燃料电池汽车运行安全性能关键要素分析

目前，随着环境污染和能源短缺等问题的日益突出，新能源汽车成为了各大汽车产商和研发机构的重点研究对象。

其中，燃料电池汽车因其燃烧效率高，燃烧产物绿色无污染等优点，被认为是最具潜力的新能源汽车之一，得到了行业的广泛关注。

然而，燃料电池汽车的商业化进程缓慢，受到关键材料价格成本、加氢站普及程度和安全性能等多方面因素限制。其中，安全性能的影响尤为突出。

氢的各种内在特性，决定了氢能系统有着不同于常规能源系统的危险特征，比如易燃、易泄漏、扩散性、爆炸性和氢脆等。对于燃料电池汽车，整车、车载氢系统以及燃料电池系统均存在泄漏和爆炸等风险。

本文基于对燃料电池汽车整车、系统和关键部件的理解，依托国家氢能动力质量监督检验中心的相关实测试验数据，对燃料电池汽车运行过程中的典型场景进行提取，分析包括道路行驶、氢气加注、停车、驻车等场景的运行安全问题。

梳理燃料电池汽车运行安全性能特征，从燃料电池系统、车载氢系统、燃料电池整车三层级分析在用燃料电池汽车运行安全性能关键要素，提取氢电安全等关键要素核心检测参数；研究在用燃料电池汽车运行安全性能检验及评价技术，研究快速检验方法与检验工具，确立在用燃料电池汽车定期检验流程，构建在用燃料电池汽车运行安全性能检验技术体系。

燃料电池系统运行安全性能分析

在燃料电池汽车运行过程中，燃料电池系统作为车辆动力性能的提供源，具有氢气流量大、产热较多和输出高电压高电流等工作特点，其安全性能涉及到机械、电气、热和化学等多种因素；同时，车辆行驶中还会受到振动冲击和冷热雨尘等环境影响。

因此，需要对控制系统及其保护部件、子系统核心部件、外壳管路及连接件等方面提取运行安全要素，开展燃料电池系统性能特性、氢气泄露、绝缘强度、故障/异常保护等方面的快速、精准检验技术研究。

对于燃料电池电堆的运行安全性能，需要对电堆复杂的电化学内部环境及振动、冲击、灰尘、雨淋、环境温度大幅度变化等外部环境条件进行综合考虑，提取燃料电池电堆运行安全要素。

氢燃料电池汽车所使用的电堆因具有纯电动汽车、混合动力汽车所使用的动力蓄电池的电气特征，即“通过输出电量驱动电动机工作从而促使车辆前进”，从而使很多安全试验项目都可以参考电动车用储能系统的相关标准。

1.1、性能特性

燃料电池系统随着车辆的使用会不可避免的出现性能衰减，进而影响整车的性能与安全性，因此有必要对燃料电池系统进行性能特性检测。

燃料电池系统性能包含稳态性能、启动性能和动态性能。

其中，稳态性能主要为系统的额定功率，如果燃料电池系统在运行一段时间后功率达不到出厂时的额定功率，说明系统衰减较大，应对系统进行维修或更换；启动特性主要是低温冷启动特性，主要指标参数有冷启动温度与启动时间；动态性能主要为加减载响应时间，加减载范围为10%-90%额定功率。

图1 燃料电池发动机性能特性试验示例

1.2、发动机系统氢气泄露

氢的各种内在特性，决定了氢能系统有不同于常规能源系统的危险特征，比如易燃、易泄漏、扩散性、爆炸性、氢脆等。燃料电池系统作为氢气的消耗端，在氢气使用过程中也存在一定的泄漏风险。

因此，燃料电池堆的氢安全设计方面，其包装内部的通风设计以及氢泄漏的在线监测设计也需着重考虑。

在气密性方面，燃料电池堆需保证无泄漏并通过出厂前的气密检测等实验测试内容在完成密封性检查外，运行过程中监控器工作电压的变化也是不可或缺的。

如果燃料电池堆中的质子交换膜发生破损后，会出现氢气泄漏到空气腔或空气泄漏到氢气腔中的现象，在催化剂的作用下，会在泄漏的局部发生燃烧，对燃料电池堆的安全造成威胁。当发生膜泄漏氢气与空气混合后，会引起电压降低，可以通过检查单个电池的电压进行判断。

图2 燃料电池系统氢气泄漏检测

1.3、绝缘性能

在通过循环冷却水冷却燃料电池堆的燃料电池系统中，由于有离子析出到冷却水中，冷却水的导电率会随着时间上升，导致燃料电池产生的电流在冷却水中流动，进而引发燃料电池系统漏电、短路等故障。另外，燃料电池其他高压线路或部件会随着时间老化。

