中汽中心工程院組織開(kāi)展國(guó)內(nèi)首例燃料電池堆氫氣燃爆實(shí)驗(yàn)
時(shí)間：2023-05-31
2021年8月和12月，財(cái)政部等五部委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于啟動(dòng)燃料電池汽車(chē)示范應(yīng)用工作的通知》，正式批復(fù)京津冀、上海、廣東、河南、河北城市群?jiǎn)?dòng)示范應(yīng)用工作，標(biāo)志著我國(guó)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)正式進(jìn)入了高速發(fā)展階段。通過(guò)一年多的示范應(yīng)用開(kāi)展，國(guó)內(nèi)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與變化顯著，建立了較為完善的產(chǎn)業(yè)鏈體系。
但與此同時(shí)，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍面臨許多掣肘，要想實(shí)現(xiàn)應(yīng)用和大規(guī)模商業(yè)化推廣，必須首先解決“氫安全”問(wèn)題。眾所周知，氫氣易燃易爆、爆炸限值范圍寬(4%～75%)、點(diǎn)火能量低、擴(kuò)散系數(shù)大且易對(duì)材料力學(xué)性能產(chǎn)生劣化，在制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加注和使用過(guò)程中均具有潛在的泄漏和爆炸危險(xiǎn)?，F(xiàn)有研究成果表明，氫能基礎(chǔ)設(shè)施與燃料電池汽車(chē)的安全性取決于設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、運(yùn)行監(jiān)測(cè)以及應(yīng)急防護(hù)的專業(yè)程度。
燃料電池堆作為燃料電池汽車(chē)中最核心的部件，是氫氣和氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所。在車(chē)輛使用過(guò)程中，碰撞沖擊、超壓破損、疲勞失效、滲透累積等情況會(huì)引發(fā)堆芯氫氣泄漏，而極間短路、電弧放電、熱失控等情況會(huì)引燃受限空間內(nèi)累積的氫氣。
2023年10月份即將實(shí)施的GB/T 20042.2-2023《質(zhì)子交換膜燃料電池 第2部分：電池堆通用技術(shù)條件》中提出，燃料電池堆制造商應(yīng)對(duì)所有合理的可預(yù)見(jiàn)的危險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，在實(shí)際可行的條件下為燃料電池堆采取相應(yīng)的安全措施，對(duì)電堆燃爆能量進(jìn)行主被動(dòng)控制，確保能量釋放時(shí)不危及周?chē)h(huán)境。
為進(jìn)一步探究指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)所需要的安全限值，中汽中心工程院于近日組織了國(guó)內(nèi)首例燃料電池堆氫氣燃爆實(shí)驗(yàn)。通過(guò)內(nèi)部各壁面的高精度溫度/壓力傳感器，監(jiān)測(cè)電堆內(nèi)部氫氣點(diǎn)燃后產(chǎn)生的超壓與熱輻射，從聲／光／熱／力等多維度量化評(píng)價(jià)燃料電池堆燃爆對(duì)周?chē)藛T、車(chē)輛結(jié)構(gòu)、部件維修經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)的影響和危害。
圖氫燃料電堆模擬樣機(jī)氫氣爆炸試驗(yàn)高速攝像結(jié)果
圖氫燃料電堆真實(shí)樣機(jī)氫氣爆炸試驗(yàn)壓力及溫度傳感器布置
圖氫燃料電堆模擬樣機(jī)殼體氫氣爆炸試驗(yàn)高速攝像部分結(jié)果
由實(shí)驗(yàn)可知，無(wú)論是模擬樣機(jī)還是真實(shí)電堆，在燃爆瞬間都出現(xiàn)了較明顯的振動(dòng)波從而導(dǎo)致高壓力峰值，對(duì)殼體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生了影響。結(jié)構(gòu)失效處會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的噴射火和較高的溫度，表明電堆發(fā)生氫氣爆炸產(chǎn)生的能量在電堆氫安全開(kāi)發(fā)過(guò)程中需重點(diǎn)關(guān)注。本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)安全性能開(kāi)發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐，歡迎業(yè)界同仁交流。
中汽中心工程院在汽車(chē)安全領(lǐng)域已有十余年技術(shù)積淀，服務(wù)于氫能產(chǎn)業(yè)應(yīng)用發(fā)展，我們致力于搭建氫安全技術(shù)研究平臺(tái)，開(kāi)展對(duì)氫氣泄漏與燃爆的測(cè)試與仿真技術(shù)研究，構(gòu)建符合氫能及燃料電池汽車(chē)應(yīng)用場(chǎng)景的氫安全風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)估體系。
后續(xù)將為氫能制、儲(chǔ)、運(yùn)、加、用全產(chǎn)業(yè)鏈提供涉氫主被動(dòng)安全技術(shù)支撐，聯(lián)合行業(yè)共同探究氫能基礎(chǔ)設(shè)施及燃料電池汽車(chē)的安全限值，愿同各位同仁一道，為早日步入清潔能源時(shí)代不懈努力！
