中國儲能網訊：目前，隨著環(huán)境污染和能源短缺等問題的日益突出，新能源汽車成為了各大汽車產商和研發(fā)機構的重點研究對象。
其中，燃料電池汽車因其燃燒效率高，燃燒產物綠色無污染等優(yōu)點，被認為是最具潛力的新能源汽車之一，得到了行業(yè)的廣泛關注。
然而，燃料電池汽車的商業(yè)化進程緩慢，受到關鍵材料價格成本、加氫站普及程度和安全性能等多方面因素限制。其中，安全性能的影響尤為突出。
氫的各種內在特性，決定了氫能系統(tǒng)有著不同于常規(guī)能源系統(tǒng)的危險特征，比如易燃、易泄漏、擴散性、爆炸性和氫脆等。對于燃料電池汽車，整車、車載氫系統(tǒng)以及燃料電池系統(tǒng)均存在泄漏和爆炸等風險。
本文基于對燃料電池汽車整車、系統(tǒng)和關鍵部件的理解，依托國家氫能動力質量監(jiān)督檢驗中心的相關實測試驗數據，對燃料電池汽車運行過程中的典型場景進行提取，分析包括道路行駛、氫氣加注、停車、駐車等場景的運行安全問題。
梳理燃料電池汽車運行安全性能特征，從燃料電池系統(tǒng)、車載氫系統(tǒng)、燃料電池整車三層級分析在用燃料電池汽車運行安全性能關鍵要素，提取氫電安全等關鍵要素核心檢測參數；研究在用燃料電池汽車運行安全性能檢驗及評價技術，研究快速檢驗方法與檢驗工具，確立在用燃料電池汽車定期檢驗流程，構建在用燃料電池汽車運行安全性能檢驗技術體系。
燃料電池系統(tǒng)運行安全性能分析
在燃料電池汽車運行過程中，燃料電池系統(tǒng)作為車輛動力性能的提供源，具有氫氣流量大、產熱較多和輸出高電壓高電流等工作特點，其安全性能涉及到機械、電氣、熱和化學等多種因素；同時，車輛行駛中還會受到振動沖擊和冷熱雨塵等環(huán)境影響。
因此，需要對控制系統(tǒng)及其保護部件、子系統(tǒng)核心部件、外殼管路及連接件等方面提取運行安全要素，開展燃料電池系統(tǒng)性能特性、氫氣泄露、絕緣強度、故障/異常保護等方面的快速、精準檢驗技術研究。
對于燃料電池電堆的運行安全性能，需要對電堆復雜的電化學內部環(huán)境及振動、沖擊、灰塵、雨淋、環(huán)境溫度大幅度變化等外部環(huán)境條件進行綜合考慮，提取燃料電池電堆運行安全要素。
氫燃料電池汽車所使用的電堆因具有純電動汽車、混合動力汽車所使用的動力蓄電池的電氣特征，即“通過輸出電量驅動電動機工作從而促使車輛前進”，從而使很多安全試驗項目都可以參考電動車用儲能系統(tǒng)的相關標準。
1.1
性能特性
燃料電池系統(tǒng)隨著車輛的使用會不可避免的出現性能衰減，進而影響整車的性能與安全性，因此有必要對燃料電池系統(tǒng)進行性能特性檢測。
燃料電池系統(tǒng)性能包含穩(wěn)態(tài)性能、啟動性能和動態(tài)性能。
其中，穩(wěn)態(tài)性能主要為系統(tǒng)的額定功率，如果燃料電池系統(tǒng)在運行一段時間后功率達不到出廠時的額定功率，說明系統(tǒng)衰減較大，應對系統(tǒng)進行維修或更換；啟動特性主要是低溫冷啟動特性，主要指標參數有冷啟動溫度與啟動時間；動態(tài)性能主要為加減載響應時間，加減載范圍為10%-90%額定功率。
