安全在电动汽车上会考虑的,机械安全的传统车都会充分研究,我们主要是电安全。

 

这些隐患综合起来互相牵引,由于氢安全造成电安全,由于电安全造成什么机械安全等等。

 

在氢能里面碰到最大的危险源就是氢气泄露,在上面的整个过程中,从事故中可以看出,很多报告中会说,在工矿的场合下还是很安全的,当然这是从它的安全性和汽油以及天气相比,安全性是不错。但是在空旷的情况下,仍然发生爆燃的情况,而且损失很大。氢气泄露是最主要的。

 

氢气泄露的措施:

 

1,堵,密封性。燃料电池汽车上密封性是低的,一定要密封好,但是氢很难密封,因为分子最小,很容易泄露,而且有的地方燃料电池需要合理的排放。

 

2,疏,给它一个合理的地方让它排。

 

检测。检测很重要,检测始终贯穿着燃料电池汽车中所有的设备。

 

最近国内出了一个燃料电池安全指南,我看了认为很好,这本书大家要学习其实挺好的,讲的很仔细,主要的原则是以安全标准为基础,把安全标准的细化了,细化到燃料电池每一个零部件中,善后再加上各个车厂的经验做出来这个书,挺好的。

 

从燃料电池汽车里面几个环节来讲一下。

 

第一,首先是加氢的环节。加氢的环节危险源有这么几个:氢气泄露、氢气过压、环境失效等等种类的危险。首先温升要解决,温升过高的话这个气瓶是不能允许,要解决两个措施,一个是遇冷,二个是控制家一氢的速度,不让加的太快,太快的话温升必然要升高。所以大家经常会听说,燃料电池汽车三分钟加满,那个不是车的事,那是加氢站里设备的事情。氢气充装的过程中保护的安全措施,采取超压保护、回流保护、放空保护。

 

燃料电池加氢口跟普通加油不一样,因为加油很直观了,如果是有问题停下来就完事了,氢要是加的不好会跑出来的,所以这个安全性要求更高,加氢枪和家一氢口之间是无线通讯协议,实时进行监控,对压力、温度、流量以及起停信号监控,如果有异常立马把它自动停下来,所以这个标准来限定。加氢口的标准专门有一个加氢口通讯协议的标准。燃料电池加氢口的标准中,对加氢口的气密性、耐温、性质相容性、耐氧老化性等等都有要求,而且有很具体的检测办法,标准上都有,可以通过这些办法来检测。

 

储氢系统,储氢系统是燃料电池汽车里面一个关键,主流的储氢方式还是高压气瓶,首先这个气瓶在汽车上的布置是放在一个最安全的地方,要么放在车顶上,要么是这个气对它有结构来保护它,在危险的时候可以起到保护的作用。

 

危险源种类,过压、启平损害以及七情泄露、管路的过压、温升过高、材料失效等等。设计上就要,对氢气瓶的要进行保护,管路的设计等等。具体的措施,有过压保护、过流保护、过温保护、泄露保护、应急保护等等。目前我们仍然使用的是三型瓶,铝内胆碳纤维缠绕的一个气瓶,国内基本上是35兆瓦,70兆帕也已经有了,但是没有大规模的普及。35兆帕虽然和70兆帕压力差了一倍,但是它的储氢率每必须提高太高,成本还很高,有时候还不一定35兆帕比70兆帕的差。

 

为什么要采取这个三型瓶发展为这个,就是为了用在汽车上。首先考虑到安全,要考虑的安全、耐压,储氢率要高,经济性好,所以这个技术发展、铝胆碳纤维。铝胆是起密封作用,碳纤维是承压的。35兆帕的瓶子水压是50多兆帕,爆破压力是80多找破,使用寿命是15年,大家可以卡到氢气瓶还是很皮实,到现在为止燃气电池储氢瓶我是没有听说过爆炸,或者是使用过程有储氢瓶的事故。

 

储氢瓶安全设计原则:

 

1,未爆先漏。任何情况下可以漏,但是你不能爆。所以在彻底上要采取一些措施来满足这些,措施上也是需要测试的。

 

2,供氢系统在车用压缩氢气的标准,也是新出来的标准,对这个系统进行常温的压力循环实验,未爆先漏实验,枪击实验,跌落实验以及环境实验等等,而且这个实验的具体要求,具体步骤都很清晰。

 

火烧实验,为什么做火烧实验,就是因为我们实际使用过程中肯定会出现,像燃料电池汽车不是燃烧,可是周围的环境,别人追尾了,他的车燃烧了,引燃了我的车,可能周围环境发生燃烧,所以燃料电池汽车氢气瓶就要进行火烧实验,火烧的情况下都不会发生事故,这个实验要求很详细,这个变化的距离,瓶子之间的距离以及燃烧持续的时间都很细致的,有很明确的要求。燃烧最后的结果合格不合格,就是这个瓶子不能爆裂,这个气可以放出来,可以通过安全装置把它排掉,但是不能爆裂,这是火烧实验。

 

枪击实验,因为枪击实验可以考核的是瓶子用碳纤维缠绕,碳纤维在长期适用的过程中,如果出现了性能下降,物理化学性能下降或者遭到的损害,像划痕的损害它的强度会降低主要考验这个,枪击的要求是可以打穿,但是还是不能裂开,瓶子还是保存完好。

 

