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[技术] 关于车载氢气供应系统安全失效模式与控制 资料

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发表于 2009-5-23 06:39:38 | 显示全部楼层 |阅读模式
[简介] 氢燃料电池和氢发动机的研究,已越来越受到各国的重视。车载氢气供应系统安全失效模式与控制问题,是车载氢燃料商业化需要研究的主要问题之一。本文通过对过去所做的所有燃料电池客车氢供应系统的研发、设计及有关试验工作的研究和总结,提出了典型的车载氢气供应系统组成模型,分析了氢安全特性对车载的适应性,建立了安全失效严酷度分类,并对安全失效模式进行了分析,提出了安全控制策略和控制思想。本文的研究,对车载氢气供应系统安全设计和试验研究工作,具有指导和借鉴意义。
一、引言
氢作为洁净能源和世界上储存最丰富的能源,是燃料电池的最佳燃料,可以高效、环境友好地将储存在燃料电池中的化学能温和地转化为电能,同时,也可以作为氢能发动机的燃料。尽管电动汽车在动力平台选择上当今科学界和企业界还存在争议,但发达国家中与汽车、能源相关的机构和企业都在进行氢燃料电池研发。作为车载能源氢气及其贮存,是一个复杂的问题。在世界能源行业中,氢可作为多种用途的能量媒介。由于这种潜在重要性,引起人们对贮氢问题高度关注。尽管氢是比能量(每千克能量)最高的物质(这也是它作为航天用途的原因),但氢密度最小,是能量密度(每立方米能量)最小的物质,这就带来一个难题,即把大体积氢气装入小体积容器,需要加压。更重要的是,与其它能量载体不同的是,氢难以液化,它不像LPG或丁烷那样简单加压就可以液化。氢必须冷却到22K才能液化。笔者结合过去所做的所有燃料电池客车氢供应系统的设计、研发及有关试验工作,对本文重点进行讨论氢气加压后,车载压缩氢气供应系统安全失效模式与控制问题。

二、典型车载氢气供应系统组成模型
国际上发展车载高压供氢系统时,几乎都采取了一致的技术路线,即沿续天然气汽车供气系统发展基础,借鉴其技术、规范和标准,并根据车载高压供氢系统的特点逐渐完善。当前,供氢系统的研究主要针对氢燃料发动机汽车(这里包括氢燃料掺烧汽车)和氢燃料电池汽车。
车载氢气供应系统研究与开发,目前比较领先的是加拿大的Dynetek公司和美国的Quantum公司。为适应氢燃料电池汽车的要求,两家公司都研制了35MPa高压供氢系统,共同强调气瓶上(或连接处)应有手动阀、压力释放装置(PRD)、过流阀、个别气瓶上应有压力***和温度***;储存系统上有带有单向截止的充气阀、***、手动阀;供应系统上有***、减压器、自动阀、PRD、放散阀等装置,但两家采取的技术路线上是有所区别的。在最新开发的世界上首台70MPa氢气瓶系统中,提出并设计出了气瓶组合阀系统,气瓶组合阀包括气瓶内置并加有电磁阀的减压器、PRD、高低压压力***、温度***及阀体进出气口。国外的燃料电池汽车所使用的铝胆复合气瓶主要是加拿大Dynetek公司和美国SCI公司的产品,Dynetek已对外***35MPa气瓶并开发完成70MPa气瓶。
国内车载氢气供应系统的发展也与国际上发展该系统的技术路线相一致,同样采取了沿用天然气汽车供气系统的技术、标准,其中唯一可供借鉴的行业标准是“QC/T245-2002,压缩天然气汽车专用装置技术条件”,该标准非等效地采用了联合国欧洲经济委员会ECER110《关于CNG专用装置及安装了CNG专用装置的机动车报批的统一规定》以及国际标准ISO15500《压缩天然气燃料系统部件》的有关条款。典型的车载氢气供应系统模型见图1。

                    图1  车载氢气供应系统组成模型
这一模型包括了四个要素:即氢储存、氢供应、测量控制和安全保障。一般氢储存包括:充气阀、充气管线、储氢瓶或储气瓶组;氢供应包括:供气管路、减压装置;测量控制包括:压力及温度***、压力表、气体泄漏***、测量控制电路;安全保障包括:***、截断阀、压力释放装置(PRD)、单向阀、过流保护装置、气路通断电磁阀。