圖1 燃料電池發(fā)動機性能特性試驗示例
1.2
發(fā)動機系統(tǒng)氫氣泄露
氫的各種內在特性，決定了氫能系統(tǒng)有不同于常規(guī)能源系統(tǒng)的危險特征，比如易燃、易泄漏、擴散性、爆炸性、氫脆等。燃料電池系統(tǒng)作為氫氣的消耗端，在氫氣使用過程中也存在一定的泄漏風險。
因此，燃料電池堆的氫安全設計方面，其包裝內部的通風設計以及氫泄漏的在線監(jiān)測設計也需著重考慮。
在氣密性方面，燃料電池堆需保證無泄漏并通過出廠前的氣密檢測等實驗測試內容在完成密封性檢查外，運行過程中監(jiān)控器工作電壓的變化也是不可或缺的。
如果燃料電池堆中的質子交換膜發(fā)生破損后，會出現氫氣泄漏到空氣腔或空氣泄漏到氫氣腔中的現象，在催化劑的作用下，會在泄漏的局部發(fā)生燃燒，對燃料電池堆的安全造成威脅。當發(fā)生膜泄漏氫氣與空氣混合后，會引起電壓降低，可以通過檢查單個電池的電壓進行判斷。
圖2 燃料電池系統(tǒng)氫氣泄漏檢測
1.3
絕緣性能
在通過循環(huán)冷卻水冷卻燃料電池堆的燃料電池系統(tǒng)中，由于有離子析出到冷卻水中，冷卻水的導電率會隨著時間上升，導致燃料電池產生的電流在冷卻水中流動，進而引發(fā)燃料電池系統(tǒng)漏電、短路等故障。另外，燃料電池其他高壓線路或部件會隨著時間老化。
因此有必要對燃料電池系統(tǒng)的絕緣性能進行檢測。
圖3 燃料電池系統(tǒng)的絕緣性能
燃料電池車載氫系統(tǒng)運行安全性能分析
燃料電池汽車車載氫系統(tǒng)作為燃料電池汽車的重要組成部分，實現了氫氣的加注、儲存與供應。
車載氫系統(tǒng)需滿足燃料電池用氫技術要求，同時要結合儲氫瓶、供氫管路及控制系統(tǒng)的功能要求、安全要求等，對燃料電池汽車的車載氫系統(tǒng)的運行安全進行綜合分析。通過分析，提取包括氫甁溫度傳感器、加氫口、氣瓶安全閥等部件安全關鍵要素，建立燃料電池汽車車載氫系統(tǒng)運行安全關鍵參數體系。
2.1
氫氣泄漏量（儲氫容器）
燃料電池車是以氫氣代替?zhèn)鹘y(tǒng)石油作為動力能源的車輛，利用氫氧反應在催化劑的推動下高效地放出能量和產出大量的水，對環(huán)境實現零污染、零排放，是一種非常符合可持續(xù)發(fā)展理念的理想交通工具。但是氫氣分子小，極易擴散，而且其爆炸極限在4%～74.2%之間，范圍較大，一旦出現泄露，極易造成爆炸危險，造成無可挽回的后果。
圖4 儲氫系統(tǒng)中的氫氣探測器
2.2
氫瓶溫度、壓力傳感器
氫氣易燃易爆，因此溫度上的控制非常重要。
對此可以運用溫度傳感器監(jiān)控溫度有效地測出氫氣瓶內的溫度并在駕駛室內的儀表上顯示出，通過氣體溫度的變化判斷外界是否有異常情況發(fā)生。如果氣體溫度突然急劇上升，若非溫度傳感器故障，則在氣瓶周圍可能有火警發(fā)生，可通過氫系統(tǒng)控制器立即報警；另一方面，瓶閥上裝有壓力傳感器監(jiān)控瓶內壓力，在加氫過程中提醒加氫員，以及在氫氣剩余量低時及時提醒駕駛員加氫。
2.3
加氫口
