06 第六章 燃料电池汽车.pptx

第1页：第6章 燃料电池汽车

第6章 燃料电池汽车，本章内容包括：

• 燃料电池概述
• 氢的制取与存储
• 质子交换膜燃料电池
• 燃料电池汽车结构与类型
• 燃料电池汽车的氢安全

第2页：燃料电池的概念

第1节 概述：一、燃料电池的概念。

• 燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应转化为电能的发电装置
• 燃料（如氢气、甲醇等）和氧化剂（如氧气）分别作为电池两极的活性物质保存在电池本体外，在使用时将它们通入电池体内
• 燃料电池实质上是电化学反应发生器，由阴极、阳极和电解质三部分组成，反应机理是将燃料中的化学能不经燃烧而直接转化为电能

第3页：燃料电池的优点

二、燃料电池的优点：

• 效率高。燃料电池不是热机，因此不受卡诺循环的限制，效率很高，目前已达60%
• 零排放或排放极低，对环境基本无污染。没有燃烧过程，用化学方式直接转换化学能，属于「冷燃烧」，氢氧燃料电池的产物只有水
• 过载能力强。短时过载能力可达2倍的额定功率或更大，特别适合汽车的短时加速特性
• 振动与噪声小。属于静态能量转换装置，无运动部件
• 易于实现模块化。容易通过串联、并联等模块化组合提高输出功率

第4页：燃料电池的类型

三、燃料电池的类型：

• 按照工作温度的不同：低温型（低于200℃）、中温型（200～750℃）和高温型（大于750℃）
• 按燃料来源：直接式、间接式、再生型
• 按照电解质：碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）

第5页：碱性燃料电池AFC

碱性燃料电池AFC：以吸附KOH的石棉膜为电解质。在燃料电极处采用多孔镍或铂、钯为催化剂，在氧电极处用多孔银或金属氧化物、尖石晶为催化剂。

• 碱性燃料电池需要以纯氢为燃料，因为C会生成CO和CO₂，CO会引起催化剂中毒，使燃料电池效率降低或完全损坏，并会与碱性溶液生成碳酸盐
• 工作温度50～200℃，余热利用率低
• 可以用非贵重金属作为催化剂，氧电极极化小

第6页：磷酸燃料电池PAFC

磷酸燃料电池PAFC：采用铂、多孔石墨为催化剂，100%的磷酸为电解质。

• 通常用甲醇经过重整处理转化的H₂为燃料，H₂不断输入到燃料电极石墨多孔质燃料夹层中，约80%以上分解后的H⁺经过多孔质催化剂层和只能通过H⁺的高分子电解质膜，移动到氧电极处与O₂发生氧化反应
• 在180～220℃工作时性能稳定，能自行排水
• 能耐受CO，不能耐受S，余热可以用于电池内部加压和重整
• 用铂作为催化剂成本高，氧电极极化大、消耗大，对燃料气体的质量要求高

第7页：熔融碳酸盐燃料电池MCFC

熔态碳酸盐燃料电池MCFC：以Li₂CO₃和K₂CO₃混合物为电解质。在燃料电极处采用多孔镍为催化剂，在氧电极处采用掺锂和氧化镍为催化剂，化学反应温度为600～700℃。

• 可以用非贵重金属作为催化剂，能够耐受CO和CO₂，可以采用富氢燃料，余热温度高可充分利用
• 电解质会烧损或脆裂，降低了电池的寿命
• 在整个化学反应过程中CO₂要循环使用，从燃料电极排出的CO₂要经过除H₂后按一定比例与空气混合后送入氧电极，增加了电池的结构和控制的复杂性

第8页：固体氧化物燃料电池SOFC

固态氧化物燃料电池SOFC：以氧化钇为稳定剂的氧化镐固体氧化物作为电解质。在燃料极处采用Ni+YZrO₂固体氧化物为催化剂，在氧电极处采用Sr_0.1La_0.9MnO₃固体氧化物为催化剂，反应温度为800～1000℃。

• 燃料面广，可以用煤作为燃料；高温条件下可以不用催化剂就发生化学反应
• 固体氧化物催化剂对电池的结构材料没有腐蚀，可以实现内部重整，余热可用来加热空气和甲醇等燃料
• 全固态固体氧化物材料制取困难、制作工艺复杂；工作温度高需要隔热措施，热效率较熔态碳酸盐燃料电池低

