車載儲(chǔ)氫技術(shù)和氫-電安全防護(hù)

1、低成本車載儲(chǔ)氫技術(shù)及氫電安全技術(shù)近年來， 氫作為一種清潔的“能源載體”引起了廣泛關(guān)注。 氫燃料電池汽車以其能量轉(zhuǎn)化率高、燃料經(jīng)濟(jì)性好、零排放等優(yōu)點(diǎn)，已成為最為活躍的研究領(lǐng)域之一。儲(chǔ)氫技術(shù)是氫能源推廣環(huán)節(jié)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。然而，由于氫氣的特殊性質(zhì)，氫氣的儲(chǔ)存成為現(xiàn)今阻礙氫能推廣應(yīng)用的瓶頸問題。為了解決這一難題，各國(guó)科學(xué)家紛紛研究開發(fā)了多種儲(chǔ)氫技術(shù)。目前使用比較廣泛的儲(chǔ)氫手段主要有高壓儲(chǔ)氫，液態(tài)儲(chǔ)氫，金屬氧化物儲(chǔ)氫，碳基材料儲(chǔ)氫以及化學(xué)儲(chǔ)氫等。下面將車載燃料電池的幾種儲(chǔ)氫方式進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。高壓儲(chǔ)氫目前， 工業(yè)上應(yīng)用最多的儲(chǔ)氫方式就是高壓儲(chǔ)氫。高壓儲(chǔ)氫所用的儲(chǔ)氫容器一般為鋼制氣瓶，通常商用的貯氣瓶可

2、耐受20MPa的氫氣壓力，從安全角度考慮，一般只貯壓15MPa以下，由于氫氣密度小，鋼瓶自身的重量大，因此這樣的方式質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度一般都低于3。遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到美國(guó)能源部提出的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6. 5% 的質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度標(biāo)準(zhǔn)和 6. 2 kg/100 L 體積儲(chǔ)氫密度標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于耐高壓材料，科研人員研制出一種碳復(fù)合材料，其所制的容器經(jīng)測(cè)試可耐受60MPa的高壓，常規(guī)情況下其可裝盛45MPa的氫氣，與鋼瓶相比，儲(chǔ)氫能力大幅度提高。美國(guó)通用公司首先研發(fā)出了用于燃料電池，耐壓可達(dá)70MPa的雙層儲(chǔ)氫罐，該儲(chǔ)氫罐內(nèi)層為碳復(fù)合材料，外層為抗沖擊外殼，可儲(chǔ)存 3.1kg高壓氫氣。德國(guó)基爾造船廠也研究開發(fā)出內(nèi)置特種合金柵欄

3、的新型儲(chǔ)氫罐，其儲(chǔ)氫性能要遠(yuǎn)高于一般容器，這種儲(chǔ)氫罐理論使用壽命可達(dá)25 年。高壓儲(chǔ)氫的另一個(gè)研究方向是在容器內(nèi)填裝吸附氫氣的材料，使氫氣在高壓時(shí)處于“準(zhǔn)液態(tài) ”狀態(tài)， 以此提高儲(chǔ)氫密度。高壓儲(chǔ)氫現(xiàn)在雖然應(yīng)用較多，但它并不是理想的儲(chǔ)氫方式。首先是這種儲(chǔ)氫方式需要高壓氫氣的注入，而升壓過程便需要消耗能量，使成本提高。其次，高壓儲(chǔ)氫對(duì)于受壓容器的要求高，無(wú)法保證在實(shí)際應(yīng)用中各種環(huán)境條件下儲(chǔ)氫容器的穩(wěn)定性，存在一定的安全隱患，因而有些國(guó)家明令禁止高壓儲(chǔ)氫類汽車與普通汽車行駛同一路線。低溫液化儲(chǔ)氫低溫液化儲(chǔ)氫指的是將純氫氣冷卻到- 253，使之液化，而后將其裝到低溫儲(chǔ)罐中。液態(tài)氫的密度為70.6kg