燃料電池汽車在加氫站通過加氫口將氫氣加注存儲在高壓儲氫罐中，加氫口在加注時與加氣機的加氣槍相連，以達到加注的目的。
其安裝位置（不應位于乘客艙、行李艙和通風不良的地方）和高度要考慮安全防護要求以方便加氫操作，同時加氫口應具有單向閥以及顆粒過濾功能，應與未遮蔽的電氣接頭、電氣開關和其他點火源保持至少200 mm的距離。單向閥在加氫口或供氫管路出現損壞情況下防止氣體向外泄漏并提高加氫口的使用壽命。減壓閥可以將氫氣的壓力調節(jié)到電池所需要的壓力。當出現危險時，針閥可以將氫氣瓶中的殘余氫氣安全放空。
此外，加氫通訊裝置包括用于獲得氫燃料電池汽車的儲氫罐參數和目標位置氫濃度的控制器。
用于與加氫站信號連接的發(fā)射器與控制器連接，控制器能夠將儲氫罐參數和目標位置氫濃度發(fā)送給發(fā)射器，將儲氫罐參數和目標位置氫濃度發(fā)送給加氫站；當儲氫罐參數在目標范圍內以及目標位置氫濃度小于目標氫濃度時，加氫站向儲氫罐加氫；當儲氫罐參數位于目標范圍以外或目標位置氫濃度大于目標氫濃度時，加氫站停止向儲氫罐加氫。需要加氫時，加氫站的加氫槍與儲氫罐的加氫口進行對插；加氫站能夠根據儲氫罐參數和目標位置氫濃度控制加氫過程的通斷，從而提高安全可靠性，降低加氫過程的安全風險。
圖5 燃料電池車加氫口
2.4
氣瓶安全閥
氣瓶安全閥對供氫系統(tǒng)提供了安全保障，當儲氫瓶氫氣壓力超過設定值后能自動泄壓。如瓶體溫度由于某種原因突然升高造成瓶內氣體壓力升高，當壓力超過安全閥設定值時，安全閥則會自動泄壓，保證氣瓶在安全的工作壓力范圍之內。
圖6 氣瓶安全閥
2.5
氫系統(tǒng)故障
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)安全性進行研究。
氫系統(tǒng)是燃料電池汽車上動力系統(tǒng)的重要組成之一，其主要功能是為燃料電池系統(tǒng)供給反應所需的氫氣，氫管理系統(tǒng)除應具備正常檢測、通訊功能外，還應具備可以實時檢測各傳感器、電磁閥、蜂鳴器等是否發(fā)生故障的功能。
圖7 儀表盤報警顯示
燃料電池整車運行安全性能分析
由于氫氣具有易燃、易爆的特點，氫燃料電池汽車的安全性大多都與氫氣的排放和泄露密切相關。關于燃料電池整車運行安全性能分析，主要對氫氣泄露量、氫氣排放濃度、氫氣濃度報警裝置、防靜電裝置這4個因素進行闡述。
針對氫燃料電池汽車中氫氣的安全特殊性及傳統(tǒng)汽車的安全檢驗方法體系對燃料電池汽車不適用等問題，分析整車氫安全（氫氣排放、氫氣泄漏、氫氣濃度報警）、防靜電裝置等燃料電池汽車安全運行性能檢驗關鍵項目，針對提取的關鍵性能參數，建立燃料電池汽車運行安全性能關鍵指標檢驗技術體系。
圖8 燃料電池汽車結構圖
3.1
氫氣泄漏量
燃料電池汽車在啟動、行車、停車以及關閉等操作中不可避免地會泄露或排放出少量氫氣。由于氫氣是易燃易爆氣體，存在安全隱患，因此必須要考慮氫泄露量是否滿足標準。
一般而言，外漏至外界環(huán)境的氫濃度應小于75% LFL，乘客艙、其他艙中氫氣濃度應該低于50% LFL。當氫泄漏傳感器檢測到濃度大于該值時，車輛必須發(fā)出危險提示并提醒司機。
