张城兴　付玉生

摘 要：随着氢燃料电池汽车的快速发展，氢燃料电池汽车车载用氢安全问题已逐渐成为热点。本文首先分析氢的特性及车载用氢安全问题，然后从微观和宏观两个层面提出解决车载用氢安全问题的对策，以期为燃料电池汽车的发展提供参考。

关键词：氢燃料电池汽车;车载用氢;安全

中图分类号：U469.72文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）07-0139-03

Abstract： With the rapid development of hydrogen fuel cell vehicles， the safety of hydrogen used in vehicle has gradually become a hot issue. This paper first analyzed the characteristics of hydrogen and the safety problems of vehicle hydrogen， and then put forward countermeasures to solve the safety problems of vehicle hydrogen from the micro and macro levels， in order to provide reference for the development of fuel cell vehicles.

Keywords： hydrogen fuel cell vehicle;vehicle borne hydrogen;safety

近年来，由于环境污染、石油短缺等问题日益加剧，新能源汽车发展步入了快车道。其中，氢燃料电池汽车由于具有清洁零污染、续航里程长、加氢时间快、氢能来源广、转换效率高、能量密度高等[1]多方面优点，获得了较大的发展机遇。我国在2019年的《政府工作报告》中首次写入氢能源，要求推动充电、加氢等基础设施建设。全国各地纷纷加入燃料电池汽车的研发及试运营当中。随着氢燃料电池汽车逐渐走进人们的生活，人们对燃料电池汽车使用的安全尚有疑虑，形成了“谈氢色变”的氛围。这也成为限制氢燃料电池汽车产业快速发展的一大因素。由此，本文结合氢的特性对燃料电池汽车的安全及对策进行分析研究。

1 氢的特性及车载用氢安全问题分析

1.1 氢的泄漏特性及安全分析

氢是世界上最轻的元素，分子直径小，密度小，在相同条件下，相对于燃油及其他车用气体更容易发生泄漏。表1是不同状态下氢气、丙烷相对于天然气的泄漏率。

由1表[2]可以看出，在扩散状态下，氢气的泄漏率是天然气3.8倍，湍流状态下是天然气的2.83倍，两种状态下也均高于丙烷的泄漏率，而只有在层流状态下，泄漏率与丙烷相当。氢气的泄漏性是影响车载用氢安全的主要因素，主要表现在车载用氢的存储与车载内部管道的氢气输送上。因而，对车载用氢的存储设备及输送管道提出了更高的要求。国标要求燃料电池供氢系统泄漏率以平均每小时小于0.5%为合格。

1.2 氢的燃爆特性及安全分析

氢气是可燃气体，且无色无味。当氢气燃烧时，燃烧火焰几乎很难用肉眼看到，这增加了车载用氢的危险性;因此，车载用氢国家相关安全标准[3]中要求具有火焰检测功能，发现火焰及时报警，切断电源、气源，以确保用氢安全。

氢气-空气混合物的燃烧极限范围在4%～75%，爆炸极限范围是13%～18.3%[4]，与其他可燃气体相比，燃爆极限范围宽;同时，氢的着火点为574 ℃，但是氢的最小着火能量却很低，在空气中为0.019 mJ，在氧气中为0.007 mJ。这意味着在车载用氢安全问题上，需要将氢气泄露的浓度控制在4%以内。国标要求燃料电池供氫系统应提供关断功能，出现下列情况之一者，应停机检查：监测到空气中的浓度超过1.0%;系统氢气压力超过或低于设定安全值;系统监测到温度超过设计安全值;系统监测到储氢容器或管道流量反常增大或压力快速下降。

1.3 氢的扩散特性及安全分析

氢的相对质量分数较小，氢气是世界上已知的最轻的气体，所以在发生泄露时即使是在没风的环境下，氢气也会快速相外、向上扩散。在开放的空间，氢气的快速扩散性对安全有利，但在车舱内的密闭空间，扩散性好会导致整个舱室的浓度达到着火点，在有火源的情况下，易发生火灾和爆炸危险。

1.4 氢的氢脆特性及安全分析

氢脆是溶于钢中的氢，聚合为氢分子，造成应力集中，超过钢的强度极限，在钢内部形成细小的裂纹，又称白点。氢脆只能防，不能治。所以，在氢气储存装置及输送管道材料的选取上，应该充分考虑氢脆的影响，特别是高压氢瓶，更易发生氢脆。在车载用氢问题上，应充分考虑氢脆的影响。

2 车载用氢安全对策

2.1 微观优化对策

微观对策是指以某辆（或类）燃料电池汽车为研究对象提出的用氢安全对策，主要从燃料电池汽车用氢管理系统的四个方面进行分析。

一是优化车载储氢安全。对燃料电池汽车来讲，氢气的存储应当密度高、轻便、安全而且经济。一台装有24 L汽油可行驶400 km的汽车，行驶同样的距离，靠燃烧方式需消耗8 kg氢，靠电池供能则仅需4 kg氢[5]。4 kg的氢气在室温和一个大气压下体积为45 000 L，这对汽车载氢是不现实的。目前限制燃料电池汽车推广的最主要因素就是氢气的储存问题。当前比较常用的储氢技术有高压压缩储氢、金属氢化物储氢、有机液体氢化物储氢等。其中，高压压缩储氢存在成本低、充放氢速度快的优点，但也存在储氢压力大的安全隐患。为了消除安全隐患，一方面要研制更为可靠的耐高压材料;另一方面，要加强对高压储存装置的安全监测。金属氢化物储氢技术结构简单、安全性较好，但由于金属氢化物质量大，需要在控制成本的前提下，尽快发现或合成轻量化车载储氢的金属氢化物。有机液体氢化物储氢安全稳定、易运输、存储容量高，是极具前景的车载储氢技术。

