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燃料电池电动汽车及其安全问题
2022-03-04 20:29:40· 来源：汽车测试网
随着全世界汽车保有量日益增多，能源紧缺和环境污染问题愈发凸显，发展新能源汽车将对全球汽车和能源技术、产业以及社会经济发展产生重大深远的影响。近年来，随
随着全世界汽车保有量日益增多，能源紧缺和环境污染问题愈发凸显，发展新能源汽车将对全球汽车和能源技术、产业以及社会经济发展产生重大深远的影响。近年来，随着国内外氢能产业的不断发展，燃料电池电动汽车（Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV）作为氢能产业链下游集成应用中最为重要一环，受到广泛的重视，国内氢能的各项产业也主要与燃料电池电动汽车相关。
一、燃料电池电动汽车
1、燃料电池电动汽车的定义
燃料电池电动汽车是一种将车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车，是电动汽车的一种。
车载燃料电池装置所使用的燃料为高纯度氢气或含氢燃料经重整所得到的高含氢重整气。目前常见的燃料电池电动汽车基本结构和基本工作原理如图1-1 所示，高压储氢瓶为燃料电池系统提供反应所需氢气，氢在燃料电池中与空气中的氧气发生氧化还原反应产生电能，和辅助电源（Rechargable EnergyStorage System，RESS）一起为驱动电机供电，再由驱动电机带动汽车的机械传动装置，从而驱动汽车前进。
图1-1 燃料电池电动汽车基本结构与工作原理示意图
与传统汽车和纯电动汽车相比，燃料电池电动汽车具有以下特点：
1）以纯氢气作为燃料，生成物为清洁水；以富氢有机化合物重整制得的氢作为燃料，生成物除了水可能还有少量二氧化碳，但排放量比内燃机少得多，且不包含其他氮化物、硫化物等污染排放物，具有零排放或近似零排放等优点。
2）燃料电池没有活塞或涡轮等机械部件及中间环节，且不受卡诺循环限制，能量转换效率高；从节约能源角度来看，燃料电池电动汽车具有明显优势。
3）燃料电池电动汽车使用氢的来源广泛，可通过煤和天然气为主的化石能源重整制氢，也可以焦炉煤气、氯碱尾气、丙烷脱氢为主的工业副产气制氢，还可利用可再生能源电解水制氢。因此燃料电池电动汽车的发展减少了对石油资源的依赖，优化了交通能源的构成。
4）燃料电池电动汽车续驶里程由车载储氢瓶的总容量决定，理论上长途行驶能力接近于传统内燃机汽车，克服了纯电动汽车续驶里程短的缺点。此外，燃料电池电动汽车一次氢气加注时间约为5～15min，而纯电动汽车快充也至少需要30min。因此，燃料电池电动汽车在行驶里程和补充燃料时间上明显优于纯电动汽车。
5）燃料电池在发电过程中运行平稳、噪声低，除了空压机、氢气循环泵（有些燃料电池系统采用引射器的氢循环方案，则无氢气循环泵）和冷却系统以外，无其他高分贝噪声运动部件，因此与内燃机汽车相比，运行过程中噪声和振动都较小。
综上，燃料电池电动汽车被认为是未来汽车可持续发展的重要方向之一，也是解决全球能源和环境问题的理想方案之一。
2、燃料电池电动汽车技术现状
基于燃料电池电动汽车的良好前景，各国对其关注程度不断提升。从国外燃料电池电动汽车发展现状来看，以日本、美国、韩国、德国为代表的众多发达国家的汽车企业以及相关研究机构已经基本上完成了燃料电池电动汽车的性能研发，整车性能已能够满足商业化应用，示范中发现的核心技术问题也基本得到解决。
1）日本
2014 年在“能源基本计划”中将氢能定位为与电力和热能并列的核心二次能源，并提出建设“氢能社会”的愿景，通过氢能燃料电池在交通、家庭、工业乃至全社会领域的普及应用，实现真正的能源安全。2014 年，丰田汽车在日本发布了燃料电池电动汽车Mirai，该车的发布直接掀起了全球氢能发展的热潮，也一直是燃料电池电动汽车行业的标杆。整车动力系统是Mirai 的核心，动力系统配备了功率达114kW 的燃料电池堆，驱动电机输出功率113kW，并能提供335N·m 的峰值扭矩，整车续驶里程可达550km，最高时速178km/h，足以满足日常应用。2019 年10 月，丰田汽车在东京车展正式发布第二代Mirai。与第一代相比，第二代Mirai 将大小两个储氢瓶垂直布置在底盘，纵向储氢瓶取代了雷克萨斯LS 平台的传动轴；另外，高度集成化的燃料电池系统安置于引擎盖下方，丰田公司称新一代Mirai整车性能大幅提升，续驶里程比第一代车型提升了30%。与丰田一样，本田也是全球最早研发燃料电池电动汽车的汽车生产商之一。在2015 年，本田推出了燃料电池电动汽车Clarity，该车所配燃料电池堆功率为103kW，燃料电池堆的体积功率密度与Mirai 一样，都为3.1kW/L，驱动电机峰值功率为130kW，最大扭矩输出为300N·m，其整车最高车速160km/h，续驶里程可达750km，低温启动温度为-30℃。