4、m3，其質(zhì)量密度和體積密度都遠(yuǎn)高于高壓儲(chǔ)氫，對(duì)于交通工具用氫內(nèi)燃機(jī)和燃料電池而言，應(yīng)用前景十分誘人。然而，氫氣的深冷液化過程十分困難，首先需要將氫氣進(jìn)行壓縮，再經(jīng)熱交換器進(jìn)行冷卻，低溫高壓的氫氣最后經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)行進(jìn)一步冷卻，制得液態(tài)氫。墨西哥SS SOLUCIONES公司開發(fā)了一種內(nèi)部是特殊冷卻材料CRM 的冷卻裝置，其主要優(yōu)勢(shì)是熱焓變化大，該液化儲(chǔ)氫裝置有望在不久的將來可得到推廣。目前，液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)主要用于火箭、衛(wèi)星等航天領(lǐng)域。液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)雖前景誘人，但它的缺點(diǎn)也是顯而易見。多級(jí)壓縮冷卻過程使其耗能嚴(yán)重，目前制備1L 液氫需耗能l 1-12 KW h。 如此， 液態(tài)儲(chǔ)氫制備成本過高。另外， 液

5、態(tài)儲(chǔ)氫對(duì)低溫儲(chǔ)罐的絕熱性能要求苛刻，因此對(duì)低溫儲(chǔ)氫罐的設(shè)計(jì)制造及材料選擇也成本高昂，尚屬難題。物理吸附儲(chǔ)氫物理吸附儲(chǔ)氫是利用高比表面積或多孔材料對(duì)氫氣的物理吸附 作用儲(chǔ)存氫氣。這種儲(chǔ)氫方式操作簡(jiǎn)便，安全易行，吸脫氫都較為容易。 用于這方面研究的材料主要有兩類：碳基材料以及金屬有機(jī)框架材料?；钚蕴?jī)r(jià)格低廉，比表面積高，有著與氣體分子尺度相近的微孔， 因此很早就有人將其作為儲(chǔ)氫材料進(jìn)行研究。上個(gè)世紀(jì)八十年代有人在-195和-208低溫下，壓力為0 4.15MPa時(shí)，氫氣在不同活性炭上的吸附等溫線，研究發(fā)現(xiàn)，壓力為 4.15MPa時(shí)， 其吸附儲(chǔ)氫容量可分別達(dá)6.8wt和8.2wt。美國(guó)J A Sch

6、warz領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在20 世紀(jì) 80 年代末對(duì)活性炭吸附儲(chǔ)氫的機(jī)理進(jìn)行了研究，他們所得到的最好儲(chǔ)氫結(jié)果是在87K， 59arm時(shí)，吸附量為4.8。伴隨實(shí)驗(yàn)的開展， 也有許多這方面的理論研究，例如有文獻(xiàn)報(bào)道利用格子理論研究了溫度、壓力以及活性炭對(duì)吸附氫氣的影響，并繪制了等溫吸附曲線和過量吸附曲線。用于吸附儲(chǔ)氫的另一類碳基材料是碳納米管。Dillon AC 等人在133K， 0.04Mpa條件下對(duì)含有10單壁碳納米管的碳灰進(jìn)行了吸附儲(chǔ)氫研究，發(fā)現(xiàn)其儲(chǔ)氫量可高達(dá)10wt對(duì)于碳納米管吸附儲(chǔ)氫的理論研究也有大量報(bào)道，Levesque， D 等人利用蒙特卡羅數(shù)值模擬的方法研究了單壁碳納米管的儲(chǔ)氫性能，發(fā)現(xiàn)

7、在298K，10Mpa壓力時(shí)，單壁碳納米管的儲(chǔ)氫性能要比某些活性炭高15。SangSoo Han等人利用密度泛函理論研究了氫氣在單壁碳納米管上的物理吸附和化學(xué)吸附，研究發(fā)現(xiàn)氫分子更傾向于聚集于碳納米管內(nèi)壁中，但氫分子難于進(jìn)入碳納米管內(nèi)部，原子態(tài)的氫更容易進(jìn)入其中。金屬有機(jī)框架化合物(MOF)是一種金屬原子與有機(jī)配合物形成的聚合物，它具有表面積高，孔隙度大，孔徑結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。美國(guó)加州大學(xué) Vaghi 教授是 MOF 合成的權(quán)威人物，他的團(tuán)隊(duì)目前已合成了幾百種MOF 材料。他將其中的一種材MOF 用于進(jìn)行儲(chǔ)氫實(shí)驗(yàn)，確定其在77K 時(shí)所吸附的氫氣比迄今為止任何一種不加壓結(jié)構(gòu)材料都要多，這些氫分子