三、车载氢气供应系统安全失效模式
由于氢特殊的物化特性,国际上在发展氢燃料电池汽车之初就明确提出了“氢安全”概念,在这方面发展比较超前的是加拿大、日本、美国和德国等一些发达国家。燃料电池汽车最不安全的因素之一是供氢系统。氢是一种特殊的气体元素,在所有气体中分子量最小,导热率、声音传播速率与平均分子速率最大、粘度与密度最小。这种特殊的性质使氢的泄漏率比其它气体要高,是甲烷的2.8倍,空气的3.3倍。氢更是易爆气体,在某些情况下,氢气和空气的混合物能导致***。不言而喻,设计氢燃料电池系统必须认真考虑安全因素。在研究安全失效模式与控制之前,人们必须要了解氢气与目前常用的车用燃料某些安全性能对比情况,详见表1
 楼主| 发表于 2009-5-23 06:40:48 | 显示全部楼层
3.1 氢的特性决定其适用于车用燃料
表1几种车用燃料安全特性[1] [2]


特性
天然气
(甲烷)
液化石油气(丙烷)
汽油
密度(NPT下)
(kg/m3)

0.089
0.65
2.01
引燃温度
(℃)

585
540
487
228-501
空气中燃烧极限
(体积-%)

4-75
4.4-16.5
1.7-10.9
1.0-7.6
最低引燃能量

(MJ)

0.02
0.29
0.26
0.24
空气中燃烧速度
(cm/s)
(按化学计量混和)

346
43
47
40
***极限

(体积-%)

18-59
6.3-14
1.1-1.3
1.1-3.3
***速度
(km/s)

1.48-2.15
1.39-1.64
2-3
1.4-1.7
理论***能量
(kgTNT/m3)

2.02
7.03
4-10
44.22
空气中扩散系数
(c?O/s)

0.61
0.22
0.15
0.05


从表1中可以看出,氢的突出问题是点火能量小,非常容易着火。但是,表1中所列的其它三种燃料其点火能量也都很低,特别是汽油就更低了。实际上,只要条件合适,一个火花就可以点燃表1中的四种燃料。氢的引燃温度,明显高于天然气、液化石油气,更明显高于汽油。从表1还可以看出,氢的最小空气燃烧极限和天然气几乎接近,但明显高于液化石油气,更高于汽油。同样从表1中可以看出,氢的最小***极限明显高于其它三种燃料,分别高于天然气2.86倍、液化石油气和汽油的16.36倍。此外,氢的***极限范围又是最大的,明显高于天然气,更远远高于,液化石油气和汽油,因而,氢又更具危险性。
 楼主| 发表于 2009-5-23 06:41:16 | 显示全部楼层
氢在燃烧时,事实上是看不到火焰的,这又产生了一个安全问题。因此,在使用氢时,防止氢泄漏便是一个关键问题。氢的***极限范围较大,这就产生了另外一个更大的潜在危险,即必须时刻防止有限空间里增加氢的浓度。幸运的是,由于氢的浮力大、平均分子速率高,可以保证氢在所有气体中以最快的速度扩散。从表1可以看出,氢在空气中的扩散系数是最高的,要远远好于液化石油气和汽油。从燃料密度看,由于氢的密度很低,因而产生了某些相对优势。氢气和天然气的密度低于空气的密度(空气密度是1.29kg/m3),所以在空气中能快速扩散,而液化石油气气体密度要高于空气密度,在空间底部或地表面容易聚集。汽油是液体,其挥发速度较慢。
氢还有别于其它车用燃料,即对金属材料有氢脆现象。氢脆是金属由于吸氢而造成材料变脆,塑性降低,自行断裂的现象。氢对这些材料的破裂形式势必造成意想不到的事故,对安全形成极大威胁。随着金属材料的广泛应用,各国对表面处理中的氢脆现象进行了比较多的研究和试验,并制定了一些标准(例如增加去氢处理,限制高强度钢的电镀层,改进材料工艺等)来防止氢脆的破坏。
以压缩气体形式储氢的优点是简单、无储存期限限止及对氢气的纯度没有要求。事实证明,只要高压储氢瓶设计正确,使用得当,高压储氢是完全安全可行的。当今,世界上高压储氢瓶储氢已广泛适用于燃料电池汽车中的氢气供应系统。为了提高燃料电池汽车的续驶里程,汽车制造商已把供氢系统的工作压力要求从20MPa提高到35MPa,并提出70MPa的目标。
综合考虑上述因素,氢并没有显示出比其它常用车用燃料(气体或液体)更大的危险。所以设计的氢系统,只要能够防止泄漏,并控制最终氢和氧的混和比率,氢的储存和使用就不再有危险,甚至在某些方面,它比其它普通燃料的危险性更小。