如果發(fā)生泄露，氫氣會迅速擴散。在戶外，氫的快速擴散對安全是有利的。然而在相對密閉的空間內，氫的擴散則需要具體問題具體分析。如果泄露量很小，氫氣會快速與空氣混合，保持在著火點之下；如果泄露量很大，快速擴散會使得混合氣很容易達到著火點，不利于安全。因此，最大的潛在風險是在密閉的車庫內氫氣發(fā)生緩慢泄漏，逐漸累積導致著火或爆炸。
針對燃料電池乘用車，可進行密閉艙氫氣泄漏快速精準測試；針對商用車，可進行高進度、多點位、實時氫氣泄漏量測試。
綜上，實時監(jiān)測氫氣泄露量在一個相對安全的范圍內，防患于未然，是非常有必要的。
3.2
氫氣排放濃度
燃料電池汽車在起動、行車、停車、關閉等常規(guī)操作過程中，為了排出氫氣管路中蓄積的水，需要進行排氣操作，在此過程中不可避免地會出現氫氣溢出情況，為了保證安全，必須確保排出的氣體氫濃度低于可燃值。
因此，可分別針對燃料電池乘用車與商用車進行怠速狀態(tài)下和對應車型工況下的氫氣排放檢測。
圖9 氫氣排放檢測
3.3
氫氣濃度報警裝置
氫泄露檢測報警系統(tǒng)能實時監(jiān)測氫氣濃度，并在達到報警閥值時對外CAN通信告警，以便燃料電池控制系統(tǒng)及整車控制系統(tǒng)實現對應的安全保護措施。設置2個高靈敏度氫氣濃度檢測傳感器，分別布置于加注單元艙上部和儲氫瓶艙空間正上方，設計以下分級報警策略：
1. 當氫氣濃度達到0.4%時發(fā)出一級報警，提醒注意并要求及時返廠檢查；
2. 當氫氣濃度達到1%時發(fā)出二級報警，燃料電池系統(tǒng)主動關閉并提醒立即檢查；
3. 當氫氣濃度達到2%時發(fā)出三級報警，整車高壓安全下電保護并提醒立即檢查。
圖10 氫氣濃度報警裝置檢測
3.4
防靜電裝置
氫氣屬于火災危險性為甲類的易燃氣體，具有易燃易爆的特性。一旦點燃，燃燒速度極快，燃燒熱值高。
因此，在燃料電池車的使用中，一旦在氫氣的制取、儲存及裝卸過程中發(fā)生泄漏，它可與空氣混合形成爆炸性混合物，遇熱或明火即會發(fā)生爆炸，十分危險。
在高壓作用，泄漏時氫氣從管口或縫隙處高速噴出會產生靜電，靜電荷的產生與其噴出時的流速存在同比關系，當靜電荷達到一定值時也會引發(fā)火災或爆炸。
此外，氫氣的帶電性致使氫氣儲罐的出口處及輸氣管道處易發(fā)生靜電積聚放電現象，這會成為氫氣火災爆炸事故的引火源，當儲罐及輸氣管道的接地裝置發(fā)生故障時，極易引發(fā)火災及爆炸事故。
因此，采用氫氣作為燃料的電池汽車其火災事故的防范重點就是氫氣的泄漏及防靜電。
圖11 防靜電裝置
結語
本文基于對燃料電池汽車整車、系統(tǒng)及關鍵部件的理解，對燃料電池汽車運行過程中的典型場景進行提取，分析包括道路行駛、氫氣加注、停車、駐車等場景的運行安全問題，梳理燃料電池汽車運行安全性能特征，構建燃料電池系統(tǒng)、車載氫系統(tǒng)、燃料電池整車三層級12項氫電安全等關鍵要素核心檢測參數，研究燃料電池汽車運行安全性能檢驗及評價技術體系。
如圖12所示，該體系建立了高效、合理的燃料電池汽車定期檢驗項目，實現燃料電池汽車年檢的信息化、合理化及智能化，為燃料電池汽車的差異化年檢奠定基礎。
圖12 燃料電池汽車運行安全性能檢驗技術體系
