燃料电池汽车车载氢系统安全问题分析

李晨

摘 要：当前，全球已就“碳中和”达成共识，提高了对能源问题的关注度，而统能源未来形势严峻，转型遭遇“阵痛期”。同时，动力机械对传统能源的消耗所引发的环境污染，给人们健康生活带来不小威胁，温室气体排放等都与传统燃料使用密不可分，故而人们将目光转移至清洁可持续燃料。基于此，清洁能源氢气被开发出并用于燃料电池汽车，以燃料电池产生的电能作为动力，不仅可以提高能量利用率，且反应只产生水这一排放物，不会污染环境。但氢气本身特性使得燃料电池汽车安全性受到质疑，在一定程度上限制了燃料电池汽车发展。基于此，本文在简要阐述车载氢系统的基础上，分析了氢系统的安全问题，以期能够助力燃料电池车普及推广。

关键词：燃料电池汽车 车载氢系统 安全性

燃料电池汽车（FCVs）具有很多优点，如充气时间短、零排放、长续航等，且动力性能明显增强，是新能源汽车强劲的竞争对手。目前，日本FCVs技术较为成熟，产业链基本完善，而我国也开始重视氢能发展，并在燃料电池领域形成了全新的研究格局。作为FCVs动力源，氢气本身易爆、易挥发，因此人们对于汽车车载氢系统的安全性提出了疑问[1]。联合国欧洲经济委员会为对各国安全技术要求进行协调，使得公众对FCVs更加认可，成立了专项工作组，起草了全球技术法规GTRNO.13《氢燃料电池汽车全球技术法规》，在该技术法规中对氢燃料电池汽车的安全性作出了明确规定。

燃料电池汽车车载氢系统所面临的危险源主要是着火和爆炸，因此电动汽车安全要求相关内容也可用于FCVs。本文将着重对车载氢系统安全问题进行分析。

1 氢能安全性分析

氢能所面临的安全问题较多，如易挥发、易燃易爆、氢脆等等。但这一系列安全隐患的发生都需要基于特定条件，只要能够对必要条件进行有效控制，就能够在使用时避免氢气安全隐患。例如，氢气爆炸条件为体积密度达到4.0%～75.6%，即当空气中氢气体积浓度在4%～75.6%范围内时，一旦遇火源就会发生爆炸。当氢气体积浓度不在上述范围内时，即便接触火源也不会发生爆炸。

实际上，空气中氢气含量较低，仅为0.5ppm，其密度仅为空气的7%，氢气密度相较于天然气、汽油、丙烷等，浮力大、扩散性强、易挥发，因此在氢气很难在空气中聚集，与汽油易滞留特性不同，即便是发生泄漏，氢气也能迅速通过横向移动扩散，美国Swain博士为对比氢气与汽油的安全性，曾做过泄漏点火试验：两辆汽车燃料分别为氢气和汽油，在人为操作燃料泄漏后点火，3s后可见氢气燃烧所产生的火焰直喷向上，而汽油则从汽车底部开始燃烧;1min后燃烧仅发生在FCVs氢气泄漏部分，车身并无严重损坏;而汽油车则完全烧光。可见，FCVs车载氢系统较汽油车相比，安全性更高。

2 燃料电池汽车车载氢系统结构

图1为FCV车载氢系统结构示意图。氢气瓶的安装主要是以续航里程为依据，在每个氢气瓶口都设有瓶阀，内置温度传感器，而在瓶阀外还安装有高压传感器。而高压传感器的安装位置可以随意选择，主要是因为气瓶外管路相通[2]。一般情况下，燃料电池汽车约6～8个氢气瓶，每3～4个氢气瓶为一组，每组安装1个高压传感器。在氢气传输系统管路上，由总阀、减压阀、压力开关、抵押传感器等组件构成，其中总阀主要作用是对整个管路的通断进行控制;减压阀主要是为控制氢气瓶总压力，使其保持在规定压力范围内;压力开关则是为了确保管路压力超预警;抵押传感器则主要是对氢氧燃料反应的压力进行监测。而H2传感器则主要是对车厢内氢气浓度进行监测，为系统判断是否出现氢燃料泄漏提供数据支持。

3 燃料电池汽车车载氢系统安全性

3.1 储氢系统安全

燃料电池汽车（FCVs）储氢系统包括加氢系统和车载储氢系统两部分，因此FCVs储氢系统的安全性也将从这两方面进行分析。在加注高压氢气时，氢气瓶温度会瞬时升高，所以在加注时采用了多种策略联合使用的方法，包括氢气预冷、升温控制、分级优化等[3]。