8、甚至比固態(tài)氫更為緊密。2009 年，諾丁漢大學(xué)的科學(xué)家也成功制備了一種比表面積達(dá)3800m2 g 的金屬有機(jī)框架化合物，其在77K， 7.7Mpa時(shí)，儲(chǔ)氫量可達(dá)10wt。物理吸附儲(chǔ)氫雖然前景看好，研究廣泛，但其主要的缺陷在于該種儲(chǔ)氫方式儲(chǔ)氫量不高， 難以達(dá)到實(shí)用要求，這是因?yàn)闅錃夥肿优c吸附載體只存在弱的范德華力，很快達(dá)到吸附飽和，無(wú)法繼續(xù)吸附，若是采用低溫吸附，則又大大提高了儲(chǔ)氫成本。金屬氫化物儲(chǔ)氫金屬氫化物儲(chǔ)氫是利用氫氣與某些金屬反應(yīng)生成金屬氫化物實(shí)現(xiàn)氫氣儲(chǔ)存，這類金屬氫化物在高溫或低壓下再釋放出氫氣，實(shí)現(xiàn)氫氣的可逆存儲(chǔ)。金屬氫化物儲(chǔ)氫主要有安全性好，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。目前， 用于儲(chǔ)氫的合金大

9、致可分為4 大類： 鈦鐵合金；鎂系合金；稀土鑭鎳；釩、鈮、鋯等多元素合金。鈦鐵合金中TiFe 最具代表性， 1974年由美國(guó)Reilly 和 Wiswall 首先發(fā)明，它具有儲(chǔ)氫量達(dá)，吸放氫壓力適中，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，但也存在活化困難的缺點(diǎn)。鎂系合金的代表化合物是MgaNi，其理論儲(chǔ)氫量可達(dá)3.6wt，由于其較高的儲(chǔ)氫量，得到了廣泛的研究，但它的缺點(diǎn)在于吸氫速率慢，放氫溫度較高。鑭鎳合金是發(fā)展較早的儲(chǔ)氫合金，早在 1968年， 荷蘭 Philips實(shí)驗(yàn)室首先報(bào)道了這類合金的儲(chǔ)氫性能，其氫化物L(fēng)aNi5H6 儲(chǔ)氫量為 1.4wt。這類材料分解熱低，適合在室溫下使用，不足之處在于儲(chǔ)氫質(zhì)量密度不足，吸

10、放氫過程易粉化，循環(huán)性能差。釩、鈮、鋯多元素合金都由稀有金屬構(gòu)成，價(jià)格昂貴，只適用于某些特殊場(chǎng)合。1996年， 日本豐田汽車公司首次將金屬氫化物用于燃料電池汽車，其使用的 TiMn 儲(chǔ)氫合金，儲(chǔ)氫量為2wt。2001 年，該公司推出儲(chǔ)氫合金燃料電池樣車，該車最高時(shí)速可達(dá)150km h，可一次性行駛300km以上。 金屬氫化物儲(chǔ)氫目前存在的問題主要有以下幾個(gè)方面：一是由于金屬氫化物自身重量大而導(dǎo)致質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度較低；二是很多金屬氫化物吸脫氫氣溫度高，吸脫速率慢；三是某些金屬合金其自身成本過高，難以普及。非金屬氫化物儲(chǔ)氫非金屬氫化物指的是一類非金屬含氫化合物，這類化合物主要是氨硼烷類化合物。這類化合

