燃料电池电动汽车车载氢系统安全——车载氢系统安全设计

一、功能要求

车载氢系统可以分为加氢模块、储氢模块、供氢模块和控制监测模块，车载氢系统的安全设计可以结合上述几个模块的功能进行。

1、加氢模块

加氢模块一般包含加氢口、压力表、过滤器、单向阀等功能阀件，通过与加氢枪连接实现为车辆加注氢气的功能。为了保证加氢过程的安全可靠，应在充分考虑加氢时的温升问题、静电消除问题、气密性问题等基础上，对加氢模块进行安全设计。一般应考虑以下建议：

1）考虑到加氢过程的温升问题，对于70MPa 氢系统应配备温度监测模块。

2）加氢口周围应设计有静电接地装置。

3）为避免加氢口密闭不严导致高压管路漏气，增加单向阀。

4）为避免加氢模块连接点泄漏，在加氢模块安装舱内最高点区域安装氢浓度传感器。

2、储氢模块

储氢模块一般包含储氢瓶、瓶口组合阀（手动阀门、电磁阀、TPRD）、限流阀、压力传感器、瓶尾安全泄放装置（TPRD）等功能阀件。

为了保证储氢模块的安全可靠，储氢瓶应满足GB/T 35544-2017《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》的相关要求，瓶口组合阀、瓶尾安全泄放装置同样应满足GB/T 35544-2017 的相关要求，当管路内的压力异常降低或流量反常增大时，限流阀能够有效自动切断储氢容器内的氢气供应，压力感器可以通过氢控制器向整车或燃料电池控制器传递压力信息。

3、供氢模块

供氢模块一般包含减压阀、压力传感器、安全阀、排空阀、电磁阀等功能阀件。为了保证供氢模块的安全可靠，减压阀应能保证输出压力的稳定可靠，安全阀能够实现管路压力超过一定限值后的起跳泄放功能，并在管路压力恢复正常后，可以恢复原状态。

4、控制监测模块

控制监测模块一般是由电气系统组成，通过氢控制器实现车载氢系统运行状态的监测，其中包括储氢瓶的开启状态、瓶内的温度、管路的压力以及氢浓度传感器测量值，还要稳定高效地控制瓶口组合阀和其他电磁阀类的开启和关闭，计算车载氢系统运行的耗氢量，对剩余氢气量进行估算，实现不同故障的识别，还要通过CAN 总线与整车通讯，将接收来的信息发送给VCU，并接受VCU 的指令做出相应动作。

1）余量监测。在易于观察处，设置氢气剩余量仪表。

2）实时监测。供氢系统应具有能够实时监测储氢容器或管路压力及温度的能力，相应传感器材料应能够与氢完全兼容。当氢系统检测到气瓶或管路压力超过允许最大压力或检测到气瓶温度超高最高允许温度时，应主动报警，同时关断气瓶阀停止供氢。

当氢系统检测到储氢容器压力低于安全值时，应主动关断阀件停止供氢。

5、供氢能力

供氢系统在可用压力范围内应能够满足燃料电池系统的氢气需求。

供氢系统应有过流保护装置或其他措施，当检测到储氢容器或管道内压力异常降低或流量异常增大时，能自动关断储氢瓶内的氢气供应。如采用过流保护阀，该阀应安装在主关断阀上或紧靠主关断阀处。

主关断阀、储氢容器的单向阀以及安全泄放装置应集成在一起，装在储氢容器端头。对于多储氢瓶系统，每个储氢瓶的端头应分别安装手动关断阀或其他装置，在加氢、排氢及维修时可根据需要单独隔断每个储氢瓶。

6、氢气品质

根据GB/T 37244-2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》，燃料电池供氢系统供应的氢气品质应能满足表3-1 所列要求。