2）韩国
2012 年在“绿色新政”中也提出了多项与燃料电池和氢能相关计划，并实施了“绿色氢城市示范”项目，用于燃料电池电动汽车生产和示范推广。2013 年，现代汽车发布了第一款量产燃料电池电动汽车ix35，该车配置100kW 燃料电池堆，电机最大功率为98kW，续驶里程为426km。为进一步抢占燃料电池市场，现代汽车于2018 年推出了全新燃料电池SUV 汽车NEXO，其燃料电池输出功率95kW，功率密度达到2.47kW/L，驱动电机输出功率120kW，续驶里程可达600km，最高时速180km/h，低温启动温度为-30℃。2019 年8 月，该车在美国公路安全保险协会车辆碰撞测试中获最高等级“顶级安全车”评价，在正面碰撞、驾驶座正面偏置碰撞、副驾驶座正面偏置碰撞、侧面碰撞、车顶刚性碰撞、头部保护装置及座椅安全等6 项专业安全测试中均获得最高等级“优秀”评级，成为首款荣获全球最高级别认证的氢燃料电池电动汽车。
3）欧盟
为了增强欧盟各国的竞争力，有效利用各国的人力物力资源，欧盟制定了统一的研究计划。德国是欧盟内部氢能的积极推动者，在2007 年就实施了为期10 年的“氢能和燃料电池技术国家创新计划”（NIP），并于2016 年将该计划（NIP-2）进一步延续至2025 年，以持续推动氢能和燃料电池技术研发和产业化发展。
为响应政策号召，奔驰于2018 年推出了量产燃料电池电动汽车GLC，该车所配燃料电池堆功率为75kW，位于后轴的异步电机最大功率高达160kW，峰值扭矩为375N·m，在RESS 锂离子电池满电的情况下，续驶里程为487km。奥迪在2016 年北美车展上展出燃料电池电动汽车h-tron，该车配置90kW燃料电池堆，电机最大输出功率140kW，百公里加速时间7s，续驶里程600km。
4）美国
美国也是全球燃料电池电动汽车研发最早的国家之一，2001 年率先提出迈向“氢能经济”的国家目标。通用汽车旗下雪佛兰汽车2007 年推出全新Equinox 燃料电池电动汽车，该汽车配备燃料电池堆功率为93kW，驱动电机功率为73kW，最高行驶速度为160km/h。目前，经过十多年的持续支持和努力，加州已有超过2 万辆的燃料电池叉车在持续运行，成为全球最具示范效应的氢能市场，截至2019年五月底已部署41 座加氢站和5923 辆燃料电池电动汽车。
5）中国
我国燃料电池汽车技术研发已接近20 年，始于2001 年科技部开始实施的“十五”863 电动汽车重大专项。近五年来，国务院、财政部、科技部等发布了一系列支持氢能产业发展的相关政策，将开发燃料电池等新一代能源技术列为战略任务之一。随着近两年燃料电池相关技术的突破和关键零部件国产化水平的逐步提高，燃料电池系统已接近规模产业化水平，国内多家单位的燃料电池车辆已逐步开始量产。上汽集团是国内较早研究燃料电池乘用车的整车厂，先后开发了荣威750 及荣威950 系列车型的燃料电池乘用车，其中第四代荣威950 配备了额定功率为42kW 的燃料电池堆，百公里加速时间12s，续航里程可达430km，最高车速为160km/h，具备小批量生产能力，代表了中国燃料电池乘用车的较高水平。但与国际上具有领先水平的丰田Mirai、本田Clarity、现代NEXO 相比，中国燃料电池乘用车在动力性、续驶里程、燃料电池堆功率等基本性能指标方面仍有一定差距。
国内外典型燃料电池乘用车技术参数对比见表1-1。
表1-1 国内外典型燃料电池乘用车技术参数对比
受到燃料电池成本和加氢站基础设施的制约，结合中国市场自身特点，相比承载能力有限的乘用车，中国发展燃料电池电动汽车应选择商用车作为重点方向和战略突破口，目前中国燃料电池电动汽车相关企业已形成百家争鸣的态势。在燃料电池客车方面，福田汽车和宇通客车等主要客运车公司开发了多个车型的燃料电池客车。