11、物與金屬氫化物相比，由于它們自身的質(zhì)量小， 所以它們的質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度要遠(yuǎn)高于金屬氫化物，是一類理想的化學(xué)儲(chǔ)氫材料。氨硼烷NH3BH3 是此類材料中最簡(jiǎn)單的儲(chǔ)氫分子，在室溫下穩(wěn)定，釋氫溫度低，質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度高達(dá)19.6wt，遠(yuǎn)高于美國(guó)能源部的指標(biāo)。氨硼烷分解放氫方式主要有兩種：一是受熱分解，二是水解，其中熱分解放氫更適用于為燃料電池體系供氫。2005年，Anna Gutowska等人首次將氨硼烷負(fù)載于介孔硅材料SBA-15 的孔道中，促使氨硼烷脫氫溫度降至50，脫氫速率提高，且未發(fā)現(xiàn)硼烷揮發(fā)物。 2011 年，美國(guó)俄勒岡大學(xué)的研究人員合成了BN-甲醛-環(huán)戊烷化合物，該化合物質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度為4.7wt，

12、體積儲(chǔ)氫密度為42g H2 L，常溫下為液態(tài)，F(xiàn)eCl2為催化劑時(shí)，在20 分鐘內(nèi)就可完成定量脫氫，并且脫氫后無(wú)有害氣體產(chǎn)生。氨硼烷類儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫含量高，脫氫條件溫和，引起了眾多科學(xué)工作者的關(guān)注。但該類儲(chǔ)氫材料的弊端主要在于其再生過程繁復(fù)并且成本高昂，一些氨硼烷脫氫動(dòng)力學(xué)性能不佳，脫氫速率低。此外，該類化合物易生成有毒有害氣體氨氣和硼烷，影響了它的推廣。有機(jī)液態(tài)化合物儲(chǔ)氫有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫是利用烯烴或芳香烴作為儲(chǔ)氫載體與氫氣反應(yīng)生成烷烴或環(huán)烷烴實(shí)現(xiàn)氫氣的存儲(chǔ)，再由烷烴、環(huán)烷烴脫氫釋放氫氣的可逆儲(chǔ)氫體系。以苯一環(huán)己烷體系為例，有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫其儲(chǔ)放氫過程圖示如下：1 有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫儲(chǔ)放氫循環(huán)從上圖中可以看出

13、，有機(jī)液態(tài)化合物儲(chǔ)放氫循環(huán)過程實(shí)質(zhì)上是由 兩個(gè)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)構(gòu)成：儲(chǔ)氫過程是利用氫氣對(duì)芳香烴的加成反應(yīng)，生成飽和環(huán)烷烴；放氫過程是將環(huán)烷烴脫氫，釋放出氫氣并重新生成芳香烴。 與前面所述的幾種儲(chǔ)氫方式相比，有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫有著眾多突出的優(yōu)勢(shì)：儲(chǔ)氫量高。例如，環(huán)己烷和甲基環(huán)己烷其質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度可分別達(dá)到7.14wt和6.12wt，十氫化萘的質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度甚至達(dá)到了 7.25wt，已經(jīng)達(dá)到或高于美國(guó)能源部2010年 6.0wt的儲(chǔ)氫目標(biāo)。循環(huán)性能好。該類有機(jī)化合物加氫反應(yīng)和脫氫反應(yīng)高度可逆，在多次循環(huán)使用后性能不發(fā)生變化。價(jià)廉易得。有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫化合物多為工業(yè)上可大量生產(chǎn)的通用化學(xué)品，生產(chǎn)成本低，價(jià)格低廉。儲(chǔ)運(yùn)

