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燃料電池汽車的氫氣排放
2024-09-15 08:34:26· 來源：智駕小強
1.為什么會有氫排放
2.氫氣排放的影響
3.減少氫氣排放的措施
4.相關標準和法規(guī)的要求
1.為什么會有氫氣排放
氫燃料電池是一種將氫氣和氧氣的化學能直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置。在氫燃料電池內(nèi)部，氫氣被供給到陽極，與電解質(zhì)發(fā)生反應后產(chǎn)生電子和質(zhì)子。電子通過外部電路形成電流，而質(zhì)子則通過電解質(zhì)膜到達陰極。在陰極，質(zhì)子與氧氣（通常從空氣中獲?。┖碗娮咏Y合生成水。在這個過程中，因此，理論上講，燃料電池的主要排放物是水，而不包括氫氣。
但因為反應不完全、系統(tǒng)啟停和故障以及尾氣處理等原因，存在氫燃料電池發(fā)動機向外排放氫氣的可能。
未完全反應的氫氣：在實際運行過程中，由于各種原因（如溫度、濕度、氫氣純度、氣流速度等），燃料電池內(nèi)部的反應效率并非100%，部分氫氣未能完全參與反應，而是隨尾氣排出。
雖然燃料電池系統(tǒng)在設計時通常會包含氫氣循環(huán)機制，以提高氫氣的利用率。然而，這一機制并不能保證所有氫氣都被完全利用，因此仍會有少量氫氣排放。
系統(tǒng)啟停和故障情況：在燃料電池汽車啟動、停機或發(fā)生故障時，系統(tǒng)內(nèi)的氫氣壓力可能會發(fā)生變化，導致部分氫氣被釋放到環(huán)境中。特別是當動力電池的SOC（荷電狀態(tài)）變化時，燃料電池系統(tǒng)的狀態(tài)切換（如從熱待機狀態(tài)切換到發(fā)電狀態(tài)）會伴隨氫氣的排放。
尾氣處理不完全：為了降低尾氣中的氫氣濃度并提高安全性，燃料電池汽車通常會采用尾氣處理系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可能包括氫氣回收裝置、催化燃燒器等，用于將未反應的氫氣轉(zhuǎn)化為水或其他無害物質(zhì)。然而，在實際應用中，由于技術限制和成本考慮，尾氣處理系統(tǒng)可能無法完全消除氫氣的排放。
系統(tǒng)設計缺失：部分燃料電池系統(tǒng)可能采用直排無循環(huán)模式（如氫燃料輪船、游艇等），將未反應的氫氣直接排放到大氣中，以簡化系統(tǒng)結構和降低成本。然而，這種設計會導致氫氣的浪費和環(huán)境污染。
2.氫氣排放的影響
在氫燃料電池汽車應用中，氫氣泄漏會導致系統(tǒng)效率下降。為了維持一定的輸出功率和行駛里程，需要消耗更多的氫氣來補充泄漏的損失，從而增加了燃料消耗和運營成本。
氫氣是一種極易燃燒和爆炸的氣體，其爆炸極限范圍非常寬，是4.0%～75.6%（體積濃度），意思是如果氫氣在空氣中的體積濃度在4.0%～75.6%之間時，遇火源就會爆炸。且氫氣燃燒速度快、熱量高。因此，氫氣泄漏后極易引發(fā)火災或爆炸事故，對人員安全、設備設施及環(huán)境造成威脅。
在密閉或通風不良的空間內(nèi)，氫氣分子小、重量輕，容易在空氣中擴散，氫氣積聚會引發(fā)嚴重的安全隱患。中國大城市的車輛通常都放置在通風不良的地下車庫中，一旦發(fā)生泄漏，氫氣會迅速擴散到周圍環(huán)境中，增加事故發(fā)生的可能性和范圍。
3.減少氫氣排放的措施
可以運用系統(tǒng)工程的方法，通過優(yōu)化系統(tǒng)設計、提高氫氣純度、控制工作條件、加強尾氣處理等手段來減少氫燃料電池發(fā)動機的氫氣排放。
優(yōu)化系統(tǒng)設計：通過改進燃料電池發(fā)動機的設計、提高反應效率以及優(yōu)化氫氣循環(huán)系統(tǒng)等方式，可以減少未完全反應的氫氣量。采用更高效的氫氣循環(huán)系統(tǒng)，如再循環(huán)系統(tǒng)、雙引射器系統(tǒng)或引射器與氫氣循環(huán)泵并聯(lián)系統(tǒng)等，可以有效減少未反應氫氣的排放并提高氫氣利用率。
提高氫氣純度：通過技術手段提高進入燃料電池的氫氣純度，可以減少因雜質(zhì)影響而導致的反應不完全和氫氣排放。
控制工作條件：通過開發(fā)智能控制算法和策略，優(yōu)化燃料電池汽車在不同工況下的運行參數(shù)和模式，嚴格控制燃料電池發(fā)動機內(nèi)的溫度、濕度、氣流速度等條件，可以減少氫氣的排放并提高系統(tǒng)的整體效率。
加強尾氣處理：采用更高效的尾氣處理技術和裝置，如更先進的催化燃燒器或氫氣回收系統(tǒng)，可以降低尾氣中的氫氣濃度，進一步減少氫氣排放并提高燃料電池系統(tǒng)的安全性。
提高安全性能：加強燃料電池汽車的安全監(jiān)測和預警系統(tǒng)建設，及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在的安全隱患和故障情況，以減少因系統(tǒng)異常而導致的氫氣排放。
4.相關標準和法規(guī)的要求
為了規(guī)范氫燃料電池的氫氣排放問題，聯(lián)合國、日本、美國汽車工程師協(xié)會和我國均已制定了相關標準和法規(guī)。
例如UN ECE R100法規(guī)規(guī)定了M和N類氫燃料電池機動車的氫氣排放測試方法和排放標準，要求5小時內(nèi)的氫氣排放量應低于125 g，或t小時內(nèi)的氫氣釋放量應低于25*t克；在出現(xiàn)故障時，氫氣排放量應低于42 g；此外，這種可能的故障限制在30分鐘內(nèi)。
UN ECE R136法規(guī)規(guī)定了L類氫燃料電池摩托車的氫氣排放測試方法和排放標準，要求5小時內(nèi)的氫氣排放量應低于125 g，或t小時內(nèi)的氫氣釋放量應低于25*t克；在出現(xiàn)故障時，氫氣排放量應低于42 g；此外，這種可能的故障限制在30分鐘內(nèi)。
GB/T 34593-2017《燃料電池發(fā)動機氫氣排放測試方法》規(guī)定了車用燃料電池發(fā)動機的氫氣排放測試方法，適用于車用質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機。該標準的實施有助于促進燃料電池發(fā)動機及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，并減少氫氣排放對環(huán)境的影響。
GB/T 37154-2018《燃料電池電動汽車 整車氫氣排放測試方法》規(guī)定了整車氫氣排放測試的方法，分為怠速熱機狀態(tài)氫氣排放和循環(huán)工況下熱機狀態(tài)氫氣排放兩種測試狀態(tài)。
GB/T 24549-2020《燃料電池電動汽車 安全要求》明確規(guī)定，怠速熱機狀態(tài)氫氣排放測試時，在燃料電池汽車進行正常操作（包括啟動和停機）時，任意連續(xù)3秒內(nèi)的平均氫氣體積濃度必須維持在4%以下，且任何瞬間的氫氣體積濃度峰值不得超過8%。
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