燃料電池汽車(chē)車(chē)載氫系統(tǒng)安全問(wèn)題分析

李晨

摘 要：當(dāng)前，全球已就“碳中和”達(dá)成共識(shí)，提高了對(duì)能源問(wèn)題的關(guān)注度，而統(tǒng)能源未來(lái)形勢(shì)嚴(yán)峻，轉(zhuǎn)型遭遇“陣痛期”。同時(shí)，動(dòng)力機(jī)械對(duì)傳統(tǒng)能源的消耗所引發(fā)的環(huán)境污染，給人們健康生活帶來(lái)不小威脅，溫室氣體排放等都與傳統(tǒng)燃料使用密不可分，故而人們將目光轉(zhuǎn)移至清潔可持續(xù)燃料?；诖?，清潔能源氫氣被開(kāi)發(fā)出并用于燃料電池汽車(chē)，以燃料電池產(chǎn)生的電能作為動(dòng)力，不僅可以提高能量利用率，且反應(yīng)只產(chǎn)生水這一排放物，不會(huì)污染環(huán)境。但氫氣本身特性使得燃料電池汽車(chē)安全性受到質(zhì)疑，在一定程度上限制了燃料電池汽車(chē)發(fā)展?；诖耍疚脑诤?jiǎn)要闡述車(chē)載氫系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，分析了氫系統(tǒng)的安全問(wèn)題，以期能夠助力燃料電池車(chē)普及推廣。

關(guān)鍵詞：燃料電池汽車(chē) 車(chē)載氫系統(tǒng) 安全性

燃料電池汽車(chē)（FCVs）具有很多優(yōu)點(diǎn)，如充氣時(shí)間短、零排放、長(zhǎng)續(xù)航等，且動(dòng)力性能明顯增強(qiáng)，是新能源汽車(chē)強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。目前，日本FCVs技術(shù)較為成熟，產(chǎn)業(yè)鏈基本完善，而我國(guó)也開(kāi)始重視氫能發(fā)展，并在燃料電池領(lǐng)域形成了全新的研究格局。作為FCVs動(dòng)力源，氫氣本身易爆、易揮發(fā)，因此人們對(duì)于汽車(chē)車(chē)載氫系統(tǒng)的安全性提出了疑問(wèn)[1]。聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)為對(duì)各國(guó)安全技術(shù)要求進(jìn)行協(xié)調(diào)，使得公眾對(duì)FCVs更加認(rèn)可，成立了專(zhuān)項(xiàng)工作組，起草了全球技術(shù)法規(guī)GTRNO.13《氫燃料電池汽車(chē)全球技術(shù)法規(guī)》，在該技術(shù)法規(guī)中對(duì)氫燃料電池汽車(chē)的安全性作出了明確規(guī)定。

燃料電池汽車(chē)車(chē)載氫系統(tǒng)所面臨的危險(xiǎn)源主要是著火和爆炸，因此電動(dòng)汽車(chē)安全要求相關(guān)內(nèi)容也可用于FCVs。本文將著重對(duì)車(chē)載氫系統(tǒng)安全問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 氫能安全性分析

氫能所面臨的安全問(wèn)題較多，如易揮發(fā)、易燃易爆、氫脆等等。但這一系列安全隱患的發(fā)生都需要基于特定條件，只要能夠?qū)Ρ匾獥l件進(jìn)行有效控制，就能夠在使用時(shí)避免氫氣安全隱患。例如，氫氣爆炸條件為體積密度達(dá)到4.0%～75.6%，即當(dāng)空氣中氫氣體積濃度在4%～75.6%范圍內(nèi)時(shí)，一旦遇火源就會(huì)發(fā)生爆炸。當(dāng)氫氣體積濃度不在上述范圍內(nèi)時(shí)，即便接觸火源也不會(huì)發(fā)生爆炸。

