夏玉珍，胡祎瑋，王杰董，溫小豪，胡桂林

(浙江科技學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310000)

1 引言

隨著人類社會(huì)工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，環(huán)境問題日漸凸顯，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車以汽油作為燃料，排放的尾氣己成為主要的大氣污染源[1-2]。國(guó)務(wù)院發(fā)布的《中國(guó)制造2025》將新能源汽車作為將來(lái)重點(diǎn)研發(fā)的領(lǐng)域之一。而在新能源汽車中，氫燃料電池汽車(FCVs)利用質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)將氫氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，由于具有無(wú)污染、效率高、零排放等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外逐漸進(jìn)入商業(yè)化[3]。1993年，加拿大Ballard電力公司展示了一輛零排放、最高時(shí)速為72 km/h、以PEMFC為動(dòng)力的公交車，引發(fā)了全球性FCVs研發(fā)熱潮[4]。各大汽車企業(yè)爭(zhēng)相將燃料電池應(yīng)用于汽車上，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，已經(jīng)基本構(gòu)建了與傳統(tǒng)汽車相差不大的FCVs平臺(tái)，陸續(xù)開始規(guī)?；a(chǎn)和商業(yè)化推廣[5]。2019年全球FCVs銷量創(chuàng)下歷史新高，達(dá)到10 409輛，其中韓國(guó)成為FCVs的主銷地區(qū)，達(dá)到4 194輛，美國(guó)和日本分別為2 089、644輛。另外，德國(guó)、瑞士、奧地利、加拿大、西班牙成為2019年氫燃料電池乘用車新增銷售地區(qū)[6-7]。

梅賽德斯-奔馳公司于2017年在法蘭克福車展發(fā)布型號(hào)為GLC F-Cell的FCVs，在德國(guó)幾大配備了相對(duì)完善加氫站的城市提供租賃服務(wù)[8]。本田汽車公司型號(hào)為Clarity(2016)續(xù)駛里程(NEDC歐洲循環(huán)工況)達(dá)到750 km[9]。MIRAI是豐田汽車公司第五款FCVs，于2014年12月量產(chǎn)。根據(jù)豐田中國(guó)2019年公告，MIRAI在全球累計(jì)銷量達(dá)到約10 000輛[10]。2020年12月9日，豐田公司MIRAI第二代已正式發(fā)布，續(xù)航里程和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有了較大提升[11]?，F(xiàn)代汽車公司NEXO于2018年下半年問世，并且在第二年成功趕超MIRAI的年銷量，達(dá)到4 818輛[12]?，F(xiàn)代公司還計(jì)劃在2023年推出燃料電池卡車，成為推動(dòng)韓國(guó)氫能運(yùn)輸發(fā)展的絕對(duì)主力[13]。這幾款FCVs無(wú)論是市場(chǎng)化進(jìn)程，還是在關(guān)鍵參數(shù)，如電池效率、最大功率、電池的耐久性，都取得了重大突破，各項(xiàng)性能指標(biāo)如表1所示[8-18]。

表1 四種FCVs的性能比較[8-18]Table 1 Performance comparison of the four FCVs.[8-18]

FCVs的商業(yè)化進(jìn)程受到關(guān)鍵材料的價(jià)格和加氫站普及程度等因素的影響，此外，安全性能也是影響其推廣的一個(gè)重要因素[19]。氫的各種內(nèi)在特性，決定了氫能系統(tǒng)有不同于常規(guī)能源系統(tǒng)的危險(xiǎn)特征，比如易燃、易泄漏、擴(kuò)散性、爆炸性、氫脆等[20-21]。車載供氫系統(tǒng)，如圖1所示，從加氫口到燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，儲(chǔ)氫裝置、氫氣供給管路以及燃料電池堆均存在泄漏和爆炸等風(fēng)險(xiǎn)[22-23]。清華大學(xué)的馮文等[24]人將FCVs的氫安全系統(tǒng)分為三個(gè)方面：儲(chǔ)氫系統(tǒng)安全、供氫系統(tǒng)安全、碰撞系統(tǒng)安全。

