燃料电池汽车氢泄漏检测探究

李楚灏 刘佳

广州南洋理工职业学院 广东省广州市 510900

1 引言

能源短缺、环境污染及气候变化是目前全球关注的热点，世界各国选择低能耗、低排放的低碳经济来实现可持续发展[1-2]。我国通过推行低碳城市建设培育经济增长新动能从而推动产业结构优化配置化解能源、资源等多重难题。氢能具备燃烧热值高、能量密度大、低碳环保、可重复再生、来源广的特点，成为理想的替代能源。氢燃料电池汽车是以氢气为燃料通过化学反应将化学能转化为电能，采用电驱动技术、氢能源技术、人工智能技术及互联网技术实现电动化、智能化。燃料电池汽由于动力强劲、加氢时间短、续航里程长、经济节能等诸多优势，称为新能源汽车电驱动的终极解决方案。我国发展多个燃料电池汽车示范城市群通过开展燃料电池汽车关键核心技术产业化攻关，建设加氢站、充电站等基础资源来推动氢燃料电池汽车的市场推广。

当前汽车产业转型升级的关键阶段，安全作为新能源汽车的首要指标，必须将提高新能源汽车安全性放在最重要的位置。采用大数据技术监测燃料电池汽车氢泄漏，提前甄别燃料电池汽车状态异常，确保新能源汽车安全可靠运行。本文从燃料电池系统的组成分析氢泄漏故障点，根据燃料电池汽车氢安全有关标准法规结合氢气传感器的工作原理进行传感器选型设计，通过设置报警阀值识别氢泄漏故障等级采取多种形式报警指示、切断氢气供给系统、紧急关断等不同的控制策略。

2 燃料电池系统氢泄漏故障点

燃料电池系统主要由氢气供给系统、空气供给系统、增湿系统、电堆、热管理系统、控制系统和安全系统等组成[3]。氢气供给系统为燃料电池电堆供应氢气，由氢气罐、气体流动管路、减压阀、循环泵和尾排阀等部分组成，实现氢气的储存、输送，循环及尾气排放。空气供给系统向燃料电池电堆输送氧气；增湿系统通过循环水湿润电堆的质子交换膜；氢气和氧气在燃料电池电堆发生电化学反应将化学能转化为电能驱动；热管理系统通过循环换热方式实现电堆工作温度的控制；控制系统通过子系统的输入和输出决定输出功率大小及能量管理以确保燃料电池电堆高效稳定工作；安全系统通过监测传感器信号进行诊断报警，提示驾驶员采取安全保护措施。

基于铝合金材料质量轻、密封性好、抗裂纹扩展能力优良，碳纤维复合材料密度小、比模量比强度高、耐高温和腐蚀以及机械性能可设计性强等特点，现在氢燃料电池车储氢瓶的内胆是铝合金材质，并采用碳纤维缠绕，从而使复合气瓶具备承压能力高、重量轻、使用年限长、耐腐蚀、密封性能好等优点[3]。气体流动管路中基本选用316 不锈钢材质，运用其在氢气中的良好的拉伸性能、抗疲劳性以及抗氢脆性能，避免氢气在流动管路中扩散有效防止氢气泄漏现象的发生。氢气和金属材料长期接触聚合成氢分子造成氢渗透或吸氢现象，在金属材料内部产生细小的裂纹导致材料脆化甚至开裂，进而发生延迟脆裂现象。燃料电池汽车发生氢气泄漏故障主要由储氢瓶断裂、高压氢气阀破裂、气体流动管路漏气、减压阀脆裂、燃料电池电堆密封性能差等原因引起。

氢元素是化学周期表中的首个元素，氢分子密度小因此质量轻，容易沿着管道周围的裂缝泄露。氢气燃点为574℃，极易被点燃，当氢气泄漏时氢气的体积分数超过4% 时与空气中的氧气发生化学反应很容易快速点燃，氢气体积分数在4～75% 之间时遇火容易发生爆炸。为防止爆炸，采用氢浓度传感器实时监控，采取风扇排风等方式来降低浓度将氢气体积分数限制在4% 以内。采用高精度的氢气浓度传感器监测燃料电池汽车的氢含量提前识别氢泄漏，选择氢气储氢舱、燃料电池舱、前机舱、乘客舱附近等位置安装氢气浓度传感器[4]，若发现氢泄漏，第一时间采取安全措施来保障燃料电池汽车和乘客的安全。氢气浓度传感器布置图如图1 所示，图中①为氢气储氢舱、②为乘客舱、③为前机舱、④为燃料电池舱。

图1 氢气浓度传感器布置图

3 氢气浓度传感器选型

氢气浓度传感器是利用氢元素与活性材料发生物理或化学反应后，产生和氢气浓度成比例的电信号或光信号等响应信号制作而成的。市场常见的氢气浓度传感器基于热效应原理、电学原理、电化学原理和光学原理可分为催化燃烧型、热导型、电化学型、光纤型几种不同类型氢气传感器。