14、安全，污染小。這類物質(zhì)毒性低，安全性好，對(duì)設(shè)備要求不高，可長(zhǎng)距離運(yùn)輸?；A(chǔ)設(shè)施投資小。由于該類有機(jī)化合物在常溫下呈液態(tài)，與當(dāng)前使用的汽油類似，在推廣使用時(shí)可沿用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)備，最大限度地降低投資成本，這是其它儲(chǔ)氫方式所無(wú)法比擬的。由中國(guó)地質(zhì)大學(xué)旗下武漢地質(zhì)資源環(huán)境工業(yè)技術(shù)研究院、同濟(jì)大學(xué)、江蘇氫陽(yáng)能源有限公司、揚(yáng)子江汽車等聯(lián)合研發(fā)的“泰歌號(hào)” 氫能源客車（樣車）在武漢東風(fēng)揚(yáng)子江汽車公司下線，據(jù)了解，氫能源客車“泰歌號(hào)”在常溫常壓環(huán)境下，以液態(tài)氫為汽車驅(qū)動(dòng)能源，是全球首臺(tái)常溫常壓儲(chǔ)氫氫能汽車經(jīng)過三年多的努力，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)找到了相當(dāng)一批性能優(yōu)于氮乙基咔唑的新型儲(chǔ)氫材料。通過理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合

15、，設(shè)計(jì)合成了一系列在常溫下呈液態(tài)的單一組分氮雜有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫材料。技術(shù)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的多元低共熔有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫材料在降低熔點(diǎn)方面已取得了很好的研究進(jìn)展，能在常溫常壓下儲(chǔ)存和運(yùn)輸，且其加/脫氫溫度低，技術(shù)性能指標(biāo)已超過美國(guó)能源部頒布的車用儲(chǔ)氫材料標(biāo)準(zhǔn)，具備工業(yè)化應(yīng)用的條件。技術(shù)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的氮雜有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫材料具有極好的實(shí)用性，從規(guī)?；渴鸾嵌瓤矗恍鑼F(xiàn)有基于石油的輸運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施稍加改造即可直接加以利用，能夠節(jié)省大量基礎(chǔ)建設(shè)成本，這為氫能的規(guī)?；锰峁┝艘环N極為可行的技術(shù)解決方案，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的商業(yè)價(jià)值。值得一提的是，技術(shù)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的材料安全性大幅優(yōu)于現(xiàn)有汽柴油，這意味著運(yùn)輸和儲(chǔ)存更安全廉價(jià)，不需

16、要過多的額外安全保護(hù)措施。 與氫反應(yīng)的是一種特殊的有機(jī)溶劑，不可燃、 不揮發(fā)， 即使把火柴扔進(jìn)去，也不會(huì)燒著，儲(chǔ)氫材料還可多次循環(huán)。幾種儲(chǔ)氫方式經(jīng)濟(jì)比較國(guó)外學(xué)者Sarkar 等人通過對(duì)比單位質(zhì)量下高壓儲(chǔ)氫，液態(tài)儲(chǔ)氫，金屬氧化物儲(chǔ)氫等儲(chǔ)氫手段的能源利用效率，得出了氫氣下高壓儲(chǔ)氫是目前經(jīng)濟(jì)效益最好的儲(chǔ)氫方式的結(jié)論，詳情見表：表 1 不同儲(chǔ)氫方式的能源利用效率表表 2 高壓、液態(tài)和金屬氧化物儲(chǔ)氫方式比較從能源利用率的角度來看，低溫高壓儲(chǔ)氫的確定目前經(jīng)濟(jì)效益最好的儲(chǔ)氫方式。就目前來說，高壓氫瓶?jī)?chǔ)氫是車載氫氣系統(tǒng)儲(chǔ)氫方式的主流，日本豐田Mirai 是目前唯一量產(chǎn)車型，采用的就是70MPa的儲(chǔ)氣罐。Mir

17、ai 有兩個(gè)壓力高達(dá)70MPa的儲(chǔ)氫瓶分別置于后排坐墊下方和后方。Mirai 儲(chǔ)氫瓶由三層結(jié)構(gòu)組成，最內(nèi)層材料是高強(qiáng)度聚合物，中層是強(qiáng)化碳纖維和高強(qiáng)度聚合物的混合材料，外層是玻璃纖維和高強(qiáng)度聚合物的混合材料，總厚度 25mm。它具有良好的防滲透性、強(qiáng)度和耐久性，受到嚴(yán)重撞擊時(shí)也不用擔(dān)心會(huì)發(fā)生破裂。為了不讓氫氣泄露的對(duì)策高壓儲(chǔ)氫瓶（3層結(jié)構(gòu)）表層玻璃纖維中層內(nèi)層高強(qiáng)度聚合物 強(qiáng)化碳纖維 高強(qiáng)度聚合物高強(qiáng)度聚合物具有強(qiáng)度、耐久性.值得信賴的高壓儲(chǔ)氫瓶豐田Mi2i高壓儲(chǔ)氫瓶車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)中，不僅定義了壓力數(shù)據(jù)，同時(shí)也規(guī)范了安全性能，具體安全性能包括應(yīng)力、腐蝕、泄漏、震動(dòng)等規(guī)范及實(shí)驗(yàn)方式。我國(guó)的標(biāo)