目前市場(chǎng)上最突出的四款FCVs：梅賽德斯-奔馳GLC F-Cell、本田的Clarity、豐田MIRAI、現(xiàn)代NEXO，本文從儲(chǔ)氫系統(tǒng)安全、供氫系統(tǒng)安全、碰撞系統(tǒng)安全三個(gè)方面對(duì)四款典型FCVs進(jìn)行詳細(xì)分析，并基于文獻(xiàn)綜述綜合評(píng)估它們的安全性能。

2 儲(chǔ)氫系統(tǒng)安全

儲(chǔ)氫系統(tǒng)包括加氫站儲(chǔ)氫和汽車內(nèi)部?jī)?chǔ)氫，F(xiàn)CVs儲(chǔ)氫系統(tǒng)安全主要從加氫系統(tǒng)和車載儲(chǔ)氫兩個(gè)方面討論。在高壓氫氣的加注過程中，氫氣瓶的溫度會(huì)快速上升，因此氫氣加注常采用氫氣預(yù)冷、溫升控制和分級(jí)優(yōu)化加注策略相結(jié)合的方法[25]。但目前幾款汽車都沒有相關(guān)報(bào)道。

早先儲(chǔ)氫罐的材料通常選用304不銹鋼或鉻鉬鋼，但它們重量過大，不符合FCVs輕量化的要求[26-27]。梅賽德斯-奔馳GLC F-Cell采用了挪威Hexagon的Ⅳ型儲(chǔ)氫罐，一大一小兩個(gè)儲(chǔ)氫罐均布置在車輛底板和車橋之間的碰撞保護(hù)區(qū)內(nèi)，并通過周圍的輔助車架保護(hù)[28-29]。材料采用碳纖維外殼，儲(chǔ)氫量達(dá)到4.4 kg，儲(chǔ)氫壓力采用全球標(biāo)準(zhǔn)的70 MPa，僅在3 min內(nèi)就能充滿所需的氫燃料[30]。本田Clarity采用一大一小兩個(gè)鋁合金內(nèi)襯的Type 3型的儲(chǔ)氫罐，符合國(guó)際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GTR No.13[31]。和豐田舊款FCVs相比，MIRAI將高壓儲(chǔ)氫罐的數(shù)量從四個(gè)縮減到兩個(gè)，并減小體積以置于后排座椅下方。如圖2所示，儲(chǔ)氫罐由三層混合材料結(jié)構(gòu)組成，最內(nèi)層材料是塑料內(nèi)膽，用于密封空氣，中層是具有高抗壓性的碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)，外層是具有高抗沖擊性的玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)，以及兩端耐摔耐火的環(huán)形保護(hù)層。通過改進(jìn)CFRP層并減少材料用量，儲(chǔ)氫罐的重量大幅下降[32]?，F(xiàn)代公司擁有自主研發(fā)的儲(chǔ)氫罐技術(shù)，NEXO擁有三個(gè)大小相同的儲(chǔ)氫罐，使用了一種具有優(yōu)異抗?jié)B性的新材料，該材料采用碳纖維制造，表面覆蓋能長(zhǎng)時(shí)間承受火焰的特殊涂層[33-34]。

圖1 FCVs車載供氫系統(tǒng)示意圖[22]Fig.1 Diagram of FCVs on-board hydrogen supply system.[22]

高效、經(jīng)濟(jì)、安全的儲(chǔ)氫系統(tǒng)是FCVs的關(guān)鍵技術(shù)之一，四款FCVs都為儲(chǔ)氫系統(tǒng)安全性提供了較為成熟的方案。改善并進(jìn)一步提高現(xiàn)有的技術(shù)指標(biāo)與探索新的儲(chǔ)氫方法既是研發(fā)車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)的重要任務(wù)，也是今后的努力方向[35]。我國(guó)預(yù)計(jì)2025年實(shí)現(xiàn)單瓶6.0 kg級(jí)車載儲(chǔ)氫能力，儲(chǔ)氫壓力達(dá)70 Mpa標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)量?jī)?chǔ)氫率達(dá)5.5%，體積儲(chǔ)氫密度大于40 g/L，系統(tǒng)成本控制在2 000 元/kg。到2030年，質(zhì)量?jī)?chǔ)氫率達(dá)到7.5%，體積儲(chǔ)氫密度大于70 g/L，系統(tǒng)成本控制在1 800 元/kg[36]。

