氫燃料電池汽車車載用氫安全問題分析及對策研究

張城興　付玉生

摘 要：隨著氫燃料電池汽車的快速發(fā)展，氫燃料電池汽車車載用氫安全問題已逐漸成為熱點。本文首先分析氫的特性及車載用氫安全問題，然后從微觀和宏觀兩個層面提出解決車載用氫安全問題的對策，以期為燃料電池汽車的發(fā)展提供參考。

關鍵詞：氫燃料電池汽車;車載用氫;安全

中圖分類號：U469.72文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）07-0139-03

Abstract： With the rapid development of hydrogen fuel cell vehicles， the safety of hydrogen used in vehicle has gradually become a hot issue. This paper first analyzed the characteristics of hydrogen and the safety problems of vehicle hydrogen， and then put forward countermeasures to solve the safety problems of vehicle hydrogen from the micro and macro levels， in order to provide reference for the development of fuel cell vehicles.

Keywords： hydrogen fuel cell vehicle;vehicle borne hydrogen;safety

近年來，由于環(huán)境污染、石油短缺等問題日益加劇，新能源汽車發(fā)展步入了快車道。其中，氫燃料電池汽車由于具有清潔零污染、續(xù)航里程長、加氫時間快、氫能來源廣、轉換效率高、能量密度高等[1]多方面優(yōu)點，獲得了較大的發(fā)展機遇。我國在2019年的《政府工作報告》中首次寫入氫能源，要求推動充電、加氫等基礎設施建設。全國各地紛紛加入燃料電池汽車的研發(fā)及試運營當中。隨著氫燃料電池汽車逐漸走進人們的生活，人們對燃料電池汽車使用的安全尚有疑慮，形成了“談氫色變”的氛圍。這也成為限制氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的一大因素。由此，本文結合氫的特性對燃料電池汽車的安全及對策進行分析研究。

1 氫的特性及車載用氫安全問題分析

1.1 氫的泄漏特性及安全分析

氫是世界上最輕的元素，分子直徑小，密度小，在相同條件下，相對于燃油及其他車用氣體更容易發(fā)生泄漏。表1是不同狀態(tài)下氫氣、丙烷相對于天然氣的泄漏率。

由1表[2]可以看出，在擴散狀態(tài)下，氫氣的泄漏率是天然氣3.8倍，湍流狀態(tài)下是天然氣的2.83倍，兩種狀態(tài)下也均高于丙烷的泄漏率，而只有在層流狀態(tài)下，泄漏率與丙烷相當。氫氣的泄漏性是影響車載用氫安全的主要因素，主要表現(xiàn)在車載用氫的存儲與車載內(nèi)部管道的氫氣輸送上。因而，對車載用氫的存儲設備及輸送管道提出了更高的要求。國標要求燃料電池供氫系統(tǒng)泄漏率以平均每小時小于0.5%為合格。

1.2 氫的燃爆特性及安全分析

氫氣是可燃氣體，且無色無味。當氫氣燃燒時，燃燒火焰幾乎很難用肉眼看到，這增加了車載用氫的危險性;因此，車載用氫國家相關安全標準[3]中要求具有火焰檢測功能，發(fā)現(xiàn)火焰及時報警，切斷電源、氣源，以確保用氫安全。

氫氣-空氣混合物的燃燒極限范圍在4%～75%，爆炸極限范圍是13%～18.3%[4]，與其他可燃氣體相比，燃爆極限范圍寬;同時，氫的著火點為574 ℃，但是氫的最小著火能量卻很低，在空氣中為0.019 mJ，在氧氣中為0.007 mJ。這意味著在車載用氫安全問題上，需要將氫氣泄露的濃度控制在4%以內(nèi)。國標要求燃料電池供氫系統(tǒng)應提供關斷功能，出現(xiàn)下列情況之一者，應停機檢查：監(jiān)測到空氣中的濃度超過1.0%;系統(tǒng)氫氣壓力超過或低于設定安全值;系統(tǒng)監(jiān)測到溫度超過設計安全值;系統(tǒng)監(jiān)測到儲氫容器或管道流量反常增大或壓力快速下降。

1.3 氫的擴散特性及安全分析

氫的相對質(zhì)量分數(shù)較小，氫氣是世界上已知的最輕的氣體，所以在發(fā)生泄露時即使是在沒風的環(huán)境下，氫氣也會快速相外、向上擴散。在開放的空間，氫氣的快速擴散性對安全有利，但在車艙內(nèi)的密閉空間，擴散性好會導致整個艙室的濃度達到著火點，在有火源的情況下，易發(fā)生火災和爆炸危險。

