燃料电池汽车及氢能源的发展现状与安全对策

　　采用氢气作为燃料的电池汽车其火灾事故的防范重点就是防止氢气的泄漏及防静电。燃料电池车自身的防火安全包括氢供应系统、整车用氢系统及车库安全, 以防泄漏、防静电、电气防爆为主。

　　当前, 能源和环境问题正成为制约各国经济持续发展的重要因素。作为世界上仅次于石油化工的第二大产业——汽车工业也因此在悄然发生改变, 一种以氢气为燃料的燃料电池汽车正成为该行业的发展方向, 从而备受世界各国政府及产业界的高度重视。传统的汽车以汽油、柴油等为燃料, 不仅消耗了大量的石油资源, 而且汽车尾气中所含的碳氢化合物、氮氧化物和一氧化碳等对大气环境也造成了严重的污染。以氢气为燃料的燃料电池汽车改变了这种现状。氢气是一种高效、清洁的能源,它可由水中制取, 资源丰富; 其燃烧热值高, 燃烧产物也是水, 是世界上最干净的能源, 而且还可循环利用, 是一种理想的传统能源替代物。因此, 这种以氢气为能源的燃料电池车具有高能效、零排放的特点, 使其成为新一代汽车的发展方向。

　　然而, 氢气是一种易燃易爆气体, 在应用燃料电池的同时如何做好消防安全及防火、防爆工作也成为该项新技术推广是否成功的一个重要方面。对此, 笔者从消防安全、防火防爆的角度, 就氢能源及燃料电池汽车的发展现状、火灾危险性方面进行了阐述, 提出了应采取的措施及对策。

　　1 氢能源与燃料电池车的开发

　　1. 1 氢能的优点及开发

　　将氢气冷却至- 240℃ 以下, 再经过加压, 氢就变成一种无色的液体。液态氢是火箭、火车、飞机、轮船、汽车等的极佳燃料。用作汽车燃料时, 110 km 只需消耗5 kg氢气, 基本上是传统汽车使用汽油量的1/ 3。就氢气的能效而言, 其不仅有放热效率高、清洁、可以循环使用等优点, 而且其质量轻、密度小, 便于运送和携带, 容易储藏, 与难储存的电相比, 优越性更为显著。它的用途也极为广泛, 不但能燃烧生热, 而且还可以产生化学能, 并作为吸热的工质等。

　　传统的制氢方法有电解水制氢及高压、高温制氢, 都需要消耗大量的电能和煤或天然气, 消耗的能量比燃烧这种燃料所产生的能量还要多。这种昂贵的代价使其只适用于专门用途, 如推进太空火箭或在航天器中维持燃料电池。经过多年的研究, 科研人员已寻找出两种较为方便的制氢方法: 一是光电化学电池分解水制氢, 该方法利用太阳光照射到半导体氧化钛表面时产生的电流使水分解, 产生氢气, 有效率达12%; 二是生物制氢, 通过人工模仿植物光合作用分解水制取氢气, 其转化效率高达75%。此外, 还可利用微生物产生氢气。这些方法解决了过去制氢技术中所需的昂贵代价, 使之有可能成为一种能广泛应用的新能源。

　　但氢的密度很低、体积大, 要缩小体积, 需在- 252℃的极低温和高压下进行, 仅此一项作业就要消耗大量的能源。因此, 在研制用氢作燃料的汽车和飞机的过程中, 开发、运输和储存氢气的技术也还有待进一步解决。

　　1. 2 燃料电池汽车的发展现状

　　燃料电池汽车技术与传统汽车、纯电动汽车技术相比, 具有效率高、续驶里程长、绿色环保、过载能力强、低噪音及设计方便灵活等优点。目前车用燃料电池的燃料来源主要有两种, 一是直接用氢, 二是车载制氢技术。因这两种方法存在诸多不同的技术路线, 因此, 什么样的氢源最适合用于燃料电池汽车的问题一直以来都是争论的焦点。国外部分国家采用直接用氢技术, 其氢气存储压力可高达70 MPa; 也有的采用车载制氢技术。在我国,以同济大学和清华大学为主与相关汽车厂合作研制出的完全自主知识产权的、具有电电混合动力系统特点的超越系列燃料电池轿车也是采用直接用氢技术, 这些车辆参加了2008北京奥运会的示范运行, 2010 年上海世博料电池汽车在上海世博会期间的示范运行, 在世博园区附近建设了一座新的固定加氢站和两个移动加氢站, 从而在上海建成了由两个固定加氢站和两个移动加氢站组成的全国首个氢基础设施网络。

