張城興　付玉生

摘 要：隨著氫燃料電池汽車的快速發(fā)展，氫燃料電池汽車車載用氫安全問(wèn)題已逐漸成為熱點(diǎn)。本文首先分析氫的特性及車載用氫安全問(wèn)題，然后從微觀和宏觀兩個(gè)層面提出解決車載用氫安全問(wèn)題的對(duì)策，以期為燃料電池汽車的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池汽車;車載用氫;安全

中圖分類號(hào)：U469.72文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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

近年來(lái)，由于環(huán)境污染、石油短缺等問(wèn)題日益加劇，新能源汽車發(fā)展步入了快車道。其中，氫燃料電池汽車由于具有清潔零污染、續(xù)航里程長(zhǎng)、加氫時(shí)間快、氫能來(lái)源廣、轉(zhuǎn)換效率高、能量密度高等[1]多方面優(yōu)點(diǎn)，獲得了較大的發(fā)展機(jī)遇。我國(guó)在2019年的《政府工作報(bào)告》中首次寫(xiě)入氫能源，要求推動(dòng)充電、加氫等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。全國(guó)各地紛紛加入燃料電池汽車的研發(fā)及試運(yùn)營(yíng)當(dāng)中。隨著氫燃料電池汽車逐漸走進(jìn)人們的生活，人們對(duì)燃料電池汽車使用的安全尚有疑慮，形成了“談氫色變”的氛圍。這也成為限制氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的一大因素。由此，本文結(jié)合氫的特性對(duì)燃料電池汽車的安全及對(duì)策進(jìn)行分析研究。

1 氫的特性及車載用氫安全問(wèn)題分析

1.1 氫的泄漏特性及安全分析

氫是世界上最輕的元素，分子直徑小，密度小，在相同條件下，相對(duì)于燃油及其他車用氣體更容易發(fā)生泄漏。表1是不同狀態(tài)下氫氣、丙烷相對(duì)于天然氣的泄漏率。

由1表[2]可以看出，在擴(kuò)散狀態(tài)下，氫氣的泄漏率是天然氣3.8倍，湍流狀態(tài)下是天然氣的2.83倍，兩種狀態(tài)下也均高于丙烷的泄漏率，而只有在層流狀態(tài)下，泄漏率與丙烷相當(dāng)。氫氣的泄漏性是影響車載用氫安全的主要因素，主要表現(xiàn)在車載用氫的存儲(chǔ)與車載內(nèi)部管道的氫氣輸送上。因而，對(duì)車載用氫的存儲(chǔ)設(shè)備及輸送管道提出了更高的要求。國(guó)標(biāo)要求燃料電池供氫系統(tǒng)泄漏率以平均每小時(shí)小于0.5%為合格。

1.2 氫的燃爆特性及安全分析

氫氣是可燃?xì)怏w，且無(wú)色無(wú)味。當(dāng)氫氣燃燒時(shí)，燃燒火焰幾乎很難用肉眼看到，這增加了車載用氫的危險(xiǎn)性;因此，車載用氫國(guó)家相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)[3]中要求具有火焰檢測(cè)功能，發(fā)現(xiàn)火焰及時(shí)報(bào)警，切斷電源、氣源，以確保用氫安全。

氫氣-空氣混合物的燃燒極限范圍在4%～75%，爆炸極限范圍是13%～18.3%[4]，與其他可燃?xì)怏w相比，燃爆極限范圍寬;同時(shí)，氫的著火點(diǎn)為574 ℃，但是氫的最小著火能量卻很低，在空氣中為0.019 mJ，在氧氣中為0.007 mJ。這意味著在車載用氫安全問(wèn)題上，需要將氫氣泄露的濃度控制在4%以內(nèi)。國(guó)標(biāo)要求燃料電池供氫系統(tǒng)應(yīng)提供關(guān)斷功能，出現(xiàn)下列情況之一者，應(yīng)停機(jī)檢查：監(jiān)測(cè)到空氣中的濃度超過(guò)1.0%;系統(tǒng)氫氣壓力超過(guò)或低于設(shè)定安全值;系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到溫度超過(guò)設(shè)計(jì)安全值;系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到儲(chǔ)氫容器或管道流量反常增大或壓力快速下降。

1.3 氫的擴(kuò)散特性及安全分析

氫的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，氫氣是世界上已知的最輕的氣體，所以在發(fā)生泄露時(shí)即使是在沒(méi)風(fēng)的環(huán)境下，氫氣也會(huì)快速相外、向上擴(kuò)散。在開(kāi)放的空間，氫氣的快速擴(kuò)散性對(duì)安全有利，但在車艙內(nèi)的密閉空間，擴(kuò)散性好會(huì)導(dǎo)致整個(gè)艙室的濃度達(dá)到著火點(diǎn)，在有火源的情況下，易發(fā)生火災(zāi)和爆炸危險(xiǎn)。