1.4 氫的氫脆特性及安全分析

氫脆是溶于鋼中的氫，聚合為氫分子，造成應力集中，超過鋼的強度極限，在鋼內(nèi)部形成細小的裂紋，又稱白點。氫脆只能防，不能治。所以，在氫氣儲存裝置及輸送管道材料的選取上，應該充分考慮氫脆的影響，特別是高壓氫瓶，更易發(fā)生氫脆。在車載用氫問題上，應充分考慮氫脆的影響。

2 車載用氫安全對策

2.1 微觀優(yōu)化對策

微觀對策是指以某輛（或類）燃料電池汽車為研究對象提出的用氫安全對策，主要從燃料電池汽車用氫管理系統(tǒng)的四個方面進行分析。

一是優(yōu)化車載儲氫安全。對燃料電池汽車來講，氫氣的存儲應當密度高、輕便、安全而且經(jīng)濟。一臺裝有24 L汽油可行駛400 km的汽車，行駛同樣的距離，靠燃燒方式需消耗8 kg氫，靠電池供能則僅需4 kg氫[5]。4 kg的氫氣在室溫和一個大氣壓下體積為45 000 L，這對汽車載氫是不現(xiàn)實的。目前限制燃料電池汽車推廣的最主要因素就是氫氣的儲存問題。當前比較常用的儲氫技術有高壓壓縮儲氫、金屬氫化物儲氫、有機液體氫化物儲氫等。其中，高壓壓縮儲氫存在成本低、充放氫速度快的優(yōu)點，但也存在儲氫壓力大的安全隱患。為了消除安全隱患，一方面要研制更為可靠的耐高壓材料;另一方面，要加強對高壓儲存裝置的安全監(jiān)測。金屬氫化物儲氫技術結構簡單、安全性較好，但由于金屬氫化物質(zhì)量大，需要在控制成本的前提下，盡快發(fā)現(xiàn)或合成輕量化車載儲氫的金屬氫化物。有機液體氫化物儲氫安全穩(wěn)定、易運輸、存儲容量高，是極具前景的車載儲氫技術。

二是優(yōu)化車載用氫輸送安全。氫儲存安全是一個靜態(tài)的過程，而氫氣在車載管道中輸送的過程是一個動態(tài)過程，更加難以控制，為此，需要從預防與監(jiān)控兩個方面著手。一是按照高標準選擇管路及元件材料，充分考慮其可靠性、靈敏性等;二是優(yōu)化監(jiān)測報警系統(tǒng)及處理系統(tǒng)，考慮傳感器的布置位置及數(shù)量等。例如，當氫氣發(fā)生泄露時能及時提醒乘客或者是直接切斷氫氣供應。

三是優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)安全。燃料電池堆是空氣與氫氣結合的地方，易發(fā)生氫氣與空氣的集聚，從而產(chǎn)生安全隱患，需要高度重視。標準《燃料電池電動汽車燃料電池堆安全要求》（GB/T 36288—2018）[6]規(guī)定了燃料電池電動汽車用燃料電池堆在氫氣安全、電氣安全、機械結構等方面的安全要求。尤其是氣密性方面，當燃料電池堆受到?jīng)_擊后，氣密性仍符合標準。另外，還需要對燃料電池反應堆反應氣和冷卻液的進口和出口溫度、壓力及流量等相關參數(shù)進行監(jiān)測、計算，為防止氫氣集聚，必要時要進行強制通風。

四是優(yōu)化車輛載氫運行安全。車輛行駛過程中，不可避免地會產(chǎn)生車身振動或發(fā)生車輛碰撞，這些均會對氫氣使用安全產(chǎn)生影響，如導致氫管路松動、閥門失效等。為此，一方面要優(yōu)化車載供氫系統(tǒng)在整車結構中的位置，并做充分的振動試驗或碰撞試驗，防止振動或碰撞導致氫氣泄露;另一方面，要利用冗余設計思維，在車身不同部位設置多個慣性開關，以避免某個慣性開關因發(fā)生故障而檢測不到碰撞情況的發(fā)生，確保各種碰撞情況都能被檢測到并及時發(fā)出預警。

