燃料電池汽車車載氫系統(tǒng)安全性分析

張新建

摘 要：介紹了車載氫系統(tǒng)的全新定義，包括加氫系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、供氫系統(tǒng)和燃料電池系統(tǒng)中的氫氣子系統(tǒng)，對比了國內(nèi)外車載氫系統(tǒng)安全性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，指出了我國車載氫系統(tǒng)監(jiān)管模式的不同之處及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化過程中尚待解決的氫氣安全問題，提出了車載氫系統(tǒng)安全性保障措施。

關(guān)鍵詞：燃料電池汽車；車載氫系統(tǒng)；安全性；保障措施

1 引言

燃料電池汽車動(dòng)力性能高、充氣時(shí)間短、續(xù)駛里程長、零排放，是未來新能源汽車的有力競爭者[1]。國際上特別是日本車用燃料電池技術(shù)鏈漸趨于成熟，近年來，我國政府重視發(fā)展氫能，在燃料電池領(lǐng)域，已經(jīng)形成了從基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究到示范運(yùn)行的全方位格局[2]。氫氣作為燃料電池汽車的動(dòng)力源，由于其本身的易燃易爆性、分子小難密封以及氫脆等問題，使得燃料電池汽車氫氣系統(tǒng)存在一定的安全隱患，而安全性是人們在選擇燃料電池汽車時(shí)首先關(guān)心的問題。為協(xié)調(diào)各國的安全技術(shù)要求、提高公眾接受度，聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)成立工作組，起草了安全性不低于傳統(tǒng)汽車、基于性能的全球技術(shù)法規(guī)GTR No.13《氫燃料電池汽車全球技術(shù)法規(guī)》[3]。

根據(jù)GTR No.13，燃料電池汽車的危險(xiǎn)源有：與氫氣系統(tǒng)有關(guān)的著火與爆炸風(fēng)險(xiǎn)；與燃料電池高壓電系統(tǒng)有關(guān)的電擊風(fēng)險(xiǎn)；其中，燃料電池汽車高壓電系統(tǒng)的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)與電動(dòng)汽車一致，電動(dòng)汽車安全要求中的相關(guān)內(nèi)容適用于燃料電池汽車，本文重點(diǎn)對燃料電池汽車車載氫氣系統(tǒng)的安全性進(jìn)行分析。

2 車載氫系統(tǒng)安全性現(xiàn)狀

GTR No.13將燃料電池汽車劃分為加氫系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、供氫系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、電驅(qū)動(dòng)和動(dòng)力管理系統(tǒng)五個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)，其中，前三個(gè)系統(tǒng)與燃料電池系統(tǒng)中的氫氣子系統(tǒng)一起合稱為燃料電池汽車車載氫系統(tǒng)。

GTR No.13描述了兩種燃料電池汽車儲(chǔ)氫方式，分別為高壓壓縮儲(chǔ)氫和液態(tài)儲(chǔ)氫。其中，高壓壓縮儲(chǔ)氫的儲(chǔ)氫壓力通常為35MPa，該壓力下的車用壓縮氫氣瓶國內(nèi)外均已得到廣泛應(yīng)用。目前，儲(chǔ)氫壓力為70MPa的車用壓縮氫氣瓶在國外已經(jīng)得到了商業(yè)推廣，國內(nèi)也已經(jīng)通過了相應(yīng)的型式試驗(yàn)。液態(tài)儲(chǔ)氫具有較高的能量質(zhì)量比，液態(tài)儲(chǔ)氫密度是常溫、35MPa下壓縮儲(chǔ)氫密度的3倍，但由于液態(tài)氫需將氣態(tài)氫冷卻到-253℃才能得到，能耗太大[4]。因此，目前大多數(shù)燃料電池汽車都采用高壓壓縮儲(chǔ)氫的方法。

2.1 加氫系統(tǒng)