因此有必要对燃料电池系统的绝缘性能进行检测。

图3 燃料电池系统的绝缘性能

燃料电池车载氢系统运行安全性能分析

燃料电池汽车车载氢系统作为燃料电池汽车的重要组成部分，实现了氢气的加注、储存与供应。

车载氢系统需满足燃料电池用氢技术要求，同时要结合储氢瓶、供氢管路及控制系统的功能要求、安全要求等，对燃料电池汽车的车载氢系统的运行安全进行综合分析。通过分析，提取包括氢甁温度传感器、加氢口、气瓶安全阀等部件安全关键要素，建立燃料电池汽车车载氢系统运行安全关键参数体系。

2.1、氢气泄漏量（储氢容器）

燃料电池车是以氢气代替传统石油作为动力能源的车辆，利用氢氧反应在催化剂的推动下高效地放出能量和产出大量的水，对环境实现零污染、零排放，是一种非常符合可持续发展理念的理想交通工具。但是氢气分子小，极易扩散，而且其爆炸极限在4%～74.2%之间，范围较大，一旦出现泄露，极易造成爆炸危险，造成无可挽回的后果。

图4 储氢系统中的氢气探测器

2.2、氢瓶温度、压力传感器

氢气易燃易爆，因此温度上的控制非常重要。

对此可以运用温度传感器监控温度有效地测出氢气瓶内的温度并在驾驶室内的仪表上显示出，通过气体温度的变化判断外界是否有异常情况发生。如果气体温度突然急剧上升，若非温度传感器故障，则在气瓶周围可能有火警发生，可通过氢系统控制器立即报警；另一方面，瓶阀上装有压力传感器监控瓶内压力，在加氢过程中提醒加氢员，以及在氢气剩余量低时及时提醒驾驶员加氢。

2.3、加氢口

燃料电池汽车在加氢站通过加氢口将氢气加注存储在高压储氢罐中，加氢口在加注时与加气机的加气枪相连，以达到加注的目的。

其安装位置（不应位于乘客舱、行李舱和通风不良的地方）和高度要考虑安全防护要求以方便加氢操作，同时加氢口应具有单向阀以及颗粒过滤功能，应与未遮蔽的电气接头、电气开关和其他点火源保持至少200 mm的距离。单向阀在加氢口或供氢管路出现损坏情况下防止气体向外泄漏并提高加氢口的使用寿命。减压阀可以将氢气的压力调节到电池所需要的压力。当出现危险时，针阀可以将氢气瓶中的残余氢气安全放空。

此外，加氢通讯装置包括用于获得氢燃料电池汽车的储氢罐参数和目标位置氢浓度的控制器。

用于与加氢站信号连接的发射器与控制器连接，控制器能够将储氢罐参数和目标位置氢浓度发送给发射器，将储氢罐参数和目标位置氢浓度发送给加氢站；当储氢罐参数在目标范围内以及目标位置氢浓度小于目标氢浓度时，加氢站向储氢罐加氢；当储氢罐参数位于目标范围以外或目标位置氢浓度大于目标氢浓度时，加氢站停止向储氢罐加氢。需要加氢时，加氢站的加氢枪与储氢罐的加氢口进行对插；加氢站能够根据储氢罐参数和目标位置氢浓度控制加氢过程的通断，从而提高安全可靠性，降低加氢过程的安全风险。

图5 燃料电池车加氢口

2.4、气瓶安全阀

气瓶安全阀对供氢系统提供了安全保障，当储氢瓶氢气压力超过设定值后能自动泄压。如瓶体温度由于某种原因突然升高造成瓶内气体压力升高，当压力超过安全阀设定值时，安全阀则会自动泄压，保证气瓶在安全的工作压力范围之内。

图6 气瓶安全阀

2.5、氢系统故障

燃料电池汽车的燃料是氢气，由于氢气本身的特性，使得燃料电池汽车氢系统的安全性成为人们首先关心的问题。因此，为了燃料电池汽车的推广和使用，有必要对燃料电池汽车的氢系统安全性进行研究。

氢系统是燃料电池汽车上动力系统的重要组成之一，其主要功能是为燃料电池系统供给反应所需的氢气，氢管理系统除应具备正常检测、通讯功能外，还应具备可以实时检测各传感器、电磁阀、蜂鸣器等是否发生故障的功能。

图7 仪表盘报警显示

燃料电池整车运行安全性能分析

由于氢气具有易燃、易爆的特点，氢燃料电池汽车的安全性大多都与氢气的排放和泄露密切相关。关于燃料电池整车运行安全性能分析，主要对氢气泄露量、氢气排放浓度、氢气浓度报警装置、防静电装置这4个因素进行阐述。

