燃料电池电动汽车车载氢系统安全——车载氢系统一般安全要求

高压储氢是目前最简单和最常用的车载纯氢储存方法。因此，目前大部分的燃料电池电动汽车供氢系统都采用高压储氢方式。氢燃料电池商用车（大巴、物流车）高压储氢通常压力为35MPa，氢燃料电池乘用车高压储氢压力可达到70MPa。燃料电池工作时对氢气的流量和压力有很高的要求，储存的氢气需要经过压力和流量调节系统调节后再输送到燃料电池内部。储氢瓶、供氢管路、加氢口、压力流量调节元件、氢泄漏传感器和相应控制系统组成了车载供氢系统。车载供氢系统配置的储氢瓶容积可根据具体情况进行选配，从而组合成多种瓶组形式的车载供氢系统安装于燃料电池电动车辆，为燃料电池电动车辆提供氢气存储及调压后的氢气输出。

截止2019 年底，我国燃料电池电动汽车保有量已经超过6000 辆，预计到2025 年有5 万辆，2030年将达到百万辆。随着燃料电池电动汽车的逐渐普及，作为燃料电池电动汽车重要组成部分的车载氢系统，由于氢气的易燃易爆特性，其安全性备受重视。氢气泄漏等引起的危险主要包括：① 氢气重量轻、易泄漏、扩散速度快，当空气中的体积分数为4%-75%时，有爆炸风险，极易发生对人员以及设备威胁的事故；② 在充装氢气过程中，进入同一设备及管路的氢气会由于高流速和压缩而温度骤升，若温度超过设备的安全规定范围，就会造成设备损坏和介质泄漏，甚至爆炸；③ 氢气与空气混合会形成爆炸性混合物，如果存在电火花或点火源，则极易发生火灾，在封闭空间还会造成爆炸事故。

一、车载氢系统一般安全要求

1、总则

燃料电池电动汽车车载氢系统作为燃料电池电动汽车的重要组成部分，主要的功能是实现高压氢气的加注、储存与供应。在车载氢系统设计开发过程中，应充分遵照相关国家标准，从设计开发到集成安装，均应满足如下安全要求：

1）燃料电池供氢系统应符合GB/T 24549-2020《燃料电池电动汽车安全要求》和GB/T 26990-2011《燃料电池电动汽车车载氢系统技术条件》及GB/T 29126-2012《燃料电池电动汽车车载氢系统试验方法》的标准要求。

2）车载氢系统零部件选型时，各零部件应符合相应国标要求，并满足车载氢系统使用需求，如加氢口应满足GB/T 26779-2011《燃料电池电动汽车加氢口》，对于常用的III 型储氢瓶，应满足GB/T35544-2017《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》等。

3）燃料电池供氢系统应满足燃料电池用氢气规模、对氢气品质的技术要求，同时应配置与整车关联可靠的监控关联系统，确保车辆使用安全。

4）车载氢系统在安装集成时，应确保安装集成人员经过相关培训和考核，严格控制装配过程中各项要求的有效实施。

5）车载氢系统集成后应进行气密和保压测试，相关电子元件应进行联调，保证功能的有效实现。根据用户要求进行相关认证性试验，如EMC 测试、振动测试等。

2、振动与冲击

燃料电池供氢系统应具备一定的抗振动和冲击的能力，保证正常使用、运输或存储过程中产生的振动和冲击不会对供氢系统各部件产生损害。可通过安装防振设施来避免振动和撞击产生的不良影响，包括由系统自身中的单体及辅助设备所产生的、以及由外部环境产生的振动和撞击。

车载氢系统设计时应根据车辆运行振动频率分析储氢瓶固定方式和系统框架结构稳定性，可根据空间要求设计加强结构，提高车载氢系统整体结构强度；设计时应考虑电气接插器的可靠性，避免造成电气部件电线脱落或碰线，避免因振动导致短路等现象。