實(shí)際上，空氣中氫氣含量較低，僅為0.5ppm，其密度僅為空氣的7%，氫氣密度相較于天然氣、汽油、丙烷等，浮力大、擴(kuò)散性強(qiáng)、易揮發(fā)，因此在氫氣很難在空氣中聚集，與汽油易滯留特性不同，即便是發(fā)生泄漏，氫氣也能迅速通過(guò)橫向移動(dòng)擴(kuò)散，美國(guó)Swain博士為對(duì)比氫氣與汽油的安全性，曾做過(guò)泄漏點(diǎn)火試驗(yàn)：兩輛汽車(chē)燃料分別為氫氣和汽油，在人為操作燃料泄漏后點(diǎn)火，3s后可見(jiàn)氫氣燃燒所產(chǎn)生的火焰直噴向上，而汽油則從汽車(chē)底部開(kāi)始燃燒;1min后燃燒僅發(fā)生在FCVs氫氣泄漏部分，車(chē)身并無(wú)嚴(yán)重?fù)p壞;而汽油車(chē)則完全燒光?？梢?jiàn)，F(xiàn)CVs車(chē)載氫系統(tǒng)較汽油車(chē)相比，安全性更高。

2 燃料電池汽車(chē)車(chē)載氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為FCV車(chē)載氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。氫氣瓶的安裝主要是以續(xù)航里程為依據(jù)，在每個(gè)氫氣瓶口都設(shè)有瓶閥，內(nèi)置溫度傳感器，而在瓶閥外還安裝有高壓傳感器。而高壓傳感器的安裝位置可以隨意選擇，主要是因?yàn)闅馄客夤苈废嗤╗2]。一般情況下，燃料電池汽車(chē)約6～8個(gè)氫氣瓶，每3～4個(gè)氫氣瓶為一組，每組安裝1個(gè)高壓傳感器。在氫氣傳輸系統(tǒng)管路上，由總閥、減壓閥、壓力開(kāi)關(guān)、抵押傳感器等組件構(gòu)成，其中總閥主要作用是對(duì)整個(gè)管路的通斷進(jìn)行控制;減壓閥主要是為控制氫氣瓶總壓力，使其保持在規(guī)定壓力范圍內(nèi);壓力開(kāi)關(guān)則是為了確保管路壓力超預(yù)警;抵押傳感器則主要是對(duì)氫氧燃料反應(yīng)的壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。而H2傳感器則主要是對(duì)車(chē)廂內(nèi)氫氣濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為系統(tǒng)判斷是否出現(xiàn)氫燃料泄漏提供數(shù)據(jù)支持。

3 燃料電池汽車(chē)車(chē)載氫系統(tǒng)安全性

3.1 儲(chǔ)氫系統(tǒng)安全

燃料電池汽車(chē)（FCVs）儲(chǔ)氫系統(tǒng)包括加氫系統(tǒng)和車(chē)載儲(chǔ)氫系統(tǒng)兩部分，因此FCVs儲(chǔ)氫系統(tǒng)的安全性也將從這兩方面進(jìn)行分析。在加注高壓氫氣時(shí)，氫氣瓶溫度會(huì)瞬時(shí)升高，所以在加注時(shí)采用了多種策略聯(lián)合使用的方法，包括氫氣預(yù)冷、升溫控制、分級(jí)優(yōu)化等[3]。