第9页：质子交换膜燃料电池PEMFC

固态聚合燃料电池SPFC（质子交换膜燃料电池PEMFC）：质子交换膜采用氟黄酸质子交换膜，具有电解质、电极活性物质的基底和能够选择透过离子的功能。

• 采用两个碳电极和质子交换膜，在电极内浸入氟黄酸并与质子交换膜压合，电极之间为催化剂层和电解质
• 输送到多孔质燃料夹层中的H₂扩散到多孔负极板中，在催化剂作用下转化为电子和H⁺，H⁺通过质子交换膜到达正极，与正极多孔质空气夹层中的O₂发生氧化作用，转化为电能和水
• 要用贵重金属铂作催化剂，燃料气体中的CO会使铂中毒
• 比能量高达200Wh/kg，单体电池电压1V，有利于降低电动汽车的整备质量和使用费用
• 采用固体电解质，没有腐蚀、安全耐用，在常温下容易快速起动和关闭

第10页：直接甲醇燃料电池DMFC

直接甲醇燃料电池DMFC：使用铂或铂合金作为催化剂，电解质采用酸性硫酸基三氟甲烷或质子交换膜。

• 燃料电极（负极）、氧电极（正极）分别通入甲醇与氧化剂
• 甲醇来源丰富，成本低，易储存运输
• 工作温度为50～100℃，预期寿命10000h，但功率密度低，只有0.04～0.23W/cm²，技术还不成熟

第11页：

第12页：燃料电池类型的车用适应性

各类燃料电池在电动汽车上的适用性：

• MCFC和SOFC工作温度过高，难于在电动汽车上应用；DMFC技术还不成熟，功率密度太低
• PAFC、AFC和PEMFC可在电动汽车上应用
• PEMFC功率密度高、使用寿命长、工作温度低、预期成本低，比AFC优越

第13页：氢的制取

第2节 氢的制取与存储：一、氢的制取。

1.化石燃料制氢

天然气制氢：天然气蒸汽重整、天然气部分氧化、天然气自热重整；煤气化制氢：煤的地面气化技术、煤的地下气化技术

2.利用工业生产含氢尾气制氢

合成氨生产尾气制氢、炼油厂回收富氢气体制氢、氯碱厂回收副产氢制氢、焦炉煤气中氢的回收利用

3.电解水制氢

以电能分解水制取氢气

4.其它制氢方法

热化学分解水制氢、太阳能制氢、生物制氢

第14页：氢的提纯

二、氢的提纯：

• 冷凝-低温吸附法
• 低温吸收-吸附法
• 变压吸附法
• 钯膜扩散法
• 金属氢化物分离法

第15页：氢的存储要求

三、氢的存储：氢气无论以气态还是液态形式存在，密度都非常低，气态时为0.08988g/L（约为空气的7%）；液态（-253℃）时为70.8g/L（约为水的7%）。

• 储氢和输氢要求安全性高、能量密度大（包含体积能量密度和质量体积密度）、能耗少；当作为车载燃料使用时，应满足车辆行驶的能量要求
• 对于车用氢气存储系统，国际能源署提出的目标是：质量储氢密度大于5%、体积储氢密度大于50kgH₂/m³，并且放氢温度低于423K，循环寿命超过1000次