3.1 工作原理

1）催化燃烧型氢气传感器

工作原理是采用敏感元件、补偿元件等组成惠斯通电桥，氢气催化无焰燃烧产生热量，热量传导导致温度升高，惠斯通电桥可变电阻的阻值跟随温度的升高而发生变化，电路输出的电压和氢气浓度成正比。催化燃烧型氢气浓度传感器能实现快速响应，灵敏度高，稳定性与耐久性好，但制作工艺较复杂。

2）热导型氢气传感器

氢气的导热系数比较大，当氢气浓度变化时，基于导热系数差异原理传感器的敏感电阻阻值随着氢气浓度改变，通过测量惠斯登电桥产生的失衡电压来分析氢气的浓度。热导型氢气浓度传感器有氧或无氧的情况下都能实现测量，不改变敏感材料的性质，不发生化学反应，响应快速但灵敏度较低，对氢气的选择性较差。

3）电化学型氢气传感器

待测氢气与传感器的感应电极表面和负电极分别发生氧化反应、还原反应产生电流。电路中电流大小和待测氢气成正比例，通过电流大小来测量氢气浓度。电化学型氢气浓度传感器反应时间短、线性度优异但随时间推移灵敏度降低。

4）光纤型氢气传感器

待测氢气与传感器的氢气敏感材料发生反应后引起光纤的光信号发生改变，通过记录光信号的变化实现氢气浓度的测量。光纤型氢气浓度传感器采用无源器件传输能实现远程监控，灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰强但响应时间较长。

3.2 技术参数

由于氢气易燃易爆及易扩散，为保障燃料电池汽车的安全性，ISO 23273：2013标准、GTR 13 法规、SAE J2578 标准、GB/T 24549-2020 等标准对车规级氢气浓度传感器的精度、响应时间、启动时间、测量范围、信号输出等参数提出了相应要求[5]。

1）精度高，0～4vol.% 体积分数测量范围内，测量误差小于等于±10%FS。

2）启动时间短，快速响应，启动时间小于1 秒，响应速度小于2 秒。

3）多种形式信号输出：0.5～4.5V模拟电压、PWM 信号、CAN 信号等数字信号输出。

4）占用空间小使用年限长，满足车载级的要求。

5）抗电磁干扰强，符合EMC 等级的要求及防爆安全规定。

6）对氢气具有优先选择性，避免甲烷、一氧化碳等其他易燃易爆气体对传感器的干扰从而减少误报率。

目前燃料电池汽车上最常见检测氢泄漏的是催化燃烧型氢气浓度传感器，如图2所示。

图2 车载氢气浓度传感器

车载氢气浓度传感器技术性能如表1所示。

表1 车载氢气浓度传感器技术性能

4 氢泄漏控制策略

选择氢气储氢舱、燃料电池舱、前机舱、乘客舱等不同位置放置氢气浓度传感器，氢泄漏检测系统采集氢气传感器数据进行工程处理后转换成氢气浓度。与预先设置的泄漏阀值进行比较，超过预设的氢气浓度报警值后，根据氢泄漏情况，采用报警、关闭氢气瓶电磁阀切断氢气供应系统、启动排风扇扫风降低空气中的氢气浓度、切断电源等不同的控制策略[6-9]，多重保护措施确保设备和人身财产的安全。

1）报警装置放置在驾驶员视野范围内，采用文字、警告闪烁灯、声响报警等多种形式发出报警信息。报警信号的声级应大于1l0 dBA，并且距离报警器1 米位置的总声压值小于或等于120dBA。

2）当检测氢气浓度传感器或报警装置不在线时，以黄色报警警示；当燃料电池汽车车内氢气泄漏大于或等于2.0%±1.0% 时，以红色报警警示，启动排风扇扫风降低空气中的氢气浓度，并将报警信息上传至燃料电池汽车整车控制系统。

3）通过设置三级报警阀值识别氢泄漏故障等级，并实施相应的联动控制措施[9]。当检测空气中氢气浓度体积分数在0.4%至1.0% 时，超过设定的三级报警阀值，报警提示驾驶员有氢泄漏异常情况发生，并将信息上传至整车控制系统。当检测空气中氢气浓度体积分数在1.0% 至2.0% 时，超过设定的二级报警阀值，提示驾驶员采取紧急停车等措施，并将氢泄漏故障等级上传至整车控制系统。当检测空气中氢气浓度体积分数大于2.0% 时，超过设定的一级报警阀值，立即关闭氢气供给系统；当燃料电池车配备多个氢气供给系统时，可以只关闭氢泄漏部分的氢气供给系统。

5 结语

全球汽车产业正朝着绿色发展、低碳转型的方向发展，氢能环保、高效、可持续使用，氢燃料电池汽车未来的产业空间非常有想象力，由于氢气易燃易爆及易扩散，必须将提高新能源汽车安全性放在最重要的位置。随着人工智能技术、智能传感器技术在燃料电池汽车氢安全方面的研究和利用，更加电动化、智能化的燃料电池汽车向我们加速驶来。