HFCV電動汽車儲氫系統(tǒng)火災風險點及安全對策研究

摘要：氫能源是一種清潔二次能源，相比于傳統(tǒng)的化石燃料能源，具有用途廣泛、無污染、低成本、儲量大、可再生等特點，代表著世界能源發(fā)展的趨勢。通過分析HFCV電動汽車特有的高壓儲氫系統(tǒng)，掌握HFCV電動汽車特有的火災風險點，為消防人員處置此類火災事故提供參考。

關鍵詞：氫氣；氫能源；HFCV電動汽車；高壓儲氫系統(tǒng)；CFRP基體

中圖分類號：D631.6 文獻標識碼：A 文章編號：2096-1227（2024）06-0001-04

HFCV是Hydrogen Fuel Cell Vehicles的簡稱，是以氫能源為動力的電動汽車。目前，以氫能源為代表的清潔能源也在汽車上逐步開始應用，HFCV電動汽車具有清潔無污染、噪聲小、成本低等特點，其燃料電池系統(tǒng)通過氫氣與氧氣反應結合生成水，不會產(chǎn)生有害物質及環(huán)境污染物質，同時不會產(chǎn)生傳統(tǒng)汽車內燃機容易產(chǎn)生的噪聲，它的主要驅動燃料是氫氣，通過燃料電池里的回收裝置，可以對未反應完的氫氣進行回收并繼續(xù)參與反應，從而確保了相比于傳統(tǒng)內燃機而言更高的工作效率。

由于HFCV電動汽車正處于起步發(fā)展階段，結構上與傳統(tǒng)燃油汽車有很大不同，因此帶來了新的汽車火災事故風險點，使得消防救援人員面臨了新的挑戰(zhàn)。相對于燃油汽車，HFCV電動汽車的主要風險來源于它所儲存的氫燃料，與燃油汽車火災不同，HFCV電動汽車由于它的高壓儲氫系統(tǒng)特點，還會出現(xiàn)噴射火、物理爆燃、化學爆燃等情況，而與之相關的可借鑒的火災事故案例相對較少，且消防救援人員對相關事故風險點的了解也較為薄弱。

1 HFCV電動汽車工作原理及儲氫系統(tǒng)結構特點

1.1 HFCV電動汽車工作原理

HFCV電動汽車是一種結合氫燃料電池系統(tǒng)的電動汽車。由氫氣和氧氣的化學能轉換為電能，為電池充電和電機運行提供電力。氫燃料電池汽車一般由儲氫罐、燃料電池反應堆、動力電池、電控系統(tǒng)、電機等組成。儲氫罐向燃料電池反應堆提供燃料氫，氫在燃料電池反應堆中與氧氣進行電化學反應產(chǎn)生電，燃料電池反應堆的單體結構包括膜電極、質子交換膜以及雙極板，氫電極為陽極，氧電極為陰極，見圖1。然后供電機使用，在電控系統(tǒng)的指揮下由電機驅動汽車前進。當汽車制動或減速時，回收的能量可以儲存在動力電池中，用來輔助驅動車輪。其基本構造見圖2。

1.2 車載儲氫系統(tǒng)結構特點

車載高壓儲氫裝置是HFCV的關鍵部件，國內的車載儲氫基本為氣態(tài)儲氫，通常情況下在20～25MPa之間，大多不超過35MPa，儲氫質量密度約為3%wt，極少數(shù)為70MPa，儲氫質量密度約為5.5%wt，材料為金屬纖維纏繞儲氫瓶。

固態(tài)儲氫、高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫是目前已知的三種常見儲氫方式。其中，固態(tài)儲氫主要是利用金屬氫化物進行儲存，可以實現(xiàn)吸氫和放氫的可逆過程，但技術方面尚不成熟，主要原因為合適的金屬氫化物尚在研究中[1]；低溫液態(tài)儲氫在加速性能、儲氫密度、最高車速和續(xù)行里程等方面都要優(yōu)于高壓儲氫，但因為需要對氫氣進行低溫液化處理工藝，所以經(jīng)濟性較差；相較于上述兩種，國內的氫燃料電池車輛大多使用高壓儲氫方式，因為技術較為成熟且相對簡易，儲存成本也低，能夠滿足HFCV電動汽車的經(jīng)濟性需求。

