氫燃料電池汽車氫泄漏壓力控制策略

關鍵詞：燃料電池；氫泄漏；壓力控制策略；新能源汽車

0 前言

目前，物聯網、云計算、互聯網、人工智能、云服務和大數據等新興信息通信技術，融合電動化、低碳化、智能化、網聯化和共享化的新能源汽車新業態、新模式正在成為汽車行業的產業發展方向［1-2］。發展壯大新能源汽車，推動汽車大國走向汽車強國，破解環境污染、能源短缺和氣候變化難題，實現低碳環保可持續發展，助力產業結構調整，提高新能源汽車關鍵技術的市場競爭力，減少溫室氣體排放，踐行大國責任與擔當，順應綠色環保低碳可重復再生發展主旋律，是當今市場關注的熱點問題。氫能作為高熱值清潔能源，由于其轉換效率高效、易提取、可循環使用、來源廣等特點，被視為未來清潔能源的終極替代解決方案［3-4］。全國五大城市群分別從加氫儲氫等基礎設施建設、公交物流航空等領域應用拓展、燃料電池技術創新研發、燃料電池產業鏈生態打造等多方面布局，探索氫能在能源轉型過程中的示范應用。氫燃料電池將化學能轉化為電能，唯一的產物只有水，可以達到零排放。由于氫氣高度的可燃性及易擴散性，當發生氫泄漏時必須采取有效的應急措施來保障人員的安全、減少損失。因此，有必要在探測氫泄漏零部件失效時進行故障診斷，及時報警警示，清除導致系統性失效的影響因素，或降低這些影響，以保證系統安全可靠。

1 氫燃料電池系統原理

氫燃料電池系統的整體架構主要由氫氣供應系統、燃料電池堆、氧氣供應系統、冷卻系統、控制系統和電氣系統等組成［5］，如圖1 所示。氫氣供應系統負責將儲氫艙的高壓儲氫氫氣通過壓力調節系統確保在合適的壓力范圍內穩定輸送至燃料電池堆，由儲氫罐、氣體輸送管路、壓力調節系統和氫氣循環系統等部分構成，完成氫氣的高壓儲存、安全穩定輸送，實現回收再利用及氫氣排放；氧氣供應系統負責將空氣中的氧氣通過氣體引入口、空氣過濾裝置和通風系統輸送至燃料電池堆，確保氧氣充足供應及適宜的壓力范圍；燃料電池堆作為燃料電池系統的關鍵組件，將氫氣供應系統輸送來的氫氣和氧氣供應系統輸送的氧氣混合后發生電化學反應，產生電能，并釋放水蒸氣，以實現電能的轉換；冷卻系統負責將燃料電池堆中電化學反應產生的熱量通過冷卻液、水泵和散熱器有效散發熱量，進而使電堆溫度保持在合適的溫度范圍；電氣系統負責燃料電池系統直流電能的處理、監控和管理，通過直流-直流（DC/DC）轉換器和電池管理系統（BMS）提供相關設備適配的電壓和電流，并對電池進行實時監測、保護和均衡，管理保障其能夠可靠穩定運行，并滿足不同設備的用電供給；控制系統通過傳感器采集溫度、壓力、電壓、電流等重要參數，并采用先進的控制算法，根據實時狀態進行自適應調整和優化，協調燃料電池系統各組件協同工作高效運轉，提高系統的效率和可靠性。

2 壓力傳感器

氫燃料電池系統中采用多款壓力傳感器，來測量氫氣供給系統中的氫氣壓力、空氣供給系統中的氧氣壓力，以及冷卻液循環中水的循環壓力。測量介質包括儲氫艙高壓氫氣、進電堆中壓氫氣、出電堆循環低壓氫氣（含水）、進電堆空氣和循環水等，壓力測量范圍為0.5～90.0 MPa。基于燃料電池系統的氫氣循環與金屬材料會產生氫滲透或吸氫現象，從而導致氫氣泄漏，因此燃料電池系統中壓力傳感器的選型對傳感器的結構設計和材料均有較高要求。

壓力傳感器是利用傳感器內部的某一部件在受到外部壓力作用下產生形變或變形，進而產生與形變或變形成比例的電信號。市面上常見的壓力傳感器可分為壓電式、電容式、壓阻式和微機電系統（MEMS）等不同類型。

2. 1 工作原理

2. 1. 1 壓電式壓力傳感器

壓電式壓力傳感器的工作原理是采用壓電材料，如特定陶瓷材料或晶體在外部壓力的影響下而產生微小的機械形變，傳感器的內部會產生極化現象，導致壓電材料表面的電荷發生變化，測量電荷變化并轉換成與被測壓力成比例的電信號。壓電式壓力傳感器動態響應速度快、靈敏度高、使用壽命長，且具備較高的可靠性，但其存在溫度漂移大、需溫度補償，不適合靜態測量等局限性。