表3-1 氢气品质要求

二、安全要求

1、气密性

车载氢系统的气密性应至少满足国标要求，此外还应满足一定的泄漏速率或符合气泡法检测要求。

建议参考国外相关标准制定思路，即将泄漏速率要求与安全扩散速率对应，氢气在静止空气中会以大约20m/s 的速度迅速扩散，在有排空扇或流动空气的情况下会更快，如果单位空间内整车的泄漏速率可以小于等于扩散速率，那么可以适当根据使用区域，存放场所对气密性提出针对性要求。

2、泄漏量

在1.05~1.1 倍额定工作压力下，供氢系统在稳态下每小时氢气泄漏量应小于0.5%。在安装供氢系统的封闭或半封闭空间上方合适位置，至少安装一个氢气浓度传感器，实时监测氢气的泄漏情况，并将信号传递给氢气泄漏报警装置。氢气传感器可在其响应时间内（一般为1s）感知到氢气泄漏。在燃料电池系统中易发生氢气泄漏或者氢气积聚且驾驶员容易识别的部位安装氢气泄漏报警提醒装置，泄漏浓度与警告信号的级别由制造商根据车辆的使用环境和要求决定，建议配置与传感器相应的安全连锁装置。建议当空气中氢气体积含量不低于2.0％±1.0％时，发出警告；空气中氢气体积含量不低于3.0％±1.0％立即关断氢供应；如果车辆装有多个氢系统，允许仅关断有氢泄漏部分的氢供应。

泄放分为两种情况，一种是当周围环境温度达到（110±5）℃时，TPRD 开启；另一种是当减压阀下游管路压力超过安全阀起跳压力时，安全阀起跳泄放。

车载氢系统使用的车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶，都是经过火烧试验认证的，但是均为单只测试，当TPRD 作用时，不同储氢瓶数量组成的瓶组中TPRD 泄放管路串联应有数量及通径限制，避免集中泄放造成管路破损，以致氢气未能及时排出舱体外，在相对密闭的空间内积聚，最终造成严重后果。

安全阀泄放通径至少应满足燃料电池堆提供的安全压力下的泄放需求，但极端情况下应考虑减压阀完全失效时造成的无压降情况。

3、安全措施

（1）压力保护

系统应该带有检测压力的部件，当系统检测到供氢压力低于产品规定的最低压力，应发出报警；

当系统检测到供氢压力高于产品规定的最高压力时，应发出报警，同时关断气瓶阀停止供氢。

（2）泄压装置

系统应该有泄压装置，当系统压力大于设计压力时可以及时释放压力。为便于供氢系统操作及维护，可根据需要安装手动泄压阀。

（3）接地性能

系统应具有接地点，且应有明显的标志，接地点应用铜螺母；供氢系统外壳、所有可触及的金属零部件与接地端子间的电阻应不大于0.1Ω。

（4）防护等级

系统防护等级应符合IP67。当完成防护等级试验后，系统部件不应有损坏或故障的迹象，也不应出现水在系统任何部件中的有害聚积。

（5）氢气泄漏探测及报警

供氢系统或其安装使用位置应设置氢气泄漏浓度连续测定和报警装置。氢气浓度传感器应符合GB16808-2008 和GB 12358-2006 的规定要求。报警装置应能根据氢气浓度的大小发出不同等级的报警信号。浓度与报警信号的级别可由供氢系统使用者根据具体的使用环境和标准要求决定。

涉及安全的气体传感器应根据IEC 61779-6 规定进行选择、安装、校对、使用和维护。

（6）安全泄压装置

供氢系统应设置安全泄压装置（Pressure Relief Device，PRD），在释放管路的出口处采取必要的保护措施，防止在使用过程中被异物堵塞，影响气体释放。通过安全泄压装置释放的氢气时，应避免以下情况：

