我國燃料電池客車已經(jīng)完成商業(yè)示范運(yùn)營，各種性能指標(biāo)已基本達(dá)到運(yùn)營要求，開始向大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)。然而，一種新的能源系統(tǒng)要得到推廣和應(yīng)用，其安全性是應(yīng)該首先被關(guān)注的。氫氣易揮發(fā)、易燃、易爆及氫脆等特性，使得氫氣在使用過程中存在一定的安全隱患。另外，由于對(duì)氫氣使用的經(jīng)驗(yàn)不夠豐富，駕駛員在使用氫燃料電池汽車時(shí)，心理上也存在著較大的疑慮。本文對(duì)氫能安全及在燃料電池汽車上采取的安全措施進(jìn)行了分析介紹，使人們對(duì)燃料電池汽車的安全性有更深入的了解和認(rèn)識(shí)。
一、氫能的安全性
任何能源都有一定的安全性問題，只要在使用過程中，根據(jù)其基本特性，通過科學(xué)設(shè)計(jì)，合理使用，就會(huì)避免或者降低其危害，為人類的發(fā)展提供能量。
氫能作為一種清潔能源，具有易燃、易爆及氫脆等安全性問題。但這些安全危害的出現(xiàn)都是在一定環(huán)境條件下產(chǎn)生的，只要在使用過程中控制必要條件，就可避免氫氣的危害。例如，氫氣爆炸極限是體積密度達(dá)到4.0%～75%，即氫氣在空氣中的體積濃度在4.0%～75%之間時(shí)，遇火源就會(huì)爆炸，而當(dāng)氫氣濃度小于4.0%或大于75%時(shí)，即使遇到火源，也不會(huì)爆炸。
通常情況下，氫的密度僅為空氣的7%（一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，0℃下，密度為0.0899g/L），與汽油、丙烷和天然氣相比，具有更大的浮力(快速上升)、擴(kuò)散性(橫向移動(dòng))和快速揮發(fā)性。空氣中很難聚集高濃度的氫，如果發(fā)生泄漏，氫氣會(huì)迅速擴(kuò)散，特別是在開放環(huán)境中，很容易快速逃逸，而不像汽油揮發(fā)后滯留在空氣中不易疏散。美國邁阿密大學(xué)的Swain博士做過一個(gè)著名的試驗(yàn)，如圖1-1所示。兩輛汽車分別用氫氣和汽油作燃料，然后進(jìn)行泄漏點(diǎn)火試驗(yàn)。點(diǎn)火3秒后，高壓氫氣產(chǎn)生的火焰直噴上方，汽油則從汽車的下部著火；到1分鐘時(shí)，用氫氣作燃料的汽車只有漏出的氫氣在燃燒，汽車沒有大問題，而汽油車則早已成為大火球，完全燒光。所以氫氣易揮發(fā)的性質(zhì)，與普通汽油車相比，有利于汽車的安全。
綜上，只要合理預(yù)防控制氫氣的不利安全因素，就會(huì)避免產(chǎn)生安全危害。氫工業(yè)長期以來的安全運(yùn)行以及氫能在航空航天等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，都足以證明這一點(diǎn)。
二、燃料電池汽車氫系統(tǒng)安全性
國內(nèi)外對(duì)燃料電池汽車制定了很多標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，其中65%以上的內(nèi)容是針對(duì)安全性的規(guī)定。燃料電池汽車的氫安全性，主要是指燃料電池汽車運(yùn)行過程中車載氫系統(tǒng)的安全，主要包括高壓供氫系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的安全性等。目前，為了保證車載氫系統(tǒng)的安全，各企業(yè)主要從材料選擇、氫泄露監(jiān)測、靜電防護(hù)、防爆、阻燃等方面進(jìn)行預(yù)防和控制。
2.1材料安全防護(hù)
