燃料電池汽車車載氫系統安全問題分析

李晨

摘 要：當前，全球已就“碳中和”達成共識，提高了對能源問題的關注度，而統能源未來形勢嚴峻，轉型遭遇“陣痛期”。同時，動力機械對傳統能源的消耗所引發的環境污染，給人們健康生活帶來不小威脅，溫室氣體排放等都與傳統燃料使用密不可分，故而人們將目光轉移至清潔可持續燃料。基于此，清潔能源氫氣被開發出并用于燃料電池汽車，以燃料電池產生的電能作為動力，不僅可以提高能量利用率，且反應只產生水這一排放物，不會污染環境。但氫氣本身特性使得燃料電池汽車安全性受到質疑，在一定程度上限制了燃料電池汽車發展。基于此，本文在簡要闡述車載氫系統的基礎上，分析了氫系統的安全問題，以期能夠助力燃料電池車普及推廣。

關鍵詞：燃料電池汽車 車載氫系統 安全性

燃料電池汽車（FCVs）具有很多優點，如充氣時間短、零排放、長續航等，且動力性能明顯增強，是新能源汽車強勁的競爭對手。目前，日本FCVs技術較為成熟，產業鏈基本完善，而我國也開始重視氫能發展，并在燃料電池領域形成了全新的研究格局。作為FCVs動力源，氫氣本身易爆、易揮發，因此人們對于汽車車載氫系統的安全性提出了疑問[1]。聯合國歐洲經濟委員會為對各國安全技術要求進行協調，使得公眾對FCVs更加認可，成立了專項工作組，起草了全球技術法規GTRNO.13《氫燃料電池汽車全球技術法規》，在該技術法規中對氫燃料電池汽車的安全性作出了明確規定。

燃料電池汽車車載氫系統所面臨的危險源主要是著火和爆炸，因此電動汽車安全要求相關內容也可用于FCVs。本文將著重對車載氫系統安全問題進行分析。

1 氫能安全性分析

氫能所面臨的安全問題較多，如易揮發、易燃易爆、氫脆等等。但這一系列安全隱患的發生都需要基于特定條件，只要能夠對必要條件進行有效控制，就能夠在使用時避免氫氣安全隱患。例如，氫氣爆炸條件為體積密度達到4.0%～75.6%，即當空氣中氫氣體積濃度在4%～75.6%范圍內時，一旦遇火源就會發生爆炸。當氫氣體積濃度不在上述范圍內時，即便接觸火源也不會發生爆炸。

實際上，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、擴散性強、易揮發，因此在氫氣很難在空氣中聚集，與汽油易滯留特性不同，即便是發生泄漏，氫氣也能迅速通過橫向移動擴散，美國Swain博士為對比氫氣與汽油的安全性，曾做過泄漏點火試驗：兩輛汽車燃料分別為氫氣和汽油，在人為操作燃料泄漏后點火，3s后可見氫氣燃燒所產生的火焰直噴向上，而汽油則從汽車底部開始燃燒;1min后燃燒僅發生在FCVs氫氣泄漏部分，車身并無嚴重損壞;而汽油車則完全燒光。可見，FCVs車載氫系統較汽油車相比，安全性更高。

2 燃料電池汽車車載氫系統結構

圖1為FCV車載氫系統結構示意圖。氫氣瓶的安裝主要是以續航里程為依據，在每個氫氣瓶口都設有瓶閥，內置溫度傳感器，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，主要是因為氣瓶外管路相通[2]。一般情況下，燃料電池汽車約6～8個氫氣瓶，每3～4個氫氣瓶為一組，每組安裝1個高壓傳感器。在氫氣傳輸系統管路上，由總閥、減壓閥、壓力開關、抵押傳感器等組件構成，其中總閥主要作用是對整個管路的通斷進行控制;減壓閥主要是為控制氫氣瓶總壓力，使其保持在規定壓力范圍內;壓力開關則是為了確保管路壓力超預警;抵押傳感器則主要是對氫氧燃料反應的壓力進行監測。而H2傳感器則主要是對車廂內氫氣濃度進行監測，為系統判斷是否出現氫燃料泄漏提供數據支持。

3 燃料電池汽車車載氫系統安全性

3.1 儲氫系統安全

燃料電池汽車（FCVs）儲氫系統包括加氫系統和車載儲氫系統兩部分，因此FCVs儲氫系統的安全性也將從這兩方面進行分析。在加注高壓氫氣時，氫氣瓶溫度會瞬時升高，所以在加注時采用了多種策略聯合使用的方法，包括氫氣預冷、升溫控制、分級優化等[3]。

