深度 | 車用燃料電池系統(tǒng)氫安全控制綜述

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，高效環(huán)保的氫燃料電池車備受矚目，氫安全問題更是關(guān)注的焦點(diǎn)。本文首先介紹了氫的特性和典型的燃料電池氫系統(tǒng)構(gòu)成，概述了國際上燃料電池汽車氫安全相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，其次，著重從加氫、儲 氫、氫泄露和整車緊急狀態(tài)等四方面介紹了氫系統(tǒng)的安全控制策略，最后從氫安全知識普及、標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)完善和氫安全策略等角度進(jìn)行了總結(jié)和展望。

前言

隨著人們生活水平的提高，汽車保有量逐漸增加，同時(shí)環(huán)境問題也受到了廣泛關(guān)注，因此汽車行業(yè)也正積極推動(dòng)變革，努力推廣新能源汽車。其中，氫燃料電池汽車作為眾多新能源汽車形式中的重要分支，其通過氫和氧的反應(yīng)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能提供動(dòng)力，因其具有高效率和近零排放的優(yōu)點(diǎn)，被世界各國普遍認(rèn)為具有廣闊的發(fā)展前景。

燃料電池汽車的燃料是氫氣，由于氫氣本身的特性，使得燃料電池汽車氫系統(tǒng)的安全性成為人們首先關(guān)心的問題，因此，為了燃料電池汽車的推廣和使用，有必要對燃料電池汽車的氫系統(tǒng)安全性進(jìn)行研究。

本文在介紹燃料電池氫系統(tǒng)構(gòu)型和氫安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，探討了燃料電池氫系統(tǒng)在各使用環(huán)節(jié)的氫安全控制策略，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了總結(jié)與展望。

氫特性及燃料電池氫系統(tǒng)概述

1、氫特性

在常溫常壓下，氫氣是一種無色無味無毒的氣體。從氫安全的角度考慮，其具有以下五大特點(diǎn)：

(1)易燃性：氫氣是一種極易燃的氣體，燃點(diǎn)只有574℃，同時(shí)氫氣和空氣混合時(shí)可燃范圍非常廣，使得氫氣很容易快速點(diǎn)燃，又由于氫氣密度低，因此氫氣燃燒后火焰上升也很快；

(2)爆炸性：氫氣爆炸極限的體積分?jǐn)?shù)在4～75%之間，相比甲烷的5～15%，其爆炸極限體積分?jǐn)?shù)的范圍很寬，為了避免爆炸，需將氫氣濃度控制在 4%以下，通常的做法是使用氫濃度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在必要的時(shí)候使用風(fēng)扇排風(fēng)降低濃度；

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

(4)擴(kuò)散性：與其他氣體或液體燃料相比，氫氣在空間上能夠以很快的速度上升，同時(shí)進(jìn)行快速的橫向移動(dòng)擴(kuò)散，因此當(dāng)氫氣泄漏時(shí)，氫氣將沿著多個(gè)方向迅速擴(kuò)散，并伴隨著氫氣濃度下降；

(5）氫脆：氫氣與金屬材料長期接觸或進(jìn)行特定工藝過程時(shí)，金屬材料發(fā)生了氫滲透或者吸氫現(xiàn)象，并使材料的機(jī)械性能發(fā)生了嚴(yán)重退化，進(jìn)而發(fā)生脆斷。

2、車載燃料電池氫系統(tǒng)

氫系統(tǒng)是燃料電池汽車上動(dòng)力系統(tǒng)的重要組成之一，其主要功能是為燃料電池系統(tǒng)供給反應(yīng)所需的氫氣，典型的氫系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