氫氣與金屬材料接觸會(huì)產(chǎn)生氫脆效應(yīng)，氫脆是溶于金屬中的高壓氫在局部濃度達(dá)到飽和后引起金屬塑性下降、誘發(fā)裂紋甚至開裂的現(xiàn)象。氫在常溫常壓下并不會(huì)對(duì)鋼產(chǎn)生明顯的腐蝕，但在高溫高壓下，會(huì)產(chǎn)生氫脆，使其強(qiáng)度大大降低，導(dǎo)致失效。如果與氫接觸的材料選擇不當(dāng)，就會(huì)導(dǎo)致氫泄漏和燃料管道失效。目前，高壓儲(chǔ)氫瓶選擇鋁合金或合成材料來避免氫脆的產(chǎn)生。例如，豐田Mirai儲(chǔ)氫瓶采用高強(qiáng)度的混合材料，由三層結(jié)構(gòu)組成，最內(nèi)層材料是高強(qiáng)度聚合物，中層是強(qiáng)化碳纖維和高強(qiáng)度聚合物的混合材料，外層是玻璃纖維和高強(qiáng)度聚合物的混合材料，其他廠家也有類似的設(shè)計(jì)，例如昆騰(Quantum)和丁泰克(Dynetek)現(xiàn)在出售的塑料內(nèi)膽和鋁內(nèi)膽碳纖維纏繞的高壓儲(chǔ)氫瓶具有重量輕、單位重量儲(chǔ)氫密度高等優(yōu)點(diǎn)，與鋼制容器相比很好地解決了氫脆問題。國內(nèi)的燃料電池汽車高壓氫瓶主要采用鋁內(nèi)膽加碳纖維纏繞的Ⅲ型氣瓶。。
各種燃料管道以及閥件也都采用適用于氫介質(zhì)的材料，如抗氫脆的不銹鋼（316L，耐壓大于5000psi）、鋁合金材料或聚合物，并且儲(chǔ)瓶、管道及閥件所能承受的壓力留有足夠的安全余量，儲(chǔ)氫瓶的安裝及高壓氫氣連接管材質(zhì)均應(yīng)符合相關(guān)國家規(guī)范的安全要求。這些材料的使用，均可避免氫脆的發(fā)生。
2.2元器件防護(hù)
為了防止電路中產(chǎn)生電火花點(diǎn)燃?xì)錃舛a(chǎn)生燃燒或爆炸事故，燃料電池汽車的電氣元件、管路、閥體均采用相應(yīng)的防爆、防靜電、阻燃、防水、防鹽霧材料。例如，燃料電池汽車的氫檢測傳感器均選用防爆型，而不用觸點(diǎn)式傳感器，因?yàn)橛|點(diǎn)式傳感器在氫氣含量達(dá)到設(shè)定值時(shí)通過觸點(diǎn)的動(dòng)作輸出信號(hào)，容易產(chǎn)生觸點(diǎn)火花而引發(fā)事故；為了防止繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生電弧放電而點(diǎn)燃?xì)錃?，氫安全處理系統(tǒng)中所用的繼電器選用防爆固態(tài)繼電器；元器件的防水防塵等級(jí)為IP67，以后將逐步提高；線束材料的阻燃級(jí)別：垂直燃燒V0和水平燃燒ＨＢ級(jí)，均為最高等級(jí)要求。
2.3氫系統(tǒng)安全防護(hù)
氫系統(tǒng)的防護(hù)措施，主要是對(duì)高壓儲(chǔ)氫瓶及氫氣管路進(jìn)行安全設(shè)計(jì)，安裝各種安全設(shè)施。如2-1車載氫系統(tǒng)功能框圖所示，燃料電池汽車的氫系統(tǒng)安全防護(hù)體系是由排空管、安全閥、手動(dòng)截止閥、單向閥、泄壓球閥、碰撞傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、電磁閥、碰撞傳感器等構(gòu)成，并在監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)定相應(yīng)的防護(hù)值，一旦發(fā)生異常狀況，則通過氫系統(tǒng)控制器將各種監(jiān)控信息傳遞給各種安全設(shè)施，及時(shí)斷開或關(guān)閉，使燃料電池汽車處于安全狀態(tài)。
▲圖2-1車載氫系統(tǒng)功能框圖
氫系統(tǒng)的安全設(shè)施主要功能如下：
（1）氣瓶安全閥：當(dāng)儲(chǔ)氫瓶氫氣壓力超過設(shè)定值后能自動(dòng)泄壓。例如在瓶體溫度由于某種原因突然升高造成瓶內(nèi)氣體壓力升高，當(dāng)壓力超過安全閥設(shè)定值時(shí)，安全閥自動(dòng)泄壓，保證氣瓶在安全的工作壓力范圍之內(nèi)。
?。?）溫度傳感器：通過氣體溫度的變化判斷外界是否有異常情況發(fā)生。如果氣體溫度突然急劇上升時(shí)，若非溫度傳感器故障，則在氣瓶周圍可能有火警發(fā)生，可通過氫系統(tǒng)控制器立即報(bào)警。
?。?）氣瓶電磁閥：氣瓶電磁閥為12V直流電源驅(qū)動(dòng)，無電源時(shí)處于常閉狀態(tài)，主要起開關(guān)氣瓶的作用，與氫氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)正常通電工作時(shí)，電池閥處于開啟狀態(tài)，一旦泄漏氫氣濃度達(dá)到保護(hù)值則自動(dòng)關(guān)閉，從而達(dá)到切斷氫源的目的。