1.4 氫的氫脆特性及安全分析

氫脆是溶于鋼中的氫，聚合為氫分子，造成應(yīng)力集中，超過(guò)鋼的強(qiáng)度極限，在鋼內(nèi)部形成細(xì)小的裂紋，又稱白點(diǎn)。氫脆只能防，不能治。所以，在氫氣儲(chǔ)存裝置及輸送管道材料的選取上，應(yīng)該充分考慮氫脆的影響，特別是高壓氫瓶，更易發(fā)生氫脆。在車載用氫問(wèn)題上，應(yīng)充分考慮氫脆的影響。

2 車載用氫安全對(duì)策

2.1 微觀優(yōu)化對(duì)策

微觀對(duì)策是指以某輛（或類）燃料電池汽車為研究對(duì)象提出的用氫安全對(duì)策，主要從燃料電池汽車用氫管理系統(tǒng)的四個(gè)方面進(jìn)行分析。

一是優(yōu)化車載儲(chǔ)氫安全。對(duì)燃料電池汽車來(lái)講，氫氣的存儲(chǔ)應(yīng)當(dāng)密度高、輕便、安全而且經(jīng)濟(jì)。一臺(tái)裝有24 L汽油可行駛400 km的汽車，行駛同樣的距離，靠燃燒方式需消耗8 kg氫，靠電池供能則僅需4 kg氫[5]。4 kg的氫氣在室溫和一個(gè)大氣壓下體積為45 000 L，這對(duì)汽車載氫是不現(xiàn)實(shí)的。目前限制燃料電池汽車推廣的最主要因素就是氫氣的儲(chǔ)存問(wèn)題。當(dāng)前比較常用的儲(chǔ)氫技術(shù)有高壓壓縮儲(chǔ)氫、金屬氫化物儲(chǔ)氫、有機(jī)液體氫化物儲(chǔ)氫等。其中，高壓壓縮儲(chǔ)氫存在成本低、充放氫速度快的優(yōu)點(diǎn)，但也存在儲(chǔ)氫壓力大的安全隱患。為了消除安全隱患，一方面要研制更為可靠的耐高壓材料;另一方面，要加強(qiáng)對(duì)高壓儲(chǔ)存裝置的安全監(jiān)測(cè)。金屬氫化物儲(chǔ)氫技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性較好，但由于金屬氫化物質(zhì)量大，需要在控制成本的前提下，盡快發(fā)現(xiàn)或合成輕量化車載儲(chǔ)氫的金屬氫化物。有機(jī)液體氫化物儲(chǔ)氫安全穩(wěn)定、易運(yùn)輸、存儲(chǔ)容量高，是極具前景的車載儲(chǔ)氫技術(shù)。

二是優(yōu)化車載用氫輸送安全。氫儲(chǔ)存安全是一個(gè)靜態(tài)的過(guò)程，而氫氣在車載管道中輸送的過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，更加難以控制，為此，需要從預(yù)防與監(jiān)控兩個(gè)方面著手。一是按照高標(biāo)準(zhǔn)選擇管路及元件材料，充分考慮其可靠性、靈敏性等;二是優(yōu)化監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)及處理系統(tǒng)，考慮傳感器的布置位置及數(shù)量等。例如，當(dāng)氫氣發(fā)生泄露時(shí)能及時(shí)提醒乘客或者是直接切斷氫氣供應(yīng)。

三是優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)安全。燃料電池堆是空氣與氫氣結(jié)合的地方，易發(fā)生氫氣與空氣的集聚，從而產(chǎn)生安全隱患，需要高度重視。標(biāo)準(zhǔn)《燃料電池電動(dòng)汽車燃料電池堆安全要求》（GB/T 36288—2018）[6]規(guī)定了燃料電池電動(dòng)汽車用燃料電池堆在氫氣安全、電氣安全、機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面的安全要求。尤其是氣密性方面，當(dāng)燃料電池堆受到?jīng)_擊后，氣密性仍符合標(biāo)準(zhǔn)。另外，還需要對(duì)燃料電池反應(yīng)堆反應(yīng)氣和冷卻液的進(jìn)口和出口溫度、壓力及流量等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、計(jì)算，為防止氫氣集聚，必要時(shí)要進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)。

四是優(yōu)化車輛載氫運(yùn)行安全。車輛行駛過(guò)程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生車身振動(dòng)或發(fā)生車輛碰撞，這些均會(huì)對(duì)氫氣使用安全產(chǎn)生影響，如導(dǎo)致氫管路松動(dòng)、閥門失效等。為此，一方面要優(yōu)化車載供氫系統(tǒng)在整車結(jié)構(gòu)中的位置，并做充分的振動(dòng)試驗(yàn)或碰撞試驗(yàn)，防止振動(dòng)或碰撞導(dǎo)致氫氣泄露;另一方面，要利用冗余設(shè)計(jì)思維，在車身不同部位設(shè)置多個(gè)慣性開(kāi)關(guān)，以避免某個(gè)慣性開(kāi)關(guān)因發(fā)生故障而檢測(cè)不到碰撞情況的發(fā)生，確保各種碰撞情況都能被檢測(cè)到并及時(shí)發(fā)出預(yù)警。

