流言:氢燃料电池汽车不安全

来源:科学辟谣 时间:2021-04-16 17:13:04

流言:

       在新能源的政策东风引导下,从混合动力到纯电动车,“汽车”成为不再依赖石油的新型交通工具。就在纯电动车随着市场保有量的一路攀升而浮现出各种问题的同时,又一种汽车燃料能源进入了我们的视野——氢能源。有说法称,对于有着很大碰撞风险的汽车来说,氢燃料电池汽车上的高压氢气瓶仿佛一个潜在的“炸弹”,可见氢燃料电池汽车不安全。

真相解读:

       在新能源的政策东风引导下,从混合动力到纯电动车,当“汽车”成为不再依赖石油的新型交通工具,这个词语本身也变得越来越“名不符实”了。其实叫什么不重要,实不实用才是关键。就在纯电动车随着市场保有量的一路攀升而浮现出各种问题的同时,又一种汽车的燃料能源新选择进入我们的视野——氢能源。

       或许是电动车发展过程中的诸多问题让人们变得更谨慎了,对于氢能源汽车这个新鲜事物,大家表现出来的态度相比较之前电动车问世之初的普遍乐观,考虑的也更全面了,并在经济性、环保性、安全性、可持续发展性等方面都提出了相关的质疑。那么,这些担心是否真的有必要呢?

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产能高 可持续 无污染

让氢能成为“天选之子”

       氢能作为一种燃料被运用其实已经不是一件新鲜事了。早在19世纪,人们就已经开始对氢能应用装置进行探索,以氢燃料电池和氢内燃机为代表的应用装置原型机也得以开发,而且在航天航空领域,氢能已经得到了广泛的应用。液氢作为火箭发动机的首选燃料,在包括阿波罗登月任务、旅行者号土星任务在内的许多太空任务中被用于运载火箭的高级阶段推进剂。

       之所以选择氢能,最为重要的原因在于其燃烧热值非常高,相当于同等质量汽油的3倍。简单来说,若完全利用燃料所含化学能,同样质量的氢能可以提供三倍于同等质量的汽油的能量;且氢能来源广泛,燃烧产物是水,清洁无污染,能够满足人类社会可持续发展的需要。因此,无论从能源的角度还是环保的角度,氢能无疑是最具前景的能源之一。

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氢能源汽车

如何利用氢能让汽车跑起来?

       氢能虽然有非常多的优势,但不可否认的是,一些劣势也影响了对它的直接运用。氢气不仅具有非常宽的燃烧界限,并且其点火能量非常低,仅需要0.02 mJ,远小于汽油和天然气的点火能量。以内燃机系统进行氢能的利用,氢气与空气压缩混合后在气缸内燃烧,然后将其蕴含的化学能转化为机械能,从而实现动能的输出。这种方式不仅能源转换效率不高,而且由于氢气的特质,还有易发生氢内燃机早燃、回火以及爆燃等弊端,对氢能的安全利用带来挑战。

       为了更为安全高效地将氢能运用到交通领域,人们转向开发相对更安全的氢燃料电池,将氢能的化学能直接转换为电能。氢燃料电池的工作原理是将氢气的燃烧反应拆分成两个半反应,利用两个半反应之间的电位差实现电能输出的一种能源转化装置。如图1所示,空气和氢气在燃料电池中并不会直接接触,而是通过正负极分别发生还原和氧化反应,完成氢气的“燃烧”。这种方式不仅可以避免空气和氢气直接接触燃烧,使得氢气的使用更为安全,还直接将化学能转化为电能,极大地提高了能源转换效率。

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图1 燃料电池堆中一个单电池的截面。Nature 2012, 486, 43–51.

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氢燃料电池汽车与电动车相比较的优势

成本低、续航长、受环境温度影响小

       随着燃料电池的发展,氢能源汽车,即氢燃料电池汽车被广泛地开发。与纯电动车相比,氢燃料电池汽车由于只需要补充氢气即可完成行驶距离的提升,因此在较高的续航里程前提下,氢燃料电池车的燃料电池系统成本远小于纯电动车的电池系统成本。同时,由于燃料电池属于能源转化装置,能够实现低温冷启动,并且在启动后,可稳定地输出热量,使得燃料电池维持在一个恒定的温度下运行,几乎不受环境温度的影响。同时,由于氢燃料电池的续航里程受储氢量的控制,氢燃料电池汽车还具有可以媲美甚至超越传统燃油汽车的续航里程长度以及非常短的燃料加注时间。 

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氢燃料电池汽车的安全性如何?