3.2 安全失效严酷度、安全失效模式及危害性分类
针对氢的典型安全特性,根据故障影响确定每一故障模式及产品的严酷度类别,对车载氢气供应系统安全失效严酷度进行分类[4],见表2。
表2 车载氢气供应系统安全失效严酷度分类


Ⅰ类(致命故障)
危及人身安全;引起车辆烧毁,造成重大经济损失;对周围环境造成严重危害。
Ⅱ类(严重故障)
引起主要零部件、系统严重损坏或影响行车安全,不能用易损备件和随车工具在短时间排除。
Ⅲ类(一般故障)
不影响行车安全的非主要零部件故障,可用易损备件和随车工具在较短时间内排除。
Ⅳ类(轻微故障)
对汽车正常运行基本没有影响,不需要换零部件,可用随车工具较容易地排除。

针对典型的车载氢气供应系统模型,现提出5种主要的安全失效模式。安全失效模式、说明及涉及严酷度类别见表3。
表3安全失效模式、说明及涉及严酷度类别
安全失效模式名称
说明
涉及严酷度类别
1
气体外泄漏
系统中的部件外密封失效
如氢储存中的充气阀、充气管路、储氢瓶或储气瓶组;氢供应中的供气管路、减压装置;测量控制中的压力及温度***、压力表、气体泄漏***、测量控制电路;安全保障中的***、截断阀、压力释放装置(PRD)、单向阀、过流保护装置、气路通断电磁阀。
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ
2
功能件静态气体内漏
系统中的部件内密封失效
如氢储存中的储氢瓶或储气瓶组的气瓶阀;氢供应中的减压装置;安全保障中的截断阀、单向阀、过流保护装置、气路通断电磁阀。
Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ
3
功能件性能失效
系统中的部件不能正常工作
如氢储存中的充气阀、储氢瓶或储气瓶组气瓶阀;氢供应中的减压装置;安全保障中的***、截断阀、压力释放装置(PRD)、单向阀、过流保护装置、气路通断电磁阀。
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ
4
***故障
***输出不正常
如测量控制中的压力及温度***、压力表、气体泄漏***。
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ
5
电子控制部件故障
电子控制部件失效
如测量控制中的测量控制电路;安全保障中的过流保护装置、气路通断电磁阀。
Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ
 楼主| 发表于 2009-5-23 06:42:01 | 显示全部楼层
根据典型的车载氢气供应系统,对上述主要的5种安全失效模式,做出定性危害性分析。定性危害性分析是按故障模式发生的概率来评价确定故障模式的方法。
根据本文给出的典型的车载氢气供应系统模型,笔者借鉴过去曾主持对《燃气汽车供气系统安全可靠性研究》[4]  课题中危害性分析的认识,把故障模式的发生概率等级分为五级:
A级(经常发生)——在产品工作期间内某一故障模式的发生概率大于或等于产品在该期间内总的故障概率的20% 。
B级(有时发生)——在产品工作期间内某一故障模式的发生概率大于或等于产品在该期间内总的故障概率的10% ,但小于20% 。
C级(偶然发生)——在产品工作期间内某一故障模式的发生概率大于或等于产品在该期间内总的故障概率的1% ,但小于10% 。
D级(很少发生)——在产品工作期间内某一故障模式的发生概率大于或等于产品在该期间内总的故障概率的0.1% ,但小于1% 。
E级(极少发生)——在产品工作期间内某一故障模式的发生概率小于产品在该期间内总的故障概率的0.1%。
针对国内目前已经使用的氢燃料电池客车,故障模式发生的概率研究工作,现在正在进行,将有专门的报告发表。