（1）福田第一代燃料电池客车在北京奥运会和北京市801 路公交车示范运行里程超过7.5 万公里；
第二代燃料电池客车在北京384 路公交线运营，行程总里程6.5 万公里以上，并验证了-15℃低温启动性能；第三代燃料电池客车BJ6852 可实现-20℃低温启动、-46℃低温存放，此车将服务于2022 年冬奥会。
（2）宇通客车于2009 年也成功推出了第一代增程式燃料电池客车；2013 年，第二代电-电混合燃料电池客车问世；2016 年，宇通第三代燃料电池客车正式发布。
（3）上汽大通经过多年研发，也于2016 年发布首款燃料电池宽体轻客电动汽车FCV80，可实现-20℃低温启动。
（4）在非载客燃料电池电动汽车方面，东风特汽、中国重汽、潍柴动力等也相继开发出了不同功率等级的重型卡车、物流车和牵引车等专用车。
目前国内实际正在示范运行的燃料电池商用车的发动机功率多为30~60kW，虽然部分公告车型的发动机功率达到100kW 以上，但实际使用效果仍处于验证阶段。
国外多家整车厂也开展了燃料电池商用车研究，美国Van Hool 客车和New Flyer 客车的燃料电池发动机功率达到了120kW 和150kW，奔驰也推出了120kW 的燃料电池客车，日本日野客车推出了功率高达2×114kW 的燃料电池客车。
从燃料电池领域专利总量上来看，日本和美国在燃料电池领域的研究在全球范围内遥遥领先，中国处于第二梯队。从专利申请人来看，燃料电池的研究主要以车企为主，丰田相关专利领先全球所有企业，在多个关键技术上均处于绝对领先地位，技术最为全面且没有明显的短板，对控制技术尤为重视。美国专利数量排名第二，虽然数量上与日本存在较大差距，但各关键技术发展比较均衡。自2000年起，在政策的大力支持下，我国燃料电池领域研究发展迅速，年申请专利数快速增长，2018 年中国专利申请量达到4842 件，同比增长13.93%，年申请量超美日欧等国家和地区，目前总数量排名第三，技术上比较重视电极和催化剂的研发，但由于起步较美国和日本晚，与世界领先水平相比，国内企业在燃料电池领域的研究深度和广度还有一定差距。
总体而言，燃料电池电动汽车正处在由技术研发向商业化推广的过渡阶段，各国对燃料电池电动汽车的重视不断升温，投入持续增加。相比之下，日本政府对燃料电池及燃料电池电动汽车技术的推动力度更大，技术水平也更高，其先进的燃料电池乘用车车型已经初步实现了商业化，在燃料电池电动汽车领域走在了世界前列。我国燃料电池电动汽车虽然也正在快速发展，但与国际上具有领先水平的相似车型相比仍有一定差距。
3、燃料电池电动汽车动力系统及关键部件
按照动力源的不同，燃料电池电动汽车可分为全功率燃料电池电动汽车和电-电混合燃料电池电动汽车两类。其中，全功率燃料电池电动汽车的动力源只有燃料电池，它必须提供汽车行驶过程中所需的所有功率，主要特点在于结构布置简单，但需要大功率、高动态响应的燃料电池，造车成本会进一步增加；同时燃料电池没有能量存储的功能，不能对制动减速时的动力进行回收，降低了能源利用率；此外，长时间频繁变载工况也会对燃料电池寿命造成较大衰减。考虑到全功率燃料电池电动汽车的不足之处，目前各大汽车厂商把精力主要集中在燃料电池与RESS 的电-电混合技术方案上。
按照燃料电池在整车需求功率占比不同，电-电混合燃料电池电动汽车可分为能量混合型和功率混合型。
· 能量混合型主要是指燃料电池提供的功率在整车功率占比较少，部分需要RESS 来提供；该类型汽车需要功率较大RESS，整车质量会明显增加，对整车动力经济性有一定影响。
· 功率混合型是指燃料电池提供的功率占整车需求功率的较大比例，降低了对RESS 的功率需求，减轻了整车质量；在功率混合型系统中，RESS 一般只在加速、爬坡等需求大功率的工况下与燃料电池共同提供动力。图1-2 为典型燃料电池电动汽车动力系统拓扑结构图，主要包括燃料电池系统、RESS、DC/DC 变换器、DC/AC 变换器、驱动电动机、车载储氢系统等。其中燃料电池系统经DC/DC 变换器升压后达到驱动电机所需高压，RESS 如动力电池则并联在高压母线上。
图1-2 典型燃料电池动力系统拓扑结构图
1）燃料电池系统
燃料电池系统是整个燃料电池电动汽车动力源的核心，其特性表现的好坏直接决定了整车在市场的竞争力。通常燃料电池系统由燃料电池堆和附件系统组成，附件系统包括氢气子系统、空气子系统、冷却子系统等，典型的燃料电池系统拓扑结构如图1-3 所示。