圖2 MIRAI高壓儲(chǔ)氫罐結(jié)構(gòu)示意圖[32]Fig.2 Schematic diagram of MIRAI high pressure hydrogen storage tank.[32]

3 供氫系統(tǒng)安全

供氫系統(tǒng)包括高壓儲(chǔ)氫罐、減壓閥、壓力調(diào)節(jié)閥、循環(huán)裝置(循環(huán)泵或引射器)、穩(wěn)壓罐、傳感器、各種電磁閥及管路等[37-38]。梅賽德斯-奔馳GLC F-Cell中碰撞傳感器會(huì)監(jiān)測(cè)是否發(fā)生嚴(yán)重事故，并在幾毫秒內(nèi)關(guān)閉氫氣瓶上的罐閥和主氫氣閥，使氫氣瓶壓力在平均壓力范圍內(nèi)從最高70 Mpa降至1～1.2 Mpa。在燃料電池組的入口，另一個(gè)壓力調(diào)節(jié)閥將氫側(cè)燃料電池組的壓力降低到0.1～0.3 Mpa。保證即使發(fā)生嚴(yán)重的事故，氫管線和燃料電池堆也不會(huì)發(fā)生泄漏[31]。

本田Clarity將包括截止閥、調(diào)節(jié)器、壓力傳感器和其他組件重新設(shè)計(jì)和壓縮，作為內(nèi)置模塊使用，使得高壓供氫系統(tǒng)中零件使用數(shù)量減少了74%，大大降低了氫氣泄露的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)各個(gè)位置的氫氣傳感器會(huì)及時(shí)監(jiān)測(cè)氫氣濃度，關(guān)閉截止閥，切斷氫氣源[39]。

為防止供氫管道出現(xiàn)氫脆，MIRAI供氫系統(tǒng)中與氫接觸的的高壓部件的主體使用了鋁合金。通過對(duì)鋁制主體表面進(jìn)行明礬處理，以確保穩(wěn)定的滑動(dòng)特性并減少磨損。為避免高壓傳感器膜片上的氫滲透影響到傳感器的精度，MIRAI將經(jīng)過特殊表面處理的薄膜添加到膜片的內(nèi)表面。經(jīng)檢測(cè)，膜片中形成的氫固溶體的量減少了90%，即使在高壓氫氣環(huán)境下長(zhǎng)期使用，也不會(huì)對(duì)傳感器精度產(chǎn)生不利影響[40]。

現(xiàn)代NEXO供氫系統(tǒng)中，氫氣進(jìn)堆壓力為0.1～0.2 Mpa，氫氣循環(huán)方式變成了引射器模式，以取代Tucson FCVs上的“循環(huán)泵+引射器”方法，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，供氫更加可靠[41]。該供氫系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)有快速排氣系統(tǒng)，在發(fā)生碰撞事故時(shí)，車內(nèi)傳感器會(huì)開啟排氫閥門，并將內(nèi)部的高壓氫氣排空。此外，NEXO還安裝了許多保險(xiǎn)裝置，保障整個(gè)系統(tǒng)的安全[42]。

圖3 梅賽德斯-奔馳GLC F-CELL儲(chǔ)氫瓶和進(jìn)氫組件[45]Fig.3 Mercedes-benz GLC F-Cell hydrogen storage tank and hydrogen feeding assembly.[45]

