我國燃料電池客車(chē)已經(jīng)完成商業(yè)示范運營(yíng)，各種性能指標已基本達到運營(yíng)要求，開(kāi)始向大規模產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)。然而，一種新的能源系統要得到推廣和應用，其安全性是應該首先被關(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(guò)程中存在一定的安全隱患。另外，由于對氫氣使用的經(jīng)驗不夠豐富，駕駛員在使用氫燃料電池汽車(chē)時(shí)，心理上也存在著(zhù)較大的疑慮。本文對氫能安全及在燃料電池汽車(chē)上采取的安全措施進(jìn)行了分析介紹，使人們對燃料電池汽車(chē)的安全性有更深入的了解和認識。
一、氫能的安全性
任何能源都有一定的安全性問(wèn)題，只要在使用過(guò)程中，根據其基本特性，通過(guò)科學(xué)設計，合理使用，就會(huì )避免或者降低其危害，為人類(lèi)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(wèn)題。但這些安全危害的出現都是在一定環(huán)境條件下產(chǎn)生的，只要在使用過(guò)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)標準大氣壓下，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)、擴散性(橫向移動(dòng))和快速揮發(fā)性?？諝庵泻茈y聚集高濃度的氫，如果發(fā)生泄漏，氫氣會(huì )迅速擴散，特別是在開(kāi)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(guò)一個(gè)著(zhù)名的試驗，如圖1-1所示。兩輛汽車(chē)分別用氫氣和汽油作燃料，然后進(jìn)行泄漏點(diǎn)火試驗。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(chē)的下部著(zhù)火；到1分鐘時(shí)，用氫氣作燃料的汽車(chē)只有漏出的氫氣在燃燒，汽車(chē)沒(méi)有大問(wèn)題，而汽油車(chē)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(chē)相比，有利于汽車(chē)的安全。
綜上，只要合理預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(cháng)期以來(lái)的安全運行以及氫能在航空航天等領(lǐng)域的廣泛應用，都足以證明這一點(diǎn)。
二、燃料電池汽車(chē)氫系統安全性
國內外對燃料電池汽車(chē)制定了很多標準和規范，其中65%以上的內容是針對安全性的規定。燃料電池汽車(chē)的氫安全性，主要是指燃料電池汽車(chē)運行過(guò)程中車(chē)載氫系統的安全，主要包括高壓供氫系統、燃料電池發(fā)電系統的安全性等。目前，為了保證車(chē)載氫系統的安全，各企業(yè)主要從材料選擇、氫泄露監測、靜電防護、防爆、阻燃等方面進(jìn)行預防和控制。
2.1材料安全防護
氫氣與金屬材料接觸會(huì )產(chǎn)生氫脆效應，氫脆是溶于金屬中的高壓氫在局部濃度達到飽和后引起金屬塑性下降、誘發(fā)裂紋甚至開(kāi)裂的現象。氫在常溫常壓下并不會(huì )對鋼產(chǎn)生明顯的腐蝕，但在高溫高壓下，會(huì )產(chǎn)生氫脆，使其強度大大降低，導致失效。如果與氫接觸的材料選擇不當，就會(huì )導致氫泄漏和燃料管道失效。目前，高壓儲氫瓶選擇鋁合金或合成材料來(lái)避免氫脆的產(chǎn)生。例如，豐田Mirai儲氫瓶采用高強度的混合材料，由三層結構組成，最內層材料是高強度聚合物，中層是強化碳纖維和高強度聚合物的混合材料，外層是玻璃纖維和高強度聚合物的混合材料，其他廠(chǎng)家也有類(lèi)似的設計，例如昆騰(Quantum)和丁泰克(Dynetek)現在出售的塑料內膽和鋁內膽碳纖維纏繞的高壓儲氫瓶具有重量輕、單位重量?jì)涿芏雀叩葍?yōu)點(diǎn)，與鋼制容器相比很好地解決了氫脆問(wèn)題。國內的燃料電池汽車(chē)高壓氫瓶主要采用鋁內膽加碳纖維纏繞的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，并且儲瓶、管道及閥件所能承受的壓力留有足夠的安全余量，儲氫瓶的安裝及高壓氫氣連接管材質(zhì)均應符合相關(guān)國家規范的安全要求。這些材料的使用，均可避免氫脆的發(fā)生。
2.2元器件防護
