我國燃（rán）料電池客（kè）車已（yǐ）經完成商業（yè）示（shì）範運營，各種性能指標已基本達到運營要求（qiú），開始（shǐ）向大規模產業化邁進。然而，一種新的能源係（xì）統要得到推廣和應用，其安全性是應該首先被關（guān）注的。氫氣易揮發、易燃、易爆及氫脆等特性，使得（dé）氫氣在使用過程（chéng）中存（cún）在一定的安全隱患。另外（wài），由於對（duì）氫（qīng）氣使用（yòng）的經（jīng）驗不夠豐富，駕（jià）駛（shǐ）員在使用氫燃料電池汽車時，心理（lǐ）上也存在著較大的疑慮。本文對氫能安全及在燃料（liào）電池（chí）汽車（chē）上采取的安全措施進行（háng）了分析介紹，使人們對燃料電池汽車的安全性有（yǒu）更深入的了解和認識。
任何能源都有一定的安全性問題，隻要在使用過程中，根據其基本特性（xìng），通過科學設計，合理使用，就會避免或者降低其危害，為人類的發展提供能量。氫能作為一種清潔能源，具有易燃（rán）、易爆及氫脆等安全性問題。但這（zhè）些（xiē）安全危害的出現都（dōu）是在一定環境條件下產（chǎn）生（shēng）的，隻要在使（shǐ）用過程中控製必要（yào）條件，就可避免氫氣的危害。例如，氫（qīng）氣爆炸極限是體積密（mì）度達到4.0%～75%，即氫氣在空氣中的體積濃度在（zài）4.0%～75%之（zhī）間時，遇火源就（jiù）會爆炸，而（ér）當氫氣濃度小於4.0%或大於75%時，即使遇到火源，也不會爆炸。通（tōng）常情況下，氫的密度僅為空氣的7%（一個標準大氣壓下，0℃下，密度為0.0899g/L），與汽油、丙烷（wán）和（hé）51吃瓜网相（xiàng）比，具有更大（dà）的（de）浮力(快速上升)、擴散性（xìng）(橫向移動)和快速揮發性（xìng）。空氣中很難聚集（jí）高（gāo）濃度的氫，如果發（fā）生泄漏，氫（qīng）氣會迅速（sù）擴散，特別是在開放環境中，很容易快速（sù）逃逸，而（ér）不像汽油揮發後滯留在空（kōng）氣中不易疏散。美國邁阿密大學的Swain博士做（zuò）過一（yī）個著名的試驗，如（rú）圖1-1所示。兩（liǎng）輛（liàng）汽車分別用氫氣和汽（qì）油作燃料，然後進行泄（xiè）漏點火試驗。點火3秒後，高壓氫氣產生的火焰直噴上方，汽油則從汽車的（de）下部著火；到1分鍾時（shí），用氫氣作燃料的汽車隻有漏出的氫（qīng）氣在燃（rán）燒，汽車沒有大問題，而（ér）汽油車則早已成為大火球，完全燒光。所以氫氣（qì）易揮發的性質，與普（pǔ）通汽油車（chē）相比，有利於汽車的安全。綜上，隻要合理預防控製氫氣的（de）不利安全因素，就會避免產生安全危害。氫工業長期以來的安（ān）全運行以及氫能在（zài）航空航天等領域的廣泛應用，都足以證明這一點。國內外對燃（rán）料（liào）電池（chí）汽車製定了很多標準和規（guī）範，其中65%以上的內容是針對安全性的規定。燃料電池（chí）汽車的氫安全性，主要是指燃料電（diàn）池（chí）汽車運行過程中車載氫係統的安全，主要（yào）包括高壓供氫係統、燃料電池（chí）發電係統的安全性等。目前，為了保證車載氫係統的安全，各企業主要從材料選擇、氫泄露監測、靜（jìng）電防護、防爆、阻燃等方麵進行預防和（hé）控製。氫氣與（yǔ）金屬材料接觸會產生氫脆效（xiào）應（yīng），氫脆是溶於金屬（shǔ）中的高壓氫在局部濃度達到飽和後引起（qǐ）金屬塑性下降、誘（yòu）發裂紋甚至開裂的現象。氫在常溫常壓下並不會對鋼產生（shēng）明顯的腐蝕，但在高（gāo）溫高壓下，會產生氫脆，使其強度大大降（jiàng）低，導致失效。