2.2 宏觀管理對策

宏觀管理對策是指以所有在用燃料電池汽車為研究對象提出的車載用氫安全對策，主要從時間維、空間維、數(shù)量維三個維度進行分析研究。

一是從時間維考慮車載用氫安全。隨著用車時長的增加，車輛及器件不可避免地會產(chǎn)生老化現(xiàn)象，例如，高壓儲氫瓶承壓能力減弱，監(jiān)測的元器件靈敏度、精確度下降等，這些都會影響車載用氫的安全性。目前，國家標準對儲氫瓶的使用時長已經(jīng)作出了明確規(guī)定，A類氣瓶（≤35 MPa）使用年限15年，B類氣瓶（≥35 MPa）使用年限10年，到達使用年限強制報廢。這就是考慮了時間對車載用氫安全的影響。為了保證車載用氫安全，一方面要利用信息技術建立車載用氫數(shù)據(jù)的實時采集系統(tǒng)，采集車載用氫的管路、器件、傳感器等隨時間變化的使用狀況信息，并利用大數(shù)據(jù)分析工具實現(xiàn)對信息的分析、評價，判斷車載用氫系統(tǒng)隨時間變化的老化狀況，從而給出合理的預警提示;另一方面，政府要考慮時間對車載用氫器件老化的影響，從用氫安全角度建立氫燃料電池汽車整車使用年限標準。

二是從空間維考慮車載用氫安全。由于車輛所處空間不同，因此，車載用氫系統(tǒng)發(fā)生故障造成的危險程度也不同。例如，車輛在封閉車庫內(nèi)發(fā)生泄露與車輛在空曠環(huán)境下發(fā)生泄露造成的危險性不同。在封閉車庫內(nèi)發(fā)生泄露，泄露的氫氣容易集聚，因此，更易引發(fā)燃燒或爆炸危險。同時，當氫氣泄露至車艙，而此時人在車內(nèi)與不在車內(nèi)產(chǎn)生的后果也不一樣。這就是考慮了空間對車載用氫安全的影響。因此，在燃料電池汽車使用過程中，應監(jiān)測人、車所處空間的變化，對于車內(nèi)有人與無人、車在封閉空間與空曠空間等不同狀態(tài)采取不同的預警提示及應急措施;同時，在容易集聚氫氣的封閉空間安裝氫氣監(jiān)測儀器并實現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)，將空間氫氣監(jiān)控信息及時反饋給駕駛員，以便采取應對措施。

三是從數(shù)量維考慮車載用氫安全。隨著燃料電池汽車被廣泛推廣，加氫站不斷被建設并投入使用，但同時，氫氣泄露總量也在不斷增加。因此，一方面應加強儲氫及供氫系統(tǒng)防泄露裝置的技術研發(fā)，盡量避免車載用氫的泄露;另一方面，實現(xiàn)車與車之間的聯(lián)網(wǎng)互通，用大數(shù)據(jù)技術分析、評價用車數(shù)量對社會環(huán)境的影響，從宏觀層面合理管控氫燃料電池汽車的數(shù)量，并指導用戶合理保養(yǎng)與使用車輛，避免氫氣泄露總量增多后對人們生活產(chǎn)生不利影響。

3 結語

本文結合氫氣泄露、擴散、燃爆、氫脆等四個特性，對應分析了其對燃料電池用氫安全的影響，并提出了兩大方面的策略，即對氫燃料電池汽車本身用氫安全的微觀優(yōu)化策略和對氫燃料電池汽車行業(yè)用氫安全的宏觀管理策略，以為政府、行業(yè)、企業(yè)的安全管理施策提供參考。

參考文獻：

[1]陳遠明.氫能汽車產(chǎn)業(yè)化要突破四大瓶頸[J].中國石化，2019（5）：25-29.

[2]Ford motor company. Direct-hydrogen-fueled proton-exchange-membrane fuel cell system for transportation applications： hydrogen vehicle safety report （DE-AC0294CE50389）[R].U.S.Department of Energy，1997.

[3]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.質(zhì)子交換膜燃料電池供氫系統(tǒng)技術要求：GB/T 34872—2017[S].北京：中國標準出版社，2017.

[4]馮文，王淑娟，倪維斗，等.氫能的安全性和燃料電池汽車的氫安全問題[J].太陽能學報，2003（5）：677-682.

[5]王琦，羅馬吉，羅仲.燃料電池汽車車載氫氣安全研究[J].武漢理工大學學報（信息與管理工程版），2011（2）：232-235.

[6]國家市場監(jiān)督管理總局，中國國家標準化管理委員會.燃料電池電動汽車燃料電池堆安全要求：GB/T 36288—2018[S].北京：中國標準出版社，2018.