以往儲(chǔ)氫罐材料主要采用的是304不銹鋼或鉻鉬鋼，但是這類(lèi)材料重量較大，無(wú)法滿(mǎn)足FCVs輕量化要求。如梅賽德斯奔馳GLCF-Cell所采用的儲(chǔ)氫罐型號(hào)為挪威HexagonⅣ型，安裝于車(chē)輛底板和車(chē)橋間的碰撞保護(hù)區(qū)內(nèi)，周?chē)o助車(chē)架也形成屏障，有效保護(hù)一大一小兩個(gè)儲(chǔ)氫罐。儲(chǔ)氫罐材料為碳纖維外殼，可儲(chǔ)氫4.4kg，且儲(chǔ)氫壓力為全球標(biāo)準(zhǔn)70MPa，充滿(mǎn)氫燃料僅需3min[4]。又比如本田Clarity儲(chǔ)氫罐采用的是Type3型，為鋁合金內(nèi)襯材質(zhì)，符合國(guó)際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GTRNO.13相關(guān)技術(shù)要求。豐田MIRAI儲(chǔ)氫罐數(shù)量縮減為2個(gè)，舊款FCVs則有4個(gè)儲(chǔ)氫罐。同時(shí)，MIRAI儲(chǔ)氫罐體積變小，安置于后排座椅下方，其由三層混合材料結(jié)構(gòu)組成，最外層為抗沖擊性較強(qiáng)的玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）;中層為碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP），這種材料具有較強(qiáng)的抗壓性;內(nèi)層為塑料內(nèi)膽，主要作用是密封空氣;儲(chǔ)氫罐兩端為環(huán)形保護(hù)層，耐摔耐火性能較強(qiáng)。通過(guò)對(duì)CFRP層進(jìn)行優(yōu)化，并合理降低材料用量，儲(chǔ)氫罐重量實(shí)現(xiàn)了大幅度下降?，F(xiàn)代公司在儲(chǔ)氫罐技術(shù)上具有自主研發(fā)能力，現(xiàn)代NEXO3個(gè)儲(chǔ)氫罐大小相同，使用了碳纖維制造的新型材料，抗?jié)B性?xún)?yōu)良，可以長(zhǎng)時(shí)間承受高溫。

3.2 供氫系統(tǒng)安全

FCVs供氫系統(tǒng)主要由高壓儲(chǔ)氫罐、減壓閥、穩(wěn)壓罐、傳感器、壓力調(diào)節(jié)閥以及各種管路組成。如梅賽德斯奔馳GLCF-Cell碰撞傳感器一旦監(jiān)測(cè)到發(fā)生重大事故，氫氣瓶罐閥和主氫氣閥將會(huì)在幾毫秒內(nèi)關(guān)閉，使氫氣瓶?jī)?nèi)壓力從70MPa降至1～1.2MPa;而另一個(gè)壓力調(diào)節(jié)閥位于燃料電池組入口，在發(fā)生事故時(shí)氫側(cè)燃料電池組壓力將會(huì)被降至0.1～0.3MPa。以此來(lái)確保即便發(fā)生事故也不會(huì)發(fā)生氫泄漏情況。本田Clarity重新設(shè)計(jì)和壓縮了各個(gè)組件，包括調(diào)節(jié)器、壓力傳感器、截止閥等，將其作為內(nèi)置模塊，高壓供氫系統(tǒng)零件數(shù)量大幅度減少，這在很大程度上降低了氫氣泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，位于各個(gè)位置的氫氣傳感器將會(huì)實(shí)時(shí)對(duì)氫氣濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)異常情況將會(huì)立即關(guān)閉截止閥，從而將氫氣源切斷。豐田MIRAI在供氫系統(tǒng)中使用鋁合金作為高壓部件的主體，有效防止供氫管道出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象。同時(shí)，使用明礬對(duì)鋁制主體進(jìn)行處理，確?；瑒?dòng)特定穩(wěn)定，并減少磨損。此外，為避免高壓傳感器膜片因氫滲透進(jìn)而對(duì)傳感器數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性產(chǎn)生影響，MIRAI在高壓傳感器膜片內(nèi)表面添加了經(jīng)過(guò)特殊表面處理的薄膜。經(jīng)檢測(cè)，添加薄膜后，膜片中情氫固溶體含量減少90%，即便是長(zhǎng)期處于高壓氫氣環(huán)境，傳感器精度也不受影響。現(xiàn)代NEXO供氫系統(tǒng)中，采用引射器模式代替原有“循環(huán)泵+引射器”方式進(jìn)行氫循環(huán)，供氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，供氫安全性得到提升。同時(shí)，NEXO供氫系統(tǒng)還具有快速排氣功能，一旦車(chē)輛發(fā)生碰撞，傳感器將會(huì)立即將排氣閥門(mén)開(kāi)啟，快速排空內(nèi)部高壓氫氣。