4 碰撞系統(tǒng)安全

FCVs的碰撞安全主要包括儲(chǔ)氫系統(tǒng)、氫氣管路、電堆等部件在發(fā)生碰撞時(shí)避免發(fā)生泄漏[43-44]。從節(jié)約空間和安全性考慮，梅賽德斯-奔馳戴姆勒公司要求儲(chǔ)氫容器必須安裝在與車輛中心線垂直的車輛平面后方，并與車輛后方邊界有規(guī)定的距離，GLC F-Cell的驅(qū)動(dòng)組件和氫氣罐放置在后排座位下方，如圖3所示[45]。在梅賽德斯-奔馳公司的GLC F-Cell碰撞安全測(cè)試中，用一輛貨運(yùn)半掛車分別從側(cè)面和正面撞擊車身以評(píng)估其碰撞安全性。該測(cè)試可以在汽車尚未檢測(cè)到碰撞因而未關(guān)閉HV(High-voltage)或H2系統(tǒng)的情況下檢測(cè)氫氣和HV組件的安全性。碰撞傳感器激活燃料電池上的煙火短路裝置，將燃料電池與車輛隔離，同時(shí)斷開牽引電池的接觸器將其與車載電氣系統(tǒng)隔離。除了碰撞時(shí)的安全性，這款FCVs還接受了系統(tǒng)級(jí)別的附加組件測(cè)試，安全系數(shù)超過常規(guī)測(cè)試范圍[31]。

Clarity車型將燃料電池堆放在車前蓋的位置，電池堆上設(shè)置蓋板，與車前蓋嚙合，抗擊性能提高了四倍，使得電堆在對(duì)抗沖擊的時(shí)候不至于造成氫泄露的問題[46]。如圖4，測(cè)試中采用“前中心桿”碰撞來(lái)檢測(cè)燃料電池堆的安全性，結(jié)果顯示燃料電池堆和任何其他車輛位置均無(wú)氫氣泄漏，燃料切斷系統(tǒng)正常運(yùn)行；采用“后車對(duì)車”碰撞來(lái)檢測(cè)儲(chǔ)氫罐的安全性，結(jié)果顯示儲(chǔ)氫罐并沒有受到嚴(yán)重破壞，整車也未發(fā)生泄露，燃料切斷系統(tǒng)正常運(yùn)行[47]。

圖4 Clarity前中心桿碰撞(左)后車對(duì)車碰撞(右)[47]Fig.4 Clarity front center bar collision (left) Rear car to car collision (right).[47]

2014年12月在MIRAI首次發(fā)布會(huì)上發(fā)布了豐田MIRAI的碰撞性能實(shí)驗(yàn)視頻。試驗(yàn)中MIRAI以80 km/h的速度碰撞變形，但是位于其第二座椅和后備箱下面的氫氣瓶基本沒有損傷[48]。MIRAI二代把燃料電池堆及系統(tǒng)集成在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)并著重加強(qiáng)車輛前部的防撞設(shè)計(jì)，安全性能進(jìn)一步提高。

圖5 豐田MIRAI中氫氣瓶的位置及碰撞后氫氣瓶No.1(左)和No.2(右)的具體情況[48]Fig.5 Location and location of hydrogen bottles in Toyota MIRAI The specific situation of hydrogen bottles No.1(left) and No.2(right) after the collision.[48]

歐盟新車安全鑒定協(xié)會(huì)(ENCAP)曾在2018年對(duì)現(xiàn)代旗下的燃料電池汽車NEXO進(jìn)行了碰撞測(cè)試，如圖6所示，a，b為前碰撞測(cè)試，c，d為后碰撞測(cè)試。后碰撞測(cè)試中，儲(chǔ)氫系統(tǒng)已發(fā)生變形和損壞的情況下，儲(chǔ)氫罐并沒有泄漏，結(jié)果顯示NEXO的碰撞系統(tǒng)安全達(dá)到了安全五星的成績(jī)水平[34]。2019年IIHS測(cè)試公路安全性能評(píng)級(jí)中，該款車在包括駕駛員側(cè)小重疊正面、乘客側(cè)小重疊正面、中等重疊正面、側(cè)面、車頂強(qiáng)度和頭部約束測(cè)試中獲得良好評(píng)級(jí)，達(dá)到S+，獲得最高安全獎(jiǎng)[49]。

5 安全系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

FCVs的發(fā)展離不開相關(guān)產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化。目前，ISO(International Organization for Standardization)和IEC(International Electrotechnical Commission)已經(jīng)建立相對(duì)完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，覆蓋系統(tǒng)性能、安全性、可靠性3大層面。在安全性方面，國(guó)際上已有《氫和燃料電池車輛全球技術(shù)法規(guī)》(GTR13)，其規(guī)定了FCVs的整車安全與車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)安全的技術(shù)要求與試驗(yàn)方法，在國(guó)際上是較為權(quán)威的FCVs安全法規(guī)[51]。

