氫氣傳感器在燃料電池汽車車載氫系統安全監控中的應用

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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都是在一定環境條件下產生的，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到4.0%～75%，即氫氣在空氣中的體積濃度在4.0%～75%之間時，遇火源就會爆炸，而當氫氣濃度小于4.0%或大于75%時，即使遇到火源，也不會爆炸。
通常情況下，氫的密度僅為空氣的7%（一個標準大氣壓下，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)、擴散性(橫向移動)和快速揮發性�？諝庵泻茈y聚集高濃度的氫，如果發生泄漏，氫氣會迅速擴散，特別是在開放環境中，很容易快速逃逸，而不像汽油揮發后滯留在空氣中不易疏散。美國邁阿密大學的Swain博士做過一個著名的試驗，如圖1-1所示。兩輛汽車分別用氫氣和汽油作燃料，然后進行泄漏點火試驗。點火3秒后，高壓氫氣產生的火焰直噴上方，汽油則從汽車的下部著火；到1分鐘時，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。所以氫氣易揮發的性質，與普通汽油車相比，有利于汽車的安全。

綜上，只要合理預防控制氫氣的不利安全因素，就會避免產生安全危害。氫工業長期以來的安全運行以及氫能在航空航天等領域的廣泛應用，都足以證明這一點。
燃料電池汽車（FCVs）具有很多優點，如充氣時間短、零排放、長續航等，且動力性能明顯增強，是新能源汽車強勁的競爭對手。目前，日本FCVs技術較為成熟，產業鏈基本完善，而我國也開始重視氫能發展，并在燃料電池領域形成了全新的研究格局。
作為FCVs動力源，氫氣本身易爆、易揮發，因此人們對于汽車車載氫系統的安全性提出了疑問。聯合國歐洲經濟委員會為對各國安全技術要求進行協調，使得公眾對FCVs更加認可，成立了專項工作組，起草了全球技術法規GTRNO.13《氫燃料電池汽車全球技術法規》，在該技術法規中對氫燃料電池汽車的安全性作出了明確規定。
燃料電池汽車車載氫系統所面臨的危險源主要是著火和爆炸，因此電動汽車安全要求相關內容也可用于FCVs。工采網將著重對車載氫系統安全監控進行介紹。

如上圖所示，氫氣瓶的安裝主要是以續航里程為依據，在每個氫氣瓶口都設有瓶閥，內置溫度傳感器，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，主要是因為氣瓶外管路相通。一般情況下，燃料電池汽車約6～8個氫氣瓶，每3～4個氫氣瓶為一組，每組安裝1個高壓傳感器。
在氫氣傳輸系統管路上，由總閥、減壓閥、壓力開關、抵押傳感器等組件構成，其中總閥主要作用是對整個管路的通斷進行控制；減壓閥主要是為控制氫氣瓶總壓力，使其保持在規定壓力范圍內；壓力開關則是為了確保管路壓力超預警；抵押傳感器則主要是對氫氧燃料反應的壓力進行監測。而H2傳感器則主要是對車廂內氫氣濃度進行監測，為系統判斷是否出現氫燃料泄漏提供數據支持。
氫系統安全監控
安全監控系統主要是檢測氫氣是否泄漏，監控對象包括FCVs發動機、儲供氫系統等，監控系統壓力、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，氫系統安全監控系統主要由傳感器、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。氫系統控制器將會在工作期間對氫瓶、氫氣泄漏、整車運行狀態等進行監控，一旦出現異常將會自主關閉供氫系統。
（1）監控氫氣泄漏
在FCVs中容易出現泄漏和集聚氫氣的部位安裝氫氣泄漏傳感器，如燃料電池發動機系統、乘客艙、儲氫瓶等位置，以實現對車內氫含量的實時監測，一旦發現氫含量異常，將會立即采取響應預案，確保車內乘客安全。而且，當傳感器檢測到氫氣泄漏濃度超過爆炸下限的10%、25%和50%時，監控器將會發出Ⅰ～Ⅲ級相應等級的警報信號，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氫氣泄漏控制措施
（2）氫氣加注安全監控
在FCVs加氫時，氫系統監控器一旦監測到氫瓶內壓力超過預設最高值，或未達到最低要求時，將會立即發送壓力異常報警信號，整車系統將會停止向氫瓶內加氫。此外，加氫槍上安裝有傳感器，可對溫度和壓力進行實時監控。
（3）氫瓶溫度監控
氫系統控制器在進行溫度檢測時，發現氣瓶溫度過高或過低，都會立即將電磁閥關閉，然后向整車管路系統發送溫度異常警報，同時向加氫機發送立即結束工作信號，并顯示出發生故障的氫瓶的編號，然后通過聲光方式向駕駛員發送預警信息，以確保能立即采取相應保護措施。
（4）供氫時管路壓力監控
控制器一旦監測到到車載氫系統供氫時壓力出現異常，超過或低于最高和最低值，此時電磁閥將會立即被關閉，然后發送管路超壓或低壓報警信息，請求管路系統立即結束運行，并向駕駛員發送預警信息，以便駕駛員及時采取相關措施。
（5）電氣元件短路監控
當FCVs電氣元件出現故障，監控器將會發送故障信號，氫系統中全部電磁閥都將被立即關閉，且系統將會斷電，并以聲光警報方式通知駕駛員。
燃料電池汽車廠商可以采用哪些氫氣傳感器監測氫氣泄漏呢？
工采網技術工程師推薦日本Figaro 可燃氣體傳感器TGS6812 和 氫氣傳感器 TGS2615-E00：

一、日本figaro 催化燃燒式可燃氣體傳感器 - TGS6812概述：
TGS6812-D00是催化燃燒式的可燃氣體傳感器，可以檢測100%LEL水平的氫氣，此傳感器具有精度高，耐久性與穩定性好，快速響應、線性輸出的特點，不僅可監測氫氣，還可以用于檢測甲烷與LP氣體。這對于固定式燃料電池將氫氣作為可燃氣體時的泄漏檢測是個非常優秀的方案。TGS6812-D00的蓋帽內有吸附劑，對有機蒸汽的交叉靈敏度很低。此外，此傳感器對硅化合物的耐受性更佳，更適應惡劣環境。
二、催化燃燒式可燃氣體傳感器TGS6812應用:
* 用于監測燃料電池的氫氣與可燃氣體泄漏
* 工業、商用上的可燃氣體泄漏檢測


一、日本figaro 氫氣傳感器TGS2615-E00 特點：
帶有增強選擇性的過濾層
低功耗
使用壽命長、成本低
應用電路簡單
二、日本figaro 氫氣傳感器 TGS2615-E00 應用：
家用燃氣報警器
便攜式燃氣檢測儀
燃氣器具的泄漏檢測
燃料電池系統的氫氣泄漏檢測