氫氣傳感器在燃料電池汽車車載氫系統(tǒng)安全監(jiān)控中的應(yīng)用

氫能作為一種清潔能源，具有易燃、易爆及氫脆等安全性問題。但這些安全危害的出現(xiàn)都是在一定環(huán)境條件下產(chǎn)生的，只要在使用過程中控制必要條件，就可避免氫氣的危害。例如，氫氣爆炸極限是體積密度達(dá)到4.0%～75%，即氫氣在空氣中的體積濃度在4.0%～75%之間時(shí)，遇火源就會(huì)爆炸，而當(dāng)氫氣濃度小于4.0%或大于75%時(shí)，即使遇到火源，也不會(huì)爆炸。

通常情況下，氫的密度僅為空氣的7%（一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，0℃下，密度為0.0899g/L），與汽油、丙烷和天然氣相比，具有更大的浮力(快速上升)、擴(kuò)散性(橫向移動(dòng))和快速揮發(fā)性。空氣中很難聚集高濃度的氫，如果發(fā)生泄漏，氫氣會(huì)迅速擴(kuò)散，特別是在開放環(huán)境中，很容易快速逃逸，而不像汽油揮發(fā)后滯留在空氣中不易疏散。美國(guó)邁阿密大學(xué)的Swain博士做過一個(gè)著名的試驗(yàn)，如圖1-1所示。兩輛汽車分別用氫氣和汽油作燃料，然后進(jìn)行泄漏點(diǎn)火試驗(yàn)。點(diǎn)火3秒后，高壓氫氣產(chǎn)生的火焰直噴上方，汽油則從汽車的下部著火；到1分鐘時(shí)，用氫氣作燃料的汽車只有漏出的氫氣在燃燒，汽車沒有大問題，而汽油車則早已成為大火球，完全燒光。所以氫氣易揮發(fā)的性質(zhì)，與普通汽油車相比，有利于汽車的安全。

綜上，只要合理預(yù)防控制氫氣的不利安全因素，就會(huì)避免產(chǎn)生安全危害。氫工業(yè)長(zhǎng)期以來的安全運(yùn)行以及氫能在航空航天等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，都足以證明這一點(diǎn)。

燃料電池汽車（FCVs）具有很多優(yōu)點(diǎn)，如充氣時(shí)間短、零排放、長(zhǎng)續(xù)航等，且動(dòng)力性能明顯增強(qiáng)，是新能源汽車強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。目前，日本FCVs技術(shù)較為成熟，產(chǎn)業(yè)鏈基本完善，而我國(guó)也開始重視氫能發(fā)展，并在燃料電池領(lǐng)域形成了全新的研究格局。

作為FCVs動(dòng)力源，氫氣本身易爆、易揮發(fā)，因此人們對(duì)于汽車車載氫系統(tǒng)的安全性提出了疑問。聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)為對(duì)各國(guó)安全技術(shù)要求進(jìn)行協(xié)調(diào)，使得公眾對(duì)FCVs更加認(rèn)可，成立了專項(xiàng)工作組，起草了全球技術(shù)法規(guī)GTRNO.13《氫燃料電池汽車全球技術(shù)法規(guī)》，在該技術(shù)法規(guī)中對(duì)氫燃料電池汽車的安全性作出了明確規(guī)定。

燃料電池汽車車載氫系統(tǒng)所面臨的危險(xiǎn)源主要是著火和爆炸，因此電動(dòng)汽車安全要求相關(guān)內(nèi)容也可用于FCVs。工采網(wǎng)將著重對(duì)車載氫系統(tǒng)安全監(jiān)控進(jìn)行介紹。

如上圖所示，氫氣瓶的安裝主要是以續(xù)航里程為依據(jù)，在每個(gè)氫氣瓶口都設(shè)有瓶閥，內(nèi)置溫度傳感器，而在瓶閥外還安裝有高壓傳感器。而高壓傳感器的安裝位置可以隨意選擇，主要是因?yàn)闅馄客夤苈废嗤?。一般情況下，燃料電池汽車約6～8個(gè)氫氣瓶，每3～4個(gè)氫氣瓶為一組，每組安裝1個(gè)高壓傳感器。

在氫氣傳輸系統(tǒng)管路上，由總閥、減壓閥、壓力開關(guān)、抵押傳感器等組件構(gòu)成，其中總閥主要作用是對(duì)整個(gè)管路的通斷進(jìn)行控制；減壓閥主要是為控制氫氣瓶總壓力，使其保持在規(guī)定壓力范圍內(nèi)；壓力開關(guān)則是為了確保管路壓力超預(yù)警；抵押傳感器則主要是對(duì)氫氧燃料反應(yīng)的壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。而H2傳感器則主要是對(duì)車廂內(nèi)氫氣濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為系統(tǒng)判斷是否出現(xiàn)氫燃料泄漏提供數(shù)據(jù)支持。

氫系統(tǒng)安全監(jiān)控

安全監(jiān)控系統(tǒng)主要是檢測(cè)氫氣是否泄漏，監(jiān)控對(duì)象包括FCVs發(fā)動(dòng)機(jī)、儲(chǔ)供氫系統(tǒng)等，監(jiān)控系統(tǒng)壓力、溫度等是否存在異常，從而保證燃料電池汽車在加氫和使用過程更加安全。就目前主流FCVs汽車而言，氫系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)主要由傳感器、控制器組成，其中傳感器又涉及到溫度傳感器、壓力傳感器、泄漏傳感器等。氫系統(tǒng)控制器將會(huì)在工作期間對(duì)氫瓶、氫氣泄漏、整車運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)控，一旦出現(xiàn)異常將會(huì)自主關(guān)閉供氫系統(tǒng)。