图1-3 典型燃料电池系统拓扑结构图
（1）空气子系统
空气子系统主要为燃料电池堆提供反应所需的压缩空气，主要由过滤器、空压机、质量流量计、中冷器、加湿器、节气门等部件组成。
a）空气中有许多杂质，因此需采用过滤器对空气中的物理和化学杂质进行过滤。
b）为了保证燃料电池堆的反应效率，反应空气需要具有一定压力，故采用空压机对环境大气进行压缩。
c）压缩过后的空气温度可达到200℃及以上，为防止进气温度过高而损伤燃料电池堆，需要中冷器对压缩后的空气进行冷却。
d）为防止交换膜出现膜干，进入燃料电池堆的空气需进行加湿处理；目前膜加湿器是市场上燃料电池发动机的主流技术，通常利用排出燃料电池堆的水气对进气进行加湿，而丰田Mirai 的燃料电池系统取消了外部加湿方案。
e）发动机停机时，阴极内部有未反应完的氧气，与未反应的氢气容易形成氢-空界面，从而形成过电势引起催化剂层发生不可逆衰退。因此发动机停机后，需关闭前节气门和后节气门，并与DC/DC变换器内的放电电阻配合，充分消耗燃料电池堆内部剩余的反应气体。
（2）氢气供给子系统
氢气供给子系统为燃料电池堆提供反应所需的氢气，包括温度传感器、压力传感器、氢气喷射器（或比例阀）、氢气循环泵、吹扫电磁阀、气水分离装置等。
a）氢气喷射器通常由多个电磁阀并联组成，控制原则一般是通过采集阴极入口压力和阳极入口压力值，保证阴阳极压差在合理的范围内，防止两端压差过大而损害燃料电池堆。
b）氢气循环泵是燃料电池系统辅助部件中的关键部件，配备氢气循环装置可以有效提升氢气利用率，并使得阳极侧氢气分配更加均匀，同时带走从阴极渗透至阳极的液态水和氢气。引射器也可作为氢气循环动力器件之一，主要利用射流使不同压力流体相互混合来传递能量和质量，其优点在于无运动部件、无额外功耗、结构简单、工作可靠、安装维护方便、密封性好。
c）吹扫电磁阀主要有排水电磁阀和排气电磁阀，从阳极排出的水气混合物经过气水分离后，液态水经过排水阀排出，多余的氢气通过排气阀排出。为了防止经循环泵循环的氢气再次进入燃料电池堆时因温差而发生冷凝，可在阳极入口处也布置一个气水分离装置。
（3）热管理子系统
热管理子系统主要分为主散热回路和辅助散热回路。
a）主散热回路对燃料电池堆进行冷却，若燃料电池堆冷却不充分，则温度将上升甚至超过理想运行温度上限，影响整个系统的性能。主散热又分为大循环和小循环，
①小循环工作方式为：燃料电池堆启动时为了快速升温，冷却液不经过主散热器，且PTC（Positive Temperature Coefficient）根据指令需求对冷却液进行加热。
②大循环工作方式为：待燃料电池堆温度上升到一定程度时，三通阀节温器开始工作，冷却液经过主散热器，同时散热风扇开始工作，将冷却液热量通过散热器吹至大气环境中，使得进入燃料电池堆冷却液的温度在要求范围内。
大循环水泵主要驱动冷却液流动，流量可通过转速调节。颗粒过滤器主要过滤冷却回路中的物理颗粒；去离子器主要过滤冷却液中的导电粒子，防止冷却液电导率过高引起绝缘问题；一般去离子器的流通口径较小流阻较大，常并联在主散热回路内。除了需要对燃料电池堆进行冷却外，空压机和DC/DC 变换器等零部件也需要冷却；
b）与主散热回路相比，辅助散热回路所需流量较小，因此辅助散热回路对水泵扬程和流量的要求较低。
车载燃料电池通常采用质子交换膜燃料电池，具有工作温度低、动态响应快、冷启动速度快等优点。工作时，单片电池电压通常在0.6-0.8V 之间，为满足整车的功率、电压需求，通常将多个单体电池以串联方式层叠组合，构成燃料电池堆。将双极板与膜电极交替叠合，在各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆或者绑带紧固拴牢。燃料电池反应所需气体、温度和散热均由上述子系统控制，同时燃料电池封装时需配置电压巡检（Cell Voltage Monitor， CVM），以判断各单体电池的工作状态。
2）燃料电池系统用DC/DC 变换器
DC/DC 变换器主要用于燃料电池负载控制，通过单向DC/DC 变换器实现对燃料系统的输出功率控制，使得燃料电池输出功率与整车需求功率解耦，将整车需求功率进行低频滤波，燃料电池提供相对平缓的功率需求，保证燃料电池工作在相对平稳的工作区间内，避免频繁负载变化对燃料电池造成不可逆衰退，从而延长燃料电池堆的使用寿命。此外，DC/DC 变换器对燃料电池进行升压后，燃料电池输出电压不需要和电机驱动电压进行匹配。
