隨著新能源汽車產業的發展，高效環保的氫燃料電池車備受矚目，氫安全問題更是關注的焦點。

本文首先介紹了氫的特性和典型的燃料電池氫系統構成，概述了國際上燃料電池汽車氫安全相關的標準法規。其次，著重從加氫、儲 氫、氫泄露和整車緊急狀態等四方面介紹了氫系統的安全控制策略。最后從氫安全知識普及、標準法規完善和氫安全策略等角度進行了總結和展望。

前言

隨著人們生活水平的提高，汽車保有量逐漸增加，同時環境問題也受到了廣泛關注，因此汽車行業也正積極推動變革，努力推廣新能源汽車。

其中，氫燃料電池汽車作為眾多新能源汽車形式中的重要分支，其通過氫和氧的反應直接將化學能轉換為電能提供動力，因其具有高效率和近零排放的優點，被世界各國普遍認為具有廣闊的發展前景。

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安全性進行研究。

本文在介紹燃料電池氫系統構型和氫安全相關標準的基礎上，探討了燃料電池氫系統在各使用環節的氫安全控制策略，并在此基礎上進行了總結與展望。

一

氫特性及燃料電池氫系統概述

1. 氫特性

在常溫常壓下，氫氣是一種無色無味無毒的氣體。從氫安全的角度考慮，其具有以下五大特點：

(1) 易燃性：氫氣是一種極易燃的氣體，燃點只有574℃，同時氫氣和空氣混合時可燃范圍非常廣，使得氫氣很容易快速點燃，又由于氫氣密度低，因此氫氣燃燒后火焰上升也很快；

(2) 爆炸性：氫氣爆炸極限的體積分數在4～75%之間，相比甲烷的5～15%，其爆炸極限體積分數的范圍很寬，為了避免爆炸，需將氫氣濃度控制在4%以下，通常的做法是使用氫濃度傳感器實時監控，并在必要的時候使用風扇排風降低濃度；

(3) 泄露性：氫在元素周期表中排在第一位，氫分子直徑小質量輕，與其他氣體或液體燃料相比就更容易從縫隙或孔隙中泄露；

(4) 擴散性：與其他氣體或液體燃料相比，氫氣在空間上能夠以很快的速度上升，同時進行快速的橫向移動擴散，因此當氫氣泄漏時，氫氣將沿著多個方向迅速擴散，并伴隨著氫氣濃度下降；

(5) 氫脆：氫氣與金屬材料長期接觸或進行特定工藝過程時，金屬材料發生了氫滲透或者吸氫現象，并使材料的機械性能發生了嚴重退化，進而發生脆斷。

2. 車載燃料電池氫系統

氫系統是燃料電池汽車上動力系統的重要組成之一，其主要功能是為燃料電池系統供給反應所需的氫氣，典型的氫系統示意圖如圖1所示。

圖1 燃料電池氫系統示意圖

氫系統的部件主要包括加氫口、氫氣過濾器、單向閥、減壓閥、電磁閥、排空口、限流閥、安全閥、針閥、溫度傳感器、壓力傳感器和氫系統控制器等。

在氫氣安全系統中，氫氣使用安全分為兩類，即被動安全系統和主動安全系統。

被動安全系統包括的部件為排空口和氫瓶及氫管路上的安全閥，其部件特征為無需電氣控制的機械部件，例如當管道內氫氣壓力過高時，安全閥會打開，過壓的氫氣就可以通過氫管路從排空口排到空氣中。

主動安全系統是可通過電氣控制的系統，其以氫系統控制器為核心，以氫系統各傳感器、整車的部分傳感器和其他控制器發送的信號等作為信息讀取來源，以可控的電磁閥作為執行部件，當各傳感器監控的狀態出現異常時，能夠主動控制閥門動作，關閉供氫系統，進而保證車輛和人員的安全。

二

燃料電池氫安全法規

燃料電池汽車的氫安全總是讓人們充滿擔憂，美國能源部在氫安全的規范中也提到了保證安全是推進氫燃料電池汽車商業化的基礎，為了確保燃料電池汽車的安全性達到傳統汽車的水平，需要制定嚴格的法規和標準，進而在法律層面得到強制安全保證。

提到氫燃料電池汽車的安全，人們最關心的就是氫泄露和氫排放等氫氣使用相關的問題。無論是國際上還是國內與燃料電池汽車相關的標準中，都提到了氫安全性的問題。

國際上與氫燃料電池相關的比較有代表性的標準為以下三項：國際標準化組織發布的與氫安全防護相關的ISO 23273:2013、全球統一汽車技術法規發布的GTR 13和SAE International發布的SAEJ2578。

1. ISO 23273:2013標準

該國際標準規定了燃料電池汽車車內外的氫安全防護和對人體防護方面的很多要求。

該標準適用的范圍是用壓縮氫氣作為燃料電池動力系統燃料的燃料電池汽車，該標準關注的側重點是車輛在正常操作時的情況和車輛單點故障時的情況，同時對具體的要求只做了概述性的規定。