车载氢系统集成后，建议针对不同构型的系统进行振动试验，检验结构件、支撑件和系统管路连接的可靠性。

3、材料选择

燃料电池供氢系统由于直接或间接与氢气接触，应具有与氢气相容特性，所选材料应满足以下要求：

1）在所有的使用条件下，具有必要的化学稳定性，使用中不会发生各种形式的化学反应，以避免这些反应形成对氢气的污染。最大可能地避免发生氢脆、氢腐蚀、应力腐蚀和其他形式的腐蚀。车载氢系统中与氢气存在承压关系的零部件材料应满足与氢气的相容性要求，对非公认材料应参考ISO11114-4：2005《可运输气瓶气瓶和瓶阀材料与盛装气体的相容性第4 部分：选择抗氢脆金属材料的试验方法》进行相关测试。

2）适应供氢系统物理环境的变化，符合各项机械性能要求，并在使用条件下保持稳定的力学性能，如安装金属框架应充分考虑低温环境下冷脆造成的强度大幅衰减问题，以及密封用O 型圈耐温性问题。

3）非金属管道和相关配件材料满足相应标准的规定要求。

4）所选用材料满足供氢系统整体预期寿命的要求。

5）当已知所用的材料在某些条件下会发生危险时，制造商应采取各种防范措施，并向用户提供必要的信息，以最大程度地降低人身安全与健康风险。

4、车载氢系统的电气系统

车载氢系统一般还包含氢控制器、氢浓度传感器、压力传感器、电磁阀、连接线束、接插器等电气元件，它们组成了车载氢系统的电气系统。对电气系统的一般安全要求如下：

1）该电气系统应满足QC/T 29106-2014《汽车电线束技术条件》、QC/T 417-2016《车用电线束插接器》、QC/T 29106-2014《汽车低压电线束技术条件》、EMC 测试的相关要求。

2）供氢系统所有电气元件和接线应该在机械强度、绝缘和电流承载能力方面均满足氢气安全使用要求。线束走向等应合理布置且卡固良好，尽量避免与相邻部件摩擦。线路中宜设置过电流保护装置。

3）电气元件的材料应满足供氢系统的使用环境，在选择电绝缘材料时，应考虑材料的机械强度、电绝缘强度和热绝缘特性，即使在出现火灾和事故时也能够起到防护作用。

4）供氢系统所用电磁启闭的元件、部件应采取必要的措施，避免同其他电磁设备因电磁干扰而产生不良影响。

5）供氢系统所有电气元件的开口或插头应采取保护措施防止破损，有产生电火花危险的电气元件，应予以适当的包覆。

6）电气元件所发出的电磁波，不应对其他电气设备的功能产生持续且重大的干扰。

7）为防止电气系统使用过程中产生破损、短路，并且避免电火花等对使用者或操作人员产生的危害，线路应加以适当的保护，或在没有妨碍的位置装设防护。电源接口应避免设置在氢气入口附近，氢管路与充电高压线应相对隔离。

8）为满足不同地方的使用环境要求，供氢系统所有电气元件应满足必要的耐盐雾性能要求，具体要求应满足使用环境要求或参照相应标准要求。

9）车载供氢系统电工电子产品进行防水防尘试验时，所有电气元件防护等级不低于GB/T4208-2017 中IP67 等级。

10）电气系统中的各零部件应满足系统使用环境温度要求，防火阻燃要求，以及自身应满足的使用要求等。

11）根据供氢系统结构特点，对电气系统及配线等进行接地防护。

12）充电口与加氢口不宜设在车身同一侧，如设置在同一侧不应处于同一舱内，且相距至少200mm。

13）车载氢系统的安装集成过程中也应注意电气系统的安装规范，避免出现因人为因素导致的功能性、耐久性、安全性等问题。

5、安装及布置

（1）车载氢系统安装布置的一般要求

车载氢系统的安装及布置首先应满足GB/T 26990-2011《燃料电池电动汽车车载氢系统技术条件》中4.2 节的描述，加氢口的布置应满足GB/T 26990-2011 中4.4 节的描述。此外，还应充分参考如下建议：

