氢燃料电池电堆安全性测试项目研究

      氢燃料电池电堆安全性测试项目研究

      中国正在紧锣密鼓地开发研制各种车用燃料电池，以节约汽车能源及改善尾气排放。如何解决氢燃料电池带来的安全性成为科研人员迫切研究的重大课题。

    目前石油紧缺，各种清洁能源汽车得到了广泛的发展，例如纯电动汽车、混合动力汽车、燃气汽车等。同时也出现了各种以氢燃料电池为动力的车辆。然而，氢燃料电池电堆的安全性问题也逐渐成为阻碍燃料电池汽车发展的zui关键因素之一。因此将针对氢燃料电池电堆的安全性测试项目进行研究。
    1. 氢燃料电池原理
    氢燃料电池是以氢气和氧气（空气）为反应气体，利用质子交换膜技术实现氢气的氧化和氧气的还原，从而产生电压和反应生成的水。
    1.1 在电池的一端, 氢气通过导气板到达阳极，在催化剂的作用下，发生如下阳极反应：
    反应生成物中，氢离子（质子） 穿过阳极和阴极之间的固体电解质膜到达阴极，电子通过外电路也到达阴极。
    1.2 在电池的另一端，氧气通过导气板到达阴极，在催化剂的作用下，发生阴极反应。
    1.3 总的化学反应反应出
    连续不断地向电池输送氢气和氧气，电子就会在外电路连续运动形成电流，从而可以向负载输出电能。
    2. 车用氢燃料电池电堆安全性分析
    如图2所示，1、3为端板，2、6为密封垫片，3、5为电流收集片，4为质子交换膜组件。此图是单片电堆，实际车用的电堆少则几十片，多则上百片。
    影响氢燃料电池电堆安全性的因素主要有以下几个方面：
    2.1 电安全性：轿车用单个电堆工作时输出电压zui高可达150V，多个电堆串联后电压更高。如此之高的输出电压对车内乘客的安全造成威胁，这就对电堆的绝缘强度和介电强度提出了要求。在这个方面，电堆的安全性和电动汽车、混合动力汽车用动力蓄电池的安全性有着共通之处，例如对绝缘等级、介电强度、高压防护等方面的要求。
    2.2 氢气安全性：氢燃料电池电堆工作时需要通入大量的氢气。*，氢气是可燃易爆气体，其爆炸浓度限值范围甚广，见表1。
    表1 各种车用可燃气/液体爆炸体积容限
    从表1可以看出，氢气的爆炸体积容限从13—59%都有可能发生爆炸。那么，需要分析在何种情况下氢气会泄漏以及泄漏后何种情况可能引爆氢气。这就需要将电堆的电安全性和氢气安全性综合考虑。
    2.3 综合分析电堆氢爆炸因素
    2.3.1 可能造成氢泄漏的环节：针对电堆本身来说，氢的泄漏点主要有两处，*处是氢气供给接口，另外一处是多片电堆的层叠间隙处。当电堆受到外部机械撞击时，其自身的机械机构会发生变化，造成原有密封结构的破坏，导致氢气泄漏。而电堆的氢气供给接口除了在被破坏时会导致泄漏之外，也要考虑氢气供气系统失效导致氢气供给压力过高而带来的不稳定因素。
    2.3.2 可能引爆氢气的环节：当发生碰撞时，电堆自身或与车身金属件之间的碰撞摩擦可能产生火花，火花可能引爆泄漏的氢气。
    此外，当电堆机械结构因外力的施加而产生形变，造成极间短路；因某些尖锐金属物体刺入电堆，引起极间短路。极间短路直接导致的后果是产生电火花，也是引爆氢气的因素。
    经过对氢燃料电池电堆安全性因素的分析，认为电堆的很多危险环节的相关评定方法和测试项目都可以参考现有的车用储能装置及燃气汽车的相关标准。从这些标准中提取中可以用于氢燃料电池电堆的安全性测试项目，在结合氢燃料电池自身的特点，可以初步制定氢燃料电池电堆的安全性测试项目及基本试验方法。
    3. 国内车用储能装置的测试项目
    目前国内颁布的电动汽车、混合动力汽车的车用储能装置的标准主要有：
    GB/T 18384.1-2001电动汽车安全要求第1部分：车载储能装置；
    GB/T 18332.2-2001电动道路车辆用金属氢化物镍蓄电池；
    GB/Z 18333.1-2001电动道路车辆用锂离子蓄电池。
    以上标准中针对电动汽车用蓄电池中与氢燃料电池相关的测试项目主要包括以下几个方面：
    绝缘电阻、介电强度