加氫系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件為加氫口。SAE J2600：2015規(guī)范將加氫口的公稱工作壓力劃分為5個(gè)等級，分別為11MPa、25MPa、35MPa、50MPa和70MPa，并規(guī)定了加氫口的結(jié)構(gòu)形式、技術(shù)要求及測試方法。我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26779-2011《燃料電池電動(dòng)汽車 加氫口》僅給出了工作壓力為35MPa及以下加氫口的型式、要求、試驗(yàn)和檢測方法，標(biāo)委會(huì)正依據(jù)SAE J2600對該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，有望將現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的壓力等級提升至70MPa。

2.2 高壓壓縮儲(chǔ)氫系統(tǒng)

典型的高壓壓縮儲(chǔ)氫系統(tǒng)如圖1所示，由氫氣瓶、瓶口閥、溫度驅(qū)動(dòng)安全泄壓裝置（TPRD）等組成。ISO 15869：2009規(guī)范將氫氣瓶劃分為四種類型：全金屬氣瓶（Ⅰ型）、金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞氣瓶（Ⅱ型）、金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶（Ⅲ型）和非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶（Ⅳ型）[5]。Ⅰ型和Ⅱ型氫氣瓶重量容積比大，不適合應(yīng)用于車載高壓壓縮儲(chǔ)氫系統(tǒng)。國外對Ⅳ型氫氣瓶進(jìn)行了詳盡研究并廣泛應(yīng)用于車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)，特別是70MPa儲(chǔ)氫系統(tǒng)。然而，由于氫氣在高壓下容易從非金屬內(nèi)膽向外泄漏，且金屬材質(zhì)的瓶口閥與非金屬內(nèi)膽的連接強(qiáng)度難以保證，加之我國發(fā)生過多起Ⅳ型氣瓶爆炸事故，因此，我國法規(guī)尚不允許將Ⅳ型氫氣瓶應(yīng)用于車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)。目前，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 35544-2017已發(fā)布實(shí)施，規(guī)定了70MPa及以下“車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶”的各項(xiàng)技術(shù)要求，該標(biāo)準(zhǔn)氣瓶安全技術(shù)指標(biāo)不低于GTR No.13、ISO 15869：2009、SAE J2579等國外先進(jìn)規(guī)范要求，此外，新版適用于70MPa氣瓶的國家特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范“氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程”正在修訂中，因此，我國車載高壓壓縮儲(chǔ)氫氣瓶標(biāo)準(zhǔn)體系已初步建立，并逐漸完善，滿足燃料電池汽車發(fā)展需求，見圖1。

上述國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對瓶口閥和TPRD等氫氣瓶附件的安全技術(shù)要求、型式試驗(yàn)方法及合格指標(biāo)等均作了規(guī)定。通常情況下，瓶口閥集成TPRD、單向閥和開關(guān)電磁閥等附件，作為一個(gè)整體安裝在氫氣瓶上，并隨氫氣瓶一起進(jìn)行部分型式試驗(yàn)的驗(yàn)證，如火燒試驗(yàn)、使用性能試驗(yàn)等。

2.3 供氫系統(tǒng)

供氫系統(tǒng)的作用是將車載高壓壓縮儲(chǔ)氫氣瓶內(nèi)的氫氣經(jīng)減壓閥減壓后送至燃料電池電堆，為燃料電池電堆提供合適壓力、溫度與流量的氫氣。歐盟汽車技術(shù)指令EC No 79/2009和EU No 406/2010規(guī)定了供氫系統(tǒng)用減壓閥、卸荷閥、壓力傳感器和管接頭等部件的測試方法和安裝方法。在我國，GB/T 26990-2011和GB/T 29126-2012僅規(guī)定了燃料電池汽車車載加氫系統(tǒng)、高壓壓縮儲(chǔ)氫系統(tǒng)和供氫系統(tǒng)的技術(shù)條件和試驗(yàn)方法，但車載氫系統(tǒng)管路系統(tǒng)各零部件尚沒有標(biāo)準(zhǔn)支持，瓶口閥和減壓閥等關(guān)鍵零部件失效、管路系統(tǒng)接頭泄漏等案例時(shí)有發(fā)生。

