氫燃料電池商用車氫安全保障技術(shù)研究

秦志東 張志蕓 趙宏建 劉永亮 姚東升 張健 劉尹

（1. 北汽福田汽車股份有限公司，北京 100085；2. 北京卡文新能源汽車有限公司，北京 100085；3. 北清智創(chuàng)（北京）新能源汽車科技有限公司，北京 100085）

0 引言

氫能具有清潔、高效和來源廣泛的優(yōu)點(diǎn)，是具有戰(zhàn)略意義的能源載體，是實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型和“碳中和”的有效手段，將代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源在高耗能發(fā)電、工業(yè)、建筑、交通等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用[1]。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池汽車具有綠色環(huán)保和續(xù)駛里程長的優(yōu)勢，特別適用于中遠(yuǎn)途、中重型商用車場景，是目前氫能應(yīng)用的重要領(lǐng)域，在交通領(lǐng)域被視為綠色低碳交通的有效解決方案之一。我國氫燃料電池車輛主要以商用車推廣為主，根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截止2022 年，我國已累計(jì)銷售氫燃料電池汽車12 306輛。

但是，由于氫氣自身的性能如易燃性、易爆性、泄露性以及氫脆特性，使燃料電池商用車的安全性成為人們關(guān)注的重要問題[2-5]。因此，為了加速氫燃料電池商用車的推廣和使用，氫安全研究至關(guān)重要。很多學(xué)者從多層面研究了燃料電池汽車氫安全問題[1-7]。吳兵[3]對燃料電池車載系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)的氫安全設(shè)計(jì)和管理進(jìn)行了詳細(xì)研究和探討。黃興等[4]綜述了氫的特性和典型的燃料電池氫系統(tǒng)構(gòu)成，概述了國際上燃料電池汽車氫安全相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，同時著重從加氫、儲氫泄漏和排氫安全及整車緊急狀態(tài)等方面闡述了氫系統(tǒng)安全控制策略。蔣燕青等[5]研究分析了國內(nèi)外汽車安全測試方法，確定了氫系統(tǒng)碰撞試驗(yàn)和評價方法，滿足車輛碰撞要求。張城興等[6]分析了對燃料電池用氫安全的影響，并提出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。

通過綜述文獻(xiàn)、標(biāo)準(zhǔn)以及商用實(shí)車設(shè)計(jì)、裝車、使用環(huán)節(jié)，總結(jié)出氫燃料電池商用車設(shè)計(jì)、裝車、使用和監(jiān)控環(huán)節(jié)的氫安全保障措施與技術(shù)。

1 氫燃料電池商用車氫安全設(shè)計(jì)

在氫燃料電池商用車設(shè)計(jì)階段，主要考慮氫系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)和整車氫安全3個方面。

1.1 氫系統(tǒng)氫安全設(shè)計(jì)

氫系統(tǒng)是氫燃料電池汽車的重要組成部分，為燃料電池系統(tǒng)提供氫氣，主要包括儲氫瓶、加氫口、瓶口閥、單向閥、安全閥、減壓閥、溢流閥、瓶尾閥、壓力傳感器、氫氣傳感器和管路[3,4,6-7]（圖1、圖2）。氫系統(tǒng)在氫安全方面的設(shè)計(jì)要符合T/ZSA 103—2021《燃料電池商用車車載氫系統(tǒng)技術(shù)要求》，主要考慮零部件和整個系統(tǒng)安全[8]。

圖1 氫系統(tǒng)原理[8]

圖2 氫系統(tǒng)實(shí)物（三瓶組）示意

在零部件方面，要確保儲氫瓶、閥、管件、接頭、傳感器可靠性。目前，儲氣瓶一般使用三型瓶，采用碳纖維纏繞復(fù)合材料來保障瓶體的強(qiáng)度和剛度。通常單位質(zhì)量碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度是鋼材的6倍，剛度是鋼材的4倍[3]，比鋼材更輕、更可靠。其他閥、管件、接頭及連接件、儀表選用的金屬材料與氫都具有良好的相容性。

整個氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，安裝壓力傳感器、溫度傳感器和氫濃度傳感器監(jiān)測氫系統(tǒng)的壓力、溫度和氫泄漏情況，使其具備過溫保護(hù)、過壓保護(hù)、低壓保護(hù)、過流保護(hù)、氫氣泄漏檢測報警功能。其中，主要4項(xiàng)功能簡述如下：