以往储氢罐材料主要采用的是304不锈钢或铬钼钢，但是这类材料重量较大，无法满足FCVs轻量化要求。如梅赛德斯奔驰GLCF-Cell所采用的储氢罐型号为挪威HexagonⅣ型，安装于车辆底板和车桥间的碰撞保护区内，周围辅助车架也形成屏障，有效保护一大一小两个储氢罐。储氢罐材料为碳纤维外壳，可储氢4.4kg，且储氢压力为全球标准70MPa，充满氢燃料仅需3min[4]。又比如本田Clarity储氢罐采用的是Type3型，为铝合金内衬材质，符合国际技术标准GTRNO.13相关技術要求。丰田MIRAI储氢罐数量缩减为2个，旧款FCVs则有4个储氢罐。同时，MIRAI储氢罐体积变小，安置于后排座椅下方，其由三层混合材料结构组成，最外层为抗冲击性较强的玻璃纤维增强塑料（GFRP）;中层为碳纤维增强塑料（CFRP），这种材料具有较强的抗压性;内层为塑料内胆，主要作用是密封空气;储氢罐两端为环形保护层，耐摔耐火性能较强。通过对CFRP层进行优化，并合理降低材料用量，储氢罐重量实现了大幅度下降。现代公司在储氢罐技术上具有自主研发能力，现代NEXO3个储氢罐大小相同，使用了碳纤维制造的新型材料，抗渗性优良，可以长时间承受高温。

3.2 供氢系统安全

FCVs供氢系统主要由高压储氢罐、减压阀、稳压罐、传感器、压力调节阀以及各种管路组成。如梅赛德斯奔驰GLCF-Cell碰撞传感器一旦监测到发生重大事故，氢气瓶罐阀和主氢气阀将会在几毫秒内关闭，使氢气瓶内压力从70MPa降至1～1.2MPa;而另一个压力调节阀位于燃料电池组入口，在发生事故时氢侧燃料电池组压力将会被降至0.1～0.3MPa。以此来确保即便发生事故也不会发生氢泄漏情况。本田Clarity重新设计和压缩了各个组件，包括调节器、压力传感器、截止阀等，将其作为内置模块，高压供氢系统零件数量大幅度减少，这在很大程度上降低了氢气泄漏的风险。同时，位于各个位置的氢气传感器将会实时对氢气浓度进行监测，一旦发现出现异常情况将会立即关闭截止阀，从而将氢气源切断。丰田MIRAI在供氢系统中使用铝合金作为高压部件的主体，有效防止供氢管道出现氢脆现象。同时，使用明矾对铝制主体进行处理，确保滑动特定稳定，并减少磨损。此外，为避免高压传感器膜片因氢渗透进而对传感器数据精准性产生影响，MIRAI在高压传感器膜片内表面添加了经过特殊表面处理的薄膜。经检测，添加薄膜后，膜片中情氢固溶体含量减少90%，即便是长期处于高压氢气环境，传感器精度也不受影响。现代NEXO供氢系统中，采用引射器模式代替原有“循环泵+引射器”方式进行氢循环，供氢系统结构更加简单，供氢安全性得到提升。同时，NEXO供氢系统还具有快速排气功能，一旦车辆发生碰撞，传感器将会立即将排气阀门开启，快速排空内部高压氢气。

3.3 氢系统安全监控

安全监控系统主要是检测氢气是否泄漏，监控对象包括FCVs发动机、储供氢系统等，监控系统压力、温度等是否存在异常，从而保证燃料电池汽车在加氢和使用过程更加安全[5]。就目前主流FCVs汽车而言，氢系统安全监控系统主要由传感器、控制器组成，其中传感器又涉及到温度传感器、压力传感器、泄漏传感器等。氢系统控制器将会在工作期间对氢瓶、氢气泄漏、整车运行状态等进行监控，一旦出现异常将会自主关闭供氢系统。

3.3.1 监控氢气泄漏

在FCVs中容易出现泄漏和集聚氢气的部位安装泄漏传感器，如燃料电池发动机系统、乘客舱、储氢瓶等位置，以实现对车内氢含量的实时监测，一旦发现氢含量异常，将会立即采取响应预案，确保车内乘客安全[6]。而且，当传感器检测到氢气泄漏浓度超过爆炸下限的10%、25%和50%时，监控器将会发出Ⅰ～Ⅲ级相应等级的警报信号，氢气泄漏控制措施如表1所示。

3.3.2 氢气加注安全监控

在FCVs加氢时，氢系统监控器一旦监测到氢瓶内压力超过预设最高值，或未达到最低要求时，将会立即发送压力异常报警信号，整车系统将会停止向氢瓶内加氢。此外，加氢枪上安装有传感器，可对温度和压力进行实时监控。