（4）手動(dòng)截止閥：通常處于常開狀態(tài)，當(dāng)氣瓶電磁閥失效時(shí)可以手動(dòng)切斷氫源。電磁閥和手動(dòng)截止閥聯(lián)合作用，可有效地避免了氫氣泄漏。
?。?）壓力傳感器：用于判斷氣瓶中剩余氫氣量，保證車輛的正常行駛。當(dāng)壓力低于某值時(shí)可以提示駕駛員加注氫氣。
?。?）加氣口：在加注時(shí)與加氫機(jī)的加氣槍相連，具有單向閥的功能。
（7）單向閥：在加氣口損壞時(shí)，阻止氣體向外泄漏。
?。?）管路電磁閥：在給氫氣瓶充氣時(shí)，可有效防止氣體進(jìn)入燃料電池。
?。?）減壓閥：將氫氣的壓力調(diào)節(jié)到燃料電池所需要的壓力。當(dāng)出現(xiàn)異常情況，可以與針閥、安全閥聯(lián)動(dòng)將氫氣瓶中的殘余氫氣安全放空。
?。?0）熱熔栓：設(shè)置在高壓氫瓶內(nèi)，可防止周邊著火導(dǎo)致氫瓶發(fā)生爆炸。一旦溫度傳感器檢測到儲(chǔ)氫瓶周邊溫度過高，則氫瓶內(nèi)的熱熔栓將熔化，使氫氣低流速釋放，如果周邊有火源，只出現(xiàn)氫氣緩慢燃燒而避免爆燃情況發(fā)生。
2.4氫系統(tǒng)安全監(jiān)控
車載氫系統(tǒng)安全監(jiān)控主要是對(duì)儲(chǔ)氫瓶系統(tǒng)、乘客艙、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)以及尾氣排放處的氫氣泄露、系統(tǒng)壓力、系統(tǒng)溫度、電氣元件及其他器件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保燃料電池在加氫、用氫過程中的安全。氫氣安全監(jiān)控系統(tǒng)主要包括氫系統(tǒng)控制器、氫氣泄漏傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器等元器件。氫系統(tǒng)控制器在工作過程中，氫系統(tǒng)控制器監(jiān)控氫瓶及氫管路安全、氫氣泄漏狀態(tài)及整車運(yùn)行狀態(tài)，只要出現(xiàn)異常，隨時(shí)主動(dòng)關(guān)閉供氫系統(tǒng)，保證燃料電池車輛安全。
?。?）氫氣泄露監(jiān)控
在儲(chǔ)氫瓶口、乘客艙及燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)易于聚集和泄漏處均放置多個(gè)氫氣泄露傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測車內(nèi)的氫含量，一旦發(fā)生氫泄漏立即采取響應(yīng)處置，確保乘客安全。而且當(dāng)有任何一個(gè)傳感器檢測到的氫體積分?jǐn)?shù)超過氫爆炸下限(空氣中的氫體積含量為4％)的10％、25％和50％時(shí)，監(jiān)控器會(huì)分別發(fā)出I級(jí)、II級(jí)、11I級(jí)聲光報(bào)警信號(hào)。具體控制措施，如表2-1所示。
▼表2-1氫氣泄漏控制
?。?）加注安全監(jiān)控與防護(hù)
車載氫系統(tǒng)加氫時(shí)，當(dāng)氫系統(tǒng)控制器檢測到氫瓶內(nèi)壓力超過設(shè)定的加注壓力或低于設(shè)定的低壓值時(shí)，立即向整車管路系統(tǒng)和加氫機(jī)發(fā)送停止加氫及氫瓶壓力過高或過低的報(bào)警信息。
另外，加氫槍安裝了溫度傳感器及壓力傳感器，同時(shí)還具有過電壓保護(hù)、環(huán)境溫度補(bǔ)償、軟管拉斷裂保護(hù)及優(yōu)先順序加氣控制系統(tǒng)等功能。
（3）氫瓶溫度監(jiān)控
當(dāng)氫系統(tǒng)控制器檢測到氣瓶的溫度超過或低于設(shè)定溫度時(shí)，立即關(guān)閉電磁閥，并將氫瓶內(nèi)溫度過高或過低的報(bào)警信息發(fā)送給整車管路系統(tǒng)和加氫機(jī)請求結(jié)束正常工作，同時(shí)信息提示故障氣瓶編號(hào)，通過聲光報(bào)警方式通知司機(jī)，立即采取相應(yīng)措施。
?。?）供氫時(shí)管路壓力監(jiān)控
當(dāng)車載氫系統(tǒng)供氫時(shí)，氫系統(tǒng)控制器檢測低壓壓力超過或低于設(shè)定值時(shí)，立即關(guān)斷電磁閥，并將管路超壓或管路低壓的報(bào)警信息發(fā)送給整車管理系統(tǒng)請求結(jié)束正常工作，同時(shí)聲光報(bào)警提示司機(jī)采取必要措施。