為了防止電路中產(chǎn)生電火花點(diǎn)燃氫氣而產(chǎn)生燃燒或爆炸事故，燃料電池汽車(chē)的電氣元件、管路、閥體均采用相應的防爆、防靜電、阻燃、防水、防鹽霧材料。例如，燃料電池汽車(chē)的氫檢測傳感器均選用防爆型，而不用觸點(diǎn)式傳感器，因為觸點(diǎn)式傳感器在氫氣含量達到設定值時(shí)通過(guò)觸點(diǎn)的動(dòng)作輸出信號，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)燃氫氣，氫安全處理系統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為IP67，以后將逐步提高；線(xiàn)束材料的阻燃級別：垂直燃燒V0和水平燃燒ＨＢ級，均為最高等級要求。
2.3氫系統安全防護
氫系統的防護措施，主要是對高壓儲氫瓶及氫氣管路進(jìn)行安全設計，安裝各種安全設施。如2-1車(chē)載氫系統功能框圖所示，燃料電池汽車(chē)的氫系統安全防護體系是由排空管、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、碰撞傳感器等構成，并在監控系統中設定相應的防護值，一旦發(fā)生異常狀況，則通過(guò)氫系統控制器將各種監控信息傳遞給各種安全設施，及時(shí)斷開(kāi)或關(guān)閉，使燃料電池汽車(chē)處于安全狀態(tài)。
▲圖2-1車(chē)載氫系統功能框圖
氫系統的安全設施主要功能如下：
?。?）氣瓶安全閥：當儲氫瓶氫氣壓力超過(guò)設定值后能自動(dòng)泄壓。例如在瓶體溫度由于某種原因突然升高造成瓶?jì)葰怏w壓力升高，當壓力超過(guò)安全閥設定值時(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。
?。?）溫度傳感器：通過(guò)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?chē)赡苡谢鹁l(fā)生，可通過(guò)氫系統控制器立即報警。
?。?）氣瓶電磁閥：氣瓶電磁閥為12V直流電源驅動(dòng)，無(wú)電源時(shí)處于常閉狀態(tài)，主要起開(kāi)關(guān)氣瓶的作用，與氫氣泄漏報警系統聯(lián)動(dòng)。當系統正常通電工作時(shí)，電池閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，一旦泄漏氫氣濃度達到保護值則自動(dòng)關(guān)閉，從而達到切斷氫源的目的。
?。?）手動(dòng)截止閥：通常處于常開(kāi)狀態(tài)，當氣瓶電磁閥失效時(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(chē)輛的正常行駛。當壓力低于某值時(shí)可以提示駕駛員加注氫氣。
?。?）加氣口：在加注時(shí)與加氫機的加氣槍相連，具有單向閥的功能。
?。?）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：將氫氣的壓力調節到燃料電池所需要的壓力。當出現異常情況，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：設置在高壓氫瓶?jì)?，可防止周邊?zhù)火導致氫瓶發(fā)生爆炸。一旦溫度傳感器檢測到儲氫瓶周邊溫度過(guò)高，則氫瓶?jì)鹊臒崛鬯▽⑷刍?，使氫氣低流速釋放，如果周邊有火源，只出現氫氣緩慢燃燒而避免爆燃情況發(fā)生。
2.4氫系統安全監控
車(chē)載氫系統安全監控主要是對儲氫瓶系統、乘客艙、燃料電池發(fā)動(dòng)機系統以及尾氣排放處的氫氣泄露、系統壓力、系統溫度、電氣元件及其他器件進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，確保燃料電池在加氫、用氫過(guò)程中的安全。氫氣安全監控系統主要包括氫系統控制器、氫氣泄漏傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器等元器件。氫系統控制器在工作過(guò)程中，氫系統控制器監控氫瓶及氫管路安全、氫氣泄漏狀態(tài)及整車(chē)運行狀態(tài)，只要出現異常，隨時(shí)主動(dòng)關(guān)閉供氫系統，保證燃料電池車(chē)輛安全。
?。?）氫氣泄露監控
在儲氫瓶口、乘客艙及燃料電池發(fā)動(dòng)機系統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)監測車(chē)內的氫含量，一旦發(fā)生氫泄漏立即采取響應處置，確保乘客安全。而且當有任何一個(gè)傳感器檢測到的氫體積分數超過(guò)氫爆炸下限(空氣中的氫體積含量為4％)的10％、25％和50％時(shí)，監控器會(huì )分別發(fā)出I級、II級、11I級聲光報警信號。具體控制措施，如表2-1所示。
▼表2-1氫氣泄漏控制
?。?）加注安全監控與防護
車(chē)載氫系統加氫時(shí)，當氫系統控制器檢測到氫瓶?jì)葔毫Τ^(guò)設定的加注壓力或低于設定的低壓值時(shí)，立即向整車(chē)管路系統和加氫機發(fā)送停止加氫及氫瓶壓力過(guò)高或過(guò)低的報警信息。