如果（guǒ）與氫接觸的材料選擇不當，就會導致氫泄漏和（hé）燃料管道失效（xiào）。目前，高壓儲氫瓶選（xuǎn）擇鋁合金或合成材料來避免氫脆的產生。例如，豐田Mirai儲氫瓶采用高強（qiáng）度的混合（hé）材料，由三層結構組成，最（zuì）內層材料是高強度聚合物，中層是強化碳纖維和（hé）高強度聚合物的混合材料，外層是玻璃纖維和高強度（dù）聚合物的混合（hé）材料，其他廠家也有類似的設計，例（lì）如昆騰(Quantum)和丁（dīng）泰克(Dynetek)現在出售的塑料內膽和（hé）鋁內膽碳纖維纏繞的（de）高壓儲氫瓶具有重量輕、單位重量儲氫密度（dù）高等優點，與鋼製容器相比很好地解決了氫脆問題。國內的燃料電池汽（qì）車高壓氫瓶主要（yào）采用鋁內膽加碳纖維纏繞的Ⅲ型氣瓶。各種燃料管道以及閥（fá）件也都采用適用於氫介質的材料，如抗（kàng）氫脆的不鏽（xiù）鋼（316L，耐壓大於5000psi）、鋁合金材料或聚合物（wù），並且儲瓶（píng）、管道及閥件所（suǒ）能承受的壓力留有足夠的安全餘量（liàng），儲氫（qīng）瓶的安裝及高壓氫氣連接管材質均應符合相關國（guó）家規範的安全要求。這些材料的使用，均可（kě）避免氫脆的發生。為了防止電路中產（chǎn）生電火花點燃氫（qīng）氣而產（chǎn）生燃燒或爆炸事（shì）故（gù），燃料電池汽車的電氣元件、管路、閥體均采用相應（yīng）的防爆（bào）、防靜（jìng）電、阻（zǔ）燃、防水、防鹽霧材料。例如，燃料電池汽車的氫檢測傳感器均選用防爆型，而不（bú）用觸點式傳感（gǎn）器，因（yīn）為觸點式傳（chuán）感器（qì）在氫氣含量達（dá）到設定值時通過觸點的動作輸出信號，容易產（chǎn）生觸點火（huǒ）花而引發事故；為了防止繼電器觸點動作時產生電弧放電而點燃氫氣，氫安全處理係統中所用的繼電器選用防爆固態繼電器；元器件的防水（shuǐ）防塵等級為IP67，以後將逐步提（tí）高（gāo）；線（xiàn）束材料的阻燃級別：垂直燃燒V0和水平燃（rán）燒ＨＢ級，均為最高等級要求。氫係統的防（fáng）護措施，主要是對（duì）高壓儲氫瓶及氫氣管路進行（háng）安（ān）全設（shè）計，安裝各種安全設（shè）施。如2-1車載氫（qīng）係統（tǒng）功能框圖所示，燃料電池汽車的氫係統安（ān）全防護體係是由排空管、安全閥、手動（dòng）截止閥、單向閥、泄壓（yā）球（qiú）閥、碰（pèng）撞傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、電磁閥、碰撞傳感器等（děng）構成，並在監控（kòng）係統（tǒng）中（zhōng）設（shè）定相應的防護（hù）值，一旦發生異（yì）常狀況，則通過氫係統控製器將（jiāng）各種監控信息（xī）傳遞給（gěi）各種安全設（shè）施（shī），及時斷開或關（guān）閉，使（shǐ）燃（rán）料電池汽車處於安全狀態。▲圖2-1車載氫（qīng）係統功能框圖
（1）氣瓶安全閥：當儲氫瓶氫氣壓力超（chāo）過設定（dìng）值後能自動泄壓。例如在瓶體（tǐ）溫度由於某種原因（yīn）突然升高造成瓶內氣體壓（yā）力升高，當壓力超過安全閥設定值時，安全閥自動泄壓，保證氣瓶（píng）在安全的工作壓（yā）力範（fàn）圍（wéi）之內。（2）溫度傳感器：通過氣體溫度的變化判斷外界是否有異常情況發生。如果氣體溫度突然急劇上升時，若非（fēi）溫度傳感器故障，則在氣瓶（píng）周圍可能有火警發生，可通過氫係統控製器立（lì）即報警。