　　1. 3 燃料电池车的供氢系统

　　我国第一辆原型车车载高压氢气储存供应系统由储氢瓶组、压力表、滤清器、减压器、单向间、电磁阀、手动截止阀及管路等组成。在给储气瓶组加氢气时, 加氢站的压缩氢气由压力表、加气机, 经客车中部的管路、三通、单向阀和管路, 到达汇流排, 由汇流排进入储气瓶组。当燃料电池用氢气时, 压缩氢气由储气瓶组经汇流排、电磁阀和三通到达管路。管路的氢气再经过压力表和附件气路、客车后部的滤清器和减压器, 到达燃料电池。

　　2 氢气及燃料电池车的火灾危险性分析

　　氢气属于火灾危险性为甲类的易燃气体, 具有易燃易爆的特性。一旦点燃, 燃烧速度极快, 燃烧热值高。因此, 在燃料电池车的使用中, 一旦在氢气的制取、储存及装卸过程中发生泄漏, 它可与空气混合形成爆炸性混合物, 遇热或明火即会发生爆炸, 十分危险。

　　就氢气的运输管道而言, 也存在一定的危险性。在高压作用下, 氢气能渗透到金属设备的碳素中而引起金属管道及储存设备的“氢脆”破坏, 使储存设备和传输管道的塑性和强度急剧下降, 导致设备损坏, 引发泄漏。同时, 因高压作用, 泄漏时氢气从管口或缝隙处高速喷出会产生静电, 静电荷的产生与其喷出时的流速存在同比关系, 当静电荷达到一定值时也会引发火灾或爆炸。

　　此外, 氢气的带电性致使氢气储罐的出口处及输气管道处易发生静电积聚放电现象, 这会成为氢气火灾爆炸事故的引火源, 当储罐及输气管道的接地装置发生故障时, 极易引发火灾及爆炸事故。

　　因此, 采用氢气作为燃料的电池汽车其火灾事故的防范重点就是氢气的泄漏及防静电。

　　3 燃料电池车自身的防火安全对策

　　燃料电池车自身的防火安全可从氢供应系统、整车用氢系统及车库安全等来考虑, 以防泄漏、防静电、电气防爆为主。

　　3. 1 燃料电池车供氢系统的防火安全

　　(1) 所有储氢瓶、管道以及阀件均应适用于氢介质,储瓶、管道及阀件所能承受的压力留有足够的安全裕量;储氢瓶的安装符合相关国家规范的安全要求, 高压氢气连接管应采用质量符合国家标准的无缝不锈钢管。

　　(2) 安装前并组管路需经过30 MPa 水压实验和20MPa 气密检查实验后才进行总体安装; 总装结束后, 对整车氢供应系统进行两次气密性检查; 在储氢瓶的出口处设有过流保护装置, 当管路或间件产生氢气泄漏使氢气流量超过燃料电池发动机需要最大流量20%时, 过流保护装置会自动切断氢气供应;

　　(3) 需在储氢瓶的总出口设计一个电磁阀, 在探测到氢气泄漏或处于其他危险情况时可切断供氢系统。

　　3. 2 燃料电池车的整车用氢系统的防火安全

　　整车用氢安全系统主要从防氢气泄漏及报警、防静电等方面着手, 电气控制系统应包括氢泄漏监测及报警处理系统、车体防静电接地、车内部件防爆电气设计等。

　　(1) 氢泄漏监测系统可安装在车顶部的储氢瓶舱、乘客舱、燃料电池发动机舱以及催化燃烧型传感器附近, 传感器实时检测车内的氢含量, 当有任何一个传感器检测到的氢体积分数超过氢爆炸下限(空气中的氢体积分数为4%) 的10%、30%和50%时, 监控器会分别发出I 级、II 级、III 级声光报警信号。报警处理系统在接收到I级报警信号时, 应启动声光报警系统; 同时通过声光报警通知司机有氢气泄漏, 关闭氢供应系统中氢气瓶组出口的电磁阀, 并采取其他相应的处理措施。

