從加氫、儲氫、氫泄露和整車看氫係統安全策（cè）略

前言

隨著（zhe）人們生（shēng）活水平的提高（gāo），汽車保有量逐漸增加，同時環境問題也受到了廣泛關注，因此汽（qì）車行業也正積極推動變革，努力推廣新能源汽車。

其中，氫燃料（liào）電池汽車作為眾多新能源汽車形（xíng）式中的重要分支，其通過氫和氧的（de）反應直接將化學能轉換（huàn）為電能提供動（dòng）力，因（yīn）其具有高效率和近零排放的優點，被世界各國普遍認為具有廣闊的（de）發展前景。

燃料電池汽（qì）車的燃料是氫氣，由於氫氣本身（shēn）的（de）特性，使得燃料電池汽（qì）車氫係統的安全性成為（wéi）人們首先關心的問題，因此，為了燃料（liào）電池汽車的推廣和使用，有必要對燃（rán）料電池汽車的氫係（xì）統安全性進行研究。

本文在介紹燃料電（diàn）池氫係統構型和氫安全（quán）相關標準的基礎上，探討了燃料（liào）電池氫係統在各使用環節的氫安全控製策略，並在此基礎（chǔ）上進行（háng）了總結與展望。

1、氫特性

在常溫常壓下，氫氣是一種無色無味無（wú）毒的氣體。從氫安全的角度考慮，其具有以下五（wǔ）大特點：

(1) 易燃性：氫氣是一種極易燃的氣體（tǐ），燃點隻（zhī）有574℃，同時（shí）氫氣和空氣混合時可燃（rán）範圍非常廣，使得氫氣很容易快速點燃，又由於氫氣密度低，因此氫氣（qì）燃燒後火焰上升（shēng）也（yě）很快；

(2) 爆炸性：氫氣（qì）爆炸極限的體積分數在4～75%之間，相比甲烷的（de）5～15%，其爆炸極限體積分數（shù）的範圍很寬，為了避免爆炸，需將氫氣濃度控製在 4%以下，通常的做法是（shì）使（shǐ）用氫濃度傳感器實時監控，並在必要（yào）的時候使用（yòng）風扇排風降低濃度；

(3) 泄露性：氫在元素周（zhōu）期表中排在第一位，氫分子直徑小（xiǎo）質量輕，與其他氣體（tǐ）或液體燃料相比就更容易從縫隙或孔隙中泄露；

(4) 擴散性：與其他氣體或液體燃料相（xiàng）比，氫氣在空間（jiān）上能夠以很（hěn）快的速度上升，同時進行快速的橫向移動（dòng）擴散，因此當氫氣泄漏時，氫氣將沿著多（duō）個方向（xiàng）迅速（sù）擴散，並伴隨著氫氣濃度下降；

(5) 氫脆：氫氣與金屬（shǔ）材料長期（qī）接觸或（huò）進行特定工藝過（guò）程時，金屬材料發（fā）生了氫滲透（tòu）或者吸氫現象，並使材料的機械性能發生（shēng）了嚴重退化，進而發生脆斷。

2、車載燃料電池氫係統

氫（qīng）係統是燃料電池汽車上（shàng）動力係統的（de）重要組成之（zhī）一，其主要功能是為燃料電池係統供給反（fǎn）應所需的氫氣，典（diǎn）型的氫係統示意圖如圖1所示。

氫係統的部件主要包括加氫口、氫氣過濾器、單向（xiàng）閥、減壓閥、電磁（cí）閥、排空口、限流閥、安全閥、針閥、溫度傳感器、壓力傳感器和氫係統控製（zhì）器等。

在氫氣安全係統中（zhōng），氫氣使用安（ān）全分為兩類，即被動安全係統和（hé）主動安全係統。

被（bèi）動安全（quán）係統包括的部件為排空口和氫瓶及氫（qīng）管路上的安全閥，其部件特征為無需電氣控製的機（jī）械部件，例如當管（guǎn）道內氫氣（qì）壓力過高時（shí），安全閥會打開，過壓（yā）的氫氣就可以（yǐ）通過氫管路從排（pái）空口排到空氣中（zhōng）。

主動安全係統是可通過電氣控製（zhì）的（de）係統，其以氫係統（tǒng）控（kòng）製器為核心，以氫係（xì）統各傳感器、整車的部分傳感器和（hé）其他控製器發送的信號等（děng）作為信息讀取來源，以可控的電磁閥作為執行部件，當各傳感器監控的狀態出現異常時，能夠主動控製閥（fá）門動作，關閉供（gòng）氫係統，進而保證車輛和人員的安全。