（3）氣瓶電磁閥：氣瓶電磁（cí）閥為12V直流電源驅動，無電源時處於常閉狀態，主要起開關氣瓶的（de）作用，與氫氣泄漏報警係統聯動。當係統正常通電工作時，電（diàn）池閥處於開啟狀態，一（yī）旦泄漏氫氣濃度達到保護值則自動關閉，從而達到切斷氫源的目的。（4）手動截止閥：通常處於常開狀態，當氣瓶電磁閥（fá）失效時可以手（shǒu）動切斷氫（qīng）源。電磁（cí）閥和手動截止閥聯合作用，可有效地避免了氫氣泄漏。（5）壓力傳感器：用於判斷氣瓶中剩餘氫氣量，保證車輛（liàng）的正常（cháng）行駛。當壓力低於某值時可（kě）以提示駕駛員（yuán）加注氫氣。（6）加氣口（kǒu）：在加注時與（yǔ）加氫機的加氣槍（qiāng）相連，具有單（dān）向閥的功能。（7）單向閥：在加氣口損壞時，阻止氣體向外（wài）泄漏。（8）管路電磁閥：在（zài）給氫氣瓶充氣時，可有效防止（zhǐ）氣體進入燃料電池。（9）減壓閥：將氫氣的壓力調節到燃料電池所需要的壓力。當出現異常情況，可以與（yǔ）針（zhēn）閥、安全（quán）閥聯動將氫氣瓶中的殘餘（yú）氫氣安全放空。（10）熱熔栓（shuān）：設置在高壓氫瓶內，可（kě）防止周邊著火導致氫瓶發生爆炸。一旦溫度傳感器檢測到儲氫瓶周邊溫（wēn）度過高（gāo），則氫瓶內的熱熔栓將（jiāng）熔化，使氫氣低流速釋放，如果周邊有火（huǒ）源，隻出現（xiàn）氫氣緩慢燃燒而避免爆（bào）燃情（qíng）況發生（shēng）。車載氫係統安全監控主要是對（duì）儲氫瓶係統、乘（chéng）客艙（cāng）、燃料電池發動（dòng）機係統以及尾氣排放處的氫氣泄露、係統壓力、係統溫度、電氣元件及其（qí）他器（qì）件進行實時監控，確保燃料電池在加（jiā）氫、用氫過程中的安全。氫氣（qì）安全（quán）監（jiān）控係統主要（yào）包括氫係統（tǒng）控製器、氫氣泄（xiè）漏傳（chuán）感器、溫（wēn）度傳感器和壓力傳感器（qì）等元器（qì）件。氫係統控製器在工（gōng）作過（guò）程中，氫係統控製器監控氫瓶及氫（qīng）管路安（ān）全、氫氣泄漏狀（zhuàng）態及整車運行狀態，隻要出現異常，隨時主動（dòng）關閉供氫係統（tǒng），保證燃料電池（chí）車輛安全。在儲氫瓶口（kǒu）、乘客艙（cāng）及燃料電池發動機係統易於聚集和泄漏處均放置多個氫（qīng）氣泄露傳（chuán）感器，實時監測車內的氫含（hán）量，一旦發生氫泄漏立即采（cǎi）取響應處置，確保乘客安全。而且當（dāng）有任何一個傳感器檢（jiǎn）測到的氫體積（jī）分（fèn）數超過氫爆炸下限(空氣中的氫體積含量為4％)的10％、25％和50％時，監控器會分別發出I級、II級、11I級聲光報警信號（hào）。具體控製措施，如表2-1所示。
車載氫係統加氫時，當氫係統控（kòng）製器檢測到氫（qīng）瓶內壓力超過設定的加（jiā）注壓（yā）力或低於設定的低壓值時，立即向（xiàng）整車管路係統和加氫機發送停止加氫及氫瓶壓力過高（gāo）或過低（dī）的報警信息。另外，加氫（qīng）槍安裝了溫度傳感器及壓力傳感器（qì），同時還具（jù）有過電壓保（bǎo）護、環境溫度補償、軟管拉斷裂保護及優先順序加氣控製係統（tǒng）等功能。當氫係統控製器檢測到氣瓶的溫度超過或低於設（shè）定溫度時，立即關閉電磁閥，並將（jiāng）氫瓶（píng）內溫（wēn）度過高或過（guò）低的報警信息發（fā）送給整車管路係統和（hé）加（jiā）氫機請求結束正常（cháng）工作，同時信息提示故障氣瓶編號（hào），通過聲光報警方式通知（zhī）司機，立即采取相應措（cuò）施。