四、车载氢气供应系统安全失效控制措施   
4.1 安全区域概念
针对已有的6辆氢燃料电池客车和近10000辆天然气客车供气的设计、使用经验,为防止产生Ⅰ类严酷度故障,就必须防止气体外泄漏,根据氢气的密度与逃逸特性,客车车载高压供氢系统安全性和功能性要求特点,建立安全区域概念[3],即按照氢供应系统中各部分的配置情况,将整车的各个部分分为不同的安全等级,并根据不同的安全等级进行设计、选型、配置等,见图2。建立安全控制系统和测量显示系统,构建系统组成,保证系统的安全性、可靠性、可安装性、可维修性和可操作性。

   
                            图2 车载氢气供应系统安全区域划分示意图
      
按照整车可能发生氢气泄漏的程度、整车电器件及氢供应相关零部件分布密集程度、环境因素、人为因素,将整车上划分四级安全区[3],详见表4。
表4 安全区划分
 楼主| 发表于 2009-5-23 06:43:23 | 显示全部楼层

级别


氢气泄漏点聚集程度


电器件/氢相关零部件密集程度


氢气泄漏扩散程度(环境)


人为因素


Ⅰ级安全区




一般/无


不易到达此区且易扩散


无接触


Ⅱ级安全区




一般/有


易扩散


不易接触


Ⅲ级安全区




高/高


易堆积、不易扩散


经常接触


Ⅳ级安全区


极高


极高


极易堆积、扩散困难


不易接触



4.2

车载氢气供应系统安全控制类型

为保证气体不泄漏,不产生类严酷度失效,根据安全区与安全级别,首先应在系统上考虑安全控制,即设置气体泄漏传感与控制、超压压力释放装置(PRD)、受撞击感应与控制和紧急状态关闭系统,参见图3


图3 系统安全控制


为实现系统安全控制,采用了如图4所示的控制系统策略,HS-ECM为氢系统电子控制模型。实现储气瓶组安全低耗智能供气系统,保障从系统设计上,对安全失效模式进行控制。







按一定的设计规范对车载氢气供应系统的零部件进行设计,包括新近研究开发的35MPa储氢瓶及耐35MPa压力的关键零部件,其中要对储氢瓶进行17种典型试验,对关键零部件要进行总计27种典型试验。这样做的目的就是严格控制严酷度类别避免出现类,故障模式的发生概率等级尽可能在D级和E级。
 楼主| 发表于 2009-5-23 06:44:31 | 显示全部楼层
五、结论与展望
我国GDP每年以大约10%左右的增长速度,规模已达到世界的前三四位,一些统计数据表明,能源消耗急剧增加,造成环境、生态日益恶化[5]。目前,国家提出“节能减排”目标,已经成为当前和今后长期刻不容缓的持久任务。而氢能源就是地球上储量最丰富的能源,对环境非常友好,氢能利用的产物是水,并且不会产生温室效应。氢能源作为汽车燃料,是今后车用燃料的重要发展方向之一。
只要充分认识氢气的特殊物化特性,未雨绸缪,采用多种措施,完全可以设计出一种集安全可靠又具较低成本的车载压缩氢气供应系统,只要充分重视氢安全,掌握并驾驭氢特性,就可以逐渐从“必然”走向“自由”,最终达到“和谐”。遵循本文所说的车载氢气供应系统安全失效控制措施有关设计原则,有理由相信,一种节能、安全、智能型的车载氢气供应系统即将在我国面试,将为我国燃料电池汽车氢气供应系统跻身于世界一流水平做出贡献。

参考文献
[1] 詹姆斯.拉米尼,安德鲁.迪克斯著,朱红译,衣宝廉校:《燃料电池系统-原理设计应用》(原书第二版),科学出版社2006.2。
[2] 德国宝马公司:《驱动未来--氢在中国》,BMW集团,2004。
[3] 徐焕恩,任翼:《燃料电池客车氢供应系统安全设计》,“全国清洁汽车行动巡展,电动车、清洁汽车及汽车环保技术交流研讨会”《论文集》,上海,2004.8。
[4] 徐焕恩,冯幸福,沈世恩,殷安民:《燃气汽车供气系统安全可靠性研究》,北京市科学技术委员会2000年度课题,2001.11。
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