18、準(zhǔn)制定中，也使用了 安全性高”的措辭。目前燃料電池車用的儲(chǔ)氫瓶都選用鋁內(nèi)膽碳纖維纏繞, 并且燃料運(yùn)輸管道大多采用316 不銹鋼材質(zhì), 可避免氫脆產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn)。氫瓶到燃料電池，氫氣泄漏的薄弱環(huán)節(jié)是導(dǎo)氣管、燃料電池及其鏈接部分。為此， 氫燃料電池車都配有防泄漏安全系統(tǒng)。以 Mirai 為例， 在氫瓶附近及駕駛位附近安裝有氫氣感應(yīng)裝置，1 秒鐘之內(nèi)可以感知?dú)錃庑孤?、關(guān)閉氫瓶電磁閥并發(fā)出警報(bào)。同時(shí)，為了當(dāng)氫瓶電磁閥失效時(shí)能手動(dòng)切斷氫源，通常還配有手動(dòng)截止閥。氫瓶電磁閥和手動(dòng)截止閥聯(lián)合作用，可有效的避免氫氣泄漏，提高氫氣使用安全。當(dāng)車身處于起火環(huán)境中，溫度傳感器和壓力傳感器會(huì)檢測(cè)到儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)氣體溫度和壓

19、力的異常并切斷氫氣供應(yīng)。同時(shí)，為防止儲(chǔ)氫瓶因高溫高壓爆炸，瓶閥上安裝了易熔栓，在110的溫度下易熔栓會(huì)熔解，氫氣可以以每分鐘不超過118NL 的速度逐漸排出，在60 分鐘內(nèi)排空。那么這時(shí)候排出的氫氣會(huì)爆炸嗎？一般來說，氫氣燃燒要達(dá)到兩個(gè)條件。一是滿足氫氣的爆炸極限，即在空氣中氫的濃度4%74。 2%；二是施加靜電、明火或混合空氣溫度達(dá)到527 及以上。氫氣爆燃的條件是有先后順序的，首先要滿足濃度，然后再滿足點(diǎn)燃條件。如果已經(jīng)有點(diǎn)燃條件，那么氫氣只會(huì)排出多少就燃燒多少，不會(huì)爆燃，就像煤氣灶燃燒燃?xì)庖粯?。加氣槍連接到車的加氣口后被電磁機(jī)構(gòu)鎖住，安全性和電動(dòng)車充電接頭的水平相當(dāng)。同時(shí)加氣槍具有單向閥

20、的功能，在加氣頭出現(xiàn)損壞情況下，防止氣體向外泄漏并提高加氣頭的使 用壽命。管路電磁閥，在給氣瓶充氣時(shí)，可有效防止氣體進(jìn)入 電池。值得一提的是，日本最新法律規(guī)定，用戶不允許自己操作加氫設(shè)備，而應(yīng)由專業(yè)工作人員完成加氫工作，也是出于防止事故發(fā)生的考慮。綜上所述， “防彈級(jí)別”的儲(chǔ)氫瓶，再配合電磁閥、安全閥、溢流閥、熱熔栓、手動(dòng)截止閥、溫度傳感器、壓力傳感器等輔助安全裝置，不僅可以有效地解決氫氣泄漏問題，還可以降低汽車劇烈碰撞時(shí)發(fā)生氫氣爆炸的可能。豐田做了一個(gè)用一顆5mm口徑的子彈射擊儲(chǔ)氫瓶的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，子彈雖然射穿了儲(chǔ)氫瓶外壁，但是儲(chǔ)氫瓶整體性保持完好，內(nèi)部的氫氣僅僅從很小的孔洞溢出并消散在空