當車載氫係統供氫時，氫係統控製（zhì）器檢測低壓（yā）壓力超過或低於設定值時，立即關斷電磁閥，並將管路超壓或管路低壓的報警信息（xī）發送（sòng）給整車管（guǎn）理係統請求結（jié）束正常工作，同時聲（shēng）光報警提示司（sī）機采取必要（yào）措施。氫係統控製器到電氣元（yuán）件發生短路時，立即關閉氫係統（tǒng）所有電磁（cí）閥並使（shǐ）氫係統斷電，同時通過聲光報警提示司機氫係統短（duǎn）路，采取（qǔ）相應的安（ān）全措施。燃料電池汽車的碰撞安全主要包括儲（chǔ）氫係統、氫氣管路、燃料（liào）電池堆（duī）、各類閥門、連接頭（tóu）等關鍵部件在發生碰撞時不能（néng）遭受破壞。目前（qián），對燃料電池氫安全的碰（pèng）撞防護設計除了關鍵零部件具有防撞能力外，主要通過位置布（bù）置、固定裝置保護和慣性開關監控碰撞並與整車監控係統（tǒng）聯動，自動斷（duàn）電、自動關閉閥門等措施（shī）來避免災難的發生。例如，燃料電池混合動力客車的（de）高壓儲（chǔ）氫瓶一般放在車輛前置頂部，燃料電池模（mó）塊放在客車後置頂（dǐng）部，動力電（diàn）池放（fàng）置於地板下方。前置的儲氫瓶，通過車頂部的管路與（yǔ）車輛後（hòu）部的燃料電池係統（tǒng）連接，在發生泄露時，氫氣可以迅速排放到（dào）大氣中去。燃料電池模塊（kuài）對車身結構基本無（wú）影（yǐng）響，而動力電池放置在地板下方，則兼顧了車身重心低穩定性好，如圖2-2所示。①氫係統；②空調係統；③燃料電池發動機係統；④空氣過濾器；▲圖2-2燃料電池客車氫係（xì）統（tǒng）布置示意圖
高壓儲氫瓶組是燃料（liào）電（diàn）池供氫係統中的儲能部件（jiàn），也是安全隱患的根源所在。目前，通過用（yòng）足（zú）夠強（qiáng）度（dù）的專用（yòng）儲氫係統固定支架將氫（qīng）瓶組、氫瓶閥及高壓管路集成在一起，並用鋼帶支撐，以保證在碰撞（zhuàng）過程中，高（gāo）壓氫瓶的動（dòng）態位移（yí）不會太大，從而避免造成連接管路的斷裂（liè）和變（biàn）形導致氫氣大量泄漏。何雍等(2011)對燃料電池實車進行了帶壓前碰和零壓後碰試驗，馬春生等（2014）對燃料電池大客車側翻狀態下氫係（xì）統和燃料電池的加速度和動態位移情況進（jìn）行了仿真研究（jiū）。結果表明，燃料電（diàn）池和（hé）氫氣瓶能達到預期（qī）所規範的要求。另外，由於碰撞過程極為（wéi）複雜，即使零部件已經設計的非常（cháng）牢固，也有可能造成某處零（líng）部件的損壞，並最終導致氫氣泄漏，所以，為了預防此（cǐ）狀況的發生，在整車上進行了（le）慣性開關的冗餘設計，至少設（shè）置2個且在車身的不同部位。當發生碰撞時慣性開關被激活，將碰撞信號傳送至氫係統控製器，氫係統（tǒng）控製器立即發出指令關閉儲氫瓶閥門，斷開氫氣供應，將氫氣的泄漏（lòu）量降低至最低。慣性（xìng）開關的冗餘設計不但確保各種碰撞工況都能（néng）夠（gòu）被檢測到，而且也可避（bì）免因某個慣性開關發生故障而檢（jiǎn）測不到碰撞情況的（de）發生。燃料電（diàn）池汽車的安全是燃料電池汽車產業發展（zhǎn）的（de）基礎，目前各（gè）企業在燃料電池汽（qì）車上采取（qǔ）的（de）安全措施，經過多年的實際示範運營證明是可靠的。隨（suí）著燃料電池成本下降和性能不（bú）斷提高，燃料電池汽車已經基本達到和（hé）傳統汽車相媲美的水平，燃料電池汽車商業化、規模化
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