3.3 氫系統(tǒng)安全監(jiān)控

安全監(jiān)控系統(tǒng)主要是檢測(cè)氫氣是否泄漏，監(jiān)控對(duì)象包括FCVs發(fā)動(dòng)機(jī)、儲(chǔ)供氫系統(tǒng)等，監(jiān)控系統(tǒng)壓力、溫度等是否存在異常，從而保證燃料電池汽車(chē)在加氫和使用過(guò)程更加安全[5]。就目前主流FCVs汽車(chē)而言，氫系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)主要由傳感器、控制器組成，其中傳感器又涉及到溫度傳感器、壓力傳感器、泄漏傳感器等。氫系統(tǒng)控制器將會(huì)在工作期間對(duì)氫瓶、氫氣泄漏、整車(chē)運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)控，一旦出現(xiàn)異常將會(huì)自主關(guān)閉供氫系統(tǒng)。

3.3.1 監(jiān)控氫氣泄漏

在FCVs中容易出現(xiàn)泄漏和集聚氫氣的部位安裝泄漏傳感器，如燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、乘客艙、儲(chǔ)氫瓶等位置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)內(nèi)氫含量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)氫含量異常，將會(huì)立即采取響應(yīng)預(yù)案，確保車(chē)內(nèi)乘客安全[6]。而且，當(dāng)傳感器檢測(cè)到氫氣泄漏濃度超過(guò)爆炸下限的10%、25%和50%時(shí)，監(jiān)控器將會(huì)發(fā)出Ⅰ～Ⅲ級(jí)相應(yīng)等級(jí)的警報(bào)信號(hào)，氫氣泄漏控制措施如表1所示。

3.3.2 氫氣加注安全監(jiān)控

在FCVs加氫時(shí)，氫系統(tǒng)監(jiān)控器一旦監(jiān)測(cè)到氫瓶?jī)?nèi)壓力超過(guò)預(yù)設(shè)最高值，或未達(dá)到最低要求時(shí)，將會(huì)立即發(fā)送壓力異常報(bào)警信號(hào)，整車(chē)系統(tǒng)將會(huì)停止向氫瓶?jī)?nèi)加氫。此外，加氫槍上安裝有傳感器，可對(duì)溫度和壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.3.3 氫瓶溫度監(jiān)控

氫系統(tǒng)控制器在進(jìn)行溫度檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)氣瓶溫度過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)立即將電磁閥關(guān)閉，然后向整車(chē)管路系統(tǒng)發(fā)送溫度異常警報(bào)，同時(shí)向加氫機(jī)發(fā)送立即結(jié)束工作信號(hào)，并顯示出發(fā)生故障的氫瓶的編號(hào)，然后通過(guò)聲光方式向駕駛員發(fā)送預(yù)警信息，以確保能立即采取相應(yīng)保護(hù)措施。

3.3.4 供氫時(shí)管路壓力監(jiān)控

控制器一旦監(jiān)測(cè)到到車(chē)載氫系統(tǒng)供氫時(shí)壓力出現(xiàn)異常，超過(guò)或低于最高和最低值，此時(shí)電磁閥將會(huì)立即被關(guān)閉，然后發(fā)送管路超壓或低壓報(bào)警信息，請(qǐng)求管路系統(tǒng)立即結(jié)束運(yùn)行，并向駕駛員發(fā)送預(yù)警信息，以便駕駛員及時(shí)采取相關(guān)措施。

3.3.5 電氣元件短路監(jiān)控

當(dāng)FCVs電氣元件出現(xiàn)故障，監(jiān)控器將會(huì)發(fā)送故障信號(hào)，氫系統(tǒng)中全部電磁閥都將被立即關(guān)閉，且系統(tǒng)將會(huì)斷電，并以聲光警報(bào)方式通知駕駛員。