例如該標準指出：在預設的區域內，比如無機械通風的車庫、靠機械通風的建筑物或室外等場所，都必須滿足車內外的正常排放均為不可燃的法規要求。

2. GTR 13法規

該法規是燃料電池安全的基礎性法規，其適用于標稱工作壓力不超過70 MPa且最大加注壓力為1.25倍標稱工作壓力的氫系統，同時要求該氫系統必須是穩固地連接在汽車上的。

該法規規定了正常使用情況和碰撞等特殊情況下，氫氣的泄露、排放和報警故障的要求，規定了系統的完整性以及具體測試方法。

該法規明確規定了氫泄壓系統、排氣系統的具體要求，例如其規定：車輛尾排系統的氫氣濃度，平均體積濃度任何時刻不允許超過8%，在連續測量的3s時間內，濃度不允許超過4%。

此外，該法規還規定了故障、氫泄漏和信號報警燈等多種情況下的具體要求。

3. SAE J2578標準

該標準不僅規定了燃料電池汽車的安全準則和方法，也規定了相關子系統的安全準則，提出了氫燃料電池系統集成在整車上的特殊要求，同時該標準還具體規定了氫燃料電池系統的具體要求和試驗方法。

標準對燃料電池系統完整性進行了具體要求，對浸水、失效安全關斷、汽車艙內潛在危險等情況進行了要求，也對排放、吹掃、通風和其他正常氣體排放應滿足的條件進行了要求。

此外，標準還規定了正常汽車排放測試和汽車不當或不利操作測試的標準和條件。

三

氫系統安全控制策略

為了保證燃料電池汽車的安全運行，以氫系統控制器為主，各傳感器和執行部件為輔的氫管理系統發揮著重要的作用。

在正常工作時，氫管理系統與燃料電池控制系統通信，在不同的網絡架構中氫管理系統也與整車控制系統通訊。

按照氫管理系統的工作場景，氫系統的安全控制策略分為以下四個方面：加氫安全策略、儲氫安全策略、氫泄露及排氫安全策略和碰撞及整車緊急安全策略。

1. 加氫安全策略

在國內外，燃料電池汽車的儲氫形式以高壓氣態儲氫為主，目前儲氫壓力分為兩個等級，即35MPa和70MPa。在高壓氫氣加注過程中，車載氫瓶內氫氣容易快速升溫，存在安全隱患。

為了實現氫氣的安全快速加注，常采用氫氣預冷、溫升控制和分級優化加注策略相結合的方法，同時車載氫管理系統與加氫站通過紅外信號實時通訊，時刻檢測加注過程中的各項參數。

氫氣預冷：如果氣源為常溫，則在氫氣加注過程中，氣瓶溫度會快速增加，并很容易達到氫瓶的安全溫度限制，如果此過程靠自然冷卻，則加注時間會很長，也就無法達到快速加注的目標，所以在氫氣加注之前，通過對氫氣進行制冷，使氣源溫度達到-40 ℃，然后再用低溫氫氣進行加注。

溫升控制加注：在氫加注過程中，即使進行氫氣預冷，也不能保證加注流量很大時氣瓶溫度始終在安全限值以下，因此為了平衡氫氣加注速度和氫瓶溫升，需要通過控制氣瓶內的壓力上升速度和氫氣加注流量的方式控制氣瓶溫度。

分級加注：通常加氫站的儲氫罐按照壓力級別分成三組，壓力從高到低分別是高級瓶組、中級瓶組和低級瓶組。在加注過程中，加氫機將按照控制程序，按照從低壓到高壓的順序依次供應氫氣。

其中，氣源階梯切換的判斷常以氣瓶內平均壓力變化速率為依據，進而可按照低級瓶組到中級瓶組再到高級瓶組的順序從各級儲氫罐中取氣，按照此方式也提高了各級儲氫罐中的氫利用率。氫氣的分級加注流程如圖2所示。

圖2 氫氣分級加注流程圖

2. 儲氫安全策略

為了保證儲氫安全，氫管理系統需要監測氫瓶內的溫度和壓力，監測管路上的壓力，同時還需監測各傳感器、執行器以及通訊信號的通斷等，并結合實際情況進行故障上報和處理。

典型氫管理系統的傳感器和執行器信號類型和特點如表1所示。

表1 氫管理系統傳感器和執行器信號類型

氫系統控制器讀取傳感器信號，并通過相應的策略進行參數計算。

以氫瓶內壓力監測的計算為例，首先氫控制器按照預設的采樣速率，如每10ms采集一次氫瓶內壓力，連續采集6次，并計算出這6次壓力的最大值和最小值，將6次采樣的壓力值求和，再減去最大值和最小值，最后除以4得到的就是去除極值后的平均值，該數值作為氫氣壓力的有效值。