?。?）電氣元件短路監(jiān)控
氫系統(tǒng)控制器到電氣元件發(fā)生短路時(shí)，立即關(guān)閉氫系統(tǒng)所有電磁閥并使氫系統(tǒng)斷電，同時(shí)通過聲光報(bào)警提示司機(jī)氫系統(tǒng)短路，采取相應(yīng)的安全措施。
2.5碰撞安全防護(hù)
燃料電池汽車的碰撞安全主要包括儲(chǔ)氫系統(tǒng)、氫氣管路、燃料電池堆、各類閥門、連接頭等關(guān)鍵部件在發(fā)生碰撞時(shí)不能遭受破壞。目前，對(duì)燃料電池氫安全的碰撞防護(hù)設(shè)計(jì)除了關(guān)鍵零部件具有防撞能力外，主要通過位置布置、固定裝置保護(hù)和慣性開關(guān)監(jiān)控碰撞并與整車監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，自動(dòng)斷電、自動(dòng)關(guān)閉閥門等措施來避免災(zāi)難的發(fā)生。例如，燃料電池混合動(dòng)力客車的高壓儲(chǔ)氫瓶一般放在車輛前置頂部，燃料電池模塊放在客車后置頂部，動(dòng)力電池放置于地板下方。前置的儲(chǔ)氫瓶，通過車頂部的管路與車輛后部的燃料電池系統(tǒng)連接，在發(fā)生泄露時(shí)，氫氣可以迅速排放到大氣中去。燃料電池模塊對(duì)車身結(jié)構(gòu)基本無影響，而動(dòng)力電池放置在地板下方，則兼顧了車身重心低穩(wěn)定性好，如圖2-2所示。
①氫系統(tǒng)；②空調(diào)系統(tǒng)；③燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)；④空氣過濾器；
⑤水箱；⑥散熱系統(tǒng)
▲圖2-2燃料電池客車氫系統(tǒng)布置示意圖
高壓儲(chǔ)氫瓶組是燃料電池供氫系統(tǒng)中的儲(chǔ)能部件，也是安全隱患的根源所在。目前，通過用足夠強(qiáng)度的專用儲(chǔ)氫系統(tǒng)固定支架將氫瓶組、氫瓶閥及高壓管路集成在一起，并用鋼帶支撐，以保證在碰撞過程中，高壓氫瓶的動(dòng)態(tài)位移不會(huì)太大，從而避免造成連接管路的斷裂和變形導(dǎo)致氫氣大量泄漏。何雍等(2011)對(duì)燃料電池實(shí)車進(jìn)行了帶壓前碰和零壓后碰試驗(yàn)，馬春生等（2014）對(duì)燃料電池大客車側(cè)翻狀態(tài)下氫系統(tǒng)和燃料電池的加速度和動(dòng)態(tài)位移情況進(jìn)行了仿真研究。結(jié)果表明，燃料電池和氫氣瓶能達(dá)到預(yù)期所規(guī)范的要求。
另外，由于碰撞過程極為復(fù)雜，即使零部件已經(jīng)設(shè)計(jì)的非常牢固，也有可能造成某處零部件的損壞，并最終導(dǎo)致氫氣泄漏，所以，為了預(yù)防此狀況的發(fā)生，在整車上進(jìn)行了慣性開關(guān)的冗余設(shè)計(jì)，至少設(shè)置2個(gè)且在車身的不同部位。當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)慣性開關(guān)被激活，將碰撞信號(hào)傳送至氫系統(tǒng)控制器，氫系統(tǒng)控制器立即發(fā)出指令關(guān)閉儲(chǔ)氫瓶閥門，斷開氫氣供應(yīng)，將氫氣的泄漏量降低至最低。慣性開關(guān)的冗余設(shè)計(jì)不但確保各種碰撞工況都能夠被檢測到，而且也可避免因某個(gè)慣性開關(guān)發(fā)生故障而檢測不到碰撞情況的發(fā)生。
結(jié)語
燃料電池汽車的安全是燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，目前各企業(yè)在燃料電池汽車上采取的安全措施，經(jīng)過多年的實(shí)際示范運(yùn)營證明是可靠的。隨著燃料電池成本下降和性能不斷提高，燃料電池汽車已經(jīng)基本達(dá)到和傳統(tǒng)汽車相媲美的水平，燃料電池汽車商業(yè)化、規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化是未來發(fā)展趨勢。
