氫燃料電池電堆安全性測(cè)試項(xiàng)目
中國(guó)正在緊鑼密鼓地開發(fā)研制各種車用燃料電池，以節(jié)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(fā)展，例如純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、燃?xì)馄嚨?。同時(shí)也出現(xiàn)了各種以氫燃料電池為動(dòng)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(fā)展的zui關(guān)鍵因素之一。因此將針對(duì)氫燃料電池電堆的安全性測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)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(yīng)氣體，利用質(zhì)子交換膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)氫氣的氧化和氧氣的還原，從而產(chǎn)生電壓和反應(yīng)生成的水。
1.1 在電池的一端, 氫氣通過導(dǎo)氣板到達(dá)陽極，在催化劑的作用下，發(fā)生如下陽極反應(yīng)：
反應(yīng)生成物中，氫離子(質(zhì)子)穿過陽極和陰極之間的固體電解質(zhì)膜到達(dá)陰極，電子通過外電路也到達(dá)陰極。
1.2 在電池的另一端，氧氣通過導(dǎo)氣板到達(dá)陰極，在催化劑的作用下，發(fā)生陰極反應(yīng)。
1.3 總的化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)出
連續(xù)不斷地向電池輸送氫氣和氧氣，電子就會(huì)在外電路連續(xù)運(yùn)動(dòng)形成電流，從而可以向負(fù)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(zhì)子交換膜組件。此圖是單片電堆，實(shí)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(gè)方面：
2.1 電安全性：轎車用單個(gè)電堆工作時(shí)輸出電壓zui高可達(dá)150V，多個(gè)電堆串聯(lián)后電壓更高。如此之高的輸出電壓對(duì)車內(nèi)乘客的安全造成威脅，這就對(duì)電堆的絕緣強(qiáng)度和介電強(qiáng)度提出了要求。在這個(gè)方面，電堆的安全性和電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車用動(dòng)力蓄電池的安全性有著共通之處，例如對(duì)絕緣等級(jí)、介電強(qiáng)度、高壓防護(hù)等方面的要求。
2.2 氫氣安全性：氫燃料電池電堆工作時(shí)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?xì)?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(fā)生爆炸。那么，需要分析在何種情況下氫氣會(huì)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(huán)節(jié)：針對(duì)電堆本身來說，氫的泄漏點(diǎn)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(dāng)電堆受到外部機(jī)械撞擊時(shí)，其自身的機(jī)械機(jī)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，造成原有密封結(jié)構(gòu)的破壞，導(dǎo)致氫氣泄漏。而電堆的氫氣供給接口除了在被破壞時(shí)會(huì)導(dǎo)致泄漏之外，也要考慮氫氣供氣系統(tǒng)失效導(dǎo)致氫氣供給壓力過高而帶來的不穩(wěn)定因素。
2.3.2 可能引爆氫氣的環(huán)節(jié)：當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，電堆自身或與車身金屬件之間的碰撞摩擦可能產(chǎn)生火花，火花可能引爆泄漏的氫氣。
此外，當(dāng)電堆機(jī)械結(jié)構(gòu)因外力的施加而產(chǎn)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(dǎo)致的后果是產(chǎn)生電火花，也是引爆氫氣的因素。
經(jīng)過對(duì)氫燃料電池電堆安全性因素的分析，認(rèn)為電堆的很多危險(xiǎn)環(huán)節(jié)的相關(guān)評(píng)定方法和測(cè)試項(xiàng)目都可以參考現(xiàn)有的車用儲(chǔ)能裝置及燃?xì)馄嚨南嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)。從這些標(biāo)準(zhǔn)中提取中可以用于氫燃料電池電堆的安全性測(cè)試項(xiàng)目，在結(jié)合氫燃料電池自身的特點(diǎn)，可以初步制定氫燃料電池電堆的安全性測(cè)試項(xiàng)目及基本試驗(yàn)方法。
3. 國(guó)內(nèi)車用儲(chǔ)能裝置的測(cè)試項(xiàng)目
目前國(guó)內(nèi)頒布的電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車的車用儲(chǔ)能裝置的標(biāo)準(zhǔn)主要有：
GB/T 18384.1-2001電動(dòng)汽車安全要求第1部分：車載儲(chǔ)能裝置；
GB/T 18332.2-2001電動(dòng)道路車輛用金屬氫化物鎳蓄電池；
GB/Z 18333.1-2001電動(dòng)道路車輛用鋰離子蓄電池。
以上標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì)電動(dòng)汽車用蓄電池中與氫燃料電池相關(guān)的測(cè)試項(xiàng)目主要包括以下幾個(gè)方面：
絕緣電阻、介電強(qiáng)度
極間短路
耐振動(dòng)、沖擊
耐高溫、高濕
抗擠壓、穿刺
耐浸泡
4. 國(guó)內(nèi)燃?xì)馄嚨陌踩詼y(cè)試項(xiàng)目
