燃料電池汽車(chē)氫電安全法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的研究

郭 婷，楊沄芃，王金偉，樊 彬，王 芳，張龍海

(1．中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300;2．鄭州宇通客車(chē)股份有限公司，鄭州 450061)

氫燃料電池汽車(chē)被認(rèn)為是新能源汽車(chē)的終極方案，以其清潔、環(huán)保的特點(diǎn)受到各國(guó)政府的大力支持。我國(guó)在2020年新能源汽車(chē)規(guī)劃中，也將燃料電池汽車(chē)作為未來(lái)的重要發(fā)展路線。由于氫氣易燃易爆的特性以及氫氣的高壓儲(chǔ)存，對(duì)燃料電池汽車(chē)的安全性要求應(yīng)該更加嚴(yán)格。

1 國(guó)外對(duì)燃料電池汽車(chē)安全法規(guī)的要求

美國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)家和歐洲地區(qū)一直在燃料電池技術(shù)及燃料電池汽車(chē)方面領(lǐng)跑，先后制定了多個(gè)安全性法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)。如美國(guó)DOE［1］通過(guò)燃料電池技術(shù)的項(xiàng)目來(lái)大力推廣燃料電池，歐洲也于2011年制定了燃料電池發(fā)展計(jì)劃［2］。研究學(xué)者們發(fā)現(xiàn)，發(fā)展燃料電池產(chǎn)業(yè)必須將氫能的安全性放在首要位置。

1)美國(guó)SAE制定了SAE J2578《燃料電池汽車(chē)安全的推薦性做法》［3］，對(duì)燃料電池汽車(chē)的安全性進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試要求，其中包括對(duì)車(chē)輛的一般性要求、燃料系統(tǒng)的安全、燃料電池系統(tǒng)的安全、電力系統(tǒng)的安全、機(jī)械安全等都有相應(yīng)的強(qiáng)制性的法規(guī)要求。同時(shí)也增加了對(duì)故障防護(hù)系統(tǒng)的要求，在燃料電池汽車(chē)發(fā)生可能導(dǎo)致危險(xiǎn)情況時(shí)，應(yīng)能夠執(zhí)行階段性的安全警告或者關(guān)閉燃料系統(tǒng)的能力。

2)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO發(fā)表了ISO 23273－2013《燃料電池道路車(chē)輛－安全性規(guī)范－帶壓縮氫燃料汽車(chē)用氫危險(xiǎn)防護(hù)措施》［4］，對(duì)燃料電池汽車(chē)的安全要求部分參考了 SAE J2578［3］和 GTR 13［5］中的法規(guī)要求。該國(guó)際法規(guī)要求車(chē)輛在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮到環(huán)境變化和運(yùn)行條件不同對(duì)燃料電池汽車(chē)安全性的影響。特別是對(duì)燃料系統(tǒng)提出了更為詳細(xì)的設(shè)計(jì)和性能的要求，包括一般性的設(shè)計(jì)要求，各個(gè)部件的要求(燃料容器、過(guò)壓保護(hù)、氫關(guān)閉系統(tǒng))，位置與安裝的要求及放電要求等。

3)全球技術(shù)法規(guī) GTR 13［5］是目前各國(guó)公認(rèn)的比較權(quán)威的燃料電池汽車(chē)的安全性法規(guī)要求，中國(guó)、日本、韓國(guó)也在大力支持各國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)進(jìn)行國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化。在GTR 13的標(biāo)準(zhǔn)中增加了對(duì)壓縮儲(chǔ)氫系統(tǒng)的要求，包括型式試驗(yàn)和順序試驗(yàn)。由于在歐洲等地區(qū)允許使用液態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)并經(jīng)過(guò)大量的驗(yàn)證研究，所以該標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)液態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)的測(cè)試要求。

4)歐盟對(duì)氫燃料電池汽車(chē)的安全要求實(shí)行歐盟委員會(huì)法規(guī)(EU)No 06/2010［6］、歐洲議會(huì)和理事會(huì)法規(guī)(EC)No 79/2009［7］，其大部分內(nèi)容是參考 GTR 13［5］，主要包括對(duì)氣瓶、關(guān)鍵閥件、車(chē)載氫系統(tǒng)等測(cè)試的要求，同時(shí)針對(duì)一些閥件也提出了具體的測(cè)試要求，例如截止閥、自動(dòng)關(guān)閉閥、溫度驅(qū)動(dòng)壓力泄放裝置等。