1）燃料电池供氢系统安装前，应检查供氢系统单体设备、管路及附件的各种合格证、技术文件，制定安装就位方案和相关安全措施。

2）要充分考虑使用环境对供氢系统可能造成的伤害，采取必要措施，避免热源以及电器、蓄电池等可能产生电弧的部件对供氢系统的安全影响。

3）车载氢系统中的氢浓度传感器应布置在车内氢气容易聚集的最高点区域，如果区域分离较远，应相应增加氢浓度传感器数量。在可能发生泄漏的部位及载人车厢内，都应合理地安装氢气泄漏探测器，探测器应安装在氢气最易发生积聚的位置，一般为局部最高点，通风不好的地方。

4）车辆车身设计应减少车载氢系统不必要的承重。

5）车身应针对有可能产生氢气泄漏区域设计相应的氢气排放口。

6）车身与车载氢系统的安装应充分考虑积水排放问题，避免致使车载氢系统的电气系统长期泡水，产生安全隐患。

7）支撑和固定管路的金属零件不应直接与管路接触，需要加装非金属衬垫，但管路与支撑和固定件直接焊合或使用焊料连接的情况例外。

8）供氢系统可能产生静电的地方要可靠接地，或采取其他控制氢泄漏量及浓度的措施，以使得即便在产生静电的地方，也不至于发生安全问题。金属管路和金属连接件应可靠接地，连接处应采用金属线跨接，且适应氢气环境。

9）供氢系统应安装牢固，应避开易摩擦、易受冲击的位置，或者采取缓冲保护措施，以防止应用时发生位移或损坏。

10）供氢系统各功能总成、零部件的连接管路要牢固固定，固定点之间的间隔不大于1000mm，如总成无法固定在同一个结构体上，应确保两个不同的结构体之间的相对位移合理，必要时将储供氢总成与燃料电池系统用软管连接。

11）供氢系统安装在不能充分换气的封闭或半封闭空间（如驾驶室、载人车厢和货箱内）时，应该使用密封箱、波纹管及通气接口将瓶口阀及连接的高压接头与驾驶室、载人车厢或货箱安全隔离，通气接口排气方向应在与地面成45°圆锥的范围内，并能将泄漏气体排出车外，通气接口至排气管和其他热源距离不得小于250mm，通气总面积应不小于450mm2。密封箱应满足如下要求：

①密封箱的排风口位于装置最高点，且排放气体的流动方位和方向应远离人、电源和火源。排放方向满足如下要求：不应直接排到燃料电池应用装置操作室等密闭空间；不应排向容易产生静电的装置；不应排向露出的电气端子、电气开关器件及其他引火源；不应排向其他储氢容器。

②密封箱需进行密封和排气测试。

③密封箱的电子接头和元件不能产生火花。

④密封测试时，密封箱不发生任何永久变形。

⑤密封盒等隔离装置应有很强的防护功能，当车辆受到冲撞时应能有效地防止气瓶冲入驾驶室、载人车厢或货箱内。

12）供氢系统安装完成后，应检查各相关尺寸、连接管线的正确性、气密性；检查电气接地的正确性和接地电阻。

13）车载氢系统在组装、运输、吊装过程中应避免系统、特别是功能阀件、电气元件的磕碰，避免出现螺栓螺母的漏装、漏检，电气接插器的漏接、虚接、接地，以及静电片的漏装、卡套螺母的安装不到位等问题。

（2）车载储氢瓶的安装及布置要求

1）一般要求

供氢系统涉及的压力容器，应符合压力容器的相关标准，安装人员应持有相关资质。任何完整的高压氢气储存容器，应包括一个连接固定装置。

储氢瓶应被可靠地固定在车上，安装气瓶的固定座应具有阻止气瓶旋转、移动的能力，固定座应便于拆装工作。气瓶安装在车上后，气瓶的强度和刚度不得下降，车架（车身）结构强度也不应受影响。储氢瓶安装方法不能严重削弱车辆结构，部件结合的部位（比如将拉带螺栓焊到拉带上），连接点的强度不能小于任一连接件的强度。

