燃料電池汽車（FCVs）具有很多優(yōu)點(diǎn)，如充氣時間短、零排放、長續(xù)航等，且動力性能明顯增強(qiáng)，是新能源汽車強(qiáng)勁的競爭對手。目前，日本FCVs技術(shù)較為成熟，產(chǎn)業(yè)鏈基本完善，而我國也開始重視氫能發(fā)展，并在燃料電池領(lǐng)域形成了全新的研究格局。
作為FCVs動力源，氫氣本身易爆、易揮發(fā)，因此人們對于汽車車載氫系統(tǒng)的安全性提出了疑問。聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會為對各國安全技術(shù)要求進(jìn)行協(xié)調(diào)，使得公眾對FCVs更加認(rèn)可，成立了專項(xiàng)工作組，起草了全球技術(shù)法規(guī)GTRNO.13《氫燃料電池汽車全球技術(shù)法規(guī)》，在該技術(shù)法規(guī)中對氫燃料電池汽車的安全性作出了明確規(guī)定。
燃料電池汽車車載氫系統(tǒng)所面臨的危險源主要是著火和爆炸，因此電動汽車安全要求相關(guān)內(nèi)容也可用于FCVs。本文將著重對車載氫系統(tǒng)安全問題進(jìn)行分析。
氫能所面臨的安全問題較多，如易揮發(fā)、易燃易爆、氫脆等等。但這一系列安全隱患的發(fā)生都需要基于特定條件，只要能夠?qū)Ρ匾獥l件進(jìn)行有效控制，就能夠在使用時避免氫氣安全隱患。例如，氫氣爆炸條件為體積密度達(dá)到4.0%～75.6%，即當(dāng)空氣中氫氣體積濃度在4%～75.6%范圍內(nèi)時，一旦遇火源就會發(fā)生爆炸。當(dāng)氫氣體積濃度不在上述范圍內(nèi)時，即便接觸火源也不會發(fā)生爆炸。
實(shí)際上，空氣中氫氣含量較低，僅為0.5ppm，其密度僅為空氣的7%，氫氣密度相較于天然氣、汽油、丙烷等，浮力大、擴(kuò)散性強(qiáng)、易揮發(fā)，因此在氫氣很難在空氣中聚集，與汽油易滯留特性不同，即便是發(fā)生泄漏，氫氣也能迅速通過橫向移動擴(kuò)散，美國Swain博士為對比氫氣與汽油的安全性，曾做過泄漏點(diǎn)火試驗(yàn)：兩輛汽車燃料分別為氫氣和汽油，在人為操作燃料泄漏后點(diǎn)火，3s后可見氫氣燃燒所產(chǎn)生的火焰直噴向上，而汽油則從汽車底部開始燃燒；1min后燃燒僅發(fā)生在FCVs氫氣泄漏部分，車身并無嚴(yán)重?fù)p壞；而汽油車則完全燒光。可見，F(xiàn)CVs車載氫系統(tǒng)較汽油車相比，安全性更高。
圖?燃料電池汽車氫燃料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
如上圖所示，氫氣瓶的安裝主要是以續(xù)航里程為依據(jù)，在每個氫氣瓶口都設(shè)有瓶閥，內(nèi)置溫度傳感器，而在瓶閥外還安裝有高壓傳感器。而高壓傳感器的安裝位置可以隨意選擇，主要是因?yàn)闅馄客夤苈废嗤āＲ话闱闆r下，燃料電池汽車約6～8個氫氣瓶，每3～4個氫氣瓶為一組，每組安裝1個高壓傳感器。
在氫氣傳輸系統(tǒng)管路上，由總閥、減壓閥、壓力開關(guān)、抵押傳感器等組件構(gòu)成，其中總閥主要作用是對整個管路的通斷進(jìn)行控制；減壓閥主要是為控制氫氣瓶總壓力，使其保持在規(guī)定壓力范圍內(nèi)；壓力開關(guān)則是為了確保管路壓力超預(yù)警；抵押傳感器則主要是對氫氧燃料反應(yīng)的壓力進(jìn)行監(jiān)測。而H2傳感器則主要是對車廂內(nèi)氫氣濃度進(jìn)行監(jiān)測，為系統(tǒng)判斷是否出現(xiàn)氫燃料泄漏提供數(shù)據(jù)支持。
燃料電池汽車（FCVs）儲氫系統(tǒng)包括加氫系統(tǒng)和車載儲氫系統(tǒng)兩部分，因此FCVs儲氫系統(tǒng)的安全性也將從這兩方面進(jìn)行分析。在加注高壓氫氣時，氫氣瓶溫度會瞬時升高，所以在加注時采用了多種策略聯(lián)合使用的方法，包括氫氣預(yù)冷、升溫控制、分級優(yōu)化等。
以往儲氫罐材料主要采用的是304不銹鋼或鉻鉬鋼，但是這類材料重量較大，無法滿足FCVs輕量化要求。
梅賽德斯奔馳GLCF-Cell所采用的儲氫罐型號為挪威HexagonⅣ型，安裝于車輛底板和車橋間的碰撞保護(hù)區(qū)內(nèi)，周圍輔助車架也形成屏障，有效保護(hù)一大一小兩個儲氫罐。儲氫罐材料為碳纖維外殼，可儲氫4.4kg，且儲氫壓力為全球標(biāo)準(zhǔn)70MPa，充滿氫燃料僅需3min。
本田Clarity儲氫罐采用的是Type3型，為鋁合金內(nèi)襯材質(zhì)，符合國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GTRNO.13相關(guān)技術(shù)要求。