针对氢燃料电池汽车中氢气的安全特殊性及传统汽车的安全检验方法体系对燃料电池汽车不适用等问题，分析整车氢安全（氢气排放、氢气泄漏、氢气浓度报警）、防静电装置等燃料电池汽车安全运行性能检验关键项目，针对提取的关键性能参数，建立燃料电池汽车运行安全性能关键指标检验技术体系。

图8 燃料电池汽车结构图

3.1、氢气泄漏量

燃料电池汽车在启动、行车、停车以及关闭等操作中不可避免地会泄露或排放出少量氢气。由于氢气是易燃易爆气体，存在安全隐患，因此必须要考虑氢泄露量是否满足标准。

一般而言，外漏至外界环境的氢浓度应小于75% LFL，乘客舱、其他舱中氢气浓度应该低于50% LFL。当氢泄漏传感器检测到浓度大于该值时，车辆必须发出危险提示并提醒司机。

如果发生泄露，氢气会迅速扩散。在户外，氢的快速扩散对安全是有利的。然而在相对密闭的空间内，氢的扩散则需要具体问题具体分析。如果泄露量很小，氢气会快速与空气混合，保持在着火点之下；如果泄露量很大，快速扩散会使得混合气很容易达到着火点，不利于安全。因此，最大的潜在风险是在密闭的车库内氢气发生缓慢泄漏，逐渐累积导致着火或爆炸。

针对燃料电池乘用车，可进行密闭舱氢气泄漏快速精准测试；针对商用车，可进行高进度、多点位、实时氢气泄漏量测试。

综上，实时监测氢气泄露量在一个相对安全的范围内，防患于未然，是非常有必要的。

3.2、氢气排放浓度

燃料电池汽车在起动、行车、停车、关闭等常规操作过程中，为了排出氢气管路中蓄积的水，需要进行排气操作，在此过程中不可避免地会出现氢气溢出情况，为了保证安全，必须确保排出的气体氢浓度低于可燃值。

因此，可分别针对燃料电池乘用车与商用车进行怠速状态下和对应车型工况下的氢气排放检测。

图9 氢气排放检测

3.3、氢气浓度报警装置

氢泄露检测报警系统能实时监测氢气浓度，并在达到报警阀值时对外CAN通信告警，以便燃料电池控制系统及整车控制系统实现对应的安全保护措施。设置2个高灵敏度氢气浓度检测传感器，分别布置于加注单元舱上部和储氢瓶舱空间正上方，设计以下分级报警策略：

1.  当氢气浓度达到0.4%时发出一级报警，提醒注意并要求及时返厂检查；

2.  当氢气浓度达到1%时发出二级报警，燃料电池系统主动关闭并提醒立即检查；

3.  当氢气浓度达到2%时发出三级报警，整车高压安全下电保护并提醒立即检查。

图10 氢气浓度报警装置检测

3.4、防静电装置

氢气属于火灾危险性为甲类的易燃气体，具有易燃易爆的特性。一旦点燃，燃烧速度极快，燃烧热值高。

因此，在燃料电池车的使用中，一旦在氢气的制取、储存及装卸过程中发生泄漏，它可与空气混合形成爆炸性混合物，遇热或明火即会发生爆炸，十分危险。

在高压作用，泄漏时氢气从管口或缝隙处高速喷出会产生静电，静电荷的产生与其喷出时的流速存在同比关系，当静电荷达到一定值时也会引发火灾或爆炸。

此外，氢气的带电性致使氢气储罐的出口处及输气管道处易发生静电积聚放电现象，这会成为氢气火灾爆炸事故的引火源，当储罐及输气管道的接地装置发生故障时，极易引发火灾及爆炸事故。

因此，采用氢气作为燃料的电池汽车其火灾事故的防范重点就是氢气的泄漏及防静电。

图11 防静电装置

结 语

本文基于对燃料电池汽车整车、系统及关键部件的理解，对燃料电池汽车运行过程中的典型场景进行提取，分析包括道路行驶、氢气加注、停车、驻车等场景的运行安全问题，梳理燃料电池汽车运行安全性能特征，构建燃料电池系统、车载氢系统、燃料电池整车三层级12项氢电安全等关键要素核心检测参数，研究燃料电池汽车运行安全性能检验及评价技术体系。

如图12所示，该体系建立了高效、合理的燃料电池汽车定期检验项目，实现燃料电池汽车年检的信息化、合理化及智能化，为燃料电池汽车的差异化年检奠定基础。

图12 燃料电池汽车运行安全性能检验技术体系