燃料电池电动汽车的安全要求,这个要求对于供氢系统从另外一方面提出了安全的要求,跌落实验,表面水上实验等等太多了,因为我们还没有完全产业化,用供的气瓶没有足够多,尤其是你要去给这个气瓶厂提出要求,我要某一个型号,不再你这个系列中,你要一个瓶子他也要给你做五个瓶子,那四个瓶子都是拿去做实验了,这个侧面可以看到这个瓶子很贵,量没有上去之前这个价格还是很贵的。供氢系统在车上提出了很高的要求,泄露的75%怎么样,50%怎么样,都有具体的要求。供氢系统在检测厂考核你的时候,有一个检测的要求。

 

燃料电池发动机也是利用氢,也牵扯到安全问题。发动机这里面跟特有关系是两个部件,燃料电池堆,氢气在燃料电池堆里面进行反应,还有供氢系统,对氢气处理进行供氢的管路这套系统,这两个和氢是有关系的。燃料电池发动机危险种类,一己是电堆气候燃烧,一个是氢气泄露了,氢气过压,材料失效了等种类。

 

刚才所说燃料电池堆这里面都是双极,这个氢气就在这个草里面通过的来进行反应的。氢气实际上在燃料电池堆里面还是处于一个比较安全的环境,这个条件还是比较好的。如果说金属板就被金属板隔开,如果是石墨板是被石墨板隔开的,整个在燃料电池堆里面的氢气含量比较小,氢气的总量比较小,并不是太多,而且是被双极板隔开,如果发生危险燃料电池标准要实时检测它的物理化学参数。

 

磨电机损害,氢气和空气见面了,这个时候有可能燃烧。这个时候燃烧的话,但是它的特性电流以及电压马上就反应出来来了,立刻采取措施断开,断开的意思是这里面就是可以燃烧,实际上也没有多少燃烧。燃料电池堆的爆炸是从来没有听说过,因为这里面的氢气含量是很小的。

 

燃料电池发动机的实验方法,对于密封性的具体要求。这是对于结构上的要求。这是另外一个标准。

 

整车方面考虑安全性,整车还是泄露,比如说对氢气的排放,在燃料电池汽车安全标准,安全要求这个标准中,对氢气排放有要求的,不能排放在乘客舱里面或者行李舱里面或者是有器的地方,对排放的浓度都有要求。

 

氢气泄露火灾的防护,这个在安全标准也有具体的要求。如果是燃料电池汽车发生了事故,比如说发生了翻车了,或者是等等这种事故,就无法保证整个这个供氢系统一点都不漏,那是不可能的。但是,标准里面要求了氢气泄露的量是有要求的,可以慢慢泄露,不能泄露的太快。

 

各个汽车制造厂都有自己的一套办法。

 

管理上而言,我们要保证安全,要完善法规,完善标准,以法设计,以法制造,以法运营,大家可以看到这些标准非常的细,如果把工作落实到这些标准中,实际上这个安全性完全可以保证的。

 

整车级的安全,现行的有十个,可能我这个稍微早一点,可能还有一些新的出来。

 

车用燃料电池系统的标准有十个,车载清系统有五个,这是燃料电池自己的标准,现在可能有30多个,国家标准委的网站上是公开的,大家都可以看到。

 

专门安全的标准:《氢气使用安全技术规程》不是针对燃料电池,但是是对氢气安全使用的规程《氢系统安全基本要求》以及《建设设计防火规范》等等,《加氢站的安全》等等,大家如果从事燃料电池或者是跟氢有关系可以参照一下。比如说新建一个厂子,你要涉及到氢,建筑设计放火规范按照这个弄,要不是的话,你那个项目进展不下去,最后都会被卡住的。

 

这个图大家都看到了,燃料电池汽车和传统燃油车的比较,和传统燃油车油漏出来着火,火越来越大,最后是爆炸。氢气打了之后枪击,氢会往上面顺着这个排氢的口排出来了之后会燃烧,最后的结果是氢气排完的火也烧好了,车也完好无损,这是流传的很广的,大家都可以看到的。

 

这是一个极端的情况,可以说明一个问题,氢气还比较安全,但这是绝对情况。把氢气烧完了,车好完好无损也就看到一个实验,国内也没有谁再尝试,它的危险性还是存在的,它的物理化学特性决定了氢气的易燃易爆性质还是完全存在的,这还是要引起高度的重视。

 

氢气到底是先爆还是先燃烧呢?那就是看氢气泄露出来了之后,就是哪个条件先满足,如果是没有火源氢气泄露出来,这个时候就有可能爆炸了,随着浓度增加,但是如果先着了火,氢气再泄露出来那就是燃烧,当然也不是绝对的。

 

去年张家口有一次事故,是一个氯乙烯的事故,是爆燃,炸死了一批人,很大的一部分车都报废了。氯乙烯这个罐出来了,走了几百米,往地势低的人走,很危险,遇到发动机点火的时候,就把它引燃了,但是如果是氢气的话肯定不会这样的情况,氢气往上跑就会散掉了。

 

遇到氢气泄露怎么办?一定要避免产生火花和静电,疏散深远,关闭氢源,打开门窗,通风对流,报警等等。具体先做哪儿、后做哪个步骤还是需要看具体的情况,没有“死”的规定。

 

以上内容据峰会现场速记整理,未经嘉宾本人审阅。

 

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2019年新能源汽车智新峰会
活动地点:
北京裕龙国际酒店
活动时间:
2019-11-05 09:00 ~ 2019-11-06 12:30
报名时间:
2019-06-11 11:36 ~ 2019-11-04 00:00
2019年新能源汽车智新峰会旨在搭建新能源汽车产业发展的交流平台,集聚优势资源,帮助业内人士获取最新的行业情报与资讯,并学习新能源汽车领域前沿技术与创新模式,发现新商机并寻找优秀业务合作伙伴,进一步促进新能源汽车领域的交流与合作。

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