燃料電池汽車安全系統(tǒng)分析 ①

夏玉珍，胡祎瑋，王杰董，溫小豪，胡桂林

(浙江科技學(xué)院機械與能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310000)

1 引言

隨著人類社會工業(yè)化進程的不斷推進，環(huán)境問題日漸凸顯，傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車以汽油作為燃料，排放的尾氣己成為主要的大氣污染源[1-2]。國務(wù)院發(fā)布的《中國制造2025》將新能源汽車作為將來重點研發(fā)的領(lǐng)域之一。而在新能源汽車中，氫燃料電池汽車(FCVs)利用質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)將氫氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，由于具有無污染、效率高、零排放等優(yōu)點，在國內(nèi)外逐漸進入商業(yè)化[3]。1993年，加拿大Ballard電力公司展示了一輛零排放、最高時速為72 km/h、以PEMFC為動力的公交車，引發(fā)了全球性FCVs研發(fā)熱潮[4]。各大汽車企業(yè)爭相將燃料電池應(yīng)用于汽車上，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，已經(jīng)基本構(gòu)建了與傳統(tǒng)汽車相差不大的FCVs平臺，陸續(xù)開始規(guī)?；a(chǎn)和商業(yè)化推廣[5]。2019年全球FCVs銷量創(chuàng)下歷史新高，達到10 409輛，其中韓國成為FCVs的主銷地區(qū)，達到4 194輛，美國和日本分別為2 089、644輛。另外，德國、瑞士、奧地利、加拿大、西班牙成為2019年氫燃料電池乘用車新增銷售地區(qū)[6-7]。

梅賽德斯-奔馳公司于2017年在法蘭克福車展發(fā)布型號為GLC F-Cell的FCVs，在德國幾大配備了相對完善加氫站的城市提供租賃服務(wù)[8]。本田汽車公司型號為Clarity(2016)續(xù)駛里程(NEDC歐洲循環(huán)工況)達到750 km[9]。MIRAI是豐田汽車公司第五款FCVs，于2014年12月量產(chǎn)。根據(jù)豐田中國2019年公告，MIRAI在全球累計銷量達到約10 000輛[10]。2020年12月9日，豐田公司MIRAI第二代已正式發(fā)布，續(xù)航里程和結(jié)構(gòu)設(shè)計有了較大提升[11]。現(xiàn)代汽車公司NEXO于2018年下半年問世，并且在第二年成功趕超MIRAI的年銷量，達到4 818輛[12]。現(xiàn)代公司還計劃在2023年推出燃料電池卡車，成為推動韓國氫能運輸發(fā)展的絕對主力[13]。這幾款FCVs無論是市場化進程，還是在關(guān)鍵參數(shù)，如電池效率、最大功率、電池的耐久性，都取得了重大突破，各項性能指標(biāo)如表1所示[8-18]。

表1 四種FCVs的性能比較[8-18]Table 1 Performance comparison of the four FCVs.[8-18]

FCVs的商業(yè)化進程受到關(guān)鍵材料的價格和加氫站普及程度等因素的影響，此外，安全性能也是影響其推廣的一個重要因素[19]。氫的各種內(nèi)在特性，決定了氫能系統(tǒng)有不同于常規(guī)能源系統(tǒng)的危險特征，比如易燃、易泄漏、擴散性、爆炸性、氫脆等[20-21]。車載供氫系統(tǒng)，如圖1所示，從加氫口到燃料電池發(fā)動機，儲氫裝置、氫氣供給管路以及燃料電池堆均存在泄漏和爆炸等風(fēng)險[22-23]。清華大學(xué)的馮文等[24]人將FCVs的氫安全系統(tǒng)分為三個方面：儲氫系統(tǒng)安全、供氫系統(tǒng)安全、碰撞系統(tǒng)安全。

目前市場上最突出的四款FCVs：梅賽德斯-奔馳GLC F-Cell、本田的Clarity、豐田MIRAI、現(xiàn)代NEXO，本文從儲氫系統(tǒng)安全、供氫系統(tǒng)安全、碰撞系統(tǒng)安全三個方面對四款典型FCVs進行詳細分析，并基于文獻綜述綜合評估它們的安全性能。

2 儲氫系統(tǒng)安全

儲氫系統(tǒng)包括加氫站儲氫和汽車內(nèi)部儲氫，F(xiàn)CVs儲氫系統(tǒng)安全主要從加氫系統(tǒng)和車載儲氫兩個方面討論。在高壓氫氣的加注過程中，氫氣瓶的溫度會快速上升，因此氫氣加注常采用氫氣預(yù)冷、溫升控制和分級優(yōu)化加注策略相結(jié)合的方法[25]。但目前幾款汽車都沒有相關(guān)報道。