氫系統(tǒng)的部件主要包括加氫口、氫氣過濾器、單向閥、減壓閥、電磁閥、排空口、限流閥、安全閥、針閥、溫度傳感器、壓力傳感器和氫系統(tǒng)控制器等。

圖1 燃料電池氫系統(tǒng)示意圖

在氫氣安全系統(tǒng)中，氫氣使用安全分為兩類，即被動(dòng)安全系統(tǒng)和主動(dòng)安全系統(tǒng)。

被動(dòng)安全系統(tǒng)包括的部件為排空口和氫瓶及氫管路上的安全閥，其部件特征為無需電氣控制的機(jī)械部件，例如當(dāng)管道內(nèi)氫氣壓力過高時(shí)，安全閥會打開，過壓的氫氣就可以通過氫管路從排空口排到空氣中。

主動(dòng)安全系統(tǒng)是可通過電氣控制的系統(tǒng)，其以氫系統(tǒng)控制器為核心，以氫系統(tǒng)各傳感器、整車的部分傳感器和其他控制器發(fā)送的信號等作為信息讀取來源，以可控的電磁閥作為執(zhí)行部件，當(dāng)各傳感器監(jiān)控的狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，能夠主動(dòng)控制閥門動(dòng)作，關(guān)閉供氫系統(tǒng)，進(jìn)而保證車輛和人員的安全。

3、燃料電池氫安全法規(guī)

燃料電池汽車的氫安全總是讓人們充滿擔(dān)憂，美國能源部在氫安全的規(guī)范中也提到了保證安全是推進(jìn)氫燃料電池汽車商業(yè)化的基礎(chǔ)，為了確保燃料電池汽車的安全性達(dá)到傳統(tǒng)汽車的水平，需要制定嚴(yán)格的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而在法律層面得到強(qiáng)制安全保證。提到氫燃料電池汽車的安全，人們最關(guān)心的就是氫泄露和氫排放等氫氣使用相關(guān)的問題。

無論是國際上還是國內(nèi)與燃料電池汽車相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中，都提到了氫安全性的問題。國際上與氫燃料電池相關(guān)的比較有代表性的標(biāo)準(zhǔn)為以下三項(xiàng)：國際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布的與氫安全防護(hù)相關(guān)的ISO 23273:2013、全球統(tǒng)一汽車技術(shù)法規(guī)發(fā)布的GTR 13和SAE International發(fā)布的SAEJ2578。

01

ISO 23273:2013標(biāo)準(zhǔn)

該國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了燃料電池汽車車內(nèi)外的氫安全防護(hù)和對人體防護(hù)方面的很多要求。該標(biāo)準(zhǔn)適用的范圍是用壓縮氫氣作為燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)燃料的燃料電池汽車，該標(biāo)準(zhǔn)關(guān)注的側(cè)重點(diǎn)是車輛在正常操作時(shí)的情況和車輛單點(diǎn)故障時(shí)的情況，同時(shí)對具體的要求只做了概述性的規(guī)定。例如該標(biāo)準(zhǔn)指出：在預(yù)設(shè)的區(qū)域內(nèi)，比如無機(jī)械通風(fēng)的車庫、靠機(jī)械通風(fēng)的建筑物或室外等場所，都必須滿足車內(nèi)外的正常排放均為不可燃的法規(guī)要求。

02

GTR 13法規(guī)

該法規(guī)是燃料電池安全的基礎(chǔ)性法規(guī)，其適用于標(biāo)稱工作壓力不超過70 MPa且最大加注壓力為1.25倍標(biāo)稱工作壓力的氫系統(tǒng)，同時(shí)要求該氫系統(tǒng)必須是穩(wěn)固地連接在汽車上的。該法規(guī)規(guī)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(bào)警故障的要求，規(guī)定了系統(tǒng)的完整性以及具體測試方法。該法規(guī)明確規(guī)定了氫泄壓系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)的具體要求，例如其規(guī)定：車輛尾排系統(tǒng)的氫氣濃度，平均體積濃度任何時(shí)刻不允許超過8%，在連續(xù)測量的3s時(shí)間內(nèi)，濃度不允許超過4%。此外，該法規(guī)還規(guī)定了故障、氫泄漏和信號報(bào)警燈等多種情況下的具體要求。

