王仁廣 郝冬 王曉兵 朱凱 張妍懿

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司試驗(yàn)所）

近幾年，燃料電池汽車以其獨(dú)特的環(huán)保節(jié)能優(yōu)勢得到了快速發(fā)展。但由于氫氣特殊的易燃和易爆特性，引起了大家對燃料電池汽車安全的擔(dān)憂。實(shí)際上通過制定嚴(yán)格的技術(shù)法規(guī)要求，完全可以保證燃料電池汽車跟傳統(tǒng)汽車具有同等的安全性。對應(yīng)著燃料電池汽車的安全性，最令人關(guān)注的就是氫氣的排放和泄漏問題。國際上多個法規(guī)對此進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定，有些還給出了具體測試方法。文章以ISO23273:2013燃料電池道路車輛-安全規(guī)范-壓縮氫氣燃料車輛的氫安全防護(hù)[1]、GTR 13氫和燃料電池汽車全球法規(guī)[2]、SAE J2578燃料電池汽車推薦規(guī)程[3]、SAE J2579燃料電池和其他氫燃料汽車的燃料系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)[4]的相關(guān)內(nèi)容為基準(zhǔn)，對其氫氣排放泄漏方面的要求及測試內(nèi)容進(jìn)行簡述，以供設(shè)計(jì)和測試技術(shù)人員了解和參考。

1　ISO 23273:2013對氫氣排放的規(guī)定

這個國際標(biāo)準(zhǔn)對燃料電池汽車（FCV）就人體防護(hù)和車內(nèi)車外氫安全防護(hù)方面規(guī)定了實(shí)質(zhì)要求。其適用于以壓縮氫氣為燃料電池系統(tǒng)供應(yīng)燃料的FCV，不適用于燃料電池系統(tǒng)制造、維護(hù)和修理，而且標(biāo)準(zhǔn)的要求注重于車輛的正常操作和單點(diǎn)故障情況。但該標(biāo)準(zhǔn)對具體要求的規(guī)定比較籠統(tǒng)，其5.4條對排放方面的要求如下[1]：

對于所有燃料系統(tǒng)在車輛正常操作情況下的排放、吹掃、排氣和其他排放，汽車設(shè)計(jì)時應(yīng)該防止含氫危險狀況出現(xiàn)。正常操作模式包括啟動、行駛、停車、熄火。

在正常操作情況下，排放到汽車艙內(nèi)和單點(diǎn)失效情況不應(yīng)該導(dǎo)致任何危險狀況。

在預(yù)計(jì)的應(yīng)用區(qū)域，比如室外、機(jī)械通風(fēng)的建筑物和無機(jī)械通風(fēng)的居家車庫，都應(yīng)滿足法規(guī)要求，即從車內(nèi)到車外的正常排放應(yīng)為不可燃的（常規(guī)使用場景的評價導(dǎo)則見SAE J2578）。

2　GTR 13對氫氣排放泄漏方面的規(guī)定

該法規(guī)適用于標(biāo)稱工作壓力（NWP）不大于70 MPa、最大加注壓力為125%NWP的氫儲存系統(tǒng)，且該氫儲存系統(tǒng)在汽車使用年限內(nèi)穩(wěn)固地連接在汽車上。在正常使用情況和碰撞后氫氣的排放、泄漏、故障、報警情況下，對燃料系統(tǒng)的完整性也分別作了具體規(guī)定，同時還給出具體測試方法，文章只對其要求進(jìn)行描述。

2.1　氫氣排放系統(tǒng)[2]

2.1.1泄壓系統(tǒng)

儲存系統(tǒng)的溫控壓力泄放閥（TPRD）的排氫出口（如果有的話）應(yīng)使用帽蓋保護(hù)；TPRD排出的氫氣不應(yīng)進(jìn)入汽車上的封閉或半封閉式的空間內(nèi)、不應(yīng)進(jìn)入或朝向車輪罩、不應(yīng)朝向氫氣氣瓶和車輛前方，不應(yīng)從車輛后方和平行于道路的兩側(cè)水平方向排出。