层层把控 只为更高可靠性

       虽然氢燃料电池避免了氢气和空气的直接接触,但是对于有着很大碰撞风险的汽车来说,氢燃料电池汽车上的高压氢气瓶仿佛一个潜在的“炸弹”,氢燃料电池汽车的安全是否能够得到保障呢?

       事实上,氢燃料电池汽车具有非常高的安全性,在出厂前每一辆氢燃料电池车都需要经过非常严格的检测流程。车中高压氢气瓶的安全性和可靠性需要经过全面的设计和测试,达到与标准CNG发动机相当的安全性水平。

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       自2015年燃料电池汽车上市以来,截至目前并没发生过因氢气泄漏而引发的事故。氢气是比空气轻14倍的气体,具有较大的浮力(快速上升)和较强的扩散性(横向移动),所以就算万一发生泄漏,氢气也会立即扩散到空气中。因此,在空旷的道路上,即便是在汽车起火的情况下,泄漏的氢气发生燃烧的可能性非常低。

       有专业人士对泄露的氢燃料电池汽车和传统燃油汽车进行了人为点火实验,发现由于具有非常快的向上扩散速度,氢气火焰呈火炬状且随着氢气量的减少越来越小(图3)。相比之下,由于汽油比空气重,在发生燃烧后会在车底形成了一个大火球直至将汽车烧光。所以说,即便是车辆出现燃烧的情况,氢燃料电池汽车在空旷的路上发生爆炸的可能性也非常低。

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图3 氢燃料电池汽车和汽油汽车的燃烧对比试验

       一般而言,在非常特殊的情况下,富含氢的封闭环境的确可能会导致火灾或爆炸,但对于车库或隧道这些相对密闭的空间而言,其气流依旧流通,因此氢气泄漏导致爆炸的可能性也是非常小的。

       此外,氢燃料电池汽车所用的高压氢气瓶为IV型储罐,采用纤维缠绕复合材料来保障罐体的强度和刚度。单位重量的碳纤维复合材料的强度是钢材的6倍,其刚度是钢材的4倍。因此,碳纤维复合材料比钢材更轻、更可靠。在1.8米的落差测试实验中,高压氢气瓶并没有受到损坏。同时在枪击和碰撞试验后,高压氢气瓶仅仅是喷射出了所有的氢气,而氢气则快速地扩散到了空气中,也并未发生爆炸。

       不仅如此,在氢燃料电池汽车上还安装了多个传感器,用于高压氢气瓶、供氢系统和燃料电池堆上任何氢泄漏的实时监测。如果检测到氢泄漏,无论是在标准操作过程中,还是在外部冲击下,供氢系统一旦被破坏,司机的仪表盘就会发出警告显示。

       在氢燃料电池汽车中还有一个安全系统,在这时也会被触发,从而关闭高压氢气瓶的阀门,防止氢气从罐中喷出。如果发生火灾导致氢气瓶周围的温度升得过高,安全系统还设置了最后一重保护,强制将氢气从燃料箱排出到大气中,从而避免全车被焚化的悲剧。

       综上,氢燃料电池汽车具有非常高的安全性及可靠性。

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氢燃料电池汽车任重道远

期待全面实现绿色出行

       虽然氢燃料电池汽车已经实现了商业化,但目前看来,其发展依旧处于初级阶段,距离大规模的市场普及还有非常长的道路要走。特别是在国内,有关氢燃料电池汽车的关键技术及检测手段,还需要进一步突破;对于中游加氢装备以及加氢基础设施的建设,还需要进行大规模的普及化。由于燃料电池对于氢源的要求较高,上游氢源的纯化以及高质量绿色氢能的产制技术还需要进一步攻关。我们坚信在不久的未来,传统燃油汽车或被氢能源汽车所取代,真正实现全民绿色出行。


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辟谣专家
王 尧 四川大学新能源与低碳技术研究院副研究员
复核专家
郝 霞 四川大学 新能源与低碳技术研究院特聘副研究员