以往儲氫罐材料主要采用的是304不銹鋼或鉻鉬鋼，但是這類材料重量較大，無法滿足FCVs輕量化要求。如梅賽德斯奔馳GLCF-Cell所采用的儲氫罐型號為挪威HexagonⅣ型，安裝于車輛底板和車橋間的碰撞保護區內，周圍輔助車架也形成屏障，有效保護一大一小兩個儲氫罐。儲氫罐材料為碳纖維外殼，可儲氫4.4kg，且儲氫壓力為全球標準70MPa，充滿氫燃料僅需3min[4]。又比如本田Clarity儲氫罐采用的是Type3型，為鋁合金內襯材質，符合國際技術標準GTRNO.13相關技術要求。豐田MIRAI儲氫罐數量縮減為2個，舊款FCVs則有4個儲氫罐。同時，MIRAI儲氫罐體積變小，安置于后排座椅下方，其由三層混合材料結構組成，最外層為抗沖擊性較強的玻璃纖維增強塑料（GFRP）;中層為碳纖維增強塑料（CFRP），這種材料具有較強的抗壓性;內層為塑料內膽，主要作用是密封空氣;儲氫罐兩端為環形保護層，耐摔耐火性能較強。通過對CFRP層進行優化，并合理降低材料用量，儲氫罐重量實現了大幅度下降。現代公司在儲氫罐技術上具有自主研發能力，現代NEXO3個儲氫罐大小相同，使用了碳纖維制造的新型材料，抗滲性優良，可以長時間承受高溫。

3.2 供氫系統安全

FCVs供氫系統主要由高壓儲氫罐、減壓閥、穩壓罐、傳感器、壓力調節閥以及各種管路組成。如梅賽德斯奔馳GLCF-Cell碰撞傳感器一旦監測到發生重大事故，氫氣瓶罐閥和主氫氣閥將會在幾毫秒內關閉，使氫氣瓶內壓力從70MPa降至1～1.2MPa;而另一個壓力調節閥位于燃料電池組入口，在發生事故時氫側燃料電池組壓力將會被降至0.1～0.3MPa。以此來確保即便發生事故也不會發生氫泄漏情況。本田Clarity重新設計和壓縮了各個組件，包括調節器、壓力傳感器、截止閥等，將其作為內置模塊，高壓供氫系統零件數量大幅度減少，這在很大程度上降低了氫氣泄漏的風險。同時，位于各個位置的氫氣傳感器將會實時對氫氣濃度進行監測，一旦發現出現異常情況將會立即關閉截止閥，從而將氫氣源切斷。豐田MIRAI在供氫系統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氫脆現象。同時，使用明礬對鋁制主體進行處理，確保滑動特定穩定，并減少磨損。此外，為避免高壓傳感器膜片因氫滲透進而對傳感器數據精準性產生影響，MIRAI在高壓傳感器膜片內表面添加了經過特殊表面處理的薄膜。經檢測，添加薄膜后，膜片中情氫固溶體含量減少90%，即便是長期處于高壓氫氣環境，傳感器精度也不受影響。現代NEXO供氫系統中，采用引射器模式代替原有“循環泵+引射器”方式進行氫循環，供氫系統結構更加簡單，供氫安全性得到提升。同時，NEXO供氫系統還具有快速排氣功能，一旦車輛發生碰撞，傳感器將會立即將排氣閥門開啟，快速排空內部高壓氫氣。

3.3 氫系統安全監控

安全監控系統主要是檢測氫氣是否泄漏，監控對象包括FCVs發動機、儲供氫系統等，監控系統壓力、溫度等是否存在異常，從而保證燃料電池汽車在加氫和使用過程更加安全[5]。就目前主流FCVs汽車而言，氫系統安全監控系統主要由傳感器、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。氫系統控制器將會在工作期間對氫瓶、氫氣泄漏、整車運行狀態等進行監控，一旦出現異常將會自主關閉供氫系統。

3.3.1 監控氫氣泄漏

在FCVs中容易出現泄漏和集聚氫氣的部位安裝泄漏傳感器，如燃料電池發動機系統、乘客艙、儲氫瓶等位置，以實現對車內氫含量的實時監測，一旦發現氫含量異常，將會立即采取響應預案，確保車內乘客安全[6]。而且，當傳感器檢測到氫氣泄漏濃度超過爆炸下限的10%、25%和50%時，監控器將會發出Ⅰ～Ⅲ級相應等級的警報信號，氫氣泄漏控制措施如表1所示。

3.3.2 氫氣加注安全監控

在FCVs加氫時，氫系統監控器一旦監測到氫瓶內壓力超過預設最高值，或未達到最低要求時，將會立即發送壓力異常報警信號，整車系統將會停止向氫瓶內加氫。此外，加氫槍上安裝有傳感器，可對溫度和壓力進行實時監控。