目前國(guó)內(nèi)頒布的燃?xì)馄嚨陌踩詷?biāo)準(zhǔn)主要有：
《GB18047-2000車用壓縮天然氣》
《GB17258—1998汽車用壓縮天然氣鋼瓶》
《GB19159-2003車用液化石油氣》
《GB17259—1998機(jī)動(dòng)車用液化石油氣鋼瓶》
以上標(biāo)準(zhǔn)中，和氫燃料電池電堆安全性相關(guān)的測(cè)試項(xiàng)目主要是氣路、水路等的耐壓性測(cè)試。
5. 氫燃料電池電堆的安全性測(cè)試項(xiàng)目
根據(jù)車用氫燃料電池電堆在整車行駛/停放時(shí)的實(shí)際工作環(huán)境和狀態(tài)，考慮氫燃料電池汽車的各種事故情況，參考車用儲(chǔ)能裝置和燃?xì)馄嚨默F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)項(xiàng)目，針對(duì)車用氫燃料電池電堆的特殊原理結(jié)構(gòu)，對(duì)電堆的安全性測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行分析研究。
經(jīng)過分析研究，認(rèn)為氫燃料電池電堆的安全性測(cè)試項(xiàng)目和基本方法主要包括以下幾個(gè)方面：
5.1 電氣安全特性
絕緣電阻：通過絕緣電阻測(cè)試儀將1000V的交流電壓（50Hz或60 Hz）或1600V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(huán)境下監(jiān)測(cè)絕緣電阻值。
介電強(qiáng)度：通過介電強(qiáng)度測(cè)試儀將1000V的交流電壓（50Hz或60 Hz）或1600V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(huán)境下監(jiān)測(cè)電流值。
極間短路：將大電流接觸器的觸點(diǎn)兩端分別連接到電堆輸出的正、負(fù)極，監(jiān)測(cè)接觸器接通周期內(nèi)電堆輸出電壓、電流、單片電壓、溫度等重要參數(shù)的變化。
5.2 耐環(huán)境特性
高溫、濕熱：在一定的溫、濕度環(huán)境下工作，觀察電堆的工作狀態(tài)、機(jī)械部件耐高溫特性以及結(jié)露情況。
振動(dòng)、沖擊：通過振動(dòng)/沖擊試驗(yàn)臺(tái)對(duì)電堆XYZ三個(gè)方向的抗振動(dòng)/沖擊能力進(jìn)行測(cè)試，觀察電堆機(jī)械結(jié)構(gòu)的松脫、開裂等情況。
跌落：將電堆從1.5m高度自由落體到硬木質(zhì)地板，觀察外殼損壞情況后進(jìn)行其他諸如絕緣電阻、介電強(qiáng)度、耐壓等試驗(yàn)。
浸泡：將電堆浸泡于水中或一定濃度的鹽水中一段時(shí)間，觀察外殼銹蝕/腐蝕情況。浸泡后進(jìn)行其他試驗(yàn)。
5.3 機(jī)械強(qiáng)度
擠壓、穿刺：通過擠壓/穿刺試驗(yàn)臺(tái)對(duì)電堆的相關(guān)機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行考核?？煞譃槿齻€(gè)方向。試驗(yàn)過程中對(duì)電堆的輸出電壓、電流、單片電壓、溫度等重要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
耐壓：通過耐壓試驗(yàn)臺(tái)對(duì)電堆的氣路、水路的耐壓情況進(jìn)行測(cè)試，可選用zui大工作壓力的3至5倍壓力進(jìn)行測(cè)試，包括耐壓測(cè)試和保壓測(cè)試。
6. 結(jié)束語
6.1 氫燃料電池汽車所使用的電堆，因?yàn)槟茌敵鲭娏?，?qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作而使車輛前進(jìn)，具有純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車所使用的動(dòng)力蓄電池的電氣特征，因此很多安全試驗(yàn)項(xiàng)目都可以參考電動(dòng)車用儲(chǔ)能系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
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(tǒng)和流量控制系統(tǒng)、空氣加濕系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，而且也涉及到可燃?xì)怏wH2，所以燃?xì)馄嚨南嚓P(guān)測(cè)試項(xiàng)目也能運(yùn)用到氫燃料電池電堆的安全性測(cè)試中。
6.3 因?yàn)槟壳皣?guó)內(nèi)外尚無針對(duì)氫燃料電池電堆的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，所以本文所述的試驗(yàn)項(xiàng)目中的具體參數(shù)，如試驗(yàn)時(shí)間、溫度、壓力等，需要針對(duì)電堆開展相應(yīng)的安全性測(cè)試，有了數(shù)據(jù)的積累方能確定這些參數(shù)。
6.4 為了zui大程度的模擬電堆在整車實(shí)際行駛/停放時(shí)的真實(shí)工作狀態(tài)，在安全性測(cè)試過程中，如果條件允許，盡量使電堆處于工作狀態(tài)下。那么，電堆工作狀態(tài)的不同，對(duì)安全性測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果的影響還需要大量的試驗(yàn)研究。
6.5 電堆的工作需要外圍氫氣、氧氣/空氣、冷卻水等設(shè)備的支持。這些設(shè)備具有自身或總體的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的安全保護(hù)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(xiǎn)。因此，在未來有必要結(jié)合電堆的外圍供給系統(tǒng)和電堆自身來綜合考慮氫燃料電池系統(tǒng)的安全性測(cè)試評(píng)估。
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