（1）過溫保護(hù)：當(dāng)氫瓶溫度過高時，通過瓶尾閥自動快速泄放氫瓶內(nèi)氣體，防止發(fā)生事故。

（2）過壓保護(hù)：當(dāng)氫系統(tǒng)壓力超過安全值時，系統(tǒng)通過瓶口閥自動泄壓，使氫系統(tǒng)在安全壓力范圍內(nèi)。

（3）低壓保護(hù)：當(dāng)氫系統(tǒng)內(nèi)壓力過低時，及時切斷燃料輸出。

（4）過流保護(hù)：當(dāng)儲氫瓶或管道中的流量異常增大時，通過溢流閥自動關(guān)斷儲氫瓶中的氫氣供應(yīng)。在氫系統(tǒng)頂部安裝氫濃度傳感器，使氫氣在較低濃度下能快速響應(yīng)，達(dá)到報警作用。

1.2 燃料電池系統(tǒng)氫安全設(shè)計(jì)

燃料電池系統(tǒng)氫安全設(shè)計(jì)方面要考慮系統(tǒng)的氣密性、電堆的防撞保護(hù)和氫泄漏檢測，符合GB/T 36288—2018《燃料電池電動汽車燃料電池堆安全要求》[6,9]。

燃料電池工作的核心部件是電堆，作為氫氣和空氣反應(yīng)的場所，應(yīng)保證良好的氣密性，要求在－40~60 ℃的環(huán)境溫度下，電堆仍可保持良好的氣密性，氫氣側(cè)最大泄漏率不超過2 400 mL/min。同時，電堆在集成到燃料電池系統(tǒng)時，需要有金屬殼體對其封裝保護(hù)，這樣做一方面有利于燃料電池系統(tǒng)附件在物理結(jié)構(gòu)上的集成，另一方面可起到保護(hù)電堆，防止外界異物損傷電堆，發(fā)生氫氣泄漏，同時對外起到絕緣保護(hù)的作用。考慮到電堆工作時仍然有輕微氫氣滲漏，金屬殼體并不會完全密封電堆，會在殼體上設(shè)置通風(fēng)孔，并通過外圍管路連接，將殼體內(nèi)部氣體進(jìn)行通風(fēng)排到外界，保持內(nèi)部氫氣濃度維持較低的水平。

燃料電池系統(tǒng)在工作時，會有未完全反應(yīng)的氫氣通過排氣管排出，因此需增加對排氣管中氫氣濃度的檢測。目前，一種技術(shù)方案是在排氣管附近直接安裝氫濃度傳感器，實(shí)時檢測氫氣濃度。另外一種方案是通過采集電堆氫氣進(jìn)出口的流量，計(jì)算出電堆氫氣進(jìn)出口的流量差，進(jìn)而計(jì)算出排氣管中氫氣含量。排氣管通常設(shè)有歧路，與燃料電池系統(tǒng)的空氣進(jìn)氣路相通，該通路上設(shè)有控制氣路開閉的電磁閥，當(dāng)氫氣體積濃度接近安全標(biāo)準(zhǔn)時，電磁閥開啟，空氣進(jìn)氣路的空氣通過排氣管的歧路進(jìn)入排氣管，稀釋其中的氫氣濃度，直到遠(yuǎn)低于安全標(biāo)準(zhǔn)之下。目前GB/T 36288規(guī)定為保證任意連續(xù)3 s內(nèi)的平均氫氣體積濃度應(yīng)不超過3%，且瞬時氫氣體積濃度不應(yīng)超過8%。現(xiàn)行產(chǎn)品都應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

1.3 整車氫安全設(shè)計(jì)

在整車方面，氫安全要符合GB/T 24549—2020《燃料電池電動汽車安全要求》[10]。

在系統(tǒng)整車布置方面，儲氫容器及氫管路應(yīng)布置在通風(fēng)良好的位置或設(shè)計(jì)相應(yīng)通風(fēng)措施，保證發(fā)生泄漏時氫能夠迅速擴(kuò)散到環(huán)境中去。同時，氫系統(tǒng)布置應(yīng)確保儲氫瓶距離車邊緣有一定的安全距離。應(yīng)加裝必要的保護(hù)裝置，防止陽光照射、雨水侵襲，同時兼顧使用、維護(hù)和維修便利性。免受電火花、高溫源、高低線束和振動源影響，距離可能產(chǎn)生電火花的位置以及高溫源應(yīng)保留200 mm距離，距離高低壓線束、振動源至少保證不接觸。安裝要牢固，應(yīng)避開易受振動、摩擦、沖擊和碰撞的位置。