2 HFCV電動汽車儲氫系統(tǒng)安全風險點

氫氣屬易燃氣體，火災危險分級為甲類，空氣中的氫氣濃度爆炸極限為4.0%～75.6%，同時具有點火能量低、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、爆炸強度大等特點。高壓儲存的氫氣會產(chǎn)生導致金屬材料的延性和塑性損減、疲勞裂紋擴展速率加劇以及氫致滯后斷裂的氫脆現(xiàn)象，高壓氫氣所產(chǎn)生的應力會造成毛發(fā)狀裂縫、微細穿孔等多種破壞形式，從而導致高壓氫泄漏擴散，當高壓氫氣從泄放口泄漏后，遇點火源就會造成射流燃燒及氣云燃爆。因此，應對處置此類事故是HFCV電動汽車和加氫/儲氫站規(guī)?；l(fā)展亟須解決的難題。

2.1 高壓氫泄漏擴散的風險

2.1.1 氫脆現(xiàn)象造成儲氫系統(tǒng)管道發(fā)生泄漏

氫氣是最小的分子，具有很強的滲透性，高溫高壓的氫能夠滲透溶解進金屬管道內部，形成新的氫分子，在金屬內部產(chǎn)生裂紋，如氫與鋼中的碳結合，使鋼脫碳，或使鋼中的硫化物與氧化物還原。部分設備中原本就含有氫，在高壓的作用下，對管道進行破壞，也可以是使用后由介質中吸收進入，在高壓作用下氫氣能滲透到金屬設備的碳素中而引起金屬管道及儲存設備的“氫脆”破壞，使儲存設備和傳輸管道的塑性和強度急劇下降，從而導致設備損壞引發(fā)氫氣泄漏[2]。

當氫氣泄漏壓力過大時，氫氣從管口或縫隙處高速噴出的同時，會產(chǎn)生靜電，流速越快靜電的產(chǎn)生就越強，爆燃現(xiàn)象就會在靜電荷達到一定數(shù)值時產(chǎn)生。此外，氫氣的帶電性致使氫氣儲罐的出口處及輸氣管道處易發(fā)生靜電積聚，從而產(chǎn)生放電現(xiàn)象，這會成為氫氣火災爆炸事故的引火源，當儲罐及輸氣管道的接地裝置發(fā)生故障時，極易引發(fā)火災及燃爆事故。

2.1.2 高壓儲氫氣瓶瓶身CFRP基體軟化導致氫泄漏

根據(jù)火災場景下車載儲氫裝置熱損傷模擬實驗，當HFCV電動汽車其他部位起火誘發(fā)車輛火災，通常在30min以后汽車客廂部位溫度最高可達900℃[3-4]，加之HFCV電動汽車形成的局部密閉空間不易散熱，使得著火部位能在周圍空間產(chǎn)生強烈的熱輻射。雖然，火焰未直接觸及高壓儲氫裝置，但由于高壓氣瓶所處局部空間溫度迅速升高，導致高壓儲氫氣瓶瓶身CFRP基體在高溫氧化環(huán)境中受熱輻射損傷，基體軟化失效，失去密封作用，從而造成儲氫瓶內的氫氣泄漏。