第16页：高压氢气存储与液氢存储

车载储氢方式：

1、高压氢气存储

储氢压力一般为12～15MPa，有的可达到20MPa。一般一个充气压力为15MPa的高压钢瓶质量储氢密度仅约为1%，体积储氢密度仅约为8kgH₂/m³

2、液氢存储

具有较高的体积能量密度，常温常压下液氢的密度为气态氢的845倍，体积能量密度比压缩储存要高好几倍；氢气的液化温度非常低，达到-253℃

液氢罐部件：1-液氢进出口；2-超绝热材料；3-安全排气阀；4-液氢；5-液位计；6-压力表。

第17页：金属储氢与吸附储氢

3.金属储氢：氢以金属氢化物的形式储存在合金中，包括钛系储氢合金、锆系储氢合金、铁系储氢合金、稀土系储氢合金。

• 与高压氢气储存相比体积储氢密度提高很多，但由于金属的质量较大，质量储氢密度仍然降低，仅为1.5%左右
• 储氢压力1～2MPa，远低于高压储氢，提高安全性，充氢能耗降低
• 金属氢化物对氢气中的少量杂质如O₂、H₂O、CO等有较高的敏感度，故对原料氢有较高的质量要求
• 储氢金属存在机械强度、反复充放后粉碎等问题，可反复充放的次数不多，价格昂贵
• 储氢容器要能够耐高压，还要有足够的换热面积，能够迅速传递吸氢和放氢反应过程中释放或者需要的热量

4.吸附储氢：活性炭储氢、碳纳米管储氢。

第18页：单体燃料电池组成与工作原理

第3节 质子交换膜燃料电池：一、组成与工作原理。单体燃料电池组成：一个质子交换膜（两侧载有催化剂铂）、两个电极（气体扩散层）、两个流场板（双极板）。

• 1，7-双极板（流场板）
• 2，6-电极（气体扩散层）
• 3，5-催化剂层
• 4-质子交换膜

第19页：燃料电池的电极反应

单体质子交换膜燃料电池的电极反应：

负极反应

2H₂ → 4H⁺ + 4e^－

正极反应

O₂ + 4e^－ + 4H⁺ → 2H₂O

总反应

2H₂ + O₂ → 2H₂O

氢离子H⁺可以穿过质子交换膜，电子不能穿过质子交换膜，电子只能经外部电路从负极到正极。

第20页：膜电极

二、膜电极：电极、催化剂层、质子交换膜通常制成一体，称为膜电极（Membrane Electrode Assembly，MEA）。

第21页：电极材料

膜电极的材料：

• 电极材料：炭纸或炭布
• 铂微粒固定在相对较大的炭粉粒子上，用量0.2mg/cm²

第22页：质子交换膜

1.质子交换膜：PEM是隔离燃料与氧化剂的隔膜材料，也是电解质以及催化剂的基底，还是一种选择透过性膜，起传导质子作用。对PEM的基本要求：

• 电导率高（高选择性地离子导电而非电子导电）
• 化学稳定性好（耐酸碱和抗氧化还原能力强）
• 热稳定性好
• 良好的力学性能（如强度和柔韧性）
• 反应气体的透气率低
• 成本不能太高

第23页：质子交换膜的发展

质子交换膜的发展：

• 最早的质子交换膜是以碳氢为骨架的聚合物，如酚醛树脂磺酸膜、聚苯乙烯磺酸膜等。C-H键易于断裂，聚合物不稳定，电池寿命只有数小时
• 20世纪60年代中，美国GE与Dupont开发了全氟型磺酸膜Nafion系列，电池寿命提高到57000h
• 除Nafion膜外，其他的全氟型磺酸膜：Dow膜（美国DowChemical公司）、BAM膜（加拿大Ballard公司）、Aciplex系列膜（日本AsahiChemical公司）、Flemion系列膜（日本AsahiGlass公司）

第24页：Nafion膜的结构

Nafion膜结构：一般用杜邦公司开发的Nafion，由疏水材料聚四氟乙烯链（商品名Teflon）形成主链，与磺酸侧链交错，侧链高度亲水性——附在Teflon端部，由磺酸（HSO₃）基团（亲水性）形成，磺酸侧链周围的含水区成为电解质，构成侧链膜的骨架。

第25页：电极（气体扩散层）

2.电极。电极材料应具有的功能及要求：

• 起到支撑催化层的作用，要求其适合地支撑催化层，扩散层与催化层的接触电阻小
• 起气体和水通道的作用，扩散层应具备均匀的孔隙和孔分布，有利于传质
• 起电子通道的作用，要求扩散层结构紧密且表面平整，接触电阻小，并在横向及纵向均要保持较好的电阻平行性
• 热的传输和分配作用，要求有较好的热传输和分配的能力
• 有较强的耐化学腐蚀和耐电化学腐蚀的能力
• 具有一定的机械强度，适当的刚性与柔性
• 适当的亲水／憎水平衡，防止过多的水分阻塞空隙而导致气体透过性能下降