目前DC/DC 变换器多半采用多路交错并联控制，可减小电流纹波并提供更大的输入电流，提高燃料电池耐久性。此外，基于电流的控制技术可提高电流响应速度，并抑制电压波动的影响。除了对燃料电池输出功率进行控制外，部分燃料电池电动汽车（如丰田Mirai）的DC/DC 集成了交流阻抗装置，可将一个幅值较小、某特定频率（Mirai 为300Hz）的交流负载扰动叠加在直流负载上，通过对施加扰动时的燃料电池堆电压和电流进行实时快速傅里叶变换，得到实时的膜阻抗，将该值反馈至燃料电池系统控制器用于控制进气流量和压力，保证交换膜处于相对湿润状态。
3）燃料电池车载储氢系统
车载储氢系统包括储氢装置或制氢装置、安全阀、氢气泄压阀、氢气减压阀、氢气温度传感器、氢气压力传感器、氢气管路、高压接头、电磁阀、碰撞传感器等，典型结构如图1-4 所示。车载储氢技术包括高压储氢、液氢储氢、金属氢化物储氢、吸附储氢以及车载甲醇重整储氢等，其中，高压储氢是将氢气直接压缩，以高密度气态形式存储，具有成本低、充放氢速度快等优点，是发展最成熟的储氢技术，也是目前车载储氢应用最广泛的方法。
图1-4 典型车载储氢供氢系统
高压储氢瓶主要分为全金属气瓶(Ⅰ型)、金属内胆纤维环向缠绕气瓶(Ⅱ型)、金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅲ型)、非金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅳ型)。
（1）Ⅰ型和Ⅱ型气瓶的重量容积比较大，难以满足单位质量储氢密度要求，多用于固定式存储。
（2）国内车载储氢瓶多为Ⅲ型气瓶，Ⅳ型气瓶目前仍处于研发和小批量试制阶段，而国外车载储氢瓶多为Ⅳ型气瓶。
（3）除此之外，国外已经在研发Ⅴ型储氢瓶（无内胆纤维缠绕），这方面在国内目前尚未展开较为深入的研究。
典型的车载高压储氢瓶通常包含三层，最里为内衬材料，用于密封氢气；内衬外为碳纤维缠绕层，主要用于承受高压气；缠绕层外为过渡层，用于承受冲击，最外层主要用于防跌落和防冲击。储氢瓶还配备手动或电动的高压阀门，高压阀通常采用铝制阀体，以防止发生氢脆。
4）可充电储能系统
目前常见的可充电储能系统（Rechargable Energy Storage System, RESS）有镍氢电池、锂离子电池和超级电容等。由于燃料电池具有相对较软的输出特性，燃料电池与辅助电源构成的复合电源混合动力系统是现阶段燃料电池电动汽车动力系统的主流趋势。燃料电池电动汽车启动过程中，燃料电池输出尚未稳定，动力系统及整车各子系统中的控制、检测等电路需要的电都由RESS 提供。
在使用锂离子电池作为RESS 时，须使电池工作在合理的电压、电流、温度范围内，所以必须有电池管理系统（Battery Management System，BMS）对电池进行有效的管理。BMS 主要包括数据采集、数据显示、荷电状态（State of Charge，SOC）估计、健康状态（State of Health，SOH）估计和功率状态（State of Power，SOP）估计、热管理、数据通信、安全管理、能量管理和故障诊断，其中能量管理还包含了电池电量均衡功能及充电管理功能等。
5）电驱系统
电驱系统的主要作用是将电能转化为机械能，从而驱动车辆行驶，或在制动过程中，将车辆动能转化为电能，存储到RESS 中。电驱系统的性能主要由车辆驾驶性能要求、车辆性能约束以及车载动力源性能决定。驾驶性能的要求包括加速性能、最大车速、爬坡能力、制动性能以及续驶里程等性能在内的驾驶模式；车辆的性能约束主要是指车型、车重和载重等；车载动力源性能主要与燃料电池系统和RESS 有关。因此，电机驱动系统的选型以及整体匹配应该在系统水平上进行优化，必须仔细研究各个子系统之间的相互作用以及系统的整体匹配。在新能源汽车上，常见的驱动电机有直流有刷电机、交流异步电机、永磁无刷电机、开关磁阻电机四类，其中永磁无刷电机具有能量密度和效率高、体积小质量轻的特点，是燃料电池电动汽车常用的电机类型。
二、燃料电池电动汽车的安全性问题
1、氢安全问题