当储氢瓶安装在车辆的外露空间时，应采取有效的防护措施，储氢瓶周围应避免有尖锐、棱角等结构的零件

2）燃料电池客车

对于燃料电池客车，采用储氢瓶底置设计时，储氢瓶舱体的两侧舱门上应有格栅，保证正常通风，且格栅的高度应位于气瓶舱门的高位，防止氢气在舱体顶部聚集；储氢瓶舱体与乘客舱应保证有效的隔离，防止泄漏的氢气进入乘客舱；与氢系统无关的电气线路和气体管路接头应尽量避开储氢瓶舱室。

当储氢瓶布置在车架下方时，储氢瓶下方应采取有效防护措施，应有效避免驱动轮造成的异物飞溅撞击储氢容器，气瓶最低位置离地距离建议不小于200mm。

储氢瓶应固定牢靠，其安装位置应使其在车辆前、后、侧向碰撞事故中受到车身结构的保护。车长大于6m 的客车，储氢容器任何部位距车辆前端应不小于600mm，距车辆后端应不小于300 mm。

气瓶安装在顶部时，顶置气瓶应有气瓶罩遮蔽保护，避免太阳直射；气瓶罩应结构合理，美观实用；气瓶罩侧门尽量采用碰销式结构，以便于开启；气瓶罩上应有通风口，通风口通气总截面面积应不小于2000mm²。

储氢瓶安装位置应远离热源，其环境温度不得高于50℃，必要时应采取隔热措施。在任何情况下，气瓶及其所有高压管路与热源距离应不小于100mm；当气瓶及其所有高压管路与热源的距离在100mm~200mm 之间时，应设置固定可靠的隔热及保护装置。

如果储氢瓶若采用纵向安装方式，即储气瓶的中轴线与车辆的纵轴平行，则储气瓶装有阀门、仪表的一端应朝向车辆的尾部。

由于底盘放置了动力电池、DC/DC 变换器及驱动电机，加上目前商用客车多为低底盘客车以方便乘客搭乘，建议将燃料电池商用客车的多瓶组车载氢系统布置于车顶。顶部的空间更有利于布置多个储氢瓶，以增加储氢量和续驶里程。除了考虑负载均衡以及不影响客车内部乘车空间外，车顶氢系统的罩壳可做成玻璃钢件，顶裙围采用成型的铝合金板，有效地保证车辆外观的平整性与连贯性。此外氢系统罩壳顶部可以打开，方便储氢瓶的维护与安全操作。

图3-1 为供氢系统布置于顶部前半部的燃料电池商用客车案例。

图3-1 商用客车车载储氢瓶安装及布置案例

3）燃料电池乘用车

乘用车车载储氢瓶配置应综合考量足够的乘客空间、行李置放空间与燃料储量，并考虑车辆安全性与重量平均分配。建议轿车车载储氢瓶置于轿车底盘下方中部、后座乘客椅座的下方，以及行李箱与后轮间的开放空间。受空间的限制和规避停驶期间安全排放的风险，可采用多个高压储氢瓶。乘用车储氢瓶的安装及布置方案案例如图3-2 所示。

图3-2 乘用车车载储氢瓶安装及布置案例

4）燃料电池货车

商用货车为了保证其一定的续驶里程，目前通常布置多瓶组35MPa 的车载氢系统，中小型货车设置双瓶组或三瓶组，大型货车的储氢瓶可能会超过四组，必要时采用70MPa 储氢系统，以提高储氢量和续驶里程。建议将储氢瓶以横卧叠排式安装在靠近牵引车头的车辆底盘上，可增加货箱的空间利用率。商用货车氢系统的布置方案可参考图3-3。

图3-3 商用货车车载储氢瓶安装及布置案例

6、使用环境

制造商应规定燃料电池供氢系统的使用条件，应包括海拔、工作温度、相对湿度、储存温度使用寿命。

建议燃料电池供氢系统应能在下列环境条件下正常运行：①海拔高度：≤3000 m；②环境温度：-20（-30）℃～50℃；③相对湿度：≤95%；④储存温度：-40℃～60℃。

车载氢系统应根据整车应用区域需求进行相应的环境验证性能试验。