二是优化车载用氢输送安全。氢储存安全是一个静态的过程，而氢气在车载管道中输送的过程是一个动态过程，更加难以控制，为此，需要从预防与监控两个方面着手。一是按照高标准选择管路及元件材料，充分考虑其可靠性、灵敏性等;二是优化监测报警系统及处理系统，考虑传感器的布置位置及数量等。例如，当氢气发生泄露时能及时提醒乘客或者是直接切断氢气供应。

三是优化燃料电池系统安全。燃料电池堆是空气与氢气结合的地方，易发生氢气与空气的集聚，从而产生安全隐患，需要高度重视。标准《燃料电池电动汽车燃料电池堆安全要求》（GB/T 36288—2018）[6]规定了燃料电池电动汽车用燃料电池堆在氢气安全、电气安全、机械结构等方面的安全要求。尤其是气密性方面，当燃料电池堆受到冲击后，气密性仍符合标准。另外，还需要对燃料电池反应堆反应气和冷却液的进口和出口温度、压力及流量等相关参数进行监测、计算，为防止氢气集聚，必要时要进行强制通风。

四是优化车辆载氢运行安全。车辆行驶过程中，不可避免地会产生车身振动或发生车辆碰撞，这些均会对氢气使用安全产生影响，如导致氢管路松动、阀门失效等。为此，一方面要优化车载供氢系统在整车结构中的位置，并做充分的振动试验或碰撞试验，防止振动或碰撞导致氢气泄露;另一方面，要利用冗余设计思维，在车身不同部位设置多个惯性开关，以避免某个惯性开关因发生故障而检测不到碰撞情况的发生，确保各种碰撞情况都能被检测到并及时发出预警。

2.2 宏观管理对策

宏观管理对策是指以所有在用燃料电池汽车为研究对象提出的车载用氢安全对策，主要从时间维、空间维、数量维三个维度进行分析研究。

一是从时间维考虑车载用氢安全。随着用车时长的增加，车辆及器件不可避免地会产生老化现象，例如，高压储氢瓶承压能力减弱，监测的元器件灵敏度、精确度下降等，这些都会影响车载用氢的安全性。目前，国家标准对储氢瓶的使用时长已经作出了明确规定，A类气瓶（≤35 MPa）使用年限15年，B类气瓶（≥35 MPa）使用年限10年，到达使用年限强制报废。这就是考虑了时间对车载用氢安全的影响。为了保证车载用氢安全，一方面要利用信息技术建立车载用氢数据的实时采集系统，采集车载用氢的管路、器件、传感器等随时间变化的使用状况信息，并利用大数据分析工具实现对信息的分析、评价，判断车载用氢系统随时间变化的老化状况，从而给出合理的预警提示;另一方面，政府要考虑时间对车载用氢器件老化的影响，从用氢安全角度建立氢燃料电池汽车整车使用年限标准。

二是从空间维考虑车载用氢安全。由于车辆所处空間不同，因此，车载用氢系统发生故障造成的危险程度也不同。例如，车辆在封闭车库内发生泄露与车辆在空旷环境下发生泄露造成的危险性不同。在封闭车库内发生泄露，泄露的氢气容易集聚，因此，更易引发燃烧或爆炸危险。同时，当氢气泄露至车舱，而此时人在车内与不在车内产生的后果也不一样。这就是考虑了空间对车载用氢安全的影响。因此，在燃料电池汽车使用过程中，应监测人、车所处空间的变化，对于车内有人与无人、车在封闭空间与空旷空间等不同状态采取不同的预警提示及应急措施;同时，在容易集聚氢气的封闭空间安装氢气监测仪器并实现智能网联，将空间氢气监控信息及时反馈给驾驶员，以便采取应对措施。

三是从数量维考虑车载用氢安全。随着燃料电池汽车被广泛推广，加氢站不断被建设并投入使用，但同时，氢气泄露总量也在不断增加。因此，一方面应加强储氢及供氢系统防泄露装置的技术研发，尽量避免车载用氢的泄露;另一方面，实现车与车之间的联网互通，用大数据技术分析、评价用车数量对社会环境的影响，从宏观层面合理管控氢燃料电池汽车的数量，并指导用户合理保养与使用车辆，避免氢气泄露总量增多后对人们生活产生不利影响。

3 结语

本文结合氢气泄露、扩散、燃爆、氢脆等四个特性，对应分析了其对燃料电池用氢安全的影响，并提出了两大方面的策略，即对氢燃料电池汽车本身用氢安全的微观优化策略和对氢燃料电池汽车行业用氢安全的宏观管理策略，以为政府、行业、企业的安全管理施策提供参考。

参考文献：

[1]陈远明.氢能汽车产业化要突破四大瓶颈[J].中国石化，2019（5）：25-29.

[2]Ford motor company. Direct-hydrogen-fueled proton-exchange-membrane fuel cell system for transportation applications： hydrogen vehicle safety report （DE-AC0294CE50389）[R].U.S.Department of Energy，1997.

[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.质子交换膜燃料电池供氢系统技术要求：GB/T 34872—2017[S].北京：中国标准出版社，2017.

[4]冯文，王淑娟，倪维斗，等.氢能的安全性和燃料电池汽车的氢安全问题[J].太阳能学报，2003（5）：677-682.

[5]王琦，罗马吉，罗仲.燃料电池汽车车载氢气安全研究[J].武汉理工大学学报（信息与管理工程版），2011（2）：232-235.

[6]国家市场监督管理总局，中国国家标准化管理委员会.燃料电池电动汽车燃料电池堆安全要求：GB/T 36288—2018[S].北京：中国标准出版社，2018.