什么是氢燃料电池？氢燃料电池的特性有哪些你知道吗？
来源：宝鄂实业
2019-05-29 19:54
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10月20日，全国政协副主席、科技部部长万钢在视察国内龙头燃料电池发动机企业时表示，中国氢燃料汽车产业发展需要形成“顶天立地、铺天盖地”的行业态势。这无疑是对氢燃料电池企业的莫大鼓励。随着技术的发展，氢燃料电池受到越来越多投资者、企业的青睐，国家相关部门越来越重视，氢燃料电池被空前看好。
然而，氢燃料电池并非锂电池，其技术门槛之高并非锂电池所能比，由于普及程度不高，公众对氢燃料电池的了解少，对氢燃料电池车的安全尚有疑虑。
氢气本身特性：易燃易爆 风险可控
氢气是易燃易爆品，它的可燃范围是4~75vol%，爆炸范围是18~59%vol，无色无味，人们凭感官无法对氢气的泄漏有所警觉，这或许就是人们对其有戒备心理的一个重要原因。其实氢气并非不可捉摸，它的安全风险是可控的。
氢气是最轻的气体，在空气中扩散速度快。据中国运载火箭技术研究院十五所研究员、航天新长征电动汽车技术有限公司首席专家靳殷实介绍，氢气向上扩散速度几乎可达到20m/s，是氮气的2倍，天然气的6倍。因此，除非受到屋顶、通风差的屋子或其他充有上升气体的场所限制，氢气的特性会防止它聚集在泄漏处周围。
靳殷实表示，氢气在室内发生泄漏会暂时聚集在天花板处，最终将转移到角落，因此，工业领域通常使用氢气感测器来检测氢气泄漏。几十年来，氢气感测器保持了极高的安全记录。
在开放空间，氢气的扩散系数是汽油的12倍，从危险程度上看，汽油的爆炸能量是相同体积氢气的22倍，在发生爆炸时，由于氢气密度远低于空气，爆炸会发生在气源上方，而汽油的爆炸则发生在燃料周围，汽油的危险程度远甚于氢气。
图左侧为氢气燃料爆炸，右侧为汽油发生爆炸
关于人们对氢燃料电池车安全问题的疑虑，中国工程院院士衣宝廉解读为，人们已经习惯于汽油作为燃料，对氢气这种燃料缺乏了解，如果采取必要的措施，氢气的安全是可以保障的。
储氢系统研发：为氢燃料电池提供安全保障
不可否认，国内外在运氢过程中都曾发生过一些事故，氢气压力超过储氢容器材料的最大压力极限，引起容器爆裂。因此，储存氢气的压力容器必须处于安全状态。
高压储氢瓶组是燃料电池供氢系统中的重要储能部件，也是安全隐患的根源所在。目前，储氢气瓶主要分为四类，即I金属气瓶、II金属内胆幻想缠绕气瓶、III金属内胆全缠绕气瓶和IV非金属内胆全缠绕气瓶。据了解，鉴于安全考虑，IV型氢气瓶目前在国内禁止使用，而I型、II型气瓶比较笨重，不适合在车上使用，国内在用的III型氢气瓶最多。
业内有企业针对当下氢气瓶存在的不足，研发出铝合金内胆碳纤维全缠绕复合气瓶，采用整体成型的金属内胆，在其外表面缠绕浸渍过定量树脂的高性能纤维。这种气瓶在爆破试验、常温疲劳试验、坠落试验等项目中表现不错，将为氢燃料电池的安全再添保障。
国外70MPa储氢瓶技术比较成熟，在已经或即将量产的车型上搭载的多是70MPa储氢罐，比如丰田Mirai、本田Clarity等车型，续驶里程均在500km以上。国内目前已经开发出车载70MPa储氢瓶样机，据了解，上汽集团也基本掌握了70MPa高压储氢和加注系统关键技术。
除了氢瓶的研发外，氢瓶的固定程度也对氢燃料电池的安全影响重大。业内有企业在这方面比较用心，对储氢系统固定支架做了轻量化与可靠性设计，通过用足够强度的专用储氢系统固定支架将氢瓶组、氢瓶阀及高压管路集成在一起并用钢带支撑，确保高压氢瓶不因碰撞发生太大位移，从而避免连接管路断裂、变形，防止氢气发生泄漏。
安全检测控制：危险消灭在萌芽状态
北京理工大学电动车辆国家工程实验室何洪文教授在近日召开的燃料电池论坛上分享了他们团队关于整车的“氢-电”结构耦合安全控制策略，他们通过对氢气浓度、氢瓶压力进行实时监测，制定安全控制策略，当整车“氢-电”结构检测状态超出判定条件时，实现断电、断氢，提升整车安全性。
山东沂星电动汽车有限公司董事长余达太教授向电池中国网介绍了他们的安全控制策略。该公司在安全检测和控制方面做得更为细致：选择抗氢脆材料，做好“氢-电”系统的防碰撞结构安全设计；进行过压、过流保护，当检测异常时，自动关断氢气供应，防止管路爆裂；进行过温保护，当温度超过允许最大值时，系统将自动泄气；对燃料进行监测，当检测到氢气压力过低时，提示司机加氢等。
企业对氢燃料电池的安全管控细致入微，将安全隐患消灭在萌芽状态。鉴于大量的试验和燃料电池整车的实际运行，衣宝廉表示，氢燃料电池汽车的碰撞安全性能是完全有保证的，能够满足和符合国家碰撞安全标准。
标准持续完善：燃料电池产品安全有支撑
无规矩不成方圆，无标准难保安全。相关标准的不断完善为燃料电池的安全运行提供了有力支撑，也规范了燃料电池行业的发展。