氢是元素周期表中的第一位元素，也是最轻的元素。在地球上氢多以化合物的形式存在，游离态的氢单质相对罕见。氢气最早于16 世纪初被合成。常温常压下，氢气是一种极易燃烧，无色透明、无臭无味的气体，其使用危险程度较高，因此如何保证用氢安全对氢能的大规模市场化推广至关重要。
目前，氢安全问题在世界范围内引起了广泛关注，如日本、美国、加拿大等国家成立了专门的研究机构开展氢安全研究，并推出了多个安全法规或标准。美国SAE 制定了SAE J 2578：2014《燃料电池汽车通用安全推荐规程》，国际标准化组织（ISO）发布了ISO 23273：2013《燃料电池道路车辆安全性规范带压缩氢燃料汽车用氢危险防护措施》，提出了燃料电池电动汽车安全性的相关测试要求，其中对车辆的一般性要求、燃料系统的安全、燃料电池系统的安全、电力系统的安全、机械安全等都有相应的强制性法规要求。此外，国际上也专门成立了氢安全协会来推动氢安全的发展，该协会每两年组织一次国际氢安全会议(ICHS)，为展示和探讨氢安全领域的最新研究成果，以及分享氢安全相关信息、政策和数据提供了一个开放的平台。我国也同样高度重视氢安全问题，相关机构也在氢安全领域开展了大量研究。
1）氢气特性
（1）泄漏与扩散特性
氢分子尺寸较小，与其他气体或液体燃料相比更容易从缝隙或孔隙中泄漏。且氢气扩散系数比其他气体更高，并且具有较大的“浮力”，在空间上能够以很快的速度上升，同时进行快速的横向移动扩散。因此当氢气泄漏时，氢气将沿着多个方向迅速扩散，并与环境空气混合，达到低于可燃下限的安全水平。
氢气的泄漏也受到空间内的通风条件、障碍物等因素的影响。通风条件则涉及通风口的位置、大小和风速。当通风口大小一定时，其位置改变会影响空间中气流流向，进而影响空间氢气浓度场的分布。当地下车库没有车时，氢气泄漏的浓度呈现梯度分布，车库顶部浓度最高，泄漏一段时间过后，浓度梯度开始减小，直至整个车库充满氢气；当车库有车时，氢气会先在汽车底部累积，竖直方向上浓度分散较为均匀，梯度不大，但点燃发生的破坏更大，因此混合气体增长速率和浓度分布是决定应急时间和探测器分布的基本依据。
（2）与材料的相互作用
氢脆是溶于金属中的高压氢在局部浓度达到饱和后引起金属塑性下降、诱发裂纹甚至开裂的现象。
氢脆的影响因素众多，例如环境的温度和压力；氢的纯度、浓度和暴露时间，以及材料裂纹前缘的应力状态、物理和机械性能、微观结构、表面条件和性质。另外，使用了不当材料也易产生氢脆问题。
因此，氢环境下应用的金属材料要求与氢具有良好的相容性，需进行氢与材料之间的相容性试验，主要包括慢应变速率拉伸试验、断裂韧度试验、疲劳裂纹扩展速率试验、疲劳寿命试验等。
（3）燃烧与爆炸特性
氢气的燃烧爆炸会产生较高的温度场或压力场，对周围的人员财产产生巨大危害。在常温下，氢除非以某种方式（比如适当的催化剂）被激活，否则其活性不强。在环境温度下，氢与氧反应生成水的速度非常慢。但是，如果通过催化剂或火花加快反应速度，它就会以高速率和“爆炸”力继续反应。
a）易燃性：氢气是一种极易燃的气体，燃点只有574℃。目前国际上在氢气自燃方面普遍接受的是逆焦耳-汤姆逊效应、静电点火机理、扩散点火机理和热表面点火机理。点火源包括快速关闭阀门产生的机械火花，未接地微粒过滤器的静电放电，电气设备、催化剂颗粒和加热设备产生的火花，通风口附近的雷击等。必须以适当的方式消除或隔离点火源，并应在未预见点火源的情况下进行操作。现有试验主要研究初始压力、管道长度、管道截面形状、爆破片爆裂速率等对氢气自燃的影响。
b）爆燃爆轰：氢气与空气形成的蒸气云爆炸属于爆燃范畴，是不稳定过程。在爆燃过程中，氢气点燃形成的火焰不断加速，甚至超过音速，从而形成爆轰波。火焰加速和爆燃爆轰转变是影响爆炸强度的关键因素。通过对现有数据的保守估计可知，氢气在空气中的爆炸范围为4%~75.6%。相比甲烷的5%~15%，氢气的爆炸极限体积分数范围较宽，但为了避免爆炸，需将氢气体积浓度控制在4%以下。
若在封闭区间内发生爆炸，例如车载储氢瓶内，压力瞬间可达到初始压力的几倍甚至几十倍，因此为了避免发生该事故，通常在车载储氢系统上安装安全泄放装置。此外，设置安全措施（防止爆燃转爆轰的发生）也是十分重要的。事实上，在露天场地，静止的化学计量氢-空气混合物产生的压力波只有0.01MPa（低于造成耳膜损伤的压力级别），而氢-空气混合物爆轰则会伴随着高出两个数量级的压力，约为1.5MPa（远高于可致命的0.08MPa~0.10MPa 压力范围）。