我國(guó)關(guān)于FCVs的研發(fā)起步較晚，2007年，F(xiàn)CVs標(biāo)準(zhǔn)制定專門項(xiàng)目組成立，十余年間累計(jì)發(fā)布燃料電池相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)76項(xiàng)，其中涉及電池反應(yīng)堆34項(xiàng)，氫能基礎(chǔ)設(shè)施27項(xiàng)，燃料電池汽車15項(xiàng)[52]。2019年11月18日歐盟將中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24549-2009《燃料電池電動(dòng)汽車 安全要求》列為聯(lián)合國(guó)法規(guī)UN R134的五個(gè)等同替代標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)之一[53]。這是我國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)首次被采用寫入歐盟汽車法規(guī)中，也是外界對(duì)我國(guó)在FCVs標(biāo)準(zhǔn)化方面所做的工作的高度認(rèn)可。

在碰撞安全和儲(chǔ)氫安全方面，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)GTR13要求碰撞試驗(yàn)后，氫泄露率不應(yīng)大于118 NL/h，且乘客艙和行李艙的氫濃度不應(yīng)大于4%；儲(chǔ)氫罐平均爆破壓力BP0>2NMP，且在22000次規(guī)定壓力循環(huán)次數(shù)內(nèi)不泄露[54]。我國(guó)在這方面尚欠缺完整的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。在供氫系統(tǒng)方面，根據(jù)我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《燃料電池電動(dòng)汽車 安全要求》(GB/T 24549-2020)，盡可能讓氣體檢測(cè)儀接近測(cè)量部位，其氫氣泄露速率應(yīng)滿足不高于0.005 mg/s。這與國(guó)際法規(guī)GTR13的內(nèi)容基本一致，但GTR13考慮了液態(tài)儲(chǔ)氫的情況，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)則沒有相關(guān)記載。

圖7 NEXO在ENCAP測(cè)試的結(jié)果圖[50]Fig.7 Diagram of NEXO’s results from ENCAP tests.[50]

6 結(jié)論與展望

目前市場(chǎng)上最突出的四款FCVs：梅賽德斯-奔馳GLC F-Cell、本田的Clarity、豐田MIRAI、現(xiàn)代NEXO。四款FCVs設(shè)計(jì)上都非常重視氫系統(tǒng)安全：在儲(chǔ)氫系統(tǒng)安全性上，均采用碳纖維材料為內(nèi)襯設(shè)計(jì)的氫氣瓶；四款車采用了高靈敏度的傳感器和對(duì)應(yīng)的保險(xiǎn)裝置以提高供氫系統(tǒng)安全，其中Clarity和NEXO通過設(shè)計(jì)優(yōu)化精簡(jiǎn)了供氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以降低了氫氣泄露的風(fēng)險(xiǎn)；四款車型都通過了不同類型的碰撞測(cè)試，其中，以NEXO在2019年通過的IIHS測(cè)試公路安全性能測(cè)試級(jí)別最高，充分證明了FCVs的安全性能。

目前，我國(guó)FCVs的商業(yè)化處于起步階段，對(duì)于其未來(lái)的發(fā)展，本文提出如下建議：

(1) 完善加氫環(huán)境?，F(xiàn)有加氫站，制氫和儲(chǔ)輸?shù)然A(chǔ)設(shè)施不足以支撐FCVs的發(fā)展，政府和行業(yè)急需加快相關(guān)方面的建設(shè)以加快FCVs的商業(yè)化進(jìn)程。

(2) 加快強(qiáng)制性統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)體系的建立。以上四家公司推出的FCVs皆做了嚴(yán)格的安全措施，但缺乏一套科學(xué)統(tǒng)一的安全標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其做出評(píng)價(jià)。

(3)政府應(yīng)加大宣傳。目前我國(guó)民眾對(duì)于FCVs的了解有所欠缺，若能加大對(duì)其的宣傳和科普，會(huì)更有利于FCVs的普及。