（1）監(jiān)控氫氣泄漏

在FCVs中容易出現(xiàn)泄漏和集聚氫氣的部位安裝氫氣泄漏傳感器，如燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、乘客艙、儲(chǔ)氫瓶等位置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)車內(nèi)氫含量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)氫含量異常，將會(huì)立即采取響應(yīng)預(yù)案，確保車內(nèi)乘客安全。而且，當(dāng)傳感器檢測(cè)到氫氣泄漏濃度超過爆炸下限的10%、25%和50%時(shí)，監(jiān)控器將會(huì)發(fā)出Ⅰ～Ⅲ級(jí)相應(yīng)等級(jí)的警報(bào)信號(hào)，氫氣泄漏控制措施如下圖所示。

圖 燃料電池汽車車載氫系統(tǒng)氫氣泄漏控制措施

（2）氫氣加注安全監(jiān)控

在FCVs加氫時(shí)，氫系統(tǒng)監(jiān)控器一旦監(jiān)測(cè)到氫瓶?jī)?nèi)壓力超過預(yù)設(shè)最高值，或未達(dá)到最低要求時(shí)，將會(huì)立即發(fā)送壓力異常報(bào)警信號(hào)，整車系統(tǒng)將會(huì)停止向氫瓶?jī)?nèi)加氫。此外，加氫槍上安裝有傳感器，可對(duì)溫度和壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（3）氫瓶溫度監(jiān)控

氫系統(tǒng)控制器在進(jìn)行溫度檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)氣瓶溫度過高或過低，都會(huì)立即將電磁閥關(guān)閉，然后向整車管路系統(tǒng)發(fā)送溫度異常警報(bào)，同時(shí)向加氫機(jī)發(fā)送立即結(jié)束工作信號(hào)，并顯示出發(fā)生故障的氫瓶的編號(hào)，然后通過聲光方式向駕駛員發(fā)送預(yù)警信息，以確保能立即采取相應(yīng)保護(hù)措施。

（4）供氫時(shí)管路壓力監(jiān)控

控制器一旦監(jiān)測(cè)到到車載氫系統(tǒng)供氫時(shí)壓力出現(xiàn)異常，超過或低于最高和最低值，此時(shí)電磁閥將會(huì)立即被關(guān)閉，然后發(fā)送管路超壓或低壓報(bào)警信息，請(qǐng)求管路系統(tǒng)立即結(jié)束運(yùn)行，并向駕駛員發(fā)送預(yù)警信息，以便駕駛員及時(shí)采取相關(guān)措施。

（5）電氣元件短路監(jiān)控

當(dāng)FCVs電氣元件出現(xiàn)故障，監(jiān)控器將會(huì)發(fā)送故障信號(hào)，氫系統(tǒng)中全部電磁閥都將被立即關(guān)閉，且系統(tǒng)將會(huì)斷電，并以聲光警報(bào)方式通知駕駛員。

燃料電池汽車廠商可以采用哪些氫氣傳感器監(jiān)測(cè)氫氣泄漏呢？

工采網(wǎng)技術(shù)工程師推薦日本Figaro 可燃?xì)怏w傳感器TGS6812和氫氣傳感器TGS2615-E00：

一、日本figaro 催化燃燒式可燃?xì)怏w傳感器 - TGS6812概述：

TGS6812-D00是催化燃燒式的可燃?xì)怏w傳感器，可以檢測(cè)100%LEL水平的氫氣，此傳感器具有精度高，耐久性與穩(wěn)定性好，快速響應(yīng)、線性輸出的特點(diǎn)，不僅可監(jiān)測(cè)氫氣，還可以用于檢測(cè)甲烷與LP氣體。這對(duì)于固定式燃料電池將氫氣作為可燃?xì)怏w時(shí)的泄漏檢測(cè)是個(gè)非常優(yōu)秀的方案。TGS6812-D00的蓋帽內(nèi)有吸附劑，對(duì)有機(jī)蒸汽的交叉靈敏度很低。此外，此傳感器對(duì)硅化合物的耐受性更佳，更適應(yīng)惡劣環(huán)境。

二、催化燃燒式可燃?xì)怏w傳感器TGS6812應(yīng)用:

* 用于監(jiān)測(cè)燃料電池的氫氣與可燃?xì)怏w泄漏
* 工業(yè)、商用上的可燃?xì)怏w泄漏檢測(cè)

一、日本figaro 氫氣傳感器TGS2615-E00特點(diǎn)：

帶有增強(qiáng)選擇性的過濾層
低功耗
使用壽命長(zhǎng)、成本低
應(yīng)用電路簡(jiǎn)單

二、日本figaro 氫氣傳感器TGS2615-E00應(yīng)用：

家用燃?xì)鈭?bào)警器
便攜式燃?xì)鈾z測(cè)儀
燃?xì)馄骶叩男孤z測(cè)
燃料電池系統(tǒng)的氫氣泄漏檢測(cè)

審核編輯黃昊宇