2.4 燃料電池系統(tǒng)氫氣子系統(tǒng)

燃料電池系統(tǒng)氫氣子系統(tǒng)的功能是將車載供氫系統(tǒng)送來的氫氣引入燃料電池電堆陽極，并使氫氣在電堆陽極流道內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，提高氫氣利用率的同時(shí)帶走電堆陽極流道內(nèi)的反應(yīng)水。典型的燃料電池系統(tǒng)氫氣子系統(tǒng)如圖2所示，由比例調(diào)節(jié)閥、卸荷閥、壓力傳感器、燃料電池電堆、氫循環(huán)泵、氫水分離器、排氫和排水電磁閥及混合器等零部件組成，系統(tǒng)工作原理為：高壓壓縮氫氣瓶內(nèi)的氫氣經(jīng)減壓閥減壓后被輸送至本系統(tǒng)比例調(diào)節(jié)閥，通過改變比例調(diào)節(jié)閥的開度，調(diào)節(jié)進(jìn)入燃料電池電堆陽極的氫氣流量，進(jìn)而調(diào)節(jié)燃料電池電堆陽極氫氣流道內(nèi)的壓力，使其滿足燃料電池電堆工作需要，通過壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測電堆內(nèi)部氫氣流道的壓力，當(dāng)壓力超過限值時(shí)，卸荷閥開啟。燃料電池電堆反應(yīng)后的氫、水混合物從氫氣流道出口流出，經(jīng)氫水分離器去除液態(tài)水后，大部分未反應(yīng)的氫氣被氫循環(huán)泵增壓后返回燃料電池電堆氫氣流道入口，少部分氫氣根據(jù)需要經(jīng)排氫電磁閥排放出去，氫水分離器分離的液態(tài)水經(jīng)排水電磁閥排出。與供氫系統(tǒng)情況類似，目前國內(nèi)還沒有這些零部件及管路系統(tǒng)、接頭等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范支持，系統(tǒng)泄漏指標(biāo)仍不明確，見圖2。

3 車載氫系統(tǒng)安全性保障措施

歐美和日韓等國為車載氫系統(tǒng)及系統(tǒng)零部件制定了詳細(xì)的技術(shù)規(guī)范，為燃料電池汽車的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。目前我國車載加氫系統(tǒng)、高壓壓縮儲(chǔ)氫氣瓶及供氫系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范正在逐步完善中，但車載氫系統(tǒng)中的瓶口閥及管路系統(tǒng)相關(guān)零部件（如減壓閥、電磁閥、單向閥、卸荷閥、氫循環(huán)泵、管接頭等）還沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，因此，應(yīng)采取保障措施，確保車載氫系統(tǒng)的安全性，推動(dòng)我國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

3.1 材料相容性

金屬材料長期在氫環(huán)境中使用時(shí)，可能出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)脆性破壞事故。陳瑞等[6]通過分析幾種金屬的抗氫脆性能，提出304不銹鋼在氫環(huán)境下抗拉強(qiáng)度略有降低，屬于輕微脆化的材料；316不銹鋼在室溫下具有較好的抗氫脆性能；6061鋁合金具有優(yōu)良的抗氫脆性能，較為適合做高壓氫氣瓶的內(nèi)襯，我國氫氣瓶國家規(guī)范GB/T 35544-2017也選用6061鋁合金作為氫氣瓶內(nèi)膽材料。因此，車載氫系統(tǒng)中與氫氣接觸的零部件材質(zhì)應(yīng)首選6061鋁合金或316不銹鋼，由于燃料電池系統(tǒng)氫氣子系統(tǒng)中存在腐蝕性離子，該子系統(tǒng)中與氫氣接觸的零部件材質(zhì)應(yīng)選擇316不銹鋼。