　　(2) 燃料电池车车体底部应有多处接地线, 以防止静电积聚。

　　(3) 燃料电池车的氢检测传感器均选用防爆型, 氢安全处理系统中所用的继电器选用防爆固态继电器, 车体严禁使用电源插座、接触器、继电器以及机械开关等可以引起电弧的用电装置, 严禁进行电焊、砂轮磨削等可以引起火花、电弧的操作。

　　3. 3 燃料电池车车库的防火安全

　　车库的安全可从防氢气积聚及防静电等方面考虑。( 1) 车库内防止氢气积聚的措施主要包括氢泄漏监测及报警处理系统, 送、排风设施等。车库内氢泄漏监测系统可实时检测车库内的氢体积分数, 当有任何一个传感器检测到的氢体积分数超过氢爆炸下限(与车上标准相同) , 监控器会发出报警信号; 同时自动打开车库上部的进气窗, 并开启车库顶部的排风机排风, 以排出氢气。

　　(2) 车库使用的灯具、排风机电机以及氢检测传感器均选用防爆型。

　　(3) 车库内严禁使用电源插座、接触器、继电器以及机械开关等可以引起电弧的用电装置, 严禁进行电焊、砂轮磨削等可以引起火花、电弧的操作。

　　4 燃料电池加氢站的消防安全措施和对策

　　笔者以上海安亭加氢站的消防设计为例, 分析了燃料电池加氢站的消防安全措施。

　　4. 1 燃料电池加氢站的主要设备

　　(1) 管束拖车: 管束拖车有9 个气瓶组成, 总水容积2250 L; 质量28180 kg。系统的制造和检验符合DOT-3AXX 的规定; 中国特种设备制造许可证: T S2200828-2009。

　　会期间, 除了6 辆燃料电池公共汽车外, 还有100 辆燃料电池观光车和90 辆燃料电池轿车一起投入示范运行, 这是中国最大规模的燃料电池汽车集中示范, 其示范规模和示范周期在全球范围也是名列前茅的。

　　此外, 氢燃料电池汽车的研发也得到了世界能源公司和气体公司的支持。能源企业投入巨额资金主要进行加氢设施相关技术开发和示范。如林德公司2005年在欧洲燃料电池和氢能经济平台年会上宣称将在德国的氢能环形公路上建立40座加氢站, 公路将逐渐扩展至欧洲其他20个城市, 并达到10000 km 的长度。为了保障燃

　　(2) 压缩机: 压缩机单台流量最大为28 kg/ h, 共2台。制造和检验符合NFPA 52 的规定。

　　(3) 储气瓶组: 9 只, 布置方式为3×3 。系统的制造和检验符合ASME Section VIII, Division 1, Appendix22; 中国特种设备制造许可证: T S2200210- 2010。

　　(4) 加气机: 加气机1 台; 加气枪2 只(巴士和轿车各1) ; 布置: 左右两侧。制造和检验符合NFPA 52的规定。

　　4. 2 防火间距

　　由于我国还没有《燃料电池汽车高压氢气加氢站》的规范和标准, 设计中特别注意拖车之间、压缩机和高压储气瓶之间、以及控制室和压缩机之间的防火间距。此外,加气机也需置于安全位置。在设计中参照了国内外相应的规定和标准, 燃料电池汽车高压氢气加氢站站内各设备之间的安全间距为:

　　储气设备的最小间距1. 5 m、设计3. 0 m;

　　储气设备和压缩机的最小间距3 m、设计3 m;

　　储气设备和加气机的最小间距6 m、设计17. 5 m;

　　储气设备和站房的最小间距5 m、设计11. 4 m;

　　压缩机和加气机最小间距4 m、设计