豐田MIRAI儲氫罐數(shù)量縮減為2個，舊款FCVs則有4個儲氫罐。同時，MIRAI儲氫罐體積變小，安置于后排座椅下方，其由三層混合材料結(jié)構(gòu)組成，最外層為抗沖擊性較強(qiáng)的玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）；中層為碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP），這種材料具有較強(qiáng)的抗壓性；內(nèi)層為塑料內(nèi)膽，主要作用是密封空氣；儲氫罐兩端為環(huán)形保護(hù)層，耐摔耐火性能較強(qiáng)。通過對CFRP層進(jìn)行優(yōu)化，并合理降低材料用量，儲氫罐重量實(shí)現(xiàn)了大幅度下降。
現(xiàn)代公司在儲氫罐技術(shù)上具有自主研發(fā)能力，現(xiàn)代NEXO3個儲氫罐大小相同，使用了碳纖維制造的新型材料，抗?jié)B性優(yōu)良，可以長時間承受高溫。
FCVs供氫系統(tǒng)主要由高壓儲氫罐、減壓閥、穩(wěn)壓罐、傳感器、壓力調(diào)節(jié)閥以及各種管路組成。
梅賽德斯奔馳GLCF-Cell碰撞傳感器一旦監(jiān)測到發(fā)生重大事故，氫氣瓶罐閥和主氫氣閥將會在幾毫秒內(nèi)關(guān)閉，使氫氣瓶內(nèi)壓力從70MPa降至1～1.2MPa；而另一個壓力調(diào)節(jié)閥位于燃料電池組入口，在發(fā)生事故時氫側(cè)燃料電池組壓力將會被降至0.1～0.3MPa。以此來確保即便發(fā)生事故也不會發(fā)生氫泄漏情況。
本田Clarity重新設(shè)計和壓縮了各個組件，包括調(diào)節(jié)器、壓力傳感器、截止閥等，將其作為內(nèi)置模塊，高壓供氫系統(tǒng)零件數(shù)量大幅度減少，這在很大程度上降低了氫氣泄漏的風(fēng)險。同時，位于各個位置的氫氣傳感器將會實(shí)時對氫氣濃度進(jìn)行監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)異常情況將會立即關(guān)閉截止閥，從而將氫氣源切斷。
豐田MIRAI在供氫系統(tǒng)中使用鋁合金作為高壓部件的主體，有效防止供氫管道出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象。同時，使用明礬對鋁制主體進(jìn)行處理，確?；瑒犹囟ǚ€(wěn)定，并減少磨損。此外，為避免高壓傳感器膜片因氫滲透進(jìn)而對傳感器數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性產(chǎn)生影響，MIRAI在高壓傳感器膜片內(nèi)表面添加了經(jīng)過特殊表面處理的薄膜。經(jīng)檢測，添加薄膜后，膜片中情氫固溶體含量減少90%，即便是長期處于高壓氫氣環(huán)境，傳感器精度也不受影響。
現(xiàn)代NEXO供氫系統(tǒng)中，采用引射器模式代替原有“循環(huán)泵+引射器”方式進(jìn)行氫循環(huán)，供氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單，供氫安全性得到提升。同時，NEXO供氫系統(tǒng)還具有快速排氣功能，一旦車輛發(fā)生碰撞，傳感器將會立即將排氣閥門開啟，快速排空內(nèi)部高壓氫氣。
安全監(jiān)控系統(tǒng)主要是檢測氫氣是否泄漏，監(jiān)控對象包括FCVs發(fā)動機(jī)、儲供氫系統(tǒng)等，監(jiān)控系統(tǒng)壓力、溫度等是否存在異常，從而保證燃料電池汽車在加氫和使用過程更加安全。就目前主流FCVs汽車而言，氫系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)主要由傳感器、控制器組成，其中傳感器又涉及到溫度傳感器、壓力傳感器、泄漏傳感器等。氫系統(tǒng)控制器將會在工作期間對氫瓶、氫氣泄漏、整車運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)控，一旦出現(xiàn)異常將會自主關(guān)閉供氫系統(tǒng)。