其他安全泄壓裝置（比如爆破片）可以在氫氣儲存系統(tǒng)之外使用。從其他壓力釋放裝置排出的氫氣不應(yīng)朝向外露的電氣終端、外露的電氣開關(guān)或者其他點(diǎn)火源，不應(yīng)進(jìn)入或者朝向乘客艙或者行李箱、不應(yīng)進(jìn)入或者朝向車輪罩、不應(yīng)朝向氫氣儲氣瓶。

2.1.2車輛排氣系統(tǒng)

在正常運(yùn)行期間（包括啟動和關(guān)閉期間），車輛排氣系統(tǒng)排出的氫濃度，在任何連續(xù)的3 s時間內(nèi)，平均體積濃度不超過4%，任何時刻不得超過8%。

2.2　單點(diǎn)故障條件下防止易燃的條件[2]

1）從氫氣儲存系統(tǒng)泄漏和/或滲透的氫氣不應(yīng)直接排入乘客艙、行李箱、貨艙，或者不應(yīng)直接進(jìn)入車內(nèi)無保護(hù)點(diǎn)火源的封閉或半封閉空間。

2）主氫氣關(guān)斷閥下游的任何單點(diǎn)故障不得導(dǎo)致氫氣進(jìn)入乘客艙內(nèi)任何地方。

3）如果在運(yùn)行過程中，一個單點(diǎn)故障導(dǎo)致了車內(nèi)封閉或者半封閉空間內(nèi)的氫濃度超過2%體積濃度，則需要發(fā)出警告。如果車內(nèi)封閉或者半封閉空間內(nèi)的氫濃度超過3%體積濃度，應(yīng)關(guān)閉主關(guān)斷閥，以隔離儲氫系統(tǒng)。

2.3　燃料系統(tǒng)泄漏[2]

氫燃料管路和主關(guān)斷閥下游的氫系統(tǒng)不應(yīng)發(fā)生泄漏，在NWP下驗(yàn)證其符合性。具體測試應(yīng)從高壓部分到燃料電池電堆（或燃料電池發(fā)動機(jī)）的燃料管路上接近位置處，以及連接管路處進(jìn)行測試，使用氣體探測器或者像皂液這類檢漏液體進(jìn)行氫氣泄漏評估。

2.4　信號報警[2]

當(dāng)傳感器檢測到氫氣濃度超標(biāo)時，會向駕駛員發(fā)出報警信號，應(yīng)以具有以下屬性的視覺信號或文字顯示的形式給出，并且當(dāng)駕駛員在系好安全帶狀態(tài)下，駕駛員在駕駛位上可見報警信號；如果檢測系統(tǒng)發(fā)生故障，則顯示為黃色（或紅色）；信號在點(diǎn)亮情況下，應(yīng)保證駕駛員在白天和夜間駕駛狀態(tài)下都能看見；當(dāng)氫濃度達(dá)到2%的濃度或檢測到故障，并且點(diǎn)火開關(guān)系統(tǒng)處于ON（RUN）位置或驅(qū)動系統(tǒng)處于啟動狀態(tài)時，信號要保持點(diǎn)亮狀態(tài)。

3　SAE J2578對氫氣排放方面的規(guī)定

SAE J2578標(biāo)準(zhǔn)是為燃料電池汽車及其子系統(tǒng)確立安全準(zhǔn)則和方法，用于氫燃料系統(tǒng)和燃料電池系統(tǒng)集成在整車上使用的特殊要求準(zhǔn)則，規(guī)定了具體要求和試驗(yàn)方法，下面對SAE J2578中關(guān)于氫氣排放泄漏的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行簡述。

3.1　燃料系統(tǒng)完整性方面的要求[3]

對于燃料電池汽車和其他氫能汽車發(fā)生碰撞后其氫燃料的釋放，推薦使用同F(xiàn)MVSS301規(guī)定的等效能量的燃料標(biāo)準(zhǔn)，同時燃料系統(tǒng)中不應(yīng)排出其他危險液體（比如液氫、金屬氫化物、化學(xué)氫化材料）。

3.2　汽車浸水情況下的要求[3]

按照汽車制造商規(guī)定把燃料電池汽車浸入水中，不應(yīng)該造成電壓或電流、氣體或液體排放、火焰或爆炸等對汽車內(nèi)外人體有危險的情況出現(xiàn)。

3.3　失效安全關(guān)斷情況下的要求[3]