2.2 宏觀管理對(duì)策

宏觀管理對(duì)策是指以所有在用燃料電池汽車為研究對(duì)象提出的車載用氫安全對(duì)策，主要從時(shí)間維、空間維、數(shù)量維三個(gè)維度進(jìn)行分析研究。

一是從時(shí)間維考慮車載用氫安全。隨著用車時(shí)長(zhǎng)的增加，車輛及器件不可避免地會(huì)產(chǎn)生老化現(xiàn)象，例如，高壓儲(chǔ)氫瓶承壓能力減弱，監(jiān)測(cè)的元器件靈敏度、精確度下降等，這些都會(huì)影響車載用氫的安全性。目前，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)儲(chǔ)氫瓶的使用時(shí)長(zhǎng)已經(jīng)作出了明確規(guī)定，A類氣瓶（≤35 MPa）使用年限15年，B類氣瓶（≥35 MPa）使用年限10年，到達(dá)使用年限強(qiáng)制報(bào)廢。這就是考慮了時(shí)間對(duì)車載用氫安全的影響。為了保證車載用氫安全，一方面要利用信息技術(shù)建立車載用氫數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，采集車載用氫的管路、器件、傳感器等隨時(shí)間變化的使用狀況信息，并利用大數(shù)據(jù)分析工具實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的分析、評(píng)價(jià)，判斷車載用氫系統(tǒng)隨時(shí)間變化的老化狀況，從而給出合理的預(yù)警提示;另一方面，政府要考慮時(shí)間對(duì)車載用氫器件老化的影響，從用氫安全角度建立氫燃料電池汽車整車使用年限標(biāo)準(zhǔn)。

二是從空間維考慮車載用氫安全。由于車輛所處空間不同，因此，車載用氫系統(tǒng)發(fā)生故障造成的危險(xiǎn)程度也不同。例如，車輛在封閉車庫(kù)內(nèi)發(fā)生泄露與車輛在空曠環(huán)境下發(fā)生泄露造成的危險(xiǎn)性不同。在封閉車庫(kù)內(nèi)發(fā)生泄露，泄露的氫氣容易集聚，因此，更易引發(fā)燃燒或爆炸危險(xiǎn)。同時(shí)，當(dāng)氫氣泄露至車艙，而此時(shí)人在車內(nèi)與不在車內(nèi)產(chǎn)生的后果也不一樣。這就是考慮了空間對(duì)車載用氫安全的影響。因此，在燃料電池汽車使用過(guò)程中，應(yīng)監(jiān)測(cè)人、車所處空間的變化，對(duì)于車內(nèi)有人與無(wú)人、車在封閉空間與空曠空間等不同狀態(tài)采取不同的預(yù)警提示及應(yīng)急措施;同時(shí)，在容易集聚氫氣的封閉空間安裝氫氣監(jiān)測(cè)儀器并實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)，將空間氫氣監(jiān)控信息及時(shí)反饋給駕駛員，以便采取應(yīng)對(duì)措施。

三是從數(shù)量維考慮車載用氫安全。隨著燃料電池汽車被廣泛推廣，加氫站不斷被建設(shè)并投入使用，但同時(shí)，氫氣泄露總量也在不斷增加。因此，一方面應(yīng)加強(qiáng)儲(chǔ)氫及供氫系統(tǒng)防泄露裝置的技術(shù)研發(fā)，盡量避免車載用氫的泄露;另一方面，實(shí)現(xiàn)車與車之間的聯(lián)網(wǎng)互通，用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析、評(píng)價(jià)用車數(shù)量對(duì)社會(huì)環(huán)境的影響，從宏觀層面合理管控氫燃料電池汽車的數(shù)量，并指導(dǎo)用戶合理保養(yǎng)與使用車輛，避免氫氣泄露總量增多后對(duì)人們生活產(chǎn)生不利影響。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合氫氣泄露、擴(kuò)散、燃爆、氫脆等四個(gè)特性，對(duì)應(yīng)分析了其對(duì)燃料電池用氫安全的影響，并提出了兩大方面的策略，即對(duì)氫燃料電池汽車本身用氫安全的微觀優(yōu)化策略和對(duì)氫燃料電池汽車行業(yè)用氫安全的宏觀管理策略，以為政府、行業(yè)、企業(yè)的安全管理施策提供參考。

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