燃料電池汽車的氫安（ān）全總是讓人們充滿擔憂，美國能源部在氫安全的規範中也提到了保證安全是推進氫燃料電池（chí）汽車商（shāng）業（yè）化的基礎，為了確保燃料電池汽車的安全性達到傳統汽車的水平，需要（yào）製定嚴格的法規和（hé）標準，進而在法（fǎ）律（lǜ）層麵得到強製安全保證。

提到氫燃料電池汽車的安全，人們最關心的就是氫泄露和氫排（pái）放等氫氣使用相關的問題。無論是國際上（shàng）還（hái）是國（guó）內與燃料電池（chí）汽車相關的標準中，都提到了氫安全性的問題。

國際上與氫燃（rán）料電池相關的比較有代表性的標準為以下（xià）三項：國際標準化組織發布的與氫安全防護相關的ISO 23273:2013、全球統（tǒng）一（yī）汽車技術法規發布的GTR 13和SAE International發布的SAEJ2578。

1、ISO 23273:2013標準

該國際標準規（guī）定了燃料電池汽車車內外的氫安全防護和對人體防（fáng）護方麵的很多要（yào）求。

該標準適用的範圍是（shì）用（yòng）壓縮氫氣作為燃（rán）料電池動力係統燃料的燃料（liào）電池汽車，該（gāi）標準關注（zhù）的側重點是車輛在（zài）正常操作（zuò）時的情況和車輛單點故障時（shí）的情況，同時對具體的要求隻做了概述性的規定。

例如該標準（zhǔn）指出（chū）：在預設（shè）的區（qū）域內，比如（rú）無機械通風的車庫、靠機械通風的（de）建築物或室外等場所，都必須滿足車內外的正常排（pái）放均為（wéi）不可燃的法規要求。

2、GTR 13法規

該法規是燃料電池（chí）安全的基礎性法規，其適用於（yú）標稱工作壓力不超過70 MPa且最大加注壓力為1.25倍標稱工作壓力的氫係統，同時要求該氫係統必須是穩固地（dì）連接在（zài）汽車上的（de）。

該法規規定了正常使用情況和碰撞等特殊情況下，氫氣的泄露、排放和報警故（gù）障（zhàng）的（de）要求，規定了係統的完整性以及具體測試方法。

該法規明確規定（dìng）了氫泄壓係（xì）統、排氣係（xì）統的具體要求，例如其（qí）規定：車輛尾排係統的氫氣濃度，平均（jun1）體積（jī）濃度任何（hé）時刻不允許超過8%，在連續測量的（de）3s時間（jiān）內，濃度不允（yǔn）許超（chāo）過4%。

此外，該法規還規（guī）定了故障、氫泄漏和信號報警燈等（děng）多種情況（kuàng）下的具體要求。

3、SAE J2578標準

該標準不僅規定了燃料電池汽車的安全（quán）準則和方法，也規定了相（xiàng）關子係統的安全準（zhǔn）則，提出了氫燃料電池係統集成在整車上的特殊要求，同時該標準還具體規定了氫燃料電池係統的具體要求和試驗（yàn）方法。

標準對燃料電池係（xì）統（tǒng）完整性進行了（le）具體要求，對浸水、失效安全關斷、汽車艙內（nèi）潛在危險等情況進行了要求，也對排放（fàng）、吹掃、通風和其他（tā）正常氣體排放應滿足的條件進（jìn）行了要求。

此外，標準還（hái）規定了正常汽車排（pái）放測（cè）試和汽車不當或不利操作（zuò）測試的標準和條件。

為了保證燃料電池汽（qì）車的安全運行，以氫係統控製器（qì）為主，各（gè）傳感器和執行部件為輔的氫（qīng）管理係統發揮（huī）著重要（yào）的作（zuò）用。

在正常工作時，氫管理係統與燃料電池控製係統通信，在不同的（de）網（wǎng）絡架構中氫管理係統也與整車（chē）控（kòng）製係統通訊。

按照氫管理係統的工（gōng）作（zuò）場景，氫係統的安全控製策略分為以下四個方麵：加氫安（ān）全策略、儲（chǔ）氫安全策略、氫泄露及排氫安全（quán）策略和（hé）碰（pèng）撞及整車緊急安全策略。

1、 加氫安全策（cè）略

在國內外，燃料電池（chí）汽車的儲氫形式以高壓氣態儲氫為主，目前儲氫壓力分為兩個等（děng）級（jí），即35MPa和70MPa。在高壓氫氣加注過程中，車載氫瓶內（nèi）氫氣容易快速升（shēng）溫，存在安全隱患。