燃料電池汽車在失效情況下，應(yīng)該有具體方法，防止單點(diǎn)故障所引起的不必要的燃料排放，直至燃料完全不排出，安全關(guān)斷?？梢允褂肏VIL（Hazardous Voltage Interlock Loop）來隔離燃料供應(yīng)。

3.4　對汽車艙內(nèi)潛在的危險情況管理[3]

對燃料電池汽車內(nèi)所有含有或產(chǎn)生危險氣體的部件，應(yīng)該布置在其潛在危險情況可以管控的汽車空間或艙內(nèi)。

3.5　正常情況下的氣體排放系統(tǒng)[3]

汽車上所有燃料系統(tǒng)的排放、吹掃、通風(fēng)和其他正常氣體排放應(yīng)該滿足以下4個方面的物理和功能要求。氣體排放系統(tǒng)的可信失效應(yīng)該作為故障監(jiān)控的一部分加以說明。

3.5.1車外的正常氣體排放

在汽車正常操作時，吹掃、通風(fēng)和排放中含有的燃料，不應(yīng)該導(dǎo)致危險情況發(fā)生。當(dāng)汽車在密閉空間內(nèi)停放或者操作時，潛在危險包括在排放點(diǎn)局部或擴(kuò)散到周圍大氣中的氣體可燃性或毒性，以及后續(xù)排放集聚達(dá)到可燃或有毒水平的可能性。排放中出現(xiàn)的氣體可燃性或毒性的潛在危險，可以通過處理方法與汽車內(nèi)部件設(shè)計(jì)改進(jìn)相結(jié)合、自然或強(qiáng)制通風(fēng)、催化反應(yīng)或其他方式進(jìn)行管控，包括在啟動和關(guān)機(jī)的正常操作過程中，排放點(diǎn)局部區(qū)域或當(dāng)排放擴(kuò)散到周圍大氣中，都應(yīng)該滿足下列準(zhǔn)則：

1）組成成分低于IDLH（Immediately Dangerous to Life and Health）；

2）低于可燃下限，或在排放點(diǎn)或擴(kuò)散到周圍大氣時具有潛在可燃情況時，氫氣的濃度和體積都應(yīng)加以限制并驗(yàn)證。

3.5.2進(jìn)入乘員艙、后備箱和貨艙的正常氣體排放

應(yīng)該防止危險氣體排放到乘員艙、后備箱和貨艙中，可以使用遮擋、自然或強(qiáng)制通風(fēng)、催化反應(yīng)或其他方法來實(shí)現(xiàn)。乘員艙、后備箱和貨艙內(nèi)可燃?xì)怏w和有毒氣體的水平應(yīng)該低于25%LFL（Lower Flammability Limit）。

3.5.3排放到其他艙內(nèi)的正常氣體排放

如果汽車艙或空間內(nèi)有不適合在可燃?xì)怏w出現(xiàn)的位置安裝的設(shè)備，可燃?xì)怏w不應(yīng)排放到汽車艙或空間內(nèi)，可以使用遮擋、自然或強(qiáng)制通風(fēng)、催化反應(yīng)或其他方法來實(shí)現(xiàn)。

3.5.4動力電池中潛在的氫氣生成

汽車設(shè)計(jì)時，應(yīng)該排除超過限值的危險氣體排放情況，并采取安全措施。

3.6　來自氫儲存系統(tǒng)和壓力泄放裝置（PRD）的排放[3]

在事故或故障情況下，氫氣儲存系統(tǒng)可能排放氣體。PRD的排放應(yīng)該排到汽車的乘員艙、后備箱或貨艙外面。排風(fēng)氣流的位置和方向應(yīng)以使人體暴露或者汽車內(nèi)部或周圍的危險傳播最小化為宗旨。

以上是氫氣排放方面的具體要求，下面簡要介紹具體測試方法。

3.7　正常汽車排放測試[3]

在正常操作時（包括啟動和關(guān)機(jī)），汽車上的所有排放應(yīng)該是無危險的。采用汽車周圍最小的假象儲存空間，并根據(jù)假象空間的通風(fēng)情況就可以確定車上的氫氣允許排放量。標(biāo)準(zhǔn)乘用車的假象儲存空間的長為4.5 m、寬為2.6 m、高為2.6 m。這個選擇小于一般的北美車庫，以提供符合全球要求的設(shè)計(jì)導(dǎo)則。這個空間容積是30.4 m3，不同尺寸的汽車，容積和底面積需要進(jìn)行調(diào)整。

