春节特辑丨航天十五所研究员靳殷实:燃料电池安全性

2019年02月06日 公司动态 51 views

1月20日-21日,由中国电池联盟、中国电子节能技术协会电池专委会、中国高科技产业化研究会、清华大学、北京理工大学联合举办的“2019氢燃料电池汽车产业技术峰会”在北京成功召开。

中国运载火箭技术研究院十五所研究员靳殷实在发言时表示,对新能源汽车的企业进行规范管理,其中一项就是安全保证,它要通过“标准”中的一部分,要通过“标准”来进行规范。燃料电池汽车如果从设计、制造、运营、管理等等各个方面按照要求和法规去做,那么燃料电池汽车是很安全的。

中国运载火箭技术研究院十五所研究员靳殷实演讲实录如下:

新能源的朋友们早上好,我是来自航天科技公司第十五所,这里我和大家分享一下关于燃料电池汽车的安全方面的问题。

目前公众对燃料电池的安全性还是很关注的,纯电动汽车最近随着数量的增加,发生了很多事故。据统计去年纯电动在国外发生了七次自燃的事故,这个事故不是使用不当,是他的正常使用的他自燃的情况,其中有五起是特斯拉的,据统计特斯拉是一个月烧一辆车这个数量还是比较大的,在国内这个数量也很大有四十多起事故,所以公众还有政府对新能源汽车的安全是越来越担忧,越来越重视。燃料电池使用的是氢气,所以大家自然而然会想到这个燃料电池用氢气的话他会不会也会带来很大的安全事故?造成财产和人员的伤亡?这个报告就想在燃料电池汽车安全方面跟大家探讨。

分四个部分,首先讲一下氢气关于安全普遍的情况,氢气他是排在元素周期表的第一位,因为氢气的分子是最小的,因为最小可以想像他密封起来很难把它密封住,所以很容易泄露。

有几张照片,一是2013年在苏州失去的个体户他搞氢气球,他装在小车上,用高压气瓶来充氢气结果发生了爆炸事故,爆炸事故以后把这个车弹的情况这个情况是很严重的,氢气瓶完好无损的没有问题,这个车已经被炸毁成这样了,如果一颗手榴弹爆炸也不至于这样的情况。

这是广东惠安的氢气泄露造成的爆炸。这个是在清洁能源2015年的时间北京大学化学系博士做实验,氢气泄露出来以后没有发现发生了爆炸,不幸的是博士身亡了,当时引起很大的震动。

这是美国的电厂他在卸氢气的时候减压装置泄露,这是厂区的爆炸,范围还是比较大的。

我们普通的公众说这个氢气发生爆炸,实际上是笼统的说法,氢气的风险分两个方面,

第一个方面是氢气的容器发生了爆炸,就是我们所说的氢气罐。

这个也分两种情况,一种是氢气罐是完好无损的,由于外界的温度升高等原因使氢气的压力升高,升高到气瓶不能承受压力的情况下发生了爆炸。

还有一种情况是压力还属于正常,但是氢气罐他的结构遭到了破坏,比如说使用的时间过长他的强度降低,或者是他的氢气罐的受到了撞击造成了爆炸,这个意思就是说他的氢气瓶一定要处于安全的状态,免得发生事故。一般这种情况比较少,我们大家所说的氢气的爆炸,实际上大家很笼统的指就是氢气泄露以后弥散在空间里面,和空气混合起来,发生的爆炸实际上在学术上应该叫“爆燃”但这个爆燃的威力也是很大的,苏州的这次事故也是爆燃的。爆炸和爆燃是两回事儿,爆炸是氢气在空气中弥散以后,他达到了可以氧化反应的条件,然后反应以后他基本上是同时在个空间里进行反应这是爆燃。在结果上有一些区别,比如说是反应时间,爆炸的反应时间是相当短了,在10-5秒,爆燃是在几百毫秒到几十毫秒。他的压力很大,爆燃的药理是两个兆帕爆燃是每秒钟能到几十米到数百米的速度,两个是完全不一样的。