為了實現氫氣的安全快速加注，常采用氫氣預冷、溫升控製和分級（jí）優化（huà）加注策略相結合的方法，同時車載氫

管理係統與加氫站通過紅外信號實時通訊（xùn），時刻檢測加注過程（chéng）中的各項參數。

氫氣預冷：如果氣源為常溫，則在氫氣加注過（guò）程中，氣瓶溫度會快速（sù）增加，並很容易達（dá）到氫瓶的安全溫度限製，如果此過程靠自然冷卻，則加注時間會很長，也就（jiù）無法達到快速加注的目標，所（suǒ）以在氫氣加注之前（qián），通過對（duì）氫氣進（jìn）行製冷，使氣源溫度達到-40 ℃，然後再（zài）用低溫氫氣進行加注。

溫升控製加注：在氫加注過程中（zhōng），即使進行氫氣預冷，也不能保證加注流量很大時氣瓶溫度始終在安全限值以下，因此為了平衡氫氣加注速度和氫瓶溫升，需要通過控製氣瓶（píng）內的壓力上升速度（dù）和氫氣加注流量的方式控製氣瓶溫度。

分級（jí）加注：通常加氫站的儲氫罐按照壓力級（jí）別分成三組，壓力從高到（dào）低分別（bié）是高級瓶組、中級瓶組和低級瓶組（zǔ）。在（zài）加注（zhù）過程中，加（jiā）氫機將按照控製程序，按照從低壓到高壓的順序依次供應氫氣。

其中，氣源階梯切換的判斷常以氣（qì）瓶內平（píng）均壓力變化速率為（wéi）依據，進而（ér）可按照低級瓶組到中級瓶組再到高級瓶組的順序從各級儲氫罐中取氣，按（àn）照（zhào）此方（fāng）式（shì）也提高了各級儲氫罐中的（de）氫利用率。氫氣的分級加注流程如圖2所示（shì）。

2、儲氫安全策略

為了保證儲氫安全，氫管理係統需要監測氫（qīng）瓶內（nèi）的溫度和（hé）壓力，監測管路上的壓力，同時還需監測（cè）各傳感器（qì）、執行器以及通（tōng）訊信號的通斷等，並結合實（shí）際情況（kuàng）進行故障上報和處理。

典型氫管理係統的傳感器和執行器信號類（lèi）型（xíng）和特點如表1所示。

氫係（xì）統控製器讀取傳感器信號，並通過相應的策略進行參數計算。

以氫瓶內壓力監測的計算為例，首先氫控製器按照預設的采樣速率，如每10 ms采集一次氫瓶內壓力，連續采集6次，並計算出這（zhè）6次壓力的最大值和最小值，將6次采樣的壓力值求和，再減去最大值和最小值，最後除以4得到的就是去除極值後（hòu）的平均值（zhí），該數值作為氫氣壓力的有效值。

每一次有效（xiào）值時的獲取，都將重新采樣6次新的壓力值，然後再按照上麵的方式進（jìn）行計算。

氫（qīng）係統控製器還（hái）需對計算後的參數進（jìn）行判斷和故障處（chù）理。

例（lì）如，在氫瓶的溫度超過報警溫度時，氫係（xì）統控製（zhì）器會（huì）發出控製信號立即關閉電（diàn）磁閥，並將報警信號發送給整（zhěng）車控（kòng）製係統（tǒng）和燃（rán）料電池控製係統，發送請求結（jié）束係統工作的請（qǐng）求，發（fā）送的信號中也包括故障氣瓶編號的信息，並在儀表上提示駕（jià）駛員，同時使用聲音提醒駕駛員采取緊急安全措施。

3、氫泄露（lù）及排氫安全策略

由於氫氣的易燃易爆特性（xìng），對氫（qīng）泄露和排氫濃度的監控和處理顯得（dé）尤為（wéi）重要。

在燃料電池係統工作中，為排出氫氣路蓄積的水，需要按（àn）照一定的時間間（jiān）隔進行排氣操作，不可避免會（huì）有少量（liàng）氫氣排出係統，而為了保證安全（quán），必須確保排出其他的氫濃度低於可燃值。

因此，常規方案是將排出的氫與空氣路排出的廢氣（qì）在混合腔內充分混合，同時監測排氫的濃度（dù），當排氫濃度高於預設的限值時，需降低排氫時間，同時增加空氣的排氣量使排出（chū）的混（hún）合氣低於預（yù）設值。

一般情況（kuàng）下，常采用高精度的氫氣濃度傳感器監控氫泄漏，為實現實（shí）時監控車內氫含量的目標（biāo），需要在燃料電池發動機附近（jìn）、乘客艙頂棚和儲氫瓶附近布置多個傳感（gǎn）器，任何（hé）監控的位置發生氫泄漏，均需要采取安全措施，確保車輛和乘客安全。