3.3.3 氫瓶溫度監控

氫系統控制器在進行溫度檢測時，發現氣瓶溫度過高或過低，都會立即將電磁閥關閉，然后向整車管路系統發送溫度異常警報，同時向加氫機發送立即結束工作信號，并顯示出發生故障的氫瓶的編號，然后通過聲光方式向駕駛員發送預警信息，以確保能立即采取相應保護措施。

3.3.4 供氫時管路壓力監控

控制器一旦監測到到車載氫系統供氫時壓力出現異常，超過或低于最高和最低值，此時電磁閥將會立即被關閉，然后發送管路超壓或低壓報警信息，請求管路系統立即結束運行，并向駕駛員發送預警信息，以便駕駛員及時采取相關措施。

3.3.5 電氣元件短路監控

當FCVs電氣元件出現故障，監控器將會發送故障信號，氫系統中全部電磁閥都將被立即關閉，且系統將會斷電，并以聲光警報方式通知駕駛員。

3.4 碰撞安全

為確保車輛在發生碰撞時氫系統不被損壞，通常都是設計碰撞安全系統，有效保證氫系統的安全性。為進一步提高FCVs碰撞防護能力，在提高關鍵部位零件防撞能力的同時，通過一系列措施確保碰撞時氫系統不被破壞，具體包括優化氫系統布設位置、固定裝置保護、自動斷電、自動關閉閥門等。通常高壓儲氫罐安裝在車輛前置頂部，汽車后置頂部則安裝燃料電池模塊，地板下方安裝動力電池。通過車頂管路和后部燃料電池系統，可以與前置儲氫罐連接起來，在發生碰撞導致氫氣泄漏時，可以將氫氣快速排空[7]。燃料電池模塊對汽車結構影響不大，將動力電池安裝于地板下方則可以保證車身重心。

在燃料電池汽車供氫系統中，高壓儲氫罐組作為重要的儲能部件，同時也存在巨大的安全隱患。比如，一些專用儲氫系統固定支架的強度非常大，將高壓管路、氫瓶閥和氫瓶罐組集合起來，使用鋼帶進行支撐，有效保證高壓氫瓶在發生碰撞時也不會出現位移，從而避免連接管路在碰撞時出現斷裂，從而引發氫氣泄漏。有實驗顯示，對燃料電池汽車進行帶壓前碰和零壓后碰，氫氣瓶和燃料電池均符合相關要求。

此外，汽車碰撞是一個非常復雜的過程，即便各類零部件設計牢固，但是在碰撞時也可能會造成某部件損壞，從而導致氫氣漏泄。因此，為了預防這種情況，可在整車不同部位設計至少2個冗余的慣性開關，開關在發生碰撞時被激活，從而向氫系統控制器傳送碰撞信號，氫系統控制器則發送關閉儲氫閥門信號，及時阻斷氫氣供應，將氫氣泄漏量控制到最低。慣性開關的設計能夠檢測到任何形式的碰撞，同時也能避免某一個開關發生故障而無法檢測到碰撞發生。

4 結語

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，那么其與汽油汽車相比，燃料電池汽車安全性更高。同時，經過多年不斷實踐和規范，燃料電池汽車安全可靠，具有十分廣闊的發展前景。而對于燃料電池汽車而言，如何規模化、產業化發展是今后亟待思考的重要問題。

項目名稱：燃料電池商用車集成技術與研究。項目編號：2020CXGC010406。

參考文獻：

[1]劉海利.燃料電池汽車用氫的制取及儲存技術的現狀與發展趨勢[J].石油庫與加油站，2019，28（05）：24-27+4-5.

[2]常國峰，李玉洋，季運康.燃料電池汽車動力系統綜合測試環境艙的氫安全設計[J].實驗技術與管理，2020，37（4）：280-282，287.

[3]張新建.燃料電池汽車車載氫系統安全性分析[J].時代汽車，2019（2）：98-100.

[4]楊曉明，陳杰，劉蓮.燃料電池汽車車載氫系統安全性分析[J].汽車博覽，2020（22）：74-75.

[5]夏玉珍，胡祎瑋，王杰董，等.燃料電池汽車安全系統分析[J].電池工業，2021，25（1）：26-32，37.

[6]孫田，景帥帥，陳光，等.燃料電池汽車車載氫系統安裝強度試驗分析[J].北京汽車，2021（5）：1-3，8.

[7]周廣波，王品泉.燃料電池客車氫系統碰撞保護傳感器應用研究[J].客車技術與研究，2020，42（2）：26-27，30.