2 我國(guó)燃料電池汽車(chē)的安全測(cè)評(píng)項(xiàng)目及相關(guān)建議

2.1 安全測(cè)評(píng)項(xiàng)目

我國(guó)燃料電池汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化的工作經(jīng)過(guò)多年努力，已經(jīng)制定了20多項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，基本形成了整個(gè)燃料電池汽車(chē)的安全體系。其中，燃料電池汽車(chē)需要進(jìn)行《道路機(jī)動(dòng)車(chē)輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告》和中國(guó)強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證(CCC認(rèn)證)的標(biāo)準(zhǔn)包括 GB/T 24549－2009［8］、GB/T 24554－2009［9］、GB/T 26779－2011［10］、GB/T 26990－2011［11］、GB/T 29126－2012［12］。

目前，我國(guó)采用的關(guān)于燃料電池汽車(chē)的安全法規(guī)GB/T 24549－2009［8］的主要的測(cè)試項(xiàng)目如下:

1)一般要求。除滿足傳統(tǒng)汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)的國(guó)家相關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)要求外，還要求在外部應(yīng)標(biāo)有明顯的標(biāo)識(shí)燃料電池車(chē)輛類(lèi)型的警示標(biāo)識(shí)。

2)對(duì)壓縮氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)的要求。要求儲(chǔ)氫容器內(nèi)應(yīng)該裝有溫度的傳感器，顯示罐內(nèi)氣體溫度。同時(shí)要求安裝過(guò)壓和低壓的保護(hù)裝置，能夠及時(shí)顯示內(nèi)部壓力，及時(shí)進(jìn)行安全報(bào)警并及時(shí)切斷燃料的輸出。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生氫氣泄漏時(shí)，要求燃料系統(tǒng)應(yīng)能及時(shí)關(guān)閉氫氣總開(kāi)關(guān)。

3)加氫口的要求。汽車(chē)的燃料系統(tǒng)通過(guò)加氫口進(jìn)行燃料的加注，要求在燃料的加注口應(yīng)有能夠防塵防土、防止液體和污染物等進(jìn)入的防塵蓋。防塵蓋旁邊要注明燃料加注口的最大加注壓力，并有消除靜電的措施。由于加氫口在加注時(shí)可能會(huì)受到車(chē)體意外拉伸的原因，所以要求燃料加注口能夠承受來(lái)自任意方向的670 N的載荷，且氣密性完好。

4)排氣裝置。當(dāng)發(fā)生故障或意外事故時(shí)，燃料系統(tǒng)需要通風(fēng)放氣。氣體流動(dòng)的方位、方向應(yīng)遠(yuǎn)離人、電源、火源。放氣裝置要求應(yīng)盡可能安裝在汽車(chē)的高處，且應(yīng)防止排出的氫氣對(duì)人員造成危害，避免流向暴露的電氣端子、電氣開(kāi)關(guān)器件或點(diǎn)火源等部件。要求所有壓力釋放裝置排氣時(shí)，不應(yīng)直接排到乘客艙和行李艙，不應(yīng)排向車(chē)輪所在的空間，不應(yīng)排向露出的電氣端子、電氣開(kāi)關(guān)器件及其他點(diǎn)火源，不應(yīng)排向其他氫氣容器。要求連接管道的材料都應(yīng)該是熔點(diǎn)較高的金屬材料。

5)氫氣泄漏的檢測(cè)與要求。由于氫氣具有易揮發(fā)性和較低的爆炸下限，要求汽車(chē)應(yīng)有與氫氣濃度探測(cè)器聯(lián)動(dòng)的安全措施。當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)，探測(cè)器應(yīng)能及時(shí)探測(cè)到，氫氣積聚濃度達(dá)到50%LEL之前，就能夠利用聲響報(bào)警裝置或者緊急顯示等方法，提示駕駛員或者汽車(chē)使用者注意;氫氣積聚濃度達(dá)到75%LEL時(shí)，要求能夠自動(dòng)切斷氫氣源和電源。

6)電安全。現(xiàn)階段燃料電池汽車(chē)的安全標(biāo)準(zhǔn)對(duì)汽車(chē)動(dòng)力電路的電壓級(jí)別、標(biāo)識(shí)、觸電防護(hù)、絕緣性等提出了具體要求。在觸電防護(hù)要求中提出了防止與動(dòng)力電路系統(tǒng)中帶電部件直接接觸，防止與動(dòng)力系統(tǒng)中外漏可導(dǎo)電部件的間接接觸的規(guī)定。燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的每個(gè)電路和電平臺(tái)及其他電路之間應(yīng)保持絕緣。