大家会说氢气爆燃以后他产生的威力具体有多大,一个是氢气如果在空气中的量,他的浓度越大他的量也越来越大,这个浓度最大的时候是27%-28%大概是这个数值,因为你空气再多,他的氧没那么多,最大的情况下是爆燃以后是空气还有剩下的氧气等等这些气体他可以上升两千多度,压力增大七到八倍。

如果氢气泄露最小是4%,在这个浓度下,他的燃爆大概是两三个大气压,数值看样子还不大,如果一个平方米的话就是二三十吨,这个力就很大了,一般车辆的车箱根本就承受不了这个力,所以这个力持要求是释放起来,破坏力持也是很大的。

所以为了发生爆燃防止他氢气在空气的浓度比较在4%-75%,不能在这个范围里面,一般低于4%了,我们检测有一个要求。因为氢气点燃的能量很小,很小的能量就能点燃,温度不能高与五百度,在这个范围里面就能保证安全。

燃料电池汽车的安全方面,大概分三个方面:机械安全、电安全、氢安全。

机械安全是我们传统的燃油车发展几十年了,已经做的很不错了,电安全主要是电动汽车上来研究的事情。我这个报告主要涉及的是氢安全,这里有一个总体的安全措施,我们考虑这个氢气的安全可以和我们制水的安全类似,堵不住的时候,就会想到疏的办法。氢气也是这样,因为氢气实际上要百分之百的把它堵死,是很难办到的,他总会泄露一点,这样给他一个泄露的区间,让他泄露到某个地方,泄露的量也要进行控制。表格里面的内容就是具体的一些措施了。

我就具体的安全性讲一下,燃料电池汽车的燃料电池系统的结构,对于大巴车来说气瓶都放在车顶,对绞车来说是放在底板或者后排的作为下,发动机放在底板,大巴车有时候放在车顶有时候在车的尾部。

燃料汽车安全分几个方面,第一个是加氢,第二个是供氢的,第三个是发动机。

在加氢站因为汽车的储氢罐用完了之后压力比较,由于压差的原因氢气充装到气瓶里是这么个原理,在加氢的过程有这么几种危险,一个是氢气泄露,第二个是氢气过压,检测失效或者控制失效,第三个是升温过高。

首先说一下温升的问题,温度过高的话对气瓶的强度和寿命是有影响的,咱们大家经常会听到介绍燃料汽车,几分钟就完了,它是加氢过程是气体压缩过程,这个过程必然要有个温升,解决的措施有两条,第一个是预冷,加之前我预冷到五六十度,这样的话温升以后他会到合适的问题。第二个是控制加氢的速度,不能太快,太快的话温升就过快了,通过这两个措施来进行,所以大家知道这个不是说我汽车的问题,不是说我燃料电池的问题,是加氢过程的问题。对加氢系统还要采取的措施是超压保护,放空保护。因为我们传统加油过程如果大家会发现出了故障,或者有什么异常情况你没有什么情况就不用动他,这个速度非常快,所以这个整个加氢的控制要自动进行,所以加氢枪是可以检测的,比如对这个温度,压力,还有加氢的启动信号还有立刻停止等等,如果出现异常的话会立刻的切断保证安全。加氢口在标准上有这么个标准,他的加氢口也具体进行了要求,比如说要有防静电措施,还有防止超压的措施,还有防止材料,防止他长期使用清脆的这些。在燃料电池电动汽车安全要求这个里面对供氢装置的气密性,耐温性,相容性,耐氧老化性,液静压强度,耐异常压力等等。

第二供氢系统。主要的是高压气瓶,他有一些不变的是风险大,压力大,所以业内很多人士开发了新的路线,主流的还是高压气瓶,供氢系统整个的系统的组成,他的位置刚才也说过了,供氢性他的种类分这么几种,最重要的是气瓶,气瓶过压就是温升过高,气瓶损坏,这个气瓶损坏他的原因冲撞,挤压,还有划伤,外界的腐蚀,失火,极端温度变化等等这些原因,密封失效造成氢气泄露,检测失效造成氢气管泄露。现在气瓶主流的是三型瓶是铝胆,碳纤维绕气瓶。他降低成本会更明显一些。