3.4 碰撞安全

為確保車(chē)輛在發(fā)生碰撞時(shí)氫系統(tǒng)不被損壞，通常都是設(shè)計(jì)碰撞安全系統(tǒng)，有效保證氫系統(tǒng)的安全性。為進(jìn)一步提高FCVs碰撞防護(hù)能力，在提高關(guān)鍵部位零件防撞能力的同時(shí)，通過(guò)一系列措施確保碰撞時(shí)氫系統(tǒng)不被破壞，具體包括優(yōu)化氫系統(tǒng)布設(shè)位置、固定裝置保護(hù)、自動(dòng)斷電、自動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)等。通常高壓儲(chǔ)氫罐安裝在車(chē)輛前置頂部，汽車(chē)后置頂部則安裝燃料電池模塊，地板下方安裝動(dòng)力電池。通過(guò)車(chē)頂管路和后部燃料電池系統(tǒng)，可以與前置儲(chǔ)氫罐連接起來(lái)，在發(fā)生碰撞導(dǎo)致氫氣泄漏時(shí)，可以將氫氣快速排空[7]。燃料電池模塊對(duì)汽車(chē)結(jié)構(gòu)影響不大，將動(dòng)力電池安裝于地板下方則可以保證車(chē)身重心。

在燃料電池汽車(chē)供氫系統(tǒng)中，高壓儲(chǔ)氫罐組作為重要的儲(chǔ)能部件，同時(shí)也存在巨大的安全隱患。比如，一些專(zhuān)用儲(chǔ)氫系統(tǒng)固定支架的強(qiáng)度非常大，將高壓管路、氫瓶閥和氫瓶罐組集合起來(lái)，使用鋼帶進(jìn)行支撐，有效保證高壓氫瓶在發(fā)生碰撞時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)位移，從而避免連接管路在碰撞時(shí)出現(xiàn)斷裂，從而引發(fā)氫氣泄漏。有實(shí)驗(yàn)顯示，對(duì)燃料電池汽車(chē)進(jìn)行帶壓前碰和零壓后碰，氫氣瓶和燃料電池均符合相關(guān)要求。

此外，汽車(chē)碰撞是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，即便各類(lèi)零部件設(shè)計(jì)牢固，但是在碰撞時(shí)也可能會(huì)造成某部件損壞，從而導(dǎo)致氫氣漏泄。因此，為了預(yù)防這種情況，可在整車(chē)不同部位設(shè)計(jì)至少2個(gè)冗余的慣性開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)在發(fā)生碰撞時(shí)被激活，從而向氫系統(tǒng)控制器傳送碰撞信號(hào)，氫系統(tǒng)控制器則發(fā)送關(guān)閉儲(chǔ)氫閥門(mén)信號(hào)，及時(shí)阻斷氫氣供應(yīng)，將氫氣泄漏量控制到最低。慣性開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)能夠檢測(cè)到任何形式的碰撞，同時(shí)也能避免某一個(gè)開(kāi)關(guān)發(fā)生故障而無(wú)法檢測(cè)到碰撞發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，氫能作為一種清潔能源，盡管具有易燃、易爆、氫脆等安全隱患，但是只要采取有效的防控措施，那么其與汽油汽車(chē)相比，燃料電池汽車(chē)安全性更高。同時(shí)，經(jīng)過(guò)多年不斷實(shí)踐和規(guī)范，燃料電池汽車(chē)安全可靠，具有十分廣闊的發(fā)展前景。而對(duì)于燃料電池汽車(chē)而言，如何規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化發(fā)展是今后亟待思考的重要問(wèn)題。

項(xiàng)目名稱(chēng)：燃料電池商用車(chē)集成技術(shù)與研究。項(xiàng)目編號(hào)：2020CXGC010406。

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