21、氣中，沒有發(fā)生爆裂和爆炸。氫 - 電安全盡管車載儲(chǔ)氫方式安全性較高，但是還需高度預(yù)防突發(fā)事故造成氫氣泄漏后燃燒和爆炸的可能。氫氣不僅具有易燃易爆的特性，同時(shí)也非常易于擴(kuò)散和易于泄漏。 氫氣和空氣的混合物的燃燒范圍為4-75%的體積分?jǐn)?shù)，最低點(diǎn)火能也僅僅只有0.019 m J，并且燃燒速度非常之快，因此在相同條件下，氫氣比其他氣體更容易發(fā)生燃燒甚至是爆炸現(xiàn)象。相對(duì)于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車來說，燃料電池汽車發(fā)生碰撞時(shí)還須要考慮氫和高壓電的安全。(1) 在電安全方面, 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)其電堆通常由幾百片單電池串并聯(lián)組成, 輸出電壓在幾百伏以上, 會(huì)直接對(duì)乘客或工作人員構(gòu)成安全威脅, 因此 , 對(duì)電堆的絕緣強(qiáng)

22、度和介電強(qiáng)度提出了高要求, 對(duì)其電安全進(jìn)行考核時(shí)可從絕緣等級(jí)、介電強(qiáng)度、高壓防護(hù)等方面進(jìn)行測(cè)試。(2) 在氫安全方面, 由于氫的相對(duì)分子質(zhì)量小 , 容易泄露 , 在高壓儲(chǔ)存時(shí)泄露的潛在危險(xiǎn)更為嚴(yán)重, 當(dāng)其與空氣形成的混合氣體中氫氣的體積分?jǐn)?shù)為4 %75 %時(shí)就構(gòu)成爆炸性的混合物, 有可能導(dǎo)致爆炸。這就需要分析氫氣在什么情況下泄露以及泄露后在什么情況下導(dǎo)致燃燒和爆炸, 需要對(duì)系統(tǒng)的電安全和氫安全進(jìn)行綜合考慮。氫氣泄漏的可能原因有氫氣供給回路中各個(gè)閥與管道間的接口泄漏； 由于管道的機(jī)械強(qiáng)度、使用壽命和耐腐蝕性等因素造成管道破裂或穿孔 ; 電堆由于受到外部機(jī)械撞擊導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或由于密封加工的不可

23、靠久而久之導(dǎo)致氫氣泄漏；由于氫氣供氣系統(tǒng)失效導(dǎo)致氫氣供給壓力過高, 或空氣供給系統(tǒng)失控使空氣壓力過高導(dǎo)致膜破裂。此外 , 水熱管理系統(tǒng)故障產(chǎn)生的過溫、反應(yīng)氣體和液體之間的過高壓力差也是導(dǎo)致膜破裂或電堆結(jié)構(gòu)惡化造成氫氧直接混合的潛在因素。當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí), 系統(tǒng)相關(guān)器件和設(shè)備之間的碰撞摩擦可能產(chǎn)生火花,當(dāng)電堆機(jī)械結(jié)構(gòu)因外力的施加而產(chǎn)生形變, 或因某些尖銳金屬物體刺入電堆 , 引起極間短路導(dǎo)致的后果是產(chǎn)生電火花, 這些都是引爆氫氣的因素。全睿等人在 “基于模糊故障樹的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)氫安全”中敘述：為進(jìn)一步提高燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的氫安全性和可靠性, 得出以下幾條重要改進(jìn)措施。(1)在對(duì)相關(guān)的閥、泵選型時(shí)應(yīng)盡可能選擇耐高壓高溫抗腐蝕且具備防爆等級(jí)的型號(hào), 若成本允許,可以增加氫氣閥和減壓閥的冗余設(shè)計(jì),防止氫氣