早先儲氫罐的材料通常選用304不銹鋼或鉻鉬鋼，但它們重量過大，不符合FCVs輕量化的要求[26-27]。梅賽德斯-奔馳GLC F-Cell采用了挪威Hexagon的Ⅳ型儲氫罐，一大一小兩個儲氫罐均布置在車輛底板和車橋之間的碰撞保護區(qū)內(nèi)，并通過周圍的輔助車架保護[28-29]。材料采用碳纖維外殼，儲氫量達到4.4 kg，儲氫壓力采用全球標(biāo)準(zhǔn)的70 MPa，僅在3 min內(nèi)就能充滿所需的氫燃料[30]。本田Clarity采用一大一小兩個鋁合金內(nèi)襯的Type 3型的儲氫罐，符合國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GTR No.13[31]。和豐田舊款FCVs相比，MIRAI將高壓儲氫罐的數(shù)量從四個縮減到兩個，并減小體積以置于后排座椅下方。如圖2所示，儲氫罐由三層混合材料結(jié)構(gòu)組成，最內(nèi)層材料是塑料內(nèi)膽，用于密封空氣，中層是具有高抗壓性的碳纖維增強塑料(CFRP)，外層是具有高抗沖擊性的玻璃纖維增強塑料(GFRP)，以及兩端耐摔耐火的環(huán)形保護層。通過改進CFRP層并減少材料用量，儲氫罐的重量大幅下降[32]?，F(xiàn)代公司擁有自主研發(fā)的儲氫罐技術(shù)，NEXO擁有三個大小相同的儲氫罐，使用了一種具有優(yōu)異抗?jié)B性的新材料，該材料采用碳纖維制造，表面覆蓋能長時間承受火焰的特殊涂層[33-34]。

圖1 FCVs車載供氫系統(tǒng)示意圖[22]Fig.1 Diagram of FCVs on-board hydrogen supply system.[22]

高效、經(jīng)濟、安全的儲氫系統(tǒng)是FCVs的關(guān)鍵技術(shù)之一，四款FCVs都為儲氫系統(tǒng)安全性提供了較為成熟的方案。改善并進一步提高現(xiàn)有的技術(shù)指標(biāo)與探索新的儲氫方法既是研發(fā)車載儲氫系統(tǒng)的重要任務(wù)，也是今后的努力方向[35]。我國預(yù)計2025年實現(xiàn)單瓶6.0 kg級車載儲氫能力，儲氫壓力達70 Mpa標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)量儲氫率達5.5%，體積儲氫密度大于40 g/L，系統(tǒng)成本控制在2 000 元/kg。到2030年，質(zhì)量儲氫率達到7.5%，體積儲氫密度大于70 g/L，系統(tǒng)成本控制在1 800 元/kg[36]。

圖2 MIRAI高壓儲氫罐結(jié)構(gòu)示意圖[32]Fig.2 Schematic diagram of MIRAI high pressure hydrogen storage tank.[32]

3 供氫系統(tǒng)安全

供氫系統(tǒng)包括高壓儲氫罐、減壓閥、壓力調(diào)節(jié)閥、循環(huán)裝置(循環(huán)泵或引射器)、穩(wěn)壓罐、傳感器、各種電磁閥及管路等[37-38]。梅賽德斯-奔馳GLC F-Cell中碰撞傳感器會監(jiān)測是否發(fā)生嚴(yán)重事故，并在幾毫秒內(nèi)關(guān)閉氫氣瓶上的罐閥和主氫氣閥，使氫氣瓶壓力在平均壓力范圍內(nèi)從最高70 Mpa降至1～1.2 Mpa。在燃料電池組的入口，另一個壓力調(diào)節(jié)閥將氫側(cè)燃料電池組的壓力降低到0.1～0.3 Mpa。保證即使發(fā)生嚴(yán)重的事故，氫管線和燃料電池堆也不會發(fā)生泄漏[31]。

本田Clarity將包括截止閥、調(diào)節(jié)器、壓力傳感器和其他組件重新設(shè)計和壓縮，作為內(nèi)置模塊使用，使得高壓供氫系統(tǒng)中零件使用數(shù)量減少了74%，大大降低了氫氣泄露的風(fēng)險，同時各個位置的氫氣傳感器會及時監(jiān)測氫氣濃度，關(guān)閉截止閥，切斷氫氣源[39]。