2.2 高壓儲氫氣瓶氫氣泄放產(chǎn)生氫射流火的風險

TPRD閥是高壓儲氫氣瓶的重要組成部分，安裝位置為氣瓶瓶頭，形式為嵌入式安裝，當氣瓶被火焰侵襲，達到裝置激活溫度（109℃+/-5℃）時[5]，該裝置動作，將高壓氫氣排放到外部；TPRD閥無法人為手動關閉，TPRD管路的大氣端安裝有蓋子，當有氫氣釋放有壓力時該蓋子可以自動打開，在儲氫裝置達到承壓極限或激活溫度（110℃）前，熱熔材料激活TPRD閥，閥門動作釋放內部壓力，從而防止氣瓶爆裂[3，6]。當TPRD閥激活后，氫氣在泄放口噴出，遇火源產(chǎn)生高速射流火焰。以4.2mm泄放口徑的TPRD閥為例，35MPa儲氫氣瓶的射流火焰長度可達5.2m，而當氫氣在白天燃燒時，只能看到射流火焰總長度的30%，其波及范圍通常為TPRD閥向外120°的扇形區(qū)域，波及范圍廣，危害距離遠。

2.3 高壓氣瓶爆裂產(chǎn)生氫氣爆燃的風險

當TPRD閥損壞無法在設定的溫度范圍動作時，會造成高壓儲氫氣瓶的壓力無法泄放，高壓儲氫裝置在外部高溫火源的作用下，內部壓力持續(xù)升高，當超過設定壓力的20%時，氣瓶發(fā)生瓶體破裂失效，產(chǎn)生物理爆炸，大量氫氣在一定空間內短時間聚集，遇到點火能量，進而誘發(fā)更為猛烈的化學爆燃。

3 HFCV電動汽車儲氫系統(tǒng)消防安全對策分析

目前，國內的HFCV電動汽車主要分為客運車、貨運車及小型乘用車三類，其高壓儲氫系統(tǒng)的位置也有所不同，客運車的儲氫系統(tǒng)通常分為車頂布置和車底布置兩種，車底布置的位置通常在車廂底部動力電池包后部；貨運車的儲氫系統(tǒng)布置通常相對集中，通常在車頭后部且大多與車載動力電池集中布置；小型乘用車的儲氫系統(tǒng)通常布置在車輛的中后部后備箱部位，相比于上述兩種，更易形成有限密閉空間，爆燃風險大。消防救援人員在進行到場處置時，需針對不同車輛類型及儲氫系統(tǒng)的具體位置進行研判，而后根據(jù)其具體位置，采取相應的處置措施。

無論哪種類型HFCV電動汽車的事故處置，安全管控區(qū)域設置是前提，消防處置人員在到達現(xiàn)場后要先做好相應的安全管控及人員疏散，根據(jù)獨立儲罐破裂危害距離測試[3，5，7]，不同壓力類型儲罐破裂時對人體的危害距離，主要分為致死距離、受傷距離、無害距離，目前國內常見的儲氫氣瓶大多不超過35MPa，極少數(shù)為70MPa，單瓶容量最大不超過400L，因此，根據(jù)目前國內氣瓶的容量測算安全距離，得出安全管控距離可以控制在120～180m之間。

根據(jù)HFCV電動汽車事故處置安全管控示意圖，見圖3。該圖將事故現(xiàn)場分為警戒區(qū)、安全管控區(qū)、易受傷區(qū)、致死區(qū)四個區(qū)域。警戒區(qū)：距離車輛事故現(xiàn)場大于180m，該區(qū)域人員為保障人員、公安、醫(yī)護等其他聯(lián)動單位人員，圍觀群眾必須控制在警戒區(qū)之外，該區(qū)域風險性較低。安全管控區(qū)：距離車輛事故現(xiàn)場大于120m，該區(qū)域人員主要為消防救援人員，包括現(xiàn)場指揮員、安全員、處置小組人員，并在該區(qū)域同時設置裝備集結點、消防車輛停靠點、緊急救助區(qū)，該區(qū)域安全風險中等。易受傷區(qū)：距離車輛事故現(xiàn)場大于10m，該區(qū)域人員不可長時間停留，以橫向車頂布置的儲氫氣瓶為例，通常面向車頭設施水炮架設區(qū)域，人員應在架設水炮完畢后第一時間撤離到安全管控區(qū)；同時，及時搭建疏散救人通道，注意避開兩側的氣瓶泄爆口方向及其延伸區(qū)，該區(qū)域安全風險較高。致死區(qū)：距離車輛事故現(xiàn)場小于等于10m，該區(qū)域人員禁止停留，存在致死風險，該區(qū)域安全風險高。