    极间短路
    耐振动、冲击
    耐高温、高湿
    抗挤压、穿刺
    耐浸泡
    4. 国内燃气汽车的安全性测试项目
    目前国内颁布的燃气汽车的安全性标准主要有：
    《GB 18047-2000车用压缩天然气》
    《GB 17258—1998汽车用压缩天然气钢瓶》
    《GB 19159-2003车用液化石油气》
    《GB 17259—1998机动车用液化石油气钢瓶》
    以上标准中，和氢燃料电池电堆安全性相关的测试项目主要是气路、水路等的耐压性测试。
    5. 氢燃料电池电堆的安全性测试项目
    根据车用氢燃料电池电堆在整车行驶/停放时的实际工作环境和状态，考虑氢燃料电池汽车的各种事故情况，参考车用储能装置和燃气汽车的现行标准和试验项目，针对车用氢燃料电池电堆的特殊原理结构，对电堆的安全性测试项目进行分析研究。
    经过分析研究，认为氢燃料电池电堆的安全性测试项目和基本方法主要包括以下几个方面：
    5.1 电气安全特性
    绝缘电阻：通过绝缘电阻测试仪将1000V的交流电压（50 Hz或60 Hz）或1600 V的直流电压连接至电堆的电极及外壳的金属、非金属部位，在不同的温湿度环境下监测绝缘电阻值。
    介电强度：通过介电强度测试仪将1000V的交流电压（50 Hz或60 Hz）或1600 V的直流电压连接至电堆的电极及外壳的金属、非金属部位保持1min，在不同的温湿度环境下监测电流值。
    极间短路：将大电流接触器的触点两端分别连接到电堆输出的正、负极，监测接触器接通周期内电堆输出电压、电流、单片电压、温度等重要参数的变化。
    5.2 耐环境特性
    高温、湿热：在一定的温、湿度环境下工作，观察电堆的工作状态、机械部件耐高温特性以及结露情况。
    振动、冲击：通过振动/冲击试验台对电堆XYZ三个方向的抗振动/冲击能力进行测试，观察电堆机械结构的松脱、开裂等情况。
    跌落：将电堆从1.5 m高度自由落体到硬木质地板，观察外壳损坏情况后进行其他诸如绝缘电阻、介电强度、耐压等试验。
    浸泡：将电堆浸泡于水中或一定浓度的盐水中一段时间，观察外壳锈蚀/腐蚀情况。浸泡后进行其他试验。
    5.3 机械强度
    挤压、穿刺：通过挤压/穿刺试验台对电堆的相关机械强度进行考核。可分为三个方向。试验过程中对电堆的输出电压、电流、单片电压、温度等重要参数进行实时监测。
    耐压：通过耐压试验台对电堆的气路、水路的耐压情况进行测试，可选用zui大工作压力的3至5倍压力进行测试，包括耐压测试和保压测试。
    6. 结束语
    6.1 氢燃料电池汽车所使用的电堆，因为能输出电量，驱动电动机工作而使车辆前进，具有纯电动汽车、混合动力汽车所使用的动力蓄电池的电气特征，因此很多安全试验项目都可以参考电动车用储能系统的相关标准。
    6.2 氢燃料电池电堆的工作需要依靠外围氢气、氧气供给系统和流量控制系统、空气加湿系统、冷却水循环系统，而且也涉及到可燃气体H2，所以燃气汽车的相关测试项目也能运用到氢燃料电池电堆的安全性测试中。
    6.3 因为目前国内外尚无针对氢燃料电池电堆的相关标准，所以本文所述的试验项目中的具体参数，如试验时间、温度、压力等，需要针对电堆开展相应的安全性测试，有了数据的积累方能确定这些参数。
    6.4 为了zui大程度的模拟电堆在整车实际行驶/停放时的真实工作状态，在安全性测试过程中，如果条件允许，尽量使电堆处于工作状态下。那么，电堆工作状态的不同，对安全性测试数据结果的影响还需要大量的试验研究。
    6.5 电堆的工作需要外围氢气、氧气/空气、冷却水等设备的支持。这些设备具有自身或总体的控制系统。控制系统的安全保护功能在较大程度上降低了氢气泄漏和电堆极间短路的危险。因此，在未来有必要结合电堆的外围供给系统和电堆自身来综合考虑氢燃料电池系统的安全性测试评估。

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