03

SAE J2578標(biāo)準(zhǔn)

該標(biāo)準(zhǔn)不僅規(guī)定了燃料電池汽車的安全準(zhǔn)則和方法，也規(guī)定了相關(guān)子系統(tǒng)的安全準(zhǔn)則，提出了氫燃料電池系統(tǒng)集成在整車上的特殊要求，同時(shí)該標(biāo)準(zhǔn)還具體規(guī)定了氫燃料電池系統(tǒng)的具體要求和試驗(yàn)方法。標(biāo)準(zhǔn)對燃料電池系統(tǒng)完整性進(jìn)行了具體要求，對浸水、失效安全關(guān)斷、汽車艙內(nèi)潛在危險(xiǎn)等情況進(jìn)行了要求，也對排放、吹掃、通風(fēng)和其他正常氣體排放應(yīng)滿足的條件進(jìn)行了要求。此外，標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了正常汽車排放測試和汽車不當(dāng)或不利操作測試的標(biāo)準(zhǔn)和條件。

4、氫系統(tǒng)安全控制策略

為了保證燃料電池汽車的安全運(yùn)行，以氫系統(tǒng)控制器為主，各傳感器和執(zhí)行部件為輔的氫管理系統(tǒng)發(fā)揮著重要的作用。在正常工作時(shí)，氫管理系統(tǒng)與燃料電池控制系統(tǒng)通信，在不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中氫管理系統(tǒng)也與整車控制系統(tǒng)通訊。按照氫管理系統(tǒng)的工作場景，氫系統(tǒng)的安全控制策略分為以下四個(gè)方面：加氫安全策略、儲氫安全策略、氫泄露及排氫安全策略和碰撞及整車緊急安全策略。

》》 加氫安全策略

在國內(nèi)外，燃料電池汽車的儲氫形式以高壓氣態(tài)儲氫為主，目前儲氫壓力分為兩個(gè)等級，即35MPa和70MPa。在高壓氫氣加注過程中，車載氫瓶內(nèi)氫氣容易快速升溫，存在安全隱患。

為了實(shí)現(xiàn)氫氣的安全快速加注，常采用氫氣預(yù)冷、溫升控制和分級優(yōu)化加注策略相結(jié)合的方法，同時(shí)車載氫管理系統(tǒng)與加氫站通過紅外信號實(shí)時(shí)通訊，時(shí)刻檢測加注過程中的各項(xiàng)參數(shù)。

氫氣預(yù)冷：如果氣源為常溫，則在氫氣加注過程中，氣瓶溫度會快速增加，并很容易達(dá)到氫瓶的安全溫度限制，如果此過程靠自然冷卻，則加注時(shí)間會很長，也就無法達(dá)到快速加注的目標(biāo)，所以在氫氣加注之前，通過對氫氣進(jìn)行制冷，使氣源溫度達(dá)到-40 ℃，然后再用低溫氫氣進(jìn)行加注。

溫升控制加注：在氫加注過程中，即使進(jìn)行氫氣預(yù)冷，也不能保證加注流量很大時(shí)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，需要通過控制氣瓶內(nèi)的壓力上升速度和氫氣加注流量的方式控制氣瓶溫度。

分級加注：通常加氫站的儲氫罐按照壓力級別分成三組，壓力從高到低分別是高級瓶組、中級瓶組和低級瓶組。在加注過程中，加氫機(jī)將按照控制程序，按照從低壓到高壓的順序依次供應(yīng)氫氣。其中，氣源階梯切換的判斷常以氣瓶內(nèi)平均壓力變化速率為依據(jù)，進(jìn)而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，按照此方式也提高了各級儲氫罐中的氫利用率。氫氣的分級加注流程如圖2所示。