1）直接排到密闭或半密闭空间。

2）排向容易产生静电的装置或空间。

3）排向露出的电气端子、电气开关器件及其他引火源。

4）排向其他储氢容器。

4、电磁兼容性

燃料电池供氢系统不得在其周围产生超过规定水平的电磁干扰。除此之外，供氢系统电气设备应对电磁干扰具有足够的抵抗能力，以便在其工作环境中正常运行。供氢系统的电磁兼容性具体要求如下：供氢系统的静电放电抗扰度限制应符合GB/T 17626.2-2018 中试验等级3 的规定。试验期间，被测样品不应损坏、故障或发生状态改变，但允许指示灯闪烁，试验后系统应能正常工作。

5、绝缘及电安全要求

参考GB/T 18384-2020《电动汽车安全要求》中间接接触防护要求、绝缘电阻检测要求、电位均衡要求、电容耦合要求设计供氢系统，以保障其电安全。

三、启动与关断

1、启动

当所有防护装置均已到位且起作用时，供氢系统才能启动。为保证下次正常启动，可采用适当的连锁装置，装置应具备手动、自动启动功能。

氢系统在低压电源接通后，氢管理系统应控制供氢系统，先对氢系统提供氢气进行预充，确保氢气管路压力达到规定值。

2、关断

燃料电池不需要继续工作时，氢系统控制器根据通讯协议关闭储氢瓶口组合阀，当燃料电池关闭时，整车关断瓶口组合阀供电；紧急情况时，驾驶员可紧急关闭氢阀翘板开关，切断储氢瓶瓶口组合阀供电需求，将瓶口组合阀关闭。根据燃料电池供氢系统的功能性要求，供氢系统应提供以下关断功能：

1）紧急关断功能：当供氢系统内部或外部情况恶化，继续运行供氢系统会带来危害时，应能够通过手动启动应急按钮而终止供氢系统的运行，并同时自动切断氢气的供给。紧急关断功能应考虑以下安全因素：

①在不产生新的危险情况下阻止危险发生。

②在必要情况下，触发或允许触发某些防护措施。

③不论供氢系统处于何种运行，紧急开关启动后，紧急关断具有第一优先权。

④在紧急开关没有复位的情况下系统不能重新启动。

⑤紧急开关的复位不得导致任何危险情况的发生。

2）正常关断功能。供氢系统处于正常运行状态，可通过启动控制设备而终止供氢系统运行。在正常运行情况下能够自动或手动安全关断。

3）非正常关断功能。供氢系统处于非正常运行状态时，可通过启动控制设备而终止系统的运行。

在不会立即带来危险的非正常状态下能够自动关断，但不能自动重新启动。

当出现下列情况之一时，应触发关断功能，并进行停机检查：

①监测的空气中氢气体积浓度超设定值（3%±1%）。

②电力供应故障。

③系统检测到制氢系统内富氢化合物余量低于设定值。

④系统氢气压力超过/低于设定安全值。

⑤系统监测到温度超过设定安全值。

⑥系统监测到储氢容器或管道流量反常增大或压力快速下降。

氢气系统关断应注意以下事项：燃料电池系统停止供氢请求前，不允许断开氢气供应；当氢管理系统发生通讯丢失，考虑到氢气传感器无法监控，建议整车控制器或燃料电池系统发送氢系统关断信号；当检测到车辆碰撞、火灾、氢气泄漏等严重情况，整车控制器应发送应急关闭氢系统的信号。

3、启动时间

对于以单质形式储存氢气的供氢系统（如高压气态储氢等），高压储氢启动时间由电磁阀控制，按燃料电池需求启动供氢。对于以化合物形式储存氢气的供氢系统，启动时间可根据用户要求确定。一般对于启动供氢的要求如下：

1）在热待机条件下，额定流量从0 到80%额定流量的启动时间不应大于10 min，从0 到100%额定流量的启动时间不大于15 min。

2）在停机条件下且利用燃料燃烧实现氢气产生设备加热时，额定流量从0 到80%额定流量的启动时间不应大于45 min，0 到100%额定流量的启动时间不大于50 min。

3）在停机条件下且利用电加热装置实现氢气产生设备加热时，额定流量从0 到80%额定流量的启动时间不应大于120 min，0 到100%额定流量的启动时间不大于125 min。