氫泄露傳感器（qì）的布置如圖3所示（shì），圖中傳感器布置在了後備箱的最高點①、乘客艙②和前機艙③附近，有的傳感器布置方案也在儲氫瓶口處（chù）增設氫傳感器。

氫（qīng）係統控製器將多個氫濃度傳感器的采（cǎi）集值進行處（chù）理（lǐ），並取其中的最大值作（zuò）為氫泄露的報警值，氫係統控製器會（huì）將該最大值上報燃料電池控製係統和整車控製係統，當最大值（zhí）超過限值時，氫係統控製器還將發送報警信息，並執行相應的舉措。

氫泄漏報警分（fèn）為四類，其一是氫濃度傳感器故障，另外三類是三級泄（xiè）露報警，按照氫泄露濃度不同依次為輕度報警、中度報警和緊急報警。

輕度（dù）報警又稱一級泄（xiè）露報警，指空（kōng）氣中的氫含量在0.4%到1%之間，氫係統控（kòng）製器將輕（qīng）度氫氣泄露報警信息上報燃料電池控製器（qì）係統和整（zhěng）車控製係統（tǒng），並提示駕駛員有氫泄露異常；

中度報警又稱二級（jí）泄露（lù）報警，指空氣（qì）中的氫含量在1%到2%之間，氫係統控製器將向燃料（liào）電池控製器係（xì）統和整車控製係統上（shàng）報嚴重的氫氣（qì）泄露報（bào）警，並提（tí）示駕駛員立即停車；

緊急泄露報警（jǐng）又稱三級泄（xiè）露報警，指空氣中的氫含量超過2%時，氫係（xì）統控製器向燃料（liào）電池控製器係統和整車控製（zhì）係統上報緊急泄漏報警，同時進入故障處理（lǐ）模式，立即關閉氫瓶上的電磁閥，並聲光報警提（tí）示司機氫氣泄露，具體控製措施如表2所示。

4、整車緊急狀態安全策略

車輛出現（xiàn）碰撞、燃（rán）料電池電堆故障或其他整車緊急狀態下，氫係統也將進（jìn）行（háng）相應的措施來保證安全。

在部分（fèn）燃料電池係統中，除了通過CAN總線在各控製器之間傳（chuán）輸報警信號之外，還設計了應急硬線連接裝置，能夠保證係統有效並可靠地快速響應（yīng）。具（jù）體硬線應急安全原理如（rú）圖4所示。

圖中的應急安全硬線裝置由碰撞開關、急停開關（guān）、氫係統控製器控製端和整（zhěng）車控製（zhì）控製端等四個端口同時控製，實際應用（yòng）中控製端（duān）口也可以按照相同的原理增加或減少。

當急停開關（guān）或（huò）碰撞開關斷（duàn）開時，之前保持高（gāo）電（diàn）平的（de）安全線將變為低電平，氫係統控製器和整車（chē）控製器都將收（shōu）到低（dī）電平應急信號（hào），氫係統將進入安全應（yīng）急狀態，停（tíng）止供氫並（bìng）報警（jǐng）提示。

當整車控製器識別（bié）出整（zhěng）車異常或燃料電（diàn）池係統異常時，將把安全線（xiàn）拉為低電平，通知氫係統或其他獲取該信號的係統進入安全應急狀態。同樣（yàng）的，氫係（xì）統控製器也能拉低安全線並讓係統進入安全應急狀態，來達到（dào）保證車輛及人員安全的目的。

1、氫由（yóu）於其固有的特性（xìng），氫安全問題在一定程度上製（zhì）約了氫燃料電（diàn）池汽車的應用和發展，因此讓更多人（rén）了解氫氣，了解燃料電池（chí）氫係統以及（jí）了解氫應用的安全實例就顯得尤為重要。在氫能相關技術進步（bù）的同時，做好氫安全知識的科普具有重要意（yì）義。

2、我（wǒ）國在燃料電（diàn）池汽車領域（yù）的起步相對較晚，雖然已經發布了氫安全（quán）相關（guān）的標準法規，但仍（réng）需在實踐中不斷完善和補充，進而從法律角（jiǎo）度嚴（yán）格保障（zhàng）燃料電（diàn）池汽（qì）車的安全（quán）性與傳統車（chē）相當。

3、燃料電（diàn）池汽車氫安全策略（luè）已基本（běn）形成（chéng）了比較完（wán）善的框（kuàng）架，在加氫、儲氫、排（pái）氫、氫泄露及緊急情況等各環節均能保證安全（quán），隨著仿真模擬的進（jìn）步（bù），安全試驗的積累和（hé）優化，多種故障分析方法的廣泛應用以及傳感器技術不斷（duàn）提高，必將推動燃料電池汽車（chē）商業化、規模化、產業化（huà）發展的曆史進程。