3.3.3 氢瓶温度监控

氢系统控制器在进行温度检测时，发现气瓶温度过高或过低，都会立即将电磁阀关闭，然后向整车管路系统发送温度异常警报，同时向加氢机发送立即结束工作信号，并显示出发生故障的氢瓶的编号，然后通过声光方式向驾驶员发送预警信息，以确保能立即采取相应保护措施。

3.3.4 供氢时管路压力监控

控制器一旦监测到到车载氢系统供氢时压力出现异常，超过或低于最高和最低值，此时电磁阀将会立即被关闭，然后发送管路超压或低压报警信息，请求管路系统立即结束运行，并向驾驶员发送预警信息，以便驾驶员及时采取相关措施。

3.3.5 电气元件短路监控

当FCVs电气元件出现故障，监控器将会发送故障信号，氢系统中全部电磁阀都将被立即关闭，且系统将会断电，并以声光警报方式通知驾驶员。

3.4 碰撞安全

为确保车辆在发生碰撞时氢系统不被损坏，通常都是设计碰撞安全系统，有效保证氢系统的安全性。为进一步提高FCVs碰撞防护能力，在提高关键部位零件防撞能力的同时，通过一系列措施确保碰撞时氢系统不被破坏，具体包括优化氢系统布设位置、固定装置保护、自动断电、自动关闭阀门等。通常高压储氢罐安装在车辆前置顶部，汽车后置顶部则安装燃料电池模块，地板下方安装动力电池。通过车顶管路和后部燃料电池系统，可以与前置储氢罐连接起来，在发生碰撞导致氢气泄漏时，可以将氢气快速排空[7]。燃料电池模块对汽车结构影响不大，将动力电池安装于地板下方则可以保证车身重心。

在燃料电池汽车供氢系统中，高压储氢罐组作为重要的储能部件，同时也存在巨大的安全隐患。比如，一些专用储氢系统固定支架的强度非常大，将高压管路、氢瓶阀和氢瓶罐组集合起来，使用钢带进行支撑，有效保证高压氢瓶在发生碰撞时也不会出现位移，从而避免连接管路在碰撞时出现断裂，从而引发氢气泄漏。有实验显示，对燃料电池汽车进行带压前碰和零压后碰，氢气瓶和燃料电池均符合相关要求。

此外，汽车碰撞是一个非常复杂的过程，即便各类零部件设计牢固，但是在碰撞时也可能会造成某部件损坏，从而导致氢气漏泄。因此，为了预防这种情况，可在整车不同部位设计至少2个冗余的惯性开关，开关在发生碰撞时被激活，从而向氢系统控制器传送碰撞信号，氢系统控制器则发送关闭储氢阀门信号，及时阻断氢气供应，将氢氣泄漏量控制到最低。惯性开关的设计能够检测到任何形式的碰撞，同时也能避免某一个开关发生故障而无法检测到碰撞发生。

4 结语

综上所述，氢能作为一种清洁能源，尽管具有易燃、易爆、氢脆等安全隐患，但是只要采取有效的防控措施，那么其与汽油汽车相比，燃料电池汽车安全性更高。同时，经过多年不断实践和规范，燃料电池汽车安全可靠，具有十分广阔的发展前景。而对于燃料电池汽车而言，如何规模化、产业化发展是今后亟待思考的重要问题。

项目名称：燃料电池商用车集成技术与研究。项目编号：2020CXGC010406。

参考文献：

[1]刘海利.燃料电池汽车用氢的制取及储存技术的现状与发展趋势[J].石油库与加油站，2019，28（05）：24-27+4-5.

[2]常国峰，李玉洋，季运康.燃料电池汽车动力系统综合测试环境舱的氢安全设计[J].实验技术与管理，2020，37（4）：280-282，287.

[3]张新建.燃料电池汽车车载氢系统安全性分析[J].时代汽车，2019（2）：98-100.

[4]杨晓明，陈杰，刘莲.燃料电池汽车车载氢系统安全性分析[J].汽车博览，2020（22）：74-75.

[5]夏玉珍，胡祎玮，王杰董，等.燃料电池汽车安全系统分析[J].电池工业，2021，25（1）：26-32，37.

[6]孙田，景帅帅，陈光，等.燃料电池汽车车载氢系统安装强度试验分析[J].北京汽车，2021（5）：1-3，8.

[7]周广波，王品泉.燃料电池客车氢系统碰撞保护传感器应用研究[J].客车技术与研究，2020，42（2）：26-27，30.