国家标准《燃料电池电动汽车 燃料电池堆安全要求》对燃料电池发动机提出了通用性要求，规定燃料电池堆要有必要防护，防止其部件与外部高温部件或环境接触，燃料电池堆外壳应避免容易对人产生危害的结构；燃料电池堆中应用的材料对工作环境有一定的耐受性，燃料电池堆的工作环境包括振动、冲击、多变的温湿度、电势及腐蚀环境；对燃料电池堆的电压或电流进行监测或计算等。此外，标准还对燃料电池堆的机械结构安全、气密性安全提出了相应要求。
类似的标准有很多。据靳殷实统计，我国整车级燃料电池标准现行5个，包括《氢燃料电池电动汽车示范运行配套规范》《示范运行氢燃料电池电动汽车技术规范》《燃料电池电动汽车 安全要求》等；车用燃料电池系统相关标准4个，包括《汽车用燃料电池发电系统 技术条件》《乘用车燃料电池发电系统测试方法》《客车用燃料电池发电系统测试方法》等；车载氢系统相关标准3个，包括《燃料电池电动汽车 加氢口》《燃料电池电动汽车车载氢系统 技术条件》和《燃料电池电动汽车车载氢系统 试验方法》；燃料电池相关标准现行27个，即将实施4个，包括《燃料电池 模块》《质子交换膜燃料电池发电系统低温特性测试方法》等。
其实，燃料电池比想象中更安全，我们对燃料电池多一分了解，对它的安全性能就会多一分信赖。燃料电池知识的普及仍任重道远。
1.电池中铅、镉检测
2006/66/EC欧盟关于电池和蓄电池中有害物质的限令
EPA 3052:1996硅土和有机质的微波辅助酸消解
EPA 200.8 ICP-MS法检测水和废物中的痕量元素
GB/T 20155-2006电池中汞、镉、铅含量的测定
2.电池中汞检测
2006/66/EC欧盟关于电池和蓄电池中有害物质的限令令
美国第104届国会第142条法案-第二节-含汞电池管理法案
EPA 3052:1996 硅土和有机质的微波辅助酸消解
EPA 200.8 ICP-MS法检测水和废物中的痕量元素
GB/T 20155-2006电池中汞、镉、铅含量的测定
3. 镍氢电池
GB/T 22084.2-2008 含碱性或其它非酸性电解质的蓄电池和蓄电池组-便携式密封单体蓄电池.第2部分:金属氢化物镍电池
IEC 61951-2:2011 EN 61951-2:2011 含碱性或其它非酸性电解质的蓄电池和蓄电池组-便携式密封可再充电的单电池-第2部分：镍-金属氢化物
4.镍镉电池
GB/T 22084.1-2008含碱性或其他非酸性电解质的蓄电池和蓄电池组.便携式密封单体蓄电池.第1部分：镉镍电池
IEC 61951-1:2006含碱性或非酸性电解液的二次电芯或电池－镍镉便携式密封可充电单电芯：1.镍镉类 第三版
BS EN 60622:2002 IEC 60622:2002 含碱性或其它非酸性电解液的蓄电池和蓄电池组.密封镍镉方形可充电单体电池
BS EN 60623:2001 IEC 60623:2001 含碱性或其他非酸性电解质的蓄电池和蓄电池组开口镉镍方形可充电单体电池
IEC 62259:2003 BS EN 62259:2004含碱性电解液混合气体的方形镍镉二次电池
5.碱性蓄电池及蓄电池组
EN 62133:2013含碱性或其它非酸性电解质的蓄电池和蓄电池组-便携式密封蓄电池和蓄电池组的安全要求
IEC 62133:2012
EN 62133:2013
JIS C 8712:2015便携式密封蓄电池和蓄电池组的安全要求
6.二次电池
IEC 62133:2012便携式密封二次电池芯及电池（包含碱性及非酸性电解液电池）的安全标准
JIS C 8712:2006用于便携设备的含碱性或非酸性电解液的二次电芯或电池-安全要求
IEC 61959:2004含碱性或非酸性电解液的二次电芯或电池-机械性能要求
GB/T 28163-2011 (IEC 61959:2004,IDT)含碱性或其他非酸性电解质的蓄电池及蓄电池组 便携式密封蓄电池和蓄电池组的机械试验
GB/T 28164-2011 (IEC 62133:2002,IDT)含碱性或其它非酸性电解质的蓄电池和蓄电池组 便携式密封蓄电池和蓄电池组的安全性要求
CQC 3306-2013《便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全认证技术规范》
7.锂原电池和锂离子电池
UN DOT 38.3 Rev.5联合国《关于危险货物运输的建议书试验和标准手册》第五次修订版
UL1642:2012+R1:2013锂电池安全标准
ST/SG/AC.10/11/Rev.5/Amend.1&Amend.2 Part 38.3联合国《关于危险品的运输建议书 试验和标准手册》第五修改版，第38.3章
GB 21966-2008锂原电池和蓄电池在运输中的安全要求