目前主要材料：炭纤维纸、炭纤维编织布、无纺布、炭黑纸。

第26页：催化剂

3、催化剂。PEMFC对催化剂有以下要求：

• 电催化活性高，并对副反应抑制
• 有高的电催化稳定性，具备耐受CO等杂质及反应中间产物的抗中毒能力；若使用甲醇作燃料时，由于甲醇的渗透现象，还必须具有抗甲醇氧化的能力
• 比表面积高，使催化剂具有尽可能高的分散度和高的比表面积，以降低贵金属的用量
• 导电性能好
• 稳定性能好抗酸性腐蚀能力，表面保持稳定

常用催化剂载体为炭载体：酸性环境中抗腐蚀，有合适的导电能力，高比表面积。为增强抗CO中毒能力，目前主要用Pt复合催化剂，如Pt-Ru、Pt-Sn、Pt-Mo、Pt-Cr、Pt-Mn、Pt-Pd以及Pt-Ir等，其中Pt-Ru性能最好，质量比为1:1时催化性能最佳。

第27页：燃料电池堆与双极板

三、双极板：由于单元燃料电池产生的电压很低，必须将它们串联连接，构成「燃料电池堆」，才能得到所需工作电压。

第28页：双极板的功能与要求

双极板的主要功能：

• 将单体燃料电池串联组成电池组，一块双极板的两个侧面分别与相邻单体燃料电池的阳极和阴极接触
• 提供气体通道，将氢送到阳极，将氧或空气送到另一单体电池阴极，但两种气体的通道是隔绝的
• 为膜电极组件提供牢固支撑
• 传输反应生成的水、湿气
• 冷却电池组

对双极板的要求：

• 良好的导电性
• 有合理的流场结构，引导氧化剂和还原剂在电极表面流动，无穿孔性漏气，确保反应气均匀分配到电极各处
• 要有一定的强度，利于提供电极支撑
• 耐高温、耐腐蚀，适应各种条件下的电池内部环境
• 导热性好，利于及时排除反应生成的热量
• 重量轻，生产成本低

第29页：双极板的材料分类

双极板：按照材料分为石墨板、金属板、复合板。

第30页：水管理

四、水管理。

重要性

质子交换膜中的电解质必须含有足够的水，才能保证有良好的离子传导性；但水也不能太多，否则会堵塞电极（气体扩散层）中的孔通道

水来源

氢氧反应产生的水；加湿反应气体带进来的水

水管理措施

调节反应气体的湿度；改进电池内部结构，新型极板的设计与优化

第31页：外增湿法

1.增湿技术：分为外增湿法、内增湿法和自增湿法。

1）外增湿法：包括升温增湿、渗透膜增湿和直接液态水注射增湿。

第32页：内增湿法

2）内增湿法：双极板内增湿、扩散层内增湿。

一种双极板内增湿的示意图部件：1-多孔双极板；2-冷却水道；3-阳极催化层；4-质子交换膜；5-阴极催化层；6-气体扩散层。

第33页：自增湿法

3）自增湿法。一种自增湿的示意图部件：1-双极板；2-气体扩散层；3-质子交换膜；4-催化层；5-水滴；6-冷却水道。

第34页：流场排水

2.排水技术：电池中过量的水会阻碍反应气体到达催化层，严重时会使化学反应停止，所以及时排出多余的水也非常重要。PEMFC的排水可以通过流场的结构和动态排水来实现。

1）流场排水：(a)点状流场；(b)平行流场；(c)蜿蜒流场；(d)交指流场。

第35页：动态排水

2）动态排水：图示一种自动定时排水装置。

第36页：热管理

五、热管理。PEMFC对电池热管理有以下要求：

• 控制温度范围
• 电堆内部温度分布均匀
• 控制温度极限

图示带冷却通道的双极板。

第37页：燃料电池汽车的特点

第4节 燃料电池汽车结构与类型：一、燃料电池汽车的特点。

优势

绿色环保；能量效率高；车辆的续驶里程长；低噪音；部件布置灵活

不足

基本性能需要进一步提高以满足方便、实用的需求，例如提高燃料电池组的功率密度、加快起动速度、增强电解质的温度适应范围等；目前的辅助设备复杂、质量和体积较大，燃料电池系统及整车成本较高，成为推广的一个障碍；燃料供给体系尚需建设