c）淬熄：氢气火焰很难熄灭。例如，由于水汽会加大氢-空气混合气体燃烧的不稳定性，加强燃烧能力，大量水雾的喷射会使氢空气混合燃烧加剧。与其他可燃气体相比，氢气的淬熄距离最低。由于氢存在重燃和“爆炸”的危险，通常只有切断氢供应后，才能扑灭氢火。
2）燃料电池电动汽车氢安全
燃料电池电动汽车氢安全主要包括车载高压储氢和燃料电池系统的氢安全问题，主要涉及以下几个方面：
（1）材料安全防护
氢气与金属材料接触会发生氢脆效应。在常温常压下，氢气不会对金属部件产生明显腐蚀；但是在高压下，溶解于金属中的高压氢气会引起金属塑性下降、诱发裂纹甚至开裂的现象；如果金属管路材料选择不当，则可能会发生氢脆效应，引起氢泄漏，为此需要选择合适的储氢、运氢材料。
图1-5 车载储氢瓶结构示意图
目前高压储氢瓶主要是采用铝合金或合成材料来避免氢脆的发生。例如，如图1-5 所示，丰田Mirai在进行储氢瓶设计时，最内的塑料内衬采用了尼龙材质，内衬之外分别是增强气瓶强度的碳纤维增强树脂与防止磕碰的玻璃纤维强化层，最外层是防跌落、防火的聚氨酯保护层。其他厂家如美国的昆腾和丁泰克公司现出售的塑料内胆和铝内胆碳纤维缠绕的高压储氢瓶也同样较好的解决了氢脆问题。
另外，供氢管路在高压力下也需要避免氢脆现象发生。目前车载供氢管路都采用316 不锈钢，有研究表明，316 不锈钢在45MPa 和80℃氢气环境下的拉伸性能、低应变速率拉伸性能、疲劳性能和疲劳裂纹扩展性能与在惰性气体和空气中的性能结果相同，因此316 不锈钢在室温下具有较好的抗氢脆性能。
（2）储氢系统安全防护
储氢系统安全防护主要利用储氢系统控制器，对关键参数如压力、温度等进行采集并进行相关安全诊断，一旦发生故障，就通过控制器及时对相关阀类部件进行操作，使燃料电池电动汽车处于安全状态。氢系统安全设施主要如下：
a）压力传感器：储氢瓶内压力传感器实时测量内部气体压力，可判断气瓶内剩余气量，从而用于剩余行驶里程估算，低于某一定阈值时，并提醒驾驶员加注氢气。
b）温度传感器：用于测量储氢系统内部和周围环境温度，在传感器没有故障的前提下，若测量的温度发生异常，则气瓶周围有发生火烧的可能，可通过储氢系统控制器报警，并切断供氢电磁阀。此外，目前高压储氢是应用最为广泛的车载储氢方式，常见的III 型储氢瓶采用了复合缠绕铝内胆纤维结构，氢气在快速加注过程中会出现明显升温，这会对复合材料的树脂粘合剂产生影响，从而导致剥离现象，进而影响储氢瓶的承载能力和安全性。因此氢气加注过程中需要温度传感器实时监控。
c）气瓶安全阀：主要用于储氢瓶泄压，防止瓶体内部压力过高，保证气瓶工作在安全压力范围内。
d）气瓶电磁阀：该电磁阀需要具备防爆功能，不通电情况下处于常闭状态，主要用于气瓶开关作用。当系统正常工作时，电磁阀处于打开状态，一旦发生氢气泄漏且超过限定值，则储氢系统控制器关闭该电磁阀，从而切断氢气源。
e）加氢口：加注时与加氢枪相连，具有单向阀功能。
f）管路电磁阀：加氢时可以有效防止氢气进入燃料电池内。
g）减压阀：将储氢瓶出口高压减压至喷射器或比例阀前端适宜压力范围。当出现异常情况时，可以与安全阀、针阀联动将储氢瓶中残余的氢气安全排放到空气中。
（3）储氢系统安全监控
储氢系统安全监控主要可以通过以下措施实现：
a）车载储氢系统安全监控：对燃料电池电动汽车储氢、运氢、乘客舱、燃料电池系统的氢气浓度、温度、部分管路压力等进行实时监控，一旦发生异常，就主动关闭供氢系统，确保燃料电池车辆安全。
b）氢气泄漏监控：在燃料电池电动汽车的储氢瓶、燃料电池发动机、乘客舱等易于发生聚集和泄漏的地方布置氢气浓度传感器，实时检测关键位点处的氢气浓度，一旦发生氢泄漏，立即采取相应措施以保证乘客安全。任何一个浓度传感器检测到的氢气浓度超过一定阈值时，就发出对应等级的报警或警告，并将故障信息通过声光报警方式反馈至驾驶员。
c）加注安全监控与防护：给70MPa 车载储氢瓶加氢时，储氢瓶内压力传感器一旦超过限定值，车载储氢系统控制器通过车-站红外通讯系统，立即向加氢机控制器发送停止加氢及储氢瓶压力过高信息。此外，加氢枪前端应配置温度传感器和压力传感器，同时需要具有环境温度补偿、软管拉断保护及优先顺序加气控制系统等功能。
d）储氢瓶温度监控：加氢过程中，车载储氢系统电磁阀本身处于关闭状态，若采用70MPa 车载氢系统，则该系统一旦检测到温度过高或过低，就将故障信号通过声光报警方式反馈至驾驶员，并将故障报警信号反馈至加氢机请求停止工作。