IEC 61960:2011 BS EN 61960:2011碱性或其它非酸性电解质二次电池或电芯——便携式二次锂电池或电芯
QB/T 2502-2000锂离子蓄电池总规范
SN/T 1414.3-2004进出口蓄电池安全检验方法锂电池部分
IEC 62281:2012一次和二次锂电池的安全运输
JIS C8714-2007便携式锂电池安全性试验
MT/T 1051-2007矿灯用锂离子蓄电池
QB/T 2947.3-2008电动自行车用蓄电池及充电器
QB/T 2947.2-2008电动自行车用蓄电池及充电器第二部分：金属氢化物镍蓄电池及充电器
8.原电池
JIS C 8512:2000锂锰原电池
JIS C 8513:2010锂原电池安全标准
GB/T 8897.1-2013原电池.第1部分: 总则
GB/T 8897.2-2013原电池.第2部分: 外形尺寸和电性能要求
GB/T 8897.3-2013原电池 第3部分:手表电池
GB 8897.4-2008原电池.第4部分: 锂电池的安全要求
GB 8897.5-2013原电池 第5部分:水溶液电解质电池的安全要求
GB 8897.5-2013GB 8897.5-2013
IEC 60086-1:2014 BS EN 60086-1:2011原电池.第1部分:总则
IEC 60086-2:2014 BS EN 60086-2:2011原电池－物理与电气规范
IEC 60086-3:2016 BS EN 60086-3:2011原电池.－手表电池
IEC 60086-4:2014原电池－锂电池的安全标准
IEC 60086-5:2011 BS EN 60086-5:2011原电池－含电解液电池的安全要求
9.启动用铅酸电池
IEC 60095-1:2006启动用铅酸电池－一般要求和测试方法
EN 50342-1:2006启动用铅酸蓄电池.第1部分: 一般要求和试验方法
GB/T 5008.1-2013起动用铅酸蓄电池.第1部分:技术条件和试验方法
JIS D 5301：2006铅酸启动蓄电池
10.便携式电子产品用锂离子电池和电池组
GB 31241-2014便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求
11.阀控铅酸电池
IEC 61056-1:2012通用铅酸蓄电池(阀门调节型) 第1部分:一般要求、功能特性、试验方法
GB/T 19639.1-2005小型阀控密封式铅酸蓄电池技术条件
12.固定用铅酸蓄电池
IEC 60896-21:2004固定式阀控铅酸电池－测试方法
EN 60896-11:2003 IEC 60896-11:2002固定式排气铅酸电池－测试方法和一般要求
GB/T 19638.2-2005固定型阀控密封式铅酸蓄电池
13.电动道路车辆用蓄电池
GB/T 18332.1-2009电动道路车辆用铅酸蓄电池
GB/T 18333.2-2001电动道路车辆用金属氢化物镍蓄电池
GB/Z 18333.1-2001电动道路车辆用锂离子蓄电池
GB/Z 18333.2-2001电动道路车辆用锌空气蓄电池
IEC 62660-1:2010电动道路车辆用锂离子动力单体蓄电池——性能测试
IEC 62660-2:2010电动道路车辆用锂离子动力单体蓄电池——可靠性和滥用性测试
14.电动汽车用蓄电池
QC/T 742-2006电动汽车用铅酸蓄电池
QC/T 743: 2006电动汽车用锂离子蓄电池
QC/T 744-2006电动汽车用金属氢化物镍蓄电池
QC/T 897-2011电动汽车用电池管理系统技术条件
SAE J 2464-2009电动与混合电动汽车可充电储能系统安全和滥用试验
15.船舶用铅酸蓄电池
CB/T 728-2000船舶启动用铅酸电池
CB/T 3821-2000 船舶通信、照明用铅酸电池
16.牵引用铅酸蓄电池
GB/T 7403.1-2008牵引用铅酸蓄电池第1部分：技术条件
GB/T 7403.2-2008牵引用铅酸蓄电池第2部分: 产品品种和规格
17.移动手持用电池
YD/T 998.1-1999移动通信手持机用锂离子电源及充电器锂离子电源
YD 1268.1-2003移动通信手持机锂电池的安全要求和试验方法
18.移动电话用电池
GB/T 18287-2013移动电话用锂离子蓄电池及电池组总规范
GB/T 18288-2000蜂窝电话用金属氢化物镍电池总规范
GB/T 18289-2000蜂窝电话用镉镍电池总规范
19.铅酸蓄电池
GB/T 23638-2009摩托车用铅酸蓄电池
JB/T 4282-2007摩托车用铅酸蓄电池
GB/T 22199-2008 电动助力车用密封铅酸蓄电池