2. 1. 2 電容式壓力傳感器

電容式壓力傳感器的工作原理是當外界施加壓力于傳感器的金屬薄膜時會發生微小形變，引起固定電極與金屬薄膜間產生的電容量發生變化，通過測量傳感器電路中電容的變化，將被測微小形變的壓力物理量轉換成與輸出電壓成比例關系的電信號，實現對外部壓力的測量。電容式壓力傳感器具備良好溫度穩定性，動態響應時間短，靈敏度高，結構簡單易于制造，然而其輸出特性的非線性特點，以及邊緣電容和寄生電容對干擾的敏感性限制了其在實際工程中的應用。

2. 1. 3 壓阻式壓力傳感器

壓阻式傳感器的工作原理是由單晶硅半導體材料封裝而成的傳感器受到與壓力相關的幾何形變時電阻率發生變化，導致由惠斯登電橋的4 個電阻組成的電橋臂失去平衡，通過恒壓源或恒流源給電橋供電，測量電路輸出正比例于壓力變化的電信號。壓阻式傳感器具備響應速度快、分辨率高、適應范圍廣、體積小，且價格便宜等優點，但同時存在線性度低、對溫度和振動敏感、穩定性差等缺陷。

2. 1. 4 MEMS 壓力傳感器

MEMS 壓力傳感器采用微型加工技術集成，由微懸臂梁、微膜片等組成微機械結構在外部壓力作用時發生微小的撓曲或形變引起電容、電阻等微結構電學性能的變化，通過信號調理、放大和處理轉換成與外部壓力成比例的數字信號或電壓。MEMS 壓力傳感器因其體積小、精度高、功耗低、穩定性好等優點逐漸取代傳統的壓力傳感器。

2. 2 技術參數

由于氫氣具有易燃、易爆和易擴散的特性，為保障燃料電池汽車的安全性，ISO 23273：2013《 燃料電池道路車輛. 安全性規范. 帶壓縮氫燃料汽車用氫危險防護措施》、GB/T 24549—2020《 燃料電池電動汽車 安全要求》、GB/T 29126—2012《 燃料電池電動汽車 車載氫系統》、GB/T 34872—2017《質子交換膜燃料電池供氫系統技術要求》等標準對車規級壓力傳感器的參數給出了以下相應要求：

（1） 對于加氫口與儲氫瓶間管路的檢測，其泄漏檢測壓力是工作標稱壓力的1.25 倍。

（2） 氫泄漏測量壓力的準確度小于等于1.5 級，壓力測量量程是被測量值的1.5～3 倍。

（3） 兼容模擬信號、PWM 或CAN 等多種形式信號輸出。

（4） 空間占用緊湊，且使用年限達到車載級需求。

（5） 抗電磁干擾強，符合EMC 等級需求和防爆安全相關規定。

目前，燃料電池汽車常見的壓力傳感器為陶瓷壓敏電容與擴散硅壓敏電阻兩類，主要測量燃料儲氫艙高壓壓力、儲氫艙減壓后的氫氣系統中壓壓力及電堆進氣低壓壓力，如圖2 所示。

氫燃料電池車載儲氫艙壓縮氫氣儲存壓力為35 MPa 或70 MPa。高壓壓力傳感器的技術性能參數見表1。由表1可以看出：氫燃料電池車載高壓、中壓、低壓壓力傳感器壓力范圍、最大壓力、爆破壓力由于所處環境略有不同，而輸出信號、精度、工作穩定性等其他參數則類似。

3氫泄漏壓力控制策略

燃料電池汽車的高壓儲氫瓶磨損、位移、錯位或氫氣閥破裂，氣體流動管路松動或破損，燃料電池電堆密封不良或堵塞等因素均會引發氫泄漏現象的發生。氫泄漏往往伴隨著壓力的異常變化，實時檢測氫氣供應系統壓力能夠保障燃料電池堆氫氣平穩供給，避免基于壓力波動引發的安全問題。通過監控氧氣供應系統的壓力，確保氫氣和氧氣濃度的混合比例，以提高電化學反應的速率，從而實現最佳的燃料電池效率和輸出性能［6-7］。

探測壓力傳感器信號短路、斷路、離線等異常情況發生時，可采取文字顯示、聲音或閃爍報警等多種控制策略進行提醒。采集系統壓力超過設置報警臨界值實施報警、關斷等壓力保護控制。當發現壓力超過設計壓力時，應及時啟動壓力釋放裝置，采取應急排氫措施，快速降低系統壓力，避免氫氣聚積導致安全事故。對于多個儲氫艙情況，當檢測氫氣泄漏體積分數超過4% 時應自動實施氫供應關斷控制，可以僅關斷發生氫氣泄漏的供氫系統。

4 結語

隨著燃料電池技術和智能傳感技術，如MEMS 傳感器的不斷發展，氫泄漏監測能夠更加精準和快速，通過多傳感器融合、智能化算法等創新手段，遵循環境變化及實際工況進行氫氣壓力控制自適應調整，采取更可控、更高效的壓力釋放技術，確保在氫氣泄漏時能夠迅速安全釋放氫氣，確保燃料電池汽車在穩定、安全的環境下運行，為清潔能源交通的可持續發展提供了技術保障，促進燃料電池汽車技術更好地服務社會。燃料電池汽車將成為未來城市交通系統的重要組成部分，有助于提供清潔、綠色、便捷的出行方式，提升城市環境質量。