e）供氢管路压力监控：燃料电池工作时，对整个供氢管路关键位点压力进行实时监控，一旦超过或低于限值，该监控装置就会发出警告或报警信号，并立即响应动作，将故障信号以声光信号反馈至驾驶员。
f）电气元件短路监控：储氢系统控制器检测到电气元件发生短路时，立即使供氢系统断电并关闭供氢系统所有电磁阀，同时将故障信号通过声光信号反馈至驾驶员。
（4）碰撞安全防护
燃料电池电动汽车安全碰撞防护主要是防止储氢系统、燃料电池系统、各类阀件等部件发生碰撞时不受到破坏或将破坏降至最低，并保护整车氢安全。除了对这些关键部件本身进行防撞设计外，还需通过位置布置、固定装置保护和惯性开关监控碰撞并与整车监控系统联动，自动断电、自动关闭阀门等措施来避免灾难的发生。
2、电安全问题
燃料电池电动汽车发生高压漏电，就可能会对车上乘员造成触电伤害。
（1）燃料电池电动汽车绝缘安全根据GB/T 18384-2020《电动汽车安全要求》：在最大工作电压下，直流电路绝缘电阻最小值应大于100Ω／V，交流电路最小值应大于500Ω／V；如果直流和交流的B 级（UDC＞60V，UAC＞30V）电压电路可导电地连接在了一起，则必须满足大于500Ω／V，或交流电压电路采取加强绝缘或附加防护措施后满足大于100Ω／V。目前燃料电池电动汽车动力系统中的燃料电池、锂电池属于直流源电路，而驱动电机、方向助力电机等属于交流电压电路。如果没有特殊措施，属于直流和交流的B 级电压可导地连接在一起，应当执行500Ω／V 的标准。图1-6 为B 级电压触电安全原理图。
目前，受到燃料电池结构和加工工艺影响，无法对燃料电池的冷却水道进行绝缘处理。燃料电池系统的绝缘阻值受冷却液电导率影响较大，为此需要实时保证冷却液的电导率低于特定限值。此外，还可对整车交流电压电路进行加强绝缘处理，使得附加防护后整车绝缘达到要求；但驱动电机、方向助力电机等交流高压电路布置分散、空间不规则，实施加强绝缘或附件防护难度较大，且影响后续维修的方便性，施工及保持难度较大。同样，可将燃料电池与其他高压电路进行隔离，各隔离区分别满足绝缘要求即可。采用该绝缘方案，燃料电池堆部分直流电压电路与其他B 级交流电压不发生可导电连接，此部分电路按直流标准100Ω／V 即可确保安全。但隔离式的绝缘方法成本高，需要两套绝缘阻值监控，且隔离式DC/DC 变换器效率总体低于非隔离式DC/DC 变换器，整体体积也较大，导致整车布置难度较大。
图1-6 B 级电压绝缘电阻
（2）燃料电池电动汽车碰撞高压电安全
燃料电池电动汽车碰撞高压电安全的目标是要杜绝碰撞过程中发生高压漏电的风险，因此整车高压回路也必须设置碰撞切断系统，以保证汽车在发生碰撞后，即使高压线束遭到破坏，也不会发生漏电风险。
发生严重碰撞时，必须自动断开高压回路。为此，须在整车上需通过配置惯性传感器等方式来监测碰撞是否发生。发生碰撞时，若惯性开关被激活，则该信号传至整车控制器后，整车控制器将发出关闭供氢系统、关闭燃料电池继电器、关闭动力电池继电器等指令发，各控制器接收到关闭指令后迅速执行相应动作—在高压电发生泄漏之前切断所有高压电供应，并同时切断氢气供给。为保证整车碰撞在各种工况下都能够被检测到，整车惯性开关必须设置多个，并设置在不同部位，防止因某个惯性开关发生故障而导致未检测到碰撞信号。同时为了防止误触发碰撞安全保护，不能选用过于灵敏的惯性开关，否则汽车正常行驶过坑洼或起伏较大路段，易发生误触发从而导致车辆动力源被切断；但也不能选择触发条件过高的惯性传感器，否则当实际碰撞发生，部分高压电系统零部件损坏而导致高压电泄漏，高压回路和动力蓄电池的继电器却未得到切断指令，从而给乘员人身安全带来危害。
（3）电子元器件氢安全防护
除了防护高压漏电对整车绝缘和氢安全的危害，还需考虑低压电子元器件对氢安全的影响。为防止电路中产生电火花点燃泄漏或管路中的氢气而发生燃烧或爆炸事故，燃料电池电动汽车的电气元件阀体均采用相应的防爆、防静电、阻燃、防水、防盐雾材料。例如，燃料电池电动汽车的氢浓度传感器需要选择防爆型，若氢气浓度达到限值时，触点式传感器会通过触点动作传输信号，容易产生火花而引发事故；同时为了防止继电器动作时发生电弧放电而点燃氢气，储氢供氢系统中的电磁阀需要选用防爆固态继电器。
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