淺談燃料電池的工作原理以及安全性能
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-04 14:48
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電堆（發(fā)動(dòng)機(jī)）；氫燃料（存儲(chǔ)鋼瓶）；高壓管路和閥體（氫燃料-電堆）；散熱組件（用于電堆和空調(diào)）；空氣濾清器總成（為電堆過(guò)濾雜質(zhì)更低的氧氣）；電堆控制系統(tǒng)；發(fā)電機(jī)（電堆產(chǎn)生的動(dòng)力轉(zhuǎn)化成電量）；驅(qū)動(dòng)電機(jī)（電量轉(zhuǎn)化為動(dòng)力）；動(dòng)力電池（存儲(chǔ)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的額外電量）；電池控制系統(tǒng)；整車控制系統(tǒng)。
2、燃料電池大巴（汽車）運(yùn)行原理：
燃料電池大巴（汽車）頂置鋼瓶存儲(chǔ)的氫燃料，“壓”入電堆（“類似于傳統(tǒng)動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)”）進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，所產(chǎn)生的的能量分為2路，1路傳遞給發(fā)電機(jī)至軸間電機(jī)驅(qū)動(dòng)整車行駛；1路傳遞給發(fā)電機(jī)至動(dòng)力電池存儲(chǔ)富裕電量。要注意的是，氫燃料在電堆中進(jìn)行的是化學(xué)反應(yīng)，沒(méi)有任何油、液、氣混合燃燒環(huán)節(jié)。并不像傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，通過(guò)燃料與空氣混合燃燒，產(chǎn)生的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)。
實(shí)際上，燃料電池大巴（汽車）與傳統(tǒng)動(dòng)力大巴（汽車）一樣，只不過(guò)更換了不同動(dòng)力總成。與傳統(tǒng)動(dòng)力大巴（汽車）相比，燃料電池大巴（汽車）的氫燃料在電堆催化后，除了產(chǎn)生電量，還有純凈水排出。
至于燃料電池大巴（汽車）被質(zhì)疑的是否會(huì)爆炸問(wèn)題，其實(shí)就是對(duì)電堆催化過(guò)程、氫燃料存儲(chǔ)鋼瓶可靠性不明白而產(chǎn)生。
燃料電池大巴（汽車）的動(dòng)力源為鋼瓶存儲(chǔ)的純度為99.99%氫氣，即便遇到明火燃燒，也不會(huì)燃燒爆炸。氫氣燃燒爆炸要滿足3個(gè)條件：第1、體積濃度比是4.0％～75.6％；第2、氫氣在密閉的空間內(nèi)；第3、火源點(diǎn)燃。
對(duì)于燃料電池大巴（汽車）而言，使用的氫氣濃度比為99.99%，遠(yuǎn)高于遇明火爆炸的4.0-75.6%濃度比的一般氫氣。在耐壓鋼瓶存儲(chǔ)中的氫氣，如果遭遇來(lái)自外界的明火燃燒，則會(huì)自動(dòng)關(guān)閉多級(jí)閥體。車載檢測(cè)系統(tǒng)，偵測(cè)到鋼瓶或管路出現(xiàn)氫燃料泄漏，控制系統(tǒng)會(huì)即刻關(guān)閉氫氣輸出，避免與氧氣混合，確保不會(huì)自燃。
通過(guò)合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，燃料電池大巴（汽車）具備多重容錯(cuò)設(shè)定，保證氫燃料在不同危險(xiǎn)環(huán)境下，或切斷氫燃料輸出、或封閉與氧氣的混合。最重要的是，99.99%純度的氫燃料，從本質(zhì)上不具備燃燒的安全標(biāo)定。
以福田歐輝8.5米燃料電池大巴為例：
電堆、空氣濾清器、空調(diào)散熱組件、高壓閥體以及氫燃料存儲(chǔ)鋼瓶等核心分系統(tǒng)全部頂置。就是充分考慮了燃料電池能量轉(zhuǎn)化的特性而做出的結(jié)構(gòu)層面的的安全設(shè)定。