圖2 氫氣分級加注流程圖

》》 儲氫安全策略

為了保證儲氫安全，氫管理系統(tǒng)需要監(jiān)測氫瓶內(nèi)的溫度和壓力，監(jiān)測管路上的壓力，同時(shí)還需監(jiān)測各傳感器、執(zhí)行器以及通訊信號的通斷等，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行故障上報(bào)和處理。典型氫管理系統(tǒng)的傳感器和執(zhí)行器信號類型和特點(diǎn)如表1所示。

表1 氫管理系統(tǒng)傳感器和執(zhí)行器信號類型

氫系統(tǒng)控制器讀取傳感器信號，并通過相應(yīng)的策略進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。以氫瓶內(nèi)壓力監(jiān)測的計(jì)算為例，首先氫控制器按照預(yù)設(shè)的采樣速率，如每10 ms采集一次氫瓶內(nèi)壓力，連續(xù)采集6次，并計(jì)算出這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，最后除以4得到的就是去除極值后的平均值，該數(shù)值作為氫氣壓力的有效值。每一次有效值時(shí)的獲取，都將重新采樣6次新的壓力值，然后再按照上面的方式進(jìn)行計(jì)算。

氫系統(tǒng)控制器還需對計(jì)算后的參數(shù)進(jìn)行判斷和故障處理。例如，在氫瓶的溫度超過報(bào)警溫度時(shí)，氫系統(tǒng)控制器會發(fā)出控制信號立即關(guān)閉電磁閥，并將報(bào)警信號發(fā)送給整車控制系統(tǒng)和燃料電池控制系統(tǒng)，發(fā)送請求結(jié)束系統(tǒng)工作的請求，發(fā)送的信號中也包括故障氣瓶編號的信息，并在儀表上提示駕駛員，同時(shí)使用聲音提醒駕駛員采取緊急安全措施。

》》 氫泄露及排氫安全策略

由于氫氣的易燃易爆特性，對氫泄露和排氫濃度的監(jiān)控和處理顯得尤為重要。

在燃料電池系統(tǒng)工作中，為排出氫氣路蓄積的水，需要按照一定的時(shí)間間隔進(jìn)行排氣操作，不可避免會有少量氫氣排出系統(tǒng)，而為了保證安全，必須確保排出其他的氫濃度低于可燃值。因此，常規(guī)方案是將排出的氫與空氣路排出的廢氣在混合腔內(nèi)充分混合，同時(shí)監(jiān)測排氫的濃度，當(dāng)排氫濃度高于預(yù)設(shè)的限值時(shí)，需降低排氫時(shí)間，同時(shí)增加空氣的排氣量使排出的混合氣低于預(yù)設(shè)值。

一般情況下，常采用高精度的氫氣濃度傳感器監(jiān)控氫泄漏，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控車內(nèi)氫含量的目標(biāo)，需要在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)附近、乘客艙頂棚和儲氫瓶附近布置多個(gè)傳感器，任何監(jiān)控的位置發(fā)生氫泄漏，均需要采取安全措施，確保車輛和乘客安全。氫泄露傳感器的布置如圖3所示，圖中傳感器布置在了后備箱的最高點(diǎn)①、乘客艙②和前機(jī)艙③附近，有的傳感器布置方案也在儲氫瓶口處增設(shè)氫傳感器。

氫系統(tǒng)控制器將多個(gè)氫濃度傳感器的采集值進(jìn)行處理，并取其中的最大值作為氫泄露的報(bào)警值，氫系統(tǒng)控制器會將該最大值上報(bào)燃料電池控制系統(tǒng)和整車控制系統(tǒng)，當(dāng)最大值超過限值時(shí)，氫系統(tǒng)控制器還將發(fā)送報(bào)警信息，并執(zhí)行相應(yīng)的舉措。