為防止供氫管道出現(xiàn)氫脆，MIRAI供氫系統(tǒng)中與氫接觸的的高壓部件的主體使用了鋁合金。通過對鋁制主體表面進行明礬處理，以確保穩(wěn)定的滑動特性并減少磨損。為避免高壓傳感器膜片上的氫滲透影響到傳感器的精度，MIRAI將經(jīng)過特殊表面處理的薄膜添加到膜片的內(nèi)表面。經(jīng)檢測，膜片中形成的氫固溶體的量減少了90%，即使在高壓氫氣環(huán)境下長期使用，也不會對傳感器精度產(chǎn)生不利影響[40]。

現(xiàn)代NEXO供氫系統(tǒng)中，氫氣進堆壓力為0.1～0.2 Mpa，氫氣循環(huán)方式變成了引射器模式，以取代Tucson FCVs上的“循環(huán)泵+引射器”方法，結(jié)構(gòu)更為簡單，供氫更加可靠[41]。該供氫系統(tǒng)中還設(shè)計有快速排氣系統(tǒng)，在發(fā)生碰撞事故時，車內(nèi)傳感器會開啟排氫閥門，并將內(nèi)部的高壓氫氣排空。此外，NEXO還安裝了許多保險裝置，保障整個系統(tǒng)的安全[42]。

圖3 梅賽德斯-奔馳GLC F-CELL儲氫瓶和進氫組件[45]Fig.3 Mercedes-benz GLC F-Cell hydrogen storage tank and hydrogen feeding assembly.[45]

4 碰撞系統(tǒng)安全

FCVs的碰撞安全主要包括儲氫系統(tǒng)、氫氣管路、電堆等部件在發(fā)生碰撞時避免發(fā)生泄漏[43-44]。從節(jié)約空間和安全性考慮，梅賽德斯-奔馳戴姆勒公司要求儲氫容器必須安裝在與車輛中心線垂直的車輛平面后方，并與車輛后方邊界有規(guī)定的距離，GLC F-Cell的驅(qū)動組件和氫氣罐放置在后排座位下方，如圖3所示[45]。在梅賽德斯-奔馳公司的GLC F-Cell碰撞安全測試中，用一輛貨運半掛車分別從側(cè)面和正面撞擊車身以評估其碰撞安全性。該測試可以在汽車尚未檢測到碰撞因而未關(guān)閉HV(High-voltage)或H2系統(tǒng)的情況下檢測氫氣和HV組件的安全性。碰撞傳感器激活燃料電池上的煙火短路裝置，將燃料電池與車輛隔離，同時斷開牽引電池的接觸器將其與車載電氣系統(tǒng)隔離。除了碰撞時的安全性，這款FCVs還接受了系統(tǒng)級別的附加組件測試，安全系數(shù)超過常規(guī)測試范圍[31]。

Clarity車型將燃料電池堆放在車前蓋的位置，電池堆上設(shè)置蓋板，與車前蓋嚙合，抗擊性能提高了四倍，使得電堆在對抗沖擊的時候不至于造成氫泄露的問題[46]。如圖4，測試中采用“前中心桿”碰撞來檢測燃料電池堆的安全性，結(jié)果顯示燃料電池堆和任何其他車輛位置均無氫氣泄漏，燃料切斷系統(tǒng)正常運行；采用“后車對車”碰撞來檢測儲氫罐的安全性，結(jié)果顯示儲氫罐并沒有受到嚴(yán)重破壞，整車也未發(fā)生泄露，燃料切斷系統(tǒng)正常運行[47]。

圖4 Clarity前中心桿碰撞(左)后車對車碰撞(右)[47]Fig.4 Clarity front center bar collision (left) Rear car to car collision (right).[47]

2014年12月在MIRAI首次發(fā)布會上發(fā)布了豐田MIRAI的碰撞性能實驗視頻。試驗中MIRAI以80 km/h的速度碰撞變形，但是位于其第二座椅和后備箱下面的氫氣瓶基本沒有損傷[48]。MIRAI二代把燃料電池堆及系統(tǒng)集成在發(fā)動機艙內(nèi)并著重加強車輛前部的防撞設(shè)計，安全性能進一步提高。

圖5 豐田MIRAI中氫氣瓶的位置及碰撞后氫氣瓶No.1(左)和No.2(右)的具體情況[48]Fig.5 Location and location of hydrogen bottles in Toyota MIRAI The specific situation of hydrogen bottles No.1(left) and No.2(right) after the collision.[48]