第38页：燃料电池汽车的组成

二、燃料电池汽车的组成。燃料电池汽车动力系统组成：燃料电池系统、储能单元、辅助动力源、DC/DC转换器、动力控制单元、电机。

燃料电池汽车动力系统布置部件：1-能量单元；2-辅助动力源；3-燃料电池系统；4-驱动电机。

第39页：增压式燃料电池系统

燃料电池系统：核心是燃料电池组，还包括燃料供给系统、空气供给系统、气体加湿系统、生成物处理系统、热管理系统。

按参加反应气体的压力分为增压式、常压式：超过1大气压以上时为增压式，在1大气压左右时为常压式。

图示增压式燃料电池系统。

第40页：常压式燃料电池系统

2）常压式燃料电池系统：

• 压缩氢气经过减压系统，压力降到0.1～0.2MPa；当采用空气作为氧化剂，不需要用空气压缩机来为空气增压
• 开路电压较低，使整体结构庞大、重量重，在车上布置较困难，一般用于燃料电池大客车的燃料电池发动机

第41页：直接燃料式FCV

三、燃料电池汽车的类型：1、按燃料来源方式分为直接燃料式、重整式。

1）直接燃料式FCV：车载燃料（主要为纯氢）作为燃料电池组的阳极燃料。

• 1-驱动轮；2-驱动系统；3-驱动电动机；4-逆变器；5-辅助电源装置；6-燃料电池组；7-空气压缩机；8-氢气储存罐；9-氢气供应系统辅助装置；10-中央控制器；11-DC/DC变换器

第42页：直接供氢的燃料电池系统

直接供氢的燃料电池系统部件：

• 1-氢气储存罐
• 2-氢气压力调节装置
• 3-热交换器
• 4-氢气循环泵
• 5-冷凝器及气水分离器
• 6-水箱
• 7-水泵
• 8-空气压缩机
• 9-空气加湿、去离子过滤装置
• 10-燃料电池组
• 11-电源开关
• 12-DC/DC变换器
• 13-逆变器
• 14-电动机

第43页：重整式FCV

2）重整式FCV：用甲醇、汽油、天然气、液化石油气等燃料，在车上通过重整器生成氢气，再提供给燃料电池组作为阳极燃料。

• 1-甲醇储存罐
• 2-重整器
• 3-氢净化器
• 4-氢气循环泵
• 5-冷凝器及气水分离器
• 6-水箱
• 7-水泵
• 8-空气压缩机
• 9-空气加湿、去离子过滤装置
• 11-电源开关
• 12-DC/DC变换器
• 13-逆变器
• 14-电动机

第44页：氢与各类燃料的比能量对比

氢的比能量和能量密度：

本页原文为两列数字与燃料名称粘连成一行的文本，表中按「能量密度-比能量」两列与六种燃料的对应关系拆分排列，数值与各类燃料的已知物性一致，建议对照原图核对。

第45页：重整燃料与甲醇

重整：使用甲醇、汽油、天然气、液化石油气等燃料，在汽车上通过重整器生成氢气，再供给燃料电池阳极。

• 甲醇重整制氢技术较成熟，故甲醇广泛用于重整燃料
• 甲醇为液体，携带方便，可提高FCV的续驶里程
• 甲醇重整的方法有：蒸汽重整法、局部氧化重整法、废气重整法；不同的重整方法化学反应和工艺过程也不同，目前使用较多的是蒸汽重整法

第46页：甲醇蒸汽重整的化学反应

甲醇蒸汽重整法的化学反应：

• ①621℃高温下的吸热分解反应
• ②200℃左右高温下的轻微放热转化反应
• ③总的化学反应

没有发生氧化反应的H₂和CO输送到燃烧器中燃烧加热蒸发器，同时利用废热保持蒸汽重整器的高温。

第47页：车载甲醇重整制氢过程

车载甲醇重整制氢包括重整、变换、一氧化碳脱除及燃烧等几个过程。

第48页：甲醇重整器

重整器是重整制氢的关键设备，由燃烧器、加热器和蒸发器三个部分组成，中部为蒸发器。

• 甲醇气体与空气混合后，在加热器中加热甲醇和纯水的混合物，并在蒸发器中汽化为甲醇和水的混合汽，然后进入重整器的外腔，高温的甲醇和水的混合汽在催化剂作用下转化为H₂和CO₂
• H₂经过净化处理器处理，使气体中少量的CO转化为CO₂作为废气排出，控制气体中的CO浓度降低到20ppm时，再输送到燃料电池中