在氫電安全方面，應(yīng)考慮氫電的有效隔離。將可能產(chǎn)生電弧或火花等火源形式的點(diǎn)與氫系統(tǒng)進(jìn)行隔離，或?qū)⒖赡墚a(chǎn)生靜電、電弧及火花的位置可靠接地。此外通氫管路及部件（含加氫口）應(yīng)接地，以避免靜電火花引燃泄漏的氫氣。

在安全監(jiān)測方面，整車具有氫氣安全主動監(jiān)控系統(tǒng)，包括壓力傳感器、溫度傳感器、氫氣泄漏傳感器檢測元件以及電磁閥、聲光報警器執(zhí)行元件，具備檢測、顯示、報警功能。另外，燃料電池汽車上還應(yīng)裝有碰撞傳感器，當(dāng)車輛發(fā)生碰撞時碰撞傳感器與整車聯(lián)動，切斷整車氫氣供應(yīng)。

氫氣濃度監(jiān)測方面，燃料電池汽車在車載氫系統(tǒng)和燃料電池系統(tǒng)以及其他可能積聚氫氣的位置安裝了氫濃度傳感器，用于氫泄漏的實(shí)時監(jiān)測。不同整車企業(yè)處理方案有所不同。氫氣著火下限濃度（Lower Flammable Limit，LFL）為4%，當(dāng)監(jiān)測到氫氣濃度達(dá)到氫氣LFL 的25%時，判定僅做報警處理，可正常行車。當(dāng)監(jiān)測到氫氣濃度達(dá)到氫氣LFL 的50%時，燃料電池降載關(guān)機(jī)，同時做報警處理。關(guān)機(jī)完成后關(guān)閉氫氣供應(yīng)，整車可依靠純電模式行車。當(dāng)監(jiān)測到氫氣濃度達(dá)到氫氣LFL的75%時，整車發(fā)出氫泄漏報警，同時燃料電池緊急停機(jī)，切斷氫氣源，同時整車立即下高壓電，停車等待人員檢修處理。

1.4 整車裝配環(huán)節(jié)

在實(shí)車裝配環(huán)節(jié)，主機(jī)廠一般會對涉氫氣部件的裝配有特殊要求，比較關(guān)鍵的事項(xiàng)一般有以下4項(xiàng)：

（1）氫系統(tǒng)首次裝車時，加氫口處的保護(hù)蓋以及氫氣管路的防塵堵頭都不可打開，以免外界雜質(zhì)進(jìn)入管路。

（2）裝配時禁止刮碰瓶體、各種閥體、管路。

（3）裝配過程中不在氫系統(tǒng)周圍進(jìn)行焊接、火焰切割操作。

（4）裝配時不允許踩踏管路及管閥件操作。踩踏氣瓶及其他部位應(yīng)使用防護(hù)膠墊遮蓋被踩部位，操作者須穿平底鞋，防止劃傷氣瓶表面。

事項(xiàng)（1）是防止外界微塵雜質(zhì)進(jìn)入氫系統(tǒng)。這些微塵進(jìn)入到系統(tǒng)中，可能會造成過濾器堵塞，導(dǎo)致氫系統(tǒng)流量不足。

事項(xiàng)（2）、（3）、（4）是由于氫系統(tǒng)氣瓶外層是玻璃纖維，在裝配過程中應(yīng)防止玻璃纖維層被剮蹭、燙損，從而影響氣瓶使用安全。

1.5 整車下線氣密性檢測

實(shí)車裝配下線后會進(jìn)行氣密性檢測。通常檢測流程為以氮?dú)饣蛘?0%氮?dú)夂?0%氦氣的混合氣為充裝介質(zhì)，通過充裝設(shè)備，將系統(tǒng)壓力加壓至5 MPa，檢測無異常后壓力繼續(xù)階梯性增加，每次增加5 MPa 后暫停，檢測無異常后繼續(xù)增壓，最后將車載氫系統(tǒng)壓力增加至要求壓力，通常為公稱工作壓力的1.1倍，進(jìn)行最后一次檢測。