歐盟新車安全鑒定協(xié)會(ENCAP)曾在2018年對現(xiàn)代旗下的燃料電池汽車NEXO進行了碰撞測試，如圖6所示，a，b為前碰撞測試，c，d為后碰撞測試。后碰撞測試中，儲氫系統(tǒng)已發(fā)生變形和損壞的情況下，儲氫罐并沒有泄漏，結(jié)果顯示NEXO的碰撞系統(tǒng)安全達到了安全五星的成績水平[34]。2019年IIHS測試公路安全性能評級中，該款車在包括駕駛員側(cè)小重疊正面、乘客側(cè)小重疊正面、中等重疊正面、側(cè)面、車頂強度和頭部約束測試中獲得良好評級，達到S+，獲得最高安全獎[49]。

5 安全系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化進展

FCVs的發(fā)展離不開相關(guān)產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化。目前，ISO(International Organization for Standardization)和IEC(International Electrotechnical Commission)已經(jīng)建立相對完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，覆蓋系統(tǒng)性能、安全性、可靠性3大層面。在安全性方面，國際上已有《氫和燃料電池車輛全球技術(shù)法規(guī)》(GTR13)，其規(guī)定了FCVs的整車安全與車載儲氫系統(tǒng)安全的技術(shù)要求與試驗方法，在國際上是較為權(quán)威的FCVs安全法規(guī)[51]。

我國關(guān)于FCVs的研發(fā)起步較晚，2007年，F(xiàn)CVs標(biāo)準(zhǔn)制定專門項目組成立，十余年間累計發(fā)布燃料電池相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)76項，其中涉及電池反應(yīng)堆34項，氫能基礎(chǔ)設(shè)施27項，燃料電池汽車15項[52]。2019年11月18日歐盟將中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24549-2009《燃料電池電動汽車 安全要求》列為聯(lián)合國法規(guī)UN R134的五個等同替代標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)之一[53]。這是我國汽車標(biāo)準(zhǔn)首次被采用寫入歐盟汽車法規(guī)中，也是外界對我國在FCVs標(biāo)準(zhǔn)化方面所做的工作的高度認可。

在碰撞安全和儲氫安全方面，國際標(biāo)準(zhǔn)GTR13要求碰撞試驗后，氫泄露率不應(yīng)大于118 NL/h，且乘客艙和行李艙的氫濃度不應(yīng)大于4%；儲氫罐平均爆破壓力BP0>2NMP，且在22000次規(guī)定壓力循環(huán)次數(shù)內(nèi)不泄露[54]。我國在這方面尚欠缺完整的國家標(biāo)準(zhǔn)。在供氫系統(tǒng)方面，根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)《燃料電池電動汽車 安全要求》(GB/T 24549-2020)，盡可能讓氣體檢測儀接近測量部位，其氫氣泄露速率應(yīng)滿足不高于0.005 mg/s。這與國際法規(guī)GTR13的內(nèi)容基本一致，但GTR13考慮了液態(tài)儲氫的情況，我國標(biāo)準(zhǔn)則沒有相關(guān)記載。

圖7 NEXO在ENCAP測試的結(jié)果圖[50]Fig.7 Diagram of NEXO’s results from ENCAP tests.[50]

6 結(jié)論與展望

目前市場上最突出的四款FCVs：梅賽德斯-奔馳GLC F-Cell、本田的Clarity、豐田MIRAI、現(xiàn)代NEXO。四款FCVs設(shè)計上都非常重視氫系統(tǒng)安全：在儲氫系統(tǒng)安全性上，均采用碳纖維材料為內(nèi)襯設(shè)計的氫氣瓶；四款車采用了高靈敏度的傳感器和對應(yīng)的保險裝置以提高供氫系統(tǒng)安全，其中Clarity和NEXO通過設(shè)計優(yōu)化精簡了供氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以降低了氫氣泄露的風(fēng)險；四款車型都通過了不同類型的碰撞測試，其中，以NEXO在2019年通過的IIHS測試公路安全性能測試級別最高，充分證明了FCVs的安全性能。

目前，我國FCVs的商業(yè)化處于起步階段，對于其未來的發(fā)展，本文提出如下建議：

(1) 完善加氫環(huán)境。現(xiàn)有加氫站，制氫和儲輸?shù)然A(chǔ)設(shè)施不足以支撐FCVs的發(fā)展，政府和行業(yè)急需加快相關(guān)方面的建設(shè)以加快FCVs的商業(yè)化進程。

(2) 加快強制性統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)體系的建立。以上四家公司推出的FCVs皆做了嚴(yán)格的安全措施，但缺乏一套科學(xué)統(tǒng)一的安全標(biāo)準(zhǔn)對其做出評價。

(3)政府應(yīng)加大宣傳。目前我國民眾對于FCVs的了解有所欠缺，若能加大對其的宣傳和科普，會更有利于FCVs的普及。