2.2 相關(guān)建議

針對(duì)燃料電池汽車(chē)的安全要求，目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)正在積極修訂中。修訂時(shí)，必須對(duì)其安全性提出更高的要求，應(yīng)積極吸取國(guó)內(nèi)外法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行國(guó)際化法規(guī)的轉(zhuǎn)化。根據(jù)各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的分析對(duì)比，以及燃料電池汽車(chē)本身的發(fā)展趨勢(shì)，在未來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)修訂中提出以下幾點(diǎn)建議:

1)氫傳感器安全檢測(cè)。在氫泄漏的要求中，增加對(duì)氫氣傳感器的靈敏度測(cè)試，因?yàn)樵谡麄€(gè)對(duì)氫安全的檢測(cè)中，對(duì)汽車(chē)本身的故障檢測(cè)也是十分必要的，并且在GTR 13［5］的標(biāo)準(zhǔn)中也有相關(guān)的技術(shù)要求進(jìn)行參考。

2)整車(chē)氫泄漏。各個(gè)國(guó)家對(duì)氫氣泄漏探測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)要求并不相同，在新修訂的標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)將這一要求進(jìn)行國(guó)際化統(tǒng)一。如果在汽車(chē)運(yùn)行的過(guò)程中，某單點(diǎn)泄漏導(dǎo)致封閉空間或半封閉空間內(nèi)氫氣的體積濃度大于2%±1%，應(yīng)該發(fā)出警報(bào)，濃度大于3%±1%，則應(yīng)關(guān)閉主截止閥停止氫氣供應(yīng)。在系統(tǒng)檢測(cè)到氫氣泄漏時(shí)，當(dāng)濃度大于2%時(shí)，報(bào)警為黃色，濃度大于3%時(shí)，報(bào)警為紅色。

從我國(guó)現(xiàn)階段來(lái)看，以客車(chē)和貨車(chē)為主的燃料電池商用車(chē)是不需要進(jìn)行整車(chē)的泄漏檢測(cè)與防護(hù)的，但如果在大型的公交公司和廠區(qū)，可能會(huì)將燃料電池汽車(chē)放在密閉的空間內(nèi)，這樣會(huì)發(fā)生氫氣泄漏聚集等情況，影響安全性。提高對(duì)整車(chē)的氫泄漏的要求是提高燃料電池安全性的重要手段。其測(cè)試方法應(yīng)該與燃料電池標(biāo)準(zhǔn)乘用車(chē)氫氣泄漏量的檢測(cè)方法相同:對(duì)一輛標(biāo)準(zhǔn)商用車(chē)進(jìn)行氫氣泄漏、泄漏量評(píng)估時(shí)，需要將其限制在一個(gè)密閉的空間內(nèi)，增壓至100%的標(biāo)稱工作壓力，確保氫氣的滲透和泄漏量在穩(wěn)態(tài)條件下不超過(guò)0.15 NL/min。在密閉空間上方適當(dāng)?shù)奈恢?，至少安裝一個(gè)氫泄漏探測(cè)器，能實(shí)時(shí)檢測(cè)氫氣的泄漏量。

3)在線絕緣監(jiān)測(cè)。增加對(duì)燃料電池汽車(chē)在線絕緣檢測(cè)。燃料電池本身是發(fā)電系統(tǒng)，內(nèi)部?jī)?chǔ)存高壓和大量的電能，而由于燃料電池汽車(chē)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，一旦絕緣不好，就會(huì)發(fā)生人員觸電等意外，而現(xiàn)階段的絕緣監(jiān)測(cè)僅僅針對(duì)車(chē)輛不工作時(shí)的檢測(cè)。為了加強(qiáng)電安全的防護(hù)，建議增加對(duì)燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的在線絕緣檢測(cè)，提高安全性。在新修訂的GB/T 24549中應(yīng)參考電動(dòng)汽車(chē)的安全要求，引用標(biāo)準(zhǔn) GB/T 18384.3《電動(dòng)汽車(chē)安全要求第三部分:人員觸電防護(hù)》［13］進(jìn)行電安全的檢測(cè)與要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文分析對(duì)比了各國(guó)對(duì)燃料電池汽車(chē)的安全法規(guī)，介紹了我國(guó)現(xiàn)行的燃料電池汽車(chē)的安全標(biāo)準(zhǔn)的主要檢測(cè)項(xiàng)目，提出了在國(guó)標(biāo)修訂中對(duì)于關(guān)鍵部件的氫安全檢測(cè)、整車(chē)泄漏防護(hù)和在線絕緣監(jiān)測(cè)等建議，有利于推動(dòng)我國(guó)燃料電池汽車(chē)的發(fā)展。

修改稿日期:2018－04－23