3.7.1在非機(jī)械通風(fēng)結(jié)構(gòu)內(nèi)的汽車排放測試

汽車應(yīng)停放在非常密閉的非機(jī)械通風(fēng)結(jié)構(gòu)的地方（如居家車庫），其換氣量低至0.03ACH（Air Changes per Hour）。可以通過試驗(yàn)、分析或組合方法驗(yàn)證汽車是否滿足這個要求。符合性通過是使用驗(yàn)證的氫氣儲存系統(tǒng)來展示，對于標(biāo)準(zhǔn)乘用車，其泄漏、滲透、通風(fēng)造成的總氫氣排放低于150 Ncc/min。SAE J2579提供了氫氣儲存系統(tǒng)的驗(yàn)證方法。

3.7.2通風(fēng)結(jié)構(gòu)內(nèi)的汽車排放測試

汽車應(yīng)該在通風(fēng)結(jié)構(gòu)（如停車庫和其他建筑物）中操作，其機(jī)械或自然通風(fēng)的換氣量達(dá)到5.4ACH情況下的氫氣排放濃度。

3.8　汽車的不當(dāng)或不利操作的測試[3]

汽車制造商應(yīng)該考慮燃料電池汽車潛在的極端使用情況，并在認(rèn)為必要的情況下，提供防護(hù)措施，使車輛的這些操作跟傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車可比，不會構(gòu)成危險。比如，F(xiàn)CV不能在沒有足夠新鮮空氣的空間內(nèi)操作，但當(dāng)這些不利的操作情況發(fā)生時，F(xiàn)CV通過把周圍空氣變得可燃會造成其他危險。在潛在可燃性為新的唯一危險情況下，制造商應(yīng)該說明這種可能并保證汽車固有的操作限制情況。基于可靠的工程判斷，通過試驗(yàn)、分析或組合方法可以驗(yàn)證汽車滿足要求。

3.9　副產(chǎn)物[3]

FCV生成的水或其他物質(zhì)排放應(yīng)該是無毒的并加以限制，使其不會形成危險情況，也不會影響汽車驅(qū)動。

4　SAE J2579對氫氣排放方面的規(guī)定

SAE J2579標(biāo)準(zhǔn)提供的初始信息用于設(shè)計(jì)和制造氫氣儲存和處理系統(tǒng)，使其在操作和維護(hù)中的危險最小，還提供了基于性能的測試準(zhǔn)則，以用于道路汽車上的氫氣儲存和處理系統(tǒng)的性能驗(yàn)證。在這個標(biāo)準(zhǔn)中，對燃料系統(tǒng)排放方面的規(guī)定基本就是執(zhí)行SAE J2578的具體要求，這里只討論其排放系統(tǒng)[4]的要求。

燃料系統(tǒng)供用商應(yīng)該考慮如下要求，并同汽車制造商一起保證4.4.1～4.4.3要求作為燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成到汽車上的一部分加以說明。1）正常排放系統(tǒng)。所有廢氣、吹掃、通風(fēng)和其他正常排放的設(shè)計(jì)、制造和位置應(yīng)該滿足這些進(jìn)入乘員艙或車內(nèi)的排放是沒有危險的，具體導(dǎo)則見SAE J2578。2）PRD排放。如果在故障或事故情況下，系統(tǒng)排出的燃料或其他危險液體應(yīng)該按照SAE J2578給出的設(shè)計(jì)、制造和位置導(dǎo)則。3）副產(chǎn)物。水或其他副產(chǎn)物的排放應(yīng)該是無危險的。

5　結(jié)語

通過對ISO、GTR和SAE標(biāo)準(zhǔn)中的4個氫燃料電池汽車相關(guān)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)中氫排放泄漏方面內(nèi)容的簡要介紹，可以使相關(guān)技術(shù)人員對燃料電池汽車在氫氣排放泄漏方面的安全要求及測試方法有了基本了解，并加深了氫排放相關(guān)內(nèi)容的理解和應(yīng)用，對燃料電池汽車設(shè)計(jì)和測試有一定的指導(dǎo)意義。