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從研發到應用,如何保證燃料電池安全運行?

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燃料電池的安全性是燃料電池發展過程中避不開的話題,隨著技術的進步,燃料電池的安全性已經大大提升,但近些年燃料電池事故仍頻繁走入人們的視野。

燃料電池使用的氫由于其本身的物理特性,在制取、儲運、使用的過程中都有造成財產損失、人員傷亡的風險。

氫燃料電池汽車多數使用高壓儲氫罐進行儲氫,有泄漏的風險,加之氫氣密度小,擴散快,且無色無味,使得氫氣泄漏后很難被察覺。如果泄漏量較小,氫氣擴散到空氣中,危害較小,不易引起大規模火災;如果處于相對封閉的環境中,由于易燃易爆的物理特性,氫氣大量泄漏后很容易引起爆燃。

從發生過的氫燃料電池起火爆燃事件來看,事故大多是設備故障,氫氣泄漏導致的。

2023年上半年,豐田曾宣布其正在測試中的液氫卡羅拉(配置|詢價)賽車氣態氫管發生泄漏,導致起火。

2023年7月,美國加州一輛氫燃料公交車在加氫站加氫時發生爆燃,公交車被毀,加氫站的加氫設施受損。據公交車所屬公司報告,事故原因是儲氫罐在加氫時爆炸。

因此,在燃料電池系統的使用過程中,需要嚴格控制氫氣的使用環境和火源,以避免發生爆炸事故。

除了設備故障之外,錯誤的移動、拆裝和使用等人為原因也造成了較多事故。

2023年6月,位于荷蘭鹿特丹的一輛運輸拖車,由于氫氣閥門在組裝過程中螺栓擰緊不當,閥門上的O形圈爆裂造成氫氣泄漏。

因此燃料電池系統的包裝和管道等部件需要經過嚴格的氣密性檢測和安全設計,并在使用環節加強規范管理,以減少氫氣泄漏的風險。

另外,燃料電池車尾氣中的氫氣濃度過高也有安全隱患。特嗨氫能數據顯示,當尾氣中氫氣含量超過4%時,遇到明火就有發生爆炸的危險。

針對這個問題,國標GB/T24549也做出相應規定,燃料電池汽車尾排氫濃度在任意時刻連續3s內的平均氫氣體積濃度應不超過4%,且瞬時氫氣體積濃度不超過8%。廠商也進行技術研發,通過多種措施控制尾排氫濃度,提高氫燃料電池車的安全性。

圖片來源:特嗨氫能檢測

有專家表示,燃料電池汽車的安全性問題是復雜的問題,跟燃料電池電堆、系統、氫系統、整車匹配設計、生產管控、試驗驗證、售后服務、運維管理等等多個因素是有關系的,而且這些因素之間會存在一個耦合的作用。燃料電池的安全問題不可忽視,如果燃料電池系統出現問題,會對操作人員和設備本身造成危害。

專家同時建議,在使用過程中,需要對燃料電池系統的狀態進行密切監測,并采取相應的安全措施進行防范。因此,加強氫氣泄漏檢測報警、完善相關設備設施的檢驗流程顯得尤為重要。燃料電池廠商為保證電池系統的安全,已開始在生產、使用等多個環節進行優化。

森薩塔已研發出高壓氫氣壓力傳感器,以滿足對儲氫系統壓力監測的需求,并在材料上進行優化,避免金屬部件產生氫脆現象,造成泄露風險。

康明斯利用大數據,實現車隊運行狀況可視化,并在氫燃料電池發動機的使用維護方面進行優化,以保障氫燃料電池汽車運營的安全性。對車輛情況進行實時監測,防患于未然。

世椿新能源也在研發并銷售裝堆機、氣密測試機、瑕疵檢測機、電堆系統組裝生產線等設備,用以在生產安裝環節優化燃料電池的安全性。

目前國內使用高強度碳纖維材料的35MPa儲氫瓶已實現批量化應用,儲氫瓶具有相關的國家、國際安全標準,能夠滿足在氫氣加注過程中,儲氫罐溫度和壓力的快速變化,減少隱患,提升儲氫系統的穩定性。

在氫燃料電池的商業化應用中,用戶對氫燃料電池的顧慮除了成本高和加氫難,安全性上是否有可靠的保障也成為他們最為關注的問題。

聯合國歐洲經濟委員會為使公眾對燃料電池更加認可,起草了全球技術法規GTRNO.13《氫燃料電池汽車全球技術法規》,在法規中對氫燃料電池汽車的安全性作出了明確規定。

當前我國已經開始進行大規模示范應用,并在實踐中不斷出臺相關政策,制定產業標準和管理規范,讓企業在生產和研發過程中有據可依,也保證用戶在使用時更加安全。

發改委發布的《氫能產業發展中長期規劃(2021-2035年)》指出,加快推進燃料電池技術創新,開發關鍵材料,提高主要性能指標和批量化生產能力,持續提升燃料電池可靠性、穩定性、耐久性。支持新型燃料電池等技術發展。著力推進核心零部件以及關鍵裝備研發制造。加快提高可再生能源制氫轉化效率和單臺裝置制氫規模,突破氫能基礎設施環節關鍵核心技術。開發臨氫設備關鍵影響因素監測與測試技術,加大制、儲、輸、用氫全鏈條安全技術開發應用。

同時國家也制定燃料電池安全測試方法,在應用的過程中查缺補漏,保證燃料電池使用的安全穩定。

本月將開始實施的GB/T 20042.2-2023《質子交換膜燃料電池 第2部分:電池堆通用技術條件》就提到,燃料電池制造商應對所有合理的可預見的危險進行評估,在實際可行的條件下為燃料電池堆采取相應的安全措施,對電堆爆燃能量進行主被動控制,確保能量釋放時不危及周圍環境。

同濟大學教授戴海峰表示:“燃料電池汽車總體的發展質量和水平還在提高,安全性是它的關鍵指標之一,應該得到更多的關注。”

產品生產和使用標準化是產業持續發展的基礎,產業規范的制定不僅能加速技術革新,規范的制造和使用流程也有利于燃料電池安全性的提升。

在國家已經開始進行頂層設計,扶持產業的當下,更應當把握機會,通過科學設計、合理使用和嚴格的安全管理,來保證燃料電池系統的安全運行,以此讓更多的用戶接受氫燃料電池,為發展提供更安全和可持續的能源解決方案。

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