每一次有效值時的獲取，都將重新采樣6次新的壓力值，然后再按照上面的方式進行計算。

氫系統控制器還需對計算后的參數進行判斷和故障處理。

例如，在氫瓶的溫度超過報警溫度時，氫系統控制器會發出控制信號立即關閉電磁閥，并將報警信號發送給整車控制系統和燃料電池控制系統，發送請求結束系統工作的請求，發送的信號中也包括故障氣瓶編號的信息，并在儀表上提示駕駛員，同時使用聲音提醒駕駛員采取緊急安全措施。

3. 氫泄露及排氫安全策略

由于氫氣的易燃易爆特性，對氫泄露和排氫濃度的監控和處理顯得尤為重要。

在燃料電池系統工作中，為排出氫氣路蓄積的水，需要按照一定的時間間隔進行排氣操作，不可避免會有少量氫氣排出系統，而為了保證安全，必須確保排出其他的氫濃度低于可燃值。

因此，常規方案是將排出的氫與空氣路排出的廢氣在混合腔內充分混合，同時監測排氫的濃度，當排氫濃度高于預設的限值時，需降低排氫時間，同時增加空氣的排氣量使排出的混合氣低于預設值。

一般情況下，常采用高精度的氫氣濃度傳感器監控氫泄漏，為實現實時監控車內氫含量的目標，需要在燃料電池發動機附近、乘客艙頂棚和儲氫瓶附近布置多個傳感器，任何監控的位置發生氫泄漏，均需要采取安全措施，確保車輛和乘客安全。

氫泄露傳感器的布置如圖3所示，圖中傳感器布置在了后備箱的最高點①、乘客艙②和前機艙③附近，有的傳感器布置方案也在儲氫瓶口處增設氫傳感器。

圖3 氫泄露傳感器布置示意圖

氫系統控制器將多個氫濃度傳感器的采集值進行處理，并取其中的最大值作為氫泄露的報警值，氫系統控制器會將該最大值上報燃料電池控制系統和整車控制系統，當最大值超過限值時，氫系統控制器還將發送報警信息，并執行相應的舉措。

氫泄漏報警分為四類，其一是氫濃度傳感器故障，另外三類是三級泄露報警，按照氫泄露濃度不同依次為輕度報警、中度報警和緊急報警。

輕度報警又稱一級泄露報警，指空氣中的氫含量在0.4%到1%之間，氫系統控制器將輕度氫氣泄露報警信息上報燃料電池控制器系統和整車控制系統，并提示駕駛員有氫泄露異常；

中度報警又稱二級泄露報警，指空氣中的氫含量在1%到2%之間，氫系統控制器將向燃料電池控制器系統和整車控制系統上報嚴重的氫氣泄露報警，并提示駕駛員立即停車；

緊急泄露報警又稱三級泄露報警，指空氣中的氫含量超過2%時，氫系統控制器向燃料電池控制器系統和整車控制系統上報緊急泄漏報警，同時進入故障處理模式，立即關閉氫瓶上的電磁閥，并聲光報警提示司機氫氣泄露，具體控制措施如表2所示。

表2 氫泄露報警控制措施

4. 整車緊急狀態安全策略

車輛出現碰撞、燃料電池電堆故障或其他整車緊急狀態下，氫系統也將進行相應的措施來保證安全。

在部分燃料電池系統中，除了通過CAN總線在各控制器之間傳輸報警信號之外，還設計了應急硬線連接裝置，能夠保證系統有效并可靠地快速響應。具體硬線應急安全原理如圖4所示。

圖4 應急安全原理示意圖

圖中的應急安全硬線裝置由碰撞開關、急停開關、氫系統控制器控制端和整車控制控制端等四個端口同時控制，實際應用中控制端口也可以按照相同的原理增加或減少。

當急停開關或碰撞開關斷開時，之前保持高電平的安全線將變為低電平，氫系統控制器和整車控制器都將收到低電平應急信號，氫系統將進入安全應急狀態，停止供氫并報警提示。

當整車控制器識別出整車異常或燃料電池系統異常時，將把安全線拉為低電平，通知氫系統或其他獲取該信號的系統進入安全應急狀態。同樣的，氫系統控制器也能拉低安全線并讓系統進入安全應急狀態，來達到保證車輛及人員安全的目的。

四

總結與展望

1. 氫由于其固有的特性，氫安全問題在一定程度上制約了氫燃料電池汽車的應用和發展，因此讓更多人了解氫氣，了解燃料電池氫系統以及了解氫應用的安全實例就顯得尤為重要。在氫能相關技術進步的同時，做好氫安全知識的科普具有重要意義。

2. 我國在燃料電池汽車領域的起步相對較晚，雖然已經發布了氫安全相關的標準法規，但仍需在實踐中不斷完善和補充，進而從法律角度嚴格保障燃料電池汽車的安全性與傳統車相當。

3. 燃料電池汽車氫安全策略已基本形成了比較完善的框架，在加氫、儲氫、排氫、氫泄露及緊急情況等各環節均能保證安全，隨著仿真模擬的進步，安全試驗的積累和優化，多種故障分析方法的廣泛應用以及傳感器技術不斷提高，必將推動燃料電池汽車商業化、規模化、產業化發展的歷史進程。