檢測方法通常使用涂液法或觀察壓力讀數(shù)法。涂液法使用專用的檢漏液對車載氫系統(tǒng)的管閥件接口處進(jìn)行涂抹檢測，若檢測區(qū)域內(nèi)不出現(xiàn)可見的氣泡則為合格。觀察壓力讀數(shù)法則是觀測壓力讀數(shù)的變化，0.5 h內(nèi)壓力變化在0.1 MPa內(nèi)則為合格。

2 氫燃料電池商用車氫安全檢測

為保障氫燃料電池汽車的氫安全，氫系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)和整車在裝車之前、上車之前都要通過相關(guān)氫安全國家強(qiáng)制性法規(guī)檢測，測試結(jié)果要符合相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，這也是對安全設(shè)計(jì)的進(jìn)一步檢驗(yàn)。

在車載氫系統(tǒng)方面，依據(jù)GB/T 29126—2012《燃料電池汽車車載氫系統(tǒng)試驗(yàn)方法》、GB/T 26990—2011《燃料電池電動汽車車載氫系統(tǒng)技術(shù)條件》進(jìn)行車載氫系統(tǒng)正常行駛和停車條件下氫安全檢測，包括儲氫瓶、管路、加氫口、壓力釋放裝置、壓力表、氫氣泄漏及檢測等項(xiàng)目進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果要滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[11-12]。同時，依據(jù)GB/T 24549—2020《燃料電池電動汽車安全要求》，符合燃料加注要求，在氫氣儲存與供給中氫氣瓶符合要求，整個系統(tǒng)的過壓保護(hù)、低壓保護(hù)、氫氣釋放泄漏檢測符合標(biāo)準(zhǔn)要求[10]。

在燃料電池系統(tǒng)方面，依據(jù)GB/T 24549—2020《燃料電池電動汽車安全要求》，燃料電池系統(tǒng)符合泄漏、泄漏探測、安全措施檢測符合標(biāo)準(zhǔn)[10]。同時，燃料電池的氣密性、絕緣性、機(jī)械結(jié)構(gòu)、氫電安全和緊急停機(jī)時檢測符合GB/T 24554—2022《燃料電池發(fā)動機(jī)性能試驗(yàn)方法》[13]和GB/T 36288—2018《燃料電池電動汽車燃料電池堆安全要求》[9]。

在整車層面，依據(jù)GB/T 24549—2020《燃料電池電動汽車安全要求》，車輛布置、氫電安全、氫氣監(jiān)測和安全監(jiān)測和檢測都符合標(biāo)準(zhǔn)要求[10]。

3 氫燃料電池汽車氫安全使用

為提高氫燃料電池汽車在使用環(huán)節(jié)中的氫安全，通常會對車輛停放、車輛使用和火災(zāi)消防提出一定要求。

3.1 車輛停放要求

為保證氫燃料電池汽車停放安全，對車輛停放、停車場和周邊環(huán)境都有嚴(yán)格的要求[14]。車輛停放時，對于氫燃料電池車輛氣瓶中有氫氣，必須停放于露天場地，確保場地、通道通風(fēng)條件良好。如果燃料電池車輛在滿足整車密閉空間測試要求后，可停放于室內(nèi)場地。停車場地需確保通風(fēng)條件良好，車輛之間的通道暢通，不得堆放其他雜物，對于室內(nèi)停車場應(yīng)在最高處布置氫氣泄漏探測系統(tǒng)和聯(lián)動排氣系統(tǒng)。同時，對停車場周邊環(huán)境也有嚴(yán)格限制，停車場地應(yīng)遠(yuǎn)離加油站、加氣站、熱源、潮濕、可燃設(shè)施和可燃物質(zhì)堆放區(qū)域、有腐蝕性氣體以及灰塵較多的地方，同時還應(yīng)避免其他車輛或移動物體對車輛造成撞擊或擠壓，防止意外事件的二次影響。

3.2 車輛使用要求

為保證車輛在使用過程中的氫安全，通常應(yīng)遵循以下5點(diǎn)[14]：

（1）燃料電池車輛應(yīng)嚴(yán)格按照整車產(chǎn)品使用說明書操作。

（2）車內(nèi)嚴(yán)禁使用明火，車內(nèi)不放置易燃、易爆物品。

（3）檢修操作應(yīng)在燃料電池系統(tǒng)完全停機(jī)并確認(rèn)高壓端無電壓后再進(jìn)行。

（4）加完氫氣后，請蓋好加氫口的防塵帽，避免進(jìn)入雜物。

（5）車輛動力系統(tǒng)上電狀態(tài)不能加氫。

3.3 火災(zāi)消防

當(dāng)發(fā)生火情時，具體措施如下[14]：

（1）在確保人身安全的情況下，切斷氣源。

（2）疏散人員遠(yuǎn)離火災(zāi)區(qū)，并往上風(fēng)處撤離。對著火區(qū)進(jìn)行隔離，防止人員入內(nèi)。如果可能，將處在火災(zāi)區(qū)附近、未受火災(zāi)直接影響的儲氫瓶轉(zhuǎn)移到安全地段。