甲醇蒸气法的重整器部件：1-燃烧器；2-加热器；3-蒸发器；4-燃烧废气；5-甲醇／水混合物的入口；6-H₂出口；7-CO和CO₂废气出口。

第49页：纯燃料电池FCV

2、按有无辅助源：分为纯燃料电池FCV和混合驱动FCV。

1）纯燃料电池FCV：燃料电池作为唯一动力源，汽车所有功率负荷都由燃料电池承担。

第50页：纯燃料电池FCV的优缺点

纯燃料电池FCV优点：

• 系统结构简单，有利于整车的布置
• 系统部件少，有利于整车的轻量化

纯燃料电池FCV缺点：

• 燃料电池的功率大，成本高
• 对燃料电池系统的动态性能和可靠性要求很高
• 不能回收制动能量

目前，纯燃料电池FCV较少。

第51页：FC与辅助源混合驱动FCV

2）FC/辅助源混合驱动FCV：除燃料电池外，还配备辅助源（常用蓄电池和超级电容），驱动功率由燃料电池和辅助源共同承担。当前多数FCV采用。

优点：

• 辅助源的加入提高了FCV的动态响应能力和低温启动性能，降低了对燃料电池的动态性能要求
• 通过调节辅助源功率，可将燃料电池设定在最佳的负荷条件下工作，提高燃料电池的工作效率，有利于提高整车的能量效率
• 目前燃料电池的成本还很高，辅助源的加入使整车可选用功率小一些的燃料电池组，降低燃料电池组和整车成本
• 辅助源可以回收制动时的部分动能，增加整车能量效率

第52页：混合驱动FCV的类型

混合驱动FCV缺点：

• 电池的使用使整车的质量增加，动力性和经济性受影响
• 系统比较复杂，系统的控制以及各部件布置的难度较大

混合驱动FCV主要有三种：FC+B混合驱动FCV、FC+C混合驱动FCV、FC+B+C混合驱动FCV。

第53页：FC+B混合驱动FCV

FC+B混合驱动FCV：

• FC启动时，蓄电池供电用于空压机或鼓风机的工作及电堆的加热、氢气和空气加湿等；提供部分功率需求；回收部分制动能量
• 优点：降低对FC功率和动态特性的要求，降低系统成本
• 缺点：增加系统复杂性和重量与体积，增加蓄电池的维护、更换费用

第54页：FC+C混合驱动FCV

FC+C混合驱动FCV：与「燃料电池+蓄电池」FCV相比，摈弃了寿命短、成本高、重量大和使用要求复杂的蓄电池，用超级电容取代之。

超级电容在系统中起的作用与蓄电池类似，优势是寿命长、效率高、比功率大以及成本低，有利于FCV的商业化推广。

第55页：FC+B+C混合驱动FCV

FC+B+C混合驱动FCV：与「燃料电池+蓄电池」FCV相比，在电压总线上再并联一组超级电容，用于提供加速或吸收紧急制动的尖峰电流，减轻蓄电池负担，延长其使用寿命。

第56页：FC+B型燃料电池汽车主要组成

FC+B型燃料电池汽车主要组成：图示燃料电池加蓄电池混合驱动型燃料电池汽车的主要部件组成。

第57页：按混合驱动比例分类

三、按混合驱动比例：按燃料电池提供的功率占整个行驶功率比例，混合驱动FCV分为能量混合型和功率混合型。

能量混合型

早期技术水平限制，燃料电池功率较小，只提供行驶功率的一部分，配备大容量的蓄电池。特点：较多蓄电池使整车自重增加，动力性变差，布置困难；每次运行后除了加氢，还要给蓄电池充电

功率混合型

燃料电池技术进步使提供的功率比例增加，减少蓄电池的容量；为回收制动能量，保留一定数量的蓄电池，只提供行驶功率的一部分。特点：燃料电池为主动力源，蓄电池为辅助动力源，只在启动、爬坡、加速时提供功率，制动时回收制动能量；较少的蓄电池使整车重量下降，提高动力性