在FCVs中容易出現(xiàn)泄漏和集聚氫氣的部位安裝泄漏傳感器，如燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、乘客艙、儲氫瓶等位置，以實(shí)現(xiàn)對車內(nèi)氫含量的實(shí)時監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)氫含量異常，將會立即采取響應(yīng)預(yù)案，確保車內(nèi)乘客安全。而且，當(dāng)傳感器檢測到氫氣泄漏濃度超過爆炸下限的10%、25%和50%時，監(jiān)控器將會發(fā)出Ⅰ～Ⅲ級相應(yīng)等級的警報信號，氫氣泄漏控制措施如下圖所示。
圖? 燃料電池汽車車載氫系統(tǒng)氫氣泄漏控制措施
在FCVs加氫時，氫系統(tǒng)監(jiān)控器一旦監(jiān)測到氫瓶內(nèi)壓力超過預(yù)設(shè)最高值，或未達(dá)到最低要求時，將會立即發(fā)送壓力異常報警信號，整車系統(tǒng)將會停止向氫瓶內(nèi)加氫。此外，加氫槍上安裝有傳感器，可對溫度和壓力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。
氫系統(tǒng)控制器在進(jìn)行溫度檢測時，發(fā)現(xiàn)氣瓶溫度過高或過低，都會立即將電磁閥關(guān)閉，然后向整車管路系統(tǒng)發(fā)送溫度異常警報，同時向加氫機(jī)發(fā)送立即結(jié)束工作信號，并顯示出發(fā)生故障的氫瓶的編號，然后通過聲光方式向駕駛員發(fā)送預(yù)警信息，以確保能立即采取相應(yīng)保護(hù)措施。
控制器一旦監(jiān)測到到車載氫系統(tǒng)供氫時壓力出現(xiàn)異常，超過或低于最高和最低值，此時電磁閥將會立即被關(guān)閉，然后發(fā)送管路超壓或低壓報警信息，請求管路系統(tǒng)立即結(jié)束運(yùn)行，并向駕駛員發(fā)送預(yù)警信息，以便駕駛員及時采取相關(guān)措施。
當(dāng)FCVs電氣元件出現(xiàn)故障，監(jiān)控器將會發(fā)送故障信號，氫系統(tǒng)中全部電磁閥都將被立即關(guān)閉，且系統(tǒng)將會斷電，并以聲光警報方式通知駕駛員。
為確保車輛在發(fā)生碰撞時氫系統(tǒng)不被損壞，通常都是設(shè)計碰撞安全系統(tǒng)，有效保證氫系統(tǒng)的安全性。為進(jìn)一步提高 FCVs 碰撞防護(hù)能力，在提高關(guān)鍵部位零件防撞能力的同時，通過一系列措施確保碰撞時氫系統(tǒng)不被破壞，具體包括優(yōu)化氫系統(tǒng)布設(shè)位置、固定裝置保護(hù)、自動斷電、自動關(guān)閉閥門等。通常高壓儲氫罐安裝在車輛前置頂部，汽車后置頂部則安裝燃料電池模塊，地板下方安裝動力電池。通過車頂管路和后部燃料電池系統(tǒng)，可以與前置儲氫罐連接起來，在發(fā)生碰撞導(dǎo)致氫氣泄漏時，可以將氫氣快速排空。燃料電池模塊對汽車結(jié)構(gòu)影響不大，將動力電池安裝于地板下方則可以保證車身重心。
在燃料電池汽車供氫系統(tǒng)中，高壓儲氫罐組作為重要的儲能部件，同時也存在巨大的安全隱患。比如，一些專用儲氫系統(tǒng)固定支架的強(qiáng)度非常大，將高壓管路、氫瓶閥和氫瓶罐組集合起來，使用鋼帶進(jìn)行支撐，有效保證高壓氫瓶在發(fā)生碰撞時也不會出現(xiàn)位移，從而避免連接管路在碰撞時出現(xiàn)斷裂， 從而引發(fā)氫氣泄漏。有實(shí)驗(yàn)顯示，對燃料電池汽車進(jìn)行帶壓前碰和零壓后碰，氫氣瓶和燃料電池均符合相關(guān)要求。
此外，汽車碰撞是一個非常復(fù)雜的過程， 即便各類零部件設(shè)計牢固，但是在碰撞時也可能會造成某部件損壞，從而導(dǎo)致氫氣漏泄。因此，為了預(yù)防這種情況，可在整車不同部位設(shè)計至少 2 個冗余的慣性開關(guān)，開關(guān)在發(fā)生碰撞時被激活，從而向氫系統(tǒng)控制器傳送碰撞信號，氫系統(tǒng)控制器則發(fā)送關(guān)閉儲氫閥門信號，及時阻斷氫氣供應(yīng)，將氫氣泄漏量控制到最低。慣性開關(guān)的設(shè)計能夠檢測到任何形式的碰撞，同時也能避免某一個開關(guān)發(fā)生故障而無法檢測到碰撞發(fā)生。
綜上所述，氫能作為一種清潔能源，盡管具有易燃、易爆、氫脆等安全隱患，但是只要采取有效的防控措施，那么其與汽油汽車相比，燃料電池汽車安全性更高。同時， 經(jīng)過多年不斷實(shí)踐和規(guī)范，燃料電池汽車安全可靠，具有十分廣闊的發(fā)展前景。而對于燃料電池汽車而言，如何規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化發(fā)展是今后亟待思考的重要問題
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