70兆帕和35兆帕大家去想象不是一倍的关系,70兆帕的储氢率是压力越大,越不容易压缩,这不是线性关系。

为什么技术路线走到了三型瓶,主要的原因是用在车上,因为用在车上储氢率要高,储氢的密度要大,最重要的是安全,从这个角度考虑储氢罐的发展,这个三型瓶国内的技术已经非常成熟的,我这个表格很老,也有五六年了。三型瓶他要做35兆帕他要做水压试验。他的压力要做到三十多个兆帕。寿命是15年,寿命是很长的,咱们早些年的上海世博会还有北京的奥运会进行的示范运行的这些燃料电池的这些车辆当时运行的时间都不长,有的燃料电池有问题,但是气瓶都是好的,现在还经常能够接触到这样的情况,那个气瓶用的次数不多,还可以接着使用。

在这个气瓶设计上面有一个重要的设计原则就是未爆先漏的原则,这个气瓶在异常情况下安全措施全部失效,这个时候可以让他漏,就是让他的内胆先露,从碳纤维里面先漏,但是不允许爆炸,另外左边这个图是我在日本看的展览会照片的,这个是专门把它进行压力,让他升压,最后的结果撑开这么个图,实际上碳纤维像蚂蚁一样缠绕在气瓶上面,它不会产生弹片,它如果裂开的话只会气体释放出来,所以还是比较安全。

另外供氢装置他对气瓶进行保护,对气瓶的材料,对管路在设计上和材料的选择采取这些措施。

总体来讲供氢系统采取的过压保护,过流保护,过温保护,泄露保护、应急保护、燃料检测,压力检测,放空管路等等,这些设计超过了对他的功能方面的设计。在标准方面怎么检测,对燃料电池电动汽车车载氢系统技术条件,在这个常温压力循环试验,未爆先漏试验,枪击试验,极端温度压力循环试验,环境试验,加速应力爆破试验,跌落试验这些。比如说枪击实验,因为这个气瓶他是碳纤维缠绕,它就怕外泄的锐器划伤了碳纤维来考核这点的。还有跌落试验也是考量车辆在发生事故的情况下,比如说翻车冲撞等等。

第三个方面说一下燃料电池发动机,它有四个组成部分跟安全相关的是两部分。在燃料电池发动机里面,第一个就是电堆起火,电堆起火的原因是膜电极损坏,另外一个就是电堆造成机械损坏或者腐蚀,高温的情况下。然后氢气泄露是密封失效等等这些情况。

燃料电池堆里面主要是双极板了。他在这个狭小的空间里面,一个三十千瓦的燃料电极堆是有四升到八升的氢气在燃料电池堆里面。它被双极板分割开,在流道里面,这个比较小。如果出现了事故的话燃料电池外泄会有检测的,就会发现这些物理量会有异常情况,如果发现肯定要断开,断开以后这个情况就在里边燃烧的情况不会继续发生下去,我们已经从事了十多年的燃料电池研发工作,我们还没有发现这个情况,我们也没听说过另外,我们也经常和衣宝廉院士在一块交流,他也搞了一辈子的燃料电池了,他也从来没听说过燃料电池堆发生爆炸的情况,有着火的情况也不是我们说的这个,是氢氧燃料电池堆,因为用的是纯氧,所以出现的情况会更大一些,这种情况也有燃烧的,但不是整堆燃烧,是有几片。当然外界很快把氧气氢气断掉这个事故就不会蔓延了,燃料电池堆里面,如果六升的氢气产生多大的能量,实际上就是1.8克的汽油,能量也不是很大。

燃料电池电堆安全要求对安全性做了具体要求:材料必须要能够承受振动,冲击,多变的温度等等耐腐蚀,还专门要求了对燃料电池堆的参数,包括空气,还有电流电压密切要检测他,如果发现异常要关机的。

