氢气传感器在燃料电池汽车车载氢系统安全监控中的应用

氢能作为一种清洁能源，具有易燃、易爆及氢脆等安全性问题。但这些安全危害的出现都是在一定环境条件下产生的，只要在使用过程中控制必要条件，就可避免氢气的危害。例如，氢气爆炸极限是体积密度达到4.0%～75%，即氢气在空气中的体积浓度在4.0%～75%之间时，遇火源就会爆炸，而当氢气浓度小于4.0%或大于75%时，即使遇到火源，也不会爆炸。

通常情况下，氢的密度仅为空气的7%（一个标准大气压下，0℃下，密度为0.0899g/L），与汽油、丙烷和天然气相比，具有更大的浮力(快速上升)、扩散性(横向移动)和快速挥发性。空气中很难聚集高浓度的氢，如果发生泄漏，氢气会迅速扩散，特别是在开放环境中，很容易快速逃逸，而不像汽油挥发后滞留在空气中不易疏散。美国迈阿密大学的Swain博士做过一个著名的试验，如图1-1所示。两辆汽车分别用氢气和汽油作燃料，然后进行泄漏点火试验。点火3秒后，高压氢气产生的火焰直喷上方，汽油则从汽车的下部着火；到1分钟时，用氢气作燃料的汽车只有漏出的氢气在燃烧，汽车没有大问题，而汽油车则早已成为大火球，完全烧光。所以氢气易挥发的性质，与普通汽油车相比，有利于汽车的安全。

综上，只要合理预防控制氢气的不利安全因素，就会避免产生安全危害。氢工业长期以来的安全运行以及氢能在航空航天等领域的广泛应用，都足以证明这一点。

燃料电池汽车（FCVs）具有很多优点，如充气时间短、零排放、长续航等，且动力性能明显增强，是新能源汽车强劲的竞争对手。目前，日本FCVs技术较为成熟，产业链基本完善，而我国也开始重视氢能发展，并在燃料电池领域形成了全新的研究格局。

作为FCVs动力源，氢气本身易爆、易挥发，因此人们对于汽车车载氢系统的安全性提出了疑问。联合国欧洲经济委员会为对各国安全技术要求进行协调，使得公众对FCVs更加认可，成立了专项工作组，起草了全球技术法规GTRNO.13《氢燃料电池汽车全球技术法规》，在该技术法规中对氢燃料电池汽车的安全性作出了明确规定。

燃料电池汽车车载氢系统所面临的危险源主要是着火和爆炸，因此电动汽车安全要求相关内容也可用于FCVs。工采网将着重对车载氢系统安全监控进行介绍。

如上图所示，氢气瓶的安装主要是以续航里程为依据，在每个氢气瓶口都设有瓶阀，内置温度传感器，而在瓶阀外还安装有高压传感器。而高压传感器的安装位置可以随意选择，主要是因为气瓶外管路相通。一般情况下，燃料电池汽车约6～8个氢气瓶，每3～4个氢气瓶为一组，每组安装1个高压传感器。

在氢气传输系统管路上，由总阀、减压阀、压力开关、抵押传感器等组件构成，其中总阀主要作用是对整个管路的通断进行控制；减压阀主要是为控制氢气瓶总压力，使其保持在规定压力范围内；压力开关则是为了确保管路压力超预警；抵押传感器则主要是对氢氧燃料反应的压力进行监测。而H2传感器则主要是对车厢内氢气浓度进行监测，为系统判断是否出现氢燃料泄漏提供数据支持。

氢系统安全监控

安全监控系统主要是检测氢气是否泄漏，监控对象包括FCVs发动机、储供氢系统等，监控系统压力、温度等是否存在异常，从而保证燃料电池汽车在加氢和使用过程更加安全。就目前主流FCVs汽车而言，氢系统安全监控系统主要由传感器、控制器组成，其中传感器又涉及到温度传感器、压力传感器、泄漏传感器等。氢系统控制器将会在工作期间对氢瓶、氢气泄漏、整车运行状态等进行监控，一旦出现异常将会自主关闭供氢系统。

（1）监控氢气泄漏

在FCVs中容易出现泄漏和集聚氢气的部位安装氢气泄漏传感器，如燃料电池发动机系统、乘客舱、储氢瓶等位置，以实现对车内氢含量的实时监测，一旦发现氢含量异常，将会立即采取响应预案，确保车内乘客安全。而且，当传感器检测到氢气泄漏浓度超过爆炸下限的10%、25%和50%时，监控器将会发出Ⅰ～Ⅲ级相应等级的警报信号，氢气泄漏控制措施如下图所示。

图 燃料电池汽车车载氢系统氢气泄漏控制措施

（2）氢气加注安全监控

在FCVs加氢时，氢系统监控器一旦监测到氢瓶内压力超过预设最高值，或未达到最低要求时，将会立即发送压力异常报警信号，整车系统将会停止向氢瓶内加氢。此外，加氢枪上安装有传感器，可对温度和压力进行实时监控。

（3）氢瓶温度监控

氢系统控制器在进行温度检测时，发现气瓶温度过高或过低，都会立即将电磁阀关闭，然后向整车管路系统发送温度异常警报，同时向加氢机发送立即结束工作信号，并显示出发生故障的氢瓶的编号，然后通过声光方式向驾驶员发送预警信息，以确保能立即采取相应保护措施。

（4）供氢时管路压力监控

控制器一旦监测到到车载氢系统供氢时压力出现异常，超过或低于最高和最低值，此时电磁阀将会立即被关闭，然后发送管路超压或低压报警信息，请求管路系统立即结束运行，并向驾驶员发送预警信息，以便驾驶员及时采取相关措施。

（5）电气元件短路监控

当FCVs电气元件出现故障，监控器将会发送故障信号，氢系统中全部电磁阀都将被立即关闭，且系统将会断电，并以声光警报方式通知驾驶员。

燃料电池汽车厂商可以采用哪些氢气传感器监测氢气泄漏呢？

工采网技术工程师推荐日本Figaro 可燃气体传感器TGS6812和氢气传感器TGS2615-E00：

一、日本figaro 催化燃烧式可燃气体传感器 - TGS6812概述：

TGS6812-D00是催化燃烧式的可燃气体传感器，可以检测100%LEL水平的氢气，此传感器具有精度高，耐久性与稳定性好，快速响应、线性输出的特点，不仅可监测氢气，还可以用于检测甲烷与LP气体。这对于固定式燃料电池将氢气作为可燃气体时的泄漏检测是个非常优秀的方案。TGS6812-D00的盖帽内有吸附剂，对有机蒸汽的交叉灵敏度很低。此外，此传感器对硅化合物的耐受性更佳，更适应恶劣环境。

二、催化燃烧式可燃气体传感器TGS6812应用:

* 用于监测燃料电池的氢气与可燃气体泄漏
* 工业、商用上的可燃气体泄漏检测

一、日本figaro 氢气传感器TGS2615-E00特点：

带有增强选择性的过滤层
低功耗
使用寿命长、成本低
应用电路简单

二、日本figaro 氢气传感器TGS2615-E00应用：

家用燃气报警器
便携式燃气检测仪
燃气器具的泄漏检测
燃料电池系统的氢气泄漏检测

审核编辑黄昊宇