3.2 關(guān)鍵零部件

加氫口的型式及技術(shù)要求應(yīng)滿足GB/T 26779標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，并應(yīng)通過國家機(jī)動(dòng)車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的檢驗(yàn)。氫氣瓶的制造單位應(yīng)當(dāng)取得相應(yīng)特種設(shè)備制造許可證，并且在批準(zhǔn)范圍內(nèi)從事氫氣瓶或瓶口閥的制造，氫氣瓶應(yīng)采用符合GB/T 35544-2017標(biāo)準(zhǔn)要求的鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶（Ⅲ型），且應(yīng)為通過國家氣瓶質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心型式試驗(yàn)檢測的定型產(chǎn)品。由于瓶口閥和減壓閥、電磁閥、單向閥、卸荷閥、氫循環(huán)泵、管接頭等管路系統(tǒng)零部件缺乏國家標(biāo)準(zhǔn)支撐，現(xiàn)階段在選用時(shí)，應(yīng)首選滿足EC No 79/2009或其他歐、美、日、韓等發(fā)達(dá)國家法規(guī)要求，并具備相應(yīng)認(rèn)證證書的進(jìn)口品牌產(chǎn)品，此外，相關(guān)零部件還必須滿足我國法規(guī)規(guī)定，如瓶口閥和TPRD作為氫氣瓶的附件，應(yīng)隨氫氣瓶一起進(jìn)行部分型式試驗(yàn)的驗(yàn)證，其中瓶口閥的制造單位還應(yīng)當(dāng)取得我國相應(yīng)特種設(shè)備制造許可證。

3.3 系統(tǒng)完整性

車載氫系統(tǒng)組裝完成后，需進(jìn)行系統(tǒng)完整性測試與評價(jià)，目前做法為國家機(jī)動(dòng)車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心按照GB/T 26990-2011和GB/T 29126-2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對車載加氫系統(tǒng)、高壓壓縮儲(chǔ)氫系統(tǒng)和供氫系統(tǒng)進(jìn)行檢查與檢測，仍可理解為各個(gè)系統(tǒng)組件的完整性評價(jià)，缺少整個(gè)系統(tǒng)的評價(jià)，即燃料電池汽車整車安全性要求，如碰撞后車載氫系統(tǒng)的完整性要求、氫氣泄漏報(bào)警功能要求及氫氣管路泄漏驗(yàn)證要求等。全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)正參照GTR No.13起草燃料電池整車安全性國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24549-XXXX《燃料電池電動(dòng)汽車 安全要求》，在標(biāo)準(zhǔn)未實(shí)施之前，目前這方面的工作只能由生產(chǎn)企業(yè)自身嚴(yán)格按照GTR No.13等國外先進(jìn)規(guī)范要求執(zhí)行，以確保車載氫系統(tǒng)的安全。

4 結(jié)語

我國車載氫系統(tǒng)的監(jiān)管模式和標(biāo)準(zhǔn)與歐美等發(fā)達(dá)國家仍存在一定差距，如GTR No. 13等國外法規(guī)關(guān)注整個(gè)車載氫系統(tǒng)的安全性能，試驗(yàn)對象也為整個(gè)系統(tǒng)，我國目前仍以系統(tǒng)組件為試驗(yàn)對象，且我國缺少相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。此外，氫氣瓶和瓶口閥在我國屬于特種設(shè)備，其監(jiān)管隸屬于國家市場監(jiān)督管理總局，而車載氫系統(tǒng)又屬于汽車零部件，由國家機(jī)動(dòng)車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心等負(fù)責(zé)安全性能測試，跨了兩個(gè)行業(yè)，監(jiān)管起來有一定難度。

近年來，隨著燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的持續(xù)升溫，我國加速了燃料電池汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作，陸續(xù)推出了一系列燃料電池汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，這也與我國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程相適應(yīng)，特別是車載氫系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，使得我國燃料電池汽車車載氫系統(tǒng)的發(fā)展在面臨較大挑戰(zhàn)的同時(shí)，也必將大大提高車載氫系統(tǒng)的安全性。

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