第58页：氢气的安全特性

第5节 燃料电池汽车的氢安全：一、氢气的安全特性。

不利于安全的属性

更宽的着火范围，更低的着火能，更容易泄漏，更高的火焰传播速度，更容易爆炸

利于安全的属性

更大的扩散系数和浮力，单位体积或单位能量的爆炸能更低

1、氢气的泄漏性：

• 与天然气相比，氢气扩散情况下的泄漏率为天然气泄漏率的3.8倍，层流情况下为1.3倍，湍流情况下为2.8倍
• FCV中储氢气瓶的压力为30MPa左右，气瓶直接发生泄漏是以湍流的形式；进行一级和二级减压后供给电堆的氢压为200K左右，此时氢泄漏为层流形式
• 从高压气罐中大量泄漏，氢气和天然气都会达到声速；氢气的声速（1308m/s）是天然气声速（449m/s）的3倍，故氢气的泄漏比天然气快

第59页：氢气的扩散性与氢脆

2、氢气的扩散性：与汽油、丙烷和天然气相比，氢气具有更大的浮力和更大的扩散性。氢的扩散系数是天然气的3.8倍、丙烷的6.1倍、汽油气的12倍。在发生泄漏的情况下，氢在空气中可以向各个方向快速扩散，迅速降低浓度。

3、氢脆：指金属在冶炼、加工、热处理、酸洗和电镀等过程中，或在含氢介质中长期使用时，材料由于吸氢或者氢渗透而造成机械性能严重退化、发生脆断的现象。根据氢的来源可分为内部氢脆和环境氢脆。氢在常温常压下并不会对钢产生明显的腐蚀，但当温度超过300℃和压力高于30MPa时，会产生氢脆腐蚀现象。

第60页：氢气的可燃性与爆炸性

4、氢气的可燃性：

• 氢空气混合物燃烧的范围是4～75%（体积比），着火能仅为0.02MJ。而其他燃料的着火范围要窄得多（如甲烷为5～15%），着火能也要高得多
• 所以在使用中，氢气的浓度要保持在燃烧下限4%以下，并安装探测器警报与排风扇共同来控制氢气浓度
• 氢气的着火下限是汽油的4倍，是丙烷的1.9倍，只是略低于天然气
• 氢气的着火上限很高，在有些情况下是有害的，例如在车库中发生氢气泄漏

5、爆炸性：氢气是最不容易形成可爆炸的气雾的燃料，但一旦达到了爆炸下限，氢气是最容易发生爆燃、爆炸的燃料。

第61页：供氢系统的氢安全

二、燃料电池汽车氢安全措施：1、供氢系统的氢安全。

• 为保证燃料电池汽车的安全可靠运行，需要有一套安全有效的供氢系统
• 供氢系统的基本功能是为燃料电池系统提供稳定压力的氢气，此外还应具备过压保护、过流保护、过温保护和低压报警等功能
• 还应考虑碰撞安全、氢气泄漏的检测与控制等因素

图示某燃料电池客车供氢系统。

第62页：氢泄漏安全

2.氢泄漏安全：燃料电池汽车在启动、行车、停车以及关闭等操作中可能会泄漏或排放出少量氢气，这就需要在设计燃料电池汽车时考虑氢排放和泄露因素，使氢排放量满足安全要求。应在合理的布置点安装氢泄漏传感器实时检测氢泄漏浓度。

图示某燃料电池轿车的氢泄露传感器分布。

第63页：燃料电池汽车氢管理系统

3.燃料电池汽车氢管理系统：

• 以HMU为核心的氢安全主动监控系统，除HMU外还包括压力传感器、温度传感器、氢气泄漏传感器等检测元件以及电磁阀、蜂鸣器等执行元件，具备检测、显示、报警功能
• 在正常工作时，氢管理系统与整车控制系统以及燃料电池控制系统通信，根据检测的各种信号来控制氢气电磁阀的开与关，并在检测到氢泄漏时发出警报并处理
• 氢管理系统的功能主要包括氢系统安全管理、氢泄漏管理及氢系统故障管理