（3）如果氫氣無法切斷，可讓氣體燃燒，直到儲氫瓶內(nèi)的氫氣燒完為止。這種處理方法是在假設(shè)火勢可以控制的前提下采用的。而且，燃燒過程中應(yīng)持續(xù)用水對儲氫瓶進(jìn)行冷卻，直到氫氣完全燒盡為止，避免儲氫瓶因過熱而發(fā)生爆炸事故。

（4）若著火點(diǎn)是在室外通風(fēng)條件良好的地方，如果可能，站在安全位置上進(jìn)行滅火。并用水對著火的儲氫瓶以及著火區(qū)附近的所有壓力容器進(jìn)行持續(xù)冷卻，使它們在火場中保持冷卻。不得設(shè)法搬動或靠近被火烘熱的儲氫瓶。

（5）如遭遇火警，應(yīng)立即向消防隊(duì)報告，告知對方著火的詳細(xì)地點(diǎn)以及著火原因。火災(zāi)解除后，不得使用遭受火災(zāi)影響的儲氫瓶。

4 氫燃料電池汽車氫安全監(jiān)控

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)也將在氫燃料電池商用車氫安全中發(fā)揮重要作用。自2017年，在工業(yè)和信息化部推動下，我國首個全國新能源汽車國家監(jiān)測與管理平臺建立。該平臺實(shí)現(xiàn)了全國新能源汽車的運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、存儲與分析，從技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)車輛安全性預(yù)測預(yù)警、車輛性能評價，致力于從技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)真實(shí)性與有效性的檢測，實(shí)現(xiàn)車輛里程核算、運(yùn)營效果評估以及節(jié)能減排評估[15]。目前，專門針對氫燃料電池汽車的大數(shù)據(jù)平臺比較多，在氫安全方面，數(shù)據(jù)平臺從氫能制取、儲存、運(yùn)輸、加注、氫燃料電池系統(tǒng)和車輛多環(huán)節(jié)進(jìn)行氫安全監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)氫安全監(jiān)控和風(fēng)險預(yù)警。當(dāng)氫氣制取、儲存、運(yùn)輸和加注環(huán)節(jié)氫氣管路泄漏時，數(shù)據(jù)平臺可實(shí)現(xiàn)泄漏源可定位、可主動報警的氫泄漏監(jiān)控，同時對氫氣制取、儲存、運(yùn)輸和加注環(huán)節(jié)儀器、零部件運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行性能分析，從而達(dá)到提前預(yù)警，降低事故率發(fā)生，同時可溯源事故發(fā)生環(huán)節(jié)。氫燃料電池汽車大數(shù)據(jù)平臺為氫燃料商用車的氫安全提供了有效的安全保障。

5 結(jié)束語

氫燃料電池汽車氫安全是車輛安全運(yùn)行以及氫燃料電池產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵因素。本文通過結(jié)合商用車氫安全設(shè)計(jì)、檢測和使用的實(shí)車經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)綜述，從車輛設(shè)計(jì)、使用和后端監(jiān)測環(huán)節(jié)，對氫燃料電池汽車氫安全保障措施進(jìn)行詳細(xì)的探討和總結(jié)，對氫燃料電池商用車在研發(fā)、設(shè)計(jì)、使用和后端監(jiān)測中涉及的氫安全具有參考價值，同時增強(qiáng)了公眾對氫燃料電池商用氫安全的認(rèn)識。研究表明，嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和使用要求，能有效保障氫燃料電池商用車氫安全。當(dāng)然，隨著技術(shù)的發(fā)展，零部件、傳感器及其他檢測技術(shù)的發(fā)展，如易感知的聲光報警技術(shù)、大數(shù)據(jù)監(jiān)測技術(shù)等，還會進(jìn)一步推動燃料電池汽車氫安全措施的進(jìn)步，車輛氫安全還會進(jìn)一步加強(qiáng)。