圖3 氫泄露傳感器布置示意圖

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

• 輕度報(bào)警又稱一級泄露報(bào)警，指空氣中的氫含量在0.4%到1%之間，氫系統(tǒng)控制器將輕度氫氣泄露報(bào)警信息上報(bào)燃料電池控制器系統(tǒng)和整車控制系統(tǒng)，并提示駕駛員有氫泄露異常；
• 中度報(bào)警又稱二級泄露報(bào)警，指空氣中的氫含量在1%到2%之間，氫系統(tǒng)控制器將向燃料電池控制器系統(tǒng)和整車控制系統(tǒng)上報(bào)嚴(yán)重的氫氣泄露報(bào)警，并提示駕駛員立即停車；
• 緊急泄露報(bào)警又稱三級泄露報(bào)警，指空氣中的氫含量超過2%時(shí)，氫系統(tǒng)控制器向燃料電池控制器系統(tǒng)和整車控制系統(tǒng)上報(bào)緊急泄漏報(bào)警，同時(shí)進(jìn)入故障處理模式，立即關(guān)閉氫瓶上的電磁閥，并聲光報(bào)警提示司機(jī)氫氣泄露，具體控制措施如表2所示。

》》整車緊急狀態(tài)安全策略

車輛出現(xiàn)碰撞、燃料電池電堆故障或其他整車緊急狀態(tài)下，氫系統(tǒng)也將進(jìn)行相應(yīng)的措施來保證安全。

在部分燃料電池系統(tǒng)中，除了通過CAN總線在各控制器之間傳輸報(bào)警信號之外，還設(shè)計(jì)了應(yīng)急硬線連接裝置，能夠保證系統(tǒng)有效并可靠地快速響應(yīng)。具體硬線應(yīng)急安全原理如圖4所示。圖中的應(yīng)急安全硬線裝置由碰撞開關(guān)、急停開關(guān)、氫系統(tǒng)控制器控制端和整車控制控制端等四個(gè)端口同時(shí)控制，實(shí)際應(yīng)用中控制端口也可以按照相同的原理增加或減少。

表2 氫泄露報(bào)警控制措施

當(dāng)急停開關(guān)或碰撞開關(guān)斷開時(shí)，之前保持高電平的安全線將變?yōu)榈碗娖?，氫系統(tǒng)控制器和整車控制器都將收到低電平應(yīng)急信號，氫系統(tǒng)將進(jìn)入安全應(yīng)急狀態(tài)，停止供氫并報(bào)警提示。當(dāng)整車控制器識別出整車異?；蛉剂想姵叵到y(tǒng)異常時(shí)，將把安全線拉為低電平，通知?dú)湎到y(tǒng)或其他獲取該信號的系統(tǒng)進(jìn)入安全應(yīng)急狀態(tài)。同樣的，氫系統(tǒng)控制器也能拉低安全線并讓系統(tǒng)進(jìn)入安全應(yīng)急狀態(tài)，來達(dá)到保證車輛及人員安全的目的。

圖4 應(yīng)急安全原理示意圖

5、總結(jié)與展望

（1）氫由于其固有的特性，氫安全問題在一定程度上制約了氫燃料電池汽車的應(yīng)用和發(fā)展，因此讓更多人了解氫氣，了解燃料電池氫系統(tǒng)以及了解氫應(yīng)用的安全實(shí)例就顯得尤為重要。在氫能相關(guān)技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)，做好氫安全知識的科普具有重要意義。

（2）我國在燃料電池汽車領(lǐng)域的起步相對較晚，雖然已經(jīng)發(fā)布了氫安全相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，但仍需在實(shí)踐中不斷完善和補(bǔ)充，進(jìn)而從法律角度嚴(yán)格保障燃料電池汽車的安全性與傳統(tǒng)車相當(dāng)。

（3）燃料電池汽車氫安全策略已基本形成了比較完善的框架，在加氫、儲氫、排氫、氫泄露及緊急情況等各環(huán)節(jié)均能保證安全，隨著仿真模擬的進(jìn)步，安全試驗(yàn)的積累和優(yōu)化，多種故障分析方法的廣泛應(yīng)用以及傳感器技術(shù)不斷提高，必將推動(dòng)燃料電池汽車商業(yè)化、規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的歷史進(jìn)程。