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(guò)電壓保護、環(huán)境溫度補償、軟管拉斷裂保護及優(yōu)先順序加氣控制系統等功能。
?。?）氫瓶溫度監控
當氫系統控制器檢測到氣瓶的溫度超過(guò)或低于設定溫度時(shí)，立即關(guān)閉電磁閥，并將氫瓶?jì)葴囟冗^(guò)高或過(guò)低的報警信息發(fā)送給整車(chē)管路系統和加氫機請求結束正常工作，同時(shí)信息提示故障氣瓶編號，通過(guò)聲光報警方式通知司機，立即采取相應措施。
?。?）供氫時(shí)管路壓力監控
當車(chē)載氫系統供氫時(shí)，氫系統控制器檢測低壓壓力超過(guò)或低于設定值時(shí)，立即關(guān)斷電磁閥，并將管路超壓或管路低壓的報警信息發(fā)送給整車(chē)管理系統請求結束正常工作，同時(shí)聲光報警提示司機采取必要措施。
?。?）電氣元件短路監控
氫系統控制器到電氣元件發(fā)生短路時(shí)，立即關(guān)閉氫系統所有電磁閥并使氫系統斷電，同時(shí)通過(guò)聲光報警提示司機氫系統短路，采取相應的安全措施。
2.5碰撞安全防護
燃料電池汽車(chē)的碰撞安全主要包括儲氫系統、氫氣管路、燃料電池堆、各類(lèi)閥門(mén)、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，對燃料電池氫安全的碰撞防護設計除了關(guān)鍵零部件具有防撞能力外，主要通過(guò)位置布置、固定裝置保護和慣性開(kāi)關(guān)監控碰撞并與整車(chē)監控系統聯(lián)動(dòng)，自動(dòng)斷電、自動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)等措施來(lái)避免災難的發(fā)生。例如，燃料電池混合動(dòng)力客車(chē)的高壓儲氫瓶一般放在車(chē)輛前置頂部，燃料電池模塊放在客車(chē)后置頂部，動(dòng)力電池放置于地板下方。前置的儲氫瓶，通過(guò)車(chē)頂部的管路與車(chē)輛后部的燃料電池系統連接，在發(fā)生泄露時(shí)，氫氣可以迅速排放到大氣中去。燃料電池模塊對車(chē)身結構基本無(wú)影響，而動(dòng)力電池放置在地板下方，則兼顧了車(chē)身重心低穩定性好，如圖2-2所示。
?、贇湎到y；②空調系統；③燃料電池發(fā)動(dòng)機系統；④空氣過(guò)濾器；
?、菟?；⑥散熱系統
▲圖2-2燃料電池客車(chē)氫系統布置示意圖
高壓儲氫瓶組是燃料電池供氫系統中的儲能部件，也是安全隱患的根源所在。目前，通過(guò)用足夠強度的專(zhuān)用儲氫系統固定支架將氫瓶組、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(guò)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致氫氣大量泄漏。何雍等(2011)對燃料電池實(shí)車(chē)進(jìn)行了帶壓前碰和零壓后碰試驗，馬春生等（2014）對燃料電池大客車(chē)側翻狀態(tài)下氫系統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。結果表明，燃料電池和氫氣瓶能達到預期所規范的要求。
另外，由于碰撞過(guò)程極為復雜，即使零部件已經(jīng)設計的非常牢固，也有可能造成某處零部件的損壞，并最終導致氫氣泄漏，所以，為了預防此狀況的發(fā)生，在整車(chē)上進(jìn)行了慣性開(kāi)關(guān)的冗余設計，至少設置2個(gè)且在車(chē)身的不同部位。當發(fā)生碰撞時(shí)慣性開(kāi)關(guān)被激活，將碰撞信號傳送至氫系統控制器，氫系統控制器立即發(fā)出指令關(guān)閉儲氫瓶閥門(mén)，斷開(kāi)氫氣供應，將氫氣的泄漏量降低至最低。慣性開(kāi)關(guān)的冗余設計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(kāi)關(guān)發(fā)生故障而檢測不到碰撞情況的發(fā)生。
結語(yǔ)
燃料電池汽車(chē)的安全是燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎，目前各企業(yè)在燃料電池汽車(chē)上采取的安全措施，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)際示范運營(yíng)證明是可靠的。隨著(zhù)燃料電池成本下降和性能不斷提高，燃料電池汽車(chē)已經(jīng)基本達到和傳統汽車(chē)相媲美的水平，燃料電池汽車(chē)商業(yè)化、規?；?、產(chǎn)業(yè)化是未來(lái)發(fā)展趨勢。