在结构上面也有要求,这个燃料电池堆在三个方面承受五个气的加速度,对气密性,也具体的进行了要求。

在整车方面,主要是泄露,整车主要是考核的泄露。从正车的采取的措施,他也包括了加氢口对于氢气的排放,因为燃料电池堆为了正常的反映他是需要排放氢气的,国家标准也是允许的,但是这个排放氢气是对他有要求,就是排放的位置有要求,再一个排放的量有要求,要监测它,还有一种氢气在异常情况下为了安全要卸压,这个情况对他的排放的量和位置也有要求,不能排放到乘客的舱里边,不能排放到行李舱,也不能排放到有电器的地方,有具体要求。

这个是在发生火灾下对氢气浓度的要求,这个对报警装置也进行了具体的要求。还有如果燃料电池汽车发生了事故,发生了碰撞,这个泄露量在六十分钟以内不能超过每分钟118升,你可以泄露,但是量要慢一点,这样的救援都有一个机会,这样小的量,不至于产生大的风险。我主要是讲燃料电池汽车,另外还有氢气的制氢和加氢站我就不细说了。

氢能车辆加氢设施安全运行管理规范。最后一个是建筑设计防火规范,最后一个标准早十几年就有这个标准,大家要去搞燃料电池,比如说厂房建设啊选址啊等等,就要看这个了,这个对你的建筑,对你的装修这些有具体的要求。

工信部2017年发布了39号文件,对新能源汽车的管理,更严格起来,其中对新能源汽车的企业要进行规范管理,一个就是安全保证,它要通过刚才说的那些标准的其中的一部分,要通过标准来进行规范。

另外就是要提高民众的安全意识,普及一下氢能源的知识,他的爆炸范围要缩小一些,氢气的点火能量很小。在所有气体里边等于氢气的点火能量则小有一点点静电都可以把它点燃,氢气最危险的地方不是这些,他泄露出来之后没有味道,也没有颜色,对保健有很大的作用。还有很大的产业在做这个方面,这个氢气他的危险性在于他泄露以后我们感知不到,氢气的特性很清了,一个是往上跑,再一个他会向四周进行扩散。所以他如果有泄露他是一边往上跑,一边往四周扩散。他是这么个特性,我们要建一个实验室,我们要建一个车间的话,我们肯定要有几点要求,一个是通风要有强迫通风,要有检测氢气的报警器,要有这几个方面来监测他保证安全。这个实验很,广泛流传就是两辆车一辆是普通的燃油车,枪击。枪击了以后燃油车的油箱打破,着火,油就泄露出来,他在地面越扩越大。然后对燃料电池车枪击以后火苗是像上跑的,气放完了,车还好着,这个是极限状态,它可以说明燃料电池汽车是比较安全的,但不会像这么安全,氢气着完了车还是好的,大家要高度重视这个,这个很多安全机构做了大量的实验,这个也不细说了。

氢气爆炸和燃烧他的具体的这么个条件,如果先漏出来以后他的浓度越来越高,这时候有火的话就是爆燃了,但是如果先有火,然后氢气再泄露,这个时候是燃烧,所以是这么两种情况的。一般在工程上,在标准上面设置氢气安全的话,他的监测都在4%里边的50%和25%,线路是这样设的,不能到4%,到了就很危险了,实际上我们做了多少年的情况了,发生氢气着火没有碰上过,这个还是比较少。

氢气如果泄露要避免,一个是防止静电不能有火花,一个是要疏散人员和报警。具体采取措施就是哪个快就采取哪个。

总而言之燃料电池汽车如果我们从设计制造运营管理等等各个方面按照要求和法规去做燃料电池汽车是很安全的,为什么我做这个报告,因为公众往往要提出,一说燃料电池汽车首先说安全不安全,地方的官员对这个产业的发展,他在审批的时候最会想到不安全,不安全出的事故他担责任,所以对这个产业的发展都是不太利的,所以我做这个报告也是在这方面说明它还是很安全的。

第四个简单说一下我们单位,我们单位是航天科技集团下属第一研究院,第十五研究所,我们下属有四个公司,其中一个公司就是做燃料电池的,我们给军方做的都通过了评审和鉴定,也试用过。我们出口量很大,曾向日本出口五百台,我们自己也有整车厂。谢谢!

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