福田歐輝8.5米燃料電池大巴，用于旅游承運(yùn)、公交運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)。作為人員密集的運(yùn)輸載具，將電堆和氫燃料存儲(chǔ)鋼瓶的燃料全部頂置，通過(guò)對(duì)以往國(guó)內(nèi)外公交車輛出現(xiàn)的主被動(dòng)安全事故大數(shù)據(jù)分析而來(lái)。
這就意味著作用于整車前、后、左、右四向的沖擊力，幾乎不會(huì)直接傳遞至頂置的電堆、鋼瓶、高壓管路和閥體。采用數(shù)字設(shè)計(jì)的車身鋼結(jié)構(gòu)，也將頂置動(dòng)力總成所需的承重標(biāo)定，和受到?jīng)_擊后結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化考慮在內(nèi)。
換句話說(shuō)，將需要重度保護(hù)的電堆、燃料電池存儲(chǔ)鋼瓶和高壓管路及閥體頂置，就是最好的被動(dòng)安全設(shè)定。與電堆、存儲(chǔ)鋼瓶、管路和閥體關(guān)聯(lián)的一系列安全傳感器和控制系統(tǒng)，就是最好的主動(dòng)安全設(shè)定。
福田歐輝8.5米燃料電池大巴，由福田汽車集團(tuán)與億華通和清華大學(xué)，正向聯(lián)合研發(fā)。整車設(shè)計(jì)策略為：安全性、可靠性、承載效能、續(xù)航里程。依據(jù)燃料電池工作原理，調(diào)整車身結(jié)構(gòu)，在可計(jì)算到的危險(xiǎn)工況下，達(dá)到絕對(duì)的主被動(dòng)安全。
應(yīng)用在福田歐輝8.5米燃料電池大巴的安全設(shè)定項(xiàng)目如下：
1、頂置的氫燃料存儲(chǔ)鋼瓶，嚴(yán)格依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的處于30-35兆帕，而福田、億華通及清華大學(xué)研發(fā)存儲(chǔ)技術(shù)可以達(dá)到70兆帕。
2、在加氫站加注氫燃料時(shí)，加氫系統(tǒng)注入鋼瓶的壓力也保持在35兆帕，與整車鋼瓶額定壓力值等同。具備車載儲(chǔ)氫鋼瓶承受壓力向下兼容更低的注入壓力，已達(dá)到加氫儲(chǔ)氫零壓力差狀態(tài)。
3、頂置的氫燃料存儲(chǔ)鋼瓶，在不可預(yù)料的危險(xiǎn)工況下，即便出現(xiàn)爆燃事故，也會(huì)因更輕的比重，而向上傳遞大部分能量，不會(huì)影響車內(nèi)載員安全。
實(shí)際上，福田歐輝8.5米、12米級(jí)別的燃料電池大巴，通過(guò)CAE分析和道路模擬仿真計(jì)算，在符合中國(guó)道路交通法規(guī)同時(shí)，還應(yīng)用了大梁LNG（液態(tài)天然氣）和CNG（壓縮天然氣）大巴豐富的高壓管路和閥體的使用（制造）經(jīng)驗(yàn)。
在中國(guó)西部市場(chǎng)普及多年的CNG（天然氣）汽車多為后期換裝，甚至更多城市的出租車強(qiáng)制使用CNG（壓縮天然氣）為動(dòng)力的原廠車型。采用動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)大巴，早已在中國(guó)數(shù)十座城市的公交市場(chǎng)大規(guī)模應(yīng)用。作為新興產(chǎn)物的燃料電池大巴，其實(shí)并不神秘。完全可以看做是CNG（壓縮天然氣）汽車和電動(dòng)大巴的結(jié)合體。
至于安全性，沒(méi)有百分之百的肯定，卻可以從設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)對(duì)燃料電池大巴的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、主被動(dòng)安全狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)定。