綜合第二大點描述，HFCV電動汽車儲氫系統(tǒng)存在的氫氣泄漏、氫氣泄放產(chǎn)生射流火以及高壓氫氣瓶爆裂的風險，HFCV電動汽車發(fā)生事故時，可能會發(fā)生高速物理打擊、化學爆燃、物理爆炸、氫射流火焰等風險。因此，在消防處置過程中，抵達現(xiàn)場做好安全管控之后，消防員在面臨此類情況時給予以下幾種安全對策：

3.1 化學爆燃的安全對策

盡管氫氣作為逃逸性氣體，很難大量聚集，但氫氣在地下停車場、地下車庫、高速公路隧道、客混船等封閉、密閉區(qū)域內釋放時，氫氣泄漏現(xiàn)場災情轉化成爆炸、火災的風險較高，同樣，由于小型乘用車高壓氫氣瓶放置區(qū)空間相對密閉，當氫氣泄漏時，可能會出現(xiàn)短時間的大量聚集，加之氫氣本身的特性爆炸范圍很寬，產(chǎn)生化學爆燃。

消防處置人員選擇安全的行車路線，從上風方向抵近事故現(xiàn)場，嚴禁穿過泄漏形成具有爆炸危險的氣體云，在距離事故車輛120m外停車，避開高壓氫氣瓶瓶頭扇形區(qū)域設置事故處置陣地；利用高壓霧狀水稀釋驅散現(xiàn)場泄漏氣體，在事故車輛上風方向適當距離處設置水炮陣地，利用高壓霧狀水，對泄漏氣體進行驅散稀釋，嚴禁使用直流水，以防產(chǎn)生靜電引燃泄漏氣體，待高壓氫氣自行排空后進行處置。

3.2 物理爆炸的安全對策

高壓氣瓶外部發(fā)生火災且氣瓶的TPRD裝置損壞失效時，高壓儲氫裝置在瓶外燃燒火焰的炙烤下，氣瓶內部的壓力會持續(xù)升高，從而導致瓶體破裂失效產(chǎn)生物理爆炸。此時消防處置人員到達現(xiàn)場時，應按照化學爆燃情況做好相應的安全管控后，在事故車輛上風方向較近位置，設置自擺炮陣地對受炙烤的高壓氣瓶進行滅火冷卻，防止超壓爆炸。

3.3 氫射流火及高速物流打擊的安全對策

當消防處置人員到達現(xiàn)場，高壓氣瓶TPRD安全爆破片動作，氫氣從氣瓶中噴出，在儲氫氣瓶放置區(qū)兩側位置產(chǎn)生氫氣射流火時，應該及時根據(jù)儲氫壓力測算噴射距離，設置滅火救援進攻路線，合理計算氫氣的泄爆距離，隨后在安全距離下開花水射流滅火的同時，鋪設水幕水帶稀釋驅散泄漏氣體，防止氫氣短時間聚集，如有人員被困，在進行稀釋驅散保護后，可以派處置人員避開氣瓶泄爆面接近車輛進行人員疏散。

4 結束語

當前，HFCV電動汽車的生產(chǎn)與應用日益廣泛，本文從HFCV電動汽車的工作原理、儲氫系統(tǒng)結構特點入手，總結分析了該類汽車特有的儲氫系統(tǒng)的相應風險點，進而提出了針對性的消防安全對策，旨在為消防救援人員處理類似火災提供參考，同時，隨著HFCV電動汽車儲氫系統(tǒng)的不斷更新，對于HFCV電動汽車火災的風險評估與處置戰(zhàn)法也要不斷完善。

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