燃料电池汽车氢电安全法规标准的研究

2018-12-06杨沄芃王金伟张龙海

客车技术与研究 2018年4期

郭婷，杨沄芃，王金伟，樊彬，王芳，张龙海

(1．中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300;2．郑州宇通客车股份有限公司，郑州 450061)

氢燃料电池汽车被认为是新能源汽车的终极方案，以其清洁、环保的特点受到各国政府的大力支持。我国在2020年新能源汽车规划中，也将燃料电池汽车作为未来的重要发展路线。由于氢气易燃易爆的特性以及氢气的高压储存，对燃料电池汽车的安全性要求应该更加严格。

1 国外对燃料电池汽车安全法规的要求

美国、日本、韩国等国家和欧洲地区一直在燃料电池技术及燃料电池汽车方面领跑，先后制定了多个安全性法规或标准。如美国DOE［1］通过燃料电池技术的项目来大力推广燃料电池，欧洲也于2011年制定了燃料电池发展计划［2］。研究学者们发现，发展燃料电池产业必须将氢能的安全性放在首要位置。

1)美国SAE制定了SAE J2578《燃料电池汽车安全的推荐性做法》［3］，对燃料电池汽车的安全性进行了相关的测试要求，其中包括对车辆的一般性要求、燃料系统的安全、燃料电池系统的安全、电力系统的安全、机械安全等都有相应的强制性的法规要求。同时也增加了对故障防护系统的要求，在燃料电池汽车发生可能导致危险情况时，应能够执行阶段性的安全警告或者关闭燃料系统的能力。

2)国际标准化组织ISO发表了ISO 23273－2013《燃料电池道路车辆－安全性规范－带压缩氢燃料汽车用氢危险防护措施》［4］，对燃料电池汽车的安全要求部分参考了 SAE J2578［3］和 GTR 13［5］中的法规要求。该国际法规要求车辆在设计时，应该考虑到环境变化和运行条件不同对燃料电池汽车安全性的影响。特别是对燃料系统提出了更为详细的设计和性能的要求，包括一般性的设计要求，各个部件的要求(燃料容器、过压保护、氢关闭系统)，位置与安装的要求及放电要求等。

3)全球技术法规 GTR 13［5］是目前各国公认的比较权威的燃料电池汽车的安全性法规要求，中国、日本、韩国也在大力支持各国的标准法规进行国际化标准的转化。在GTR 13的标准中增加了对压缩储氢系统的要求，包括型式试验和顺序试验。由于在欧洲等地区允许使用液态储氢系统并经过大量的验证研究，所以该标准是针对液态储氢系统的测试要求。

4)欧盟对氢燃料电池汽车的安全要求实行欧盟委员会法规(EU)No 06/2010［6］、欧洲议会和理事会法规(EC)No 79/2009［7］，其大部分内容是参考 GTR 13［5］，主要包括对气瓶、关键阀件、车载氢系统等测试的要求，同时针对一些阀件也提出了具体的测试要求，例如截止阀、自动关闭阀、温度驱动压力泄放装置等。

2 我国燃料电池汽车的安全测评项目及相关建议

2.1 安全测评项目

我国燃料电池汽车标准化的工作经过多年努力，已经制定了20多项国家标准，基本形成了整个燃料电池汽车的安全体系。其中，燃料电池汽车需要进行《道路机动车辆生产企业及产品公告》和中国强制性产品认证(CCC认证)的标准包括 GB/T 24549－2009［8］、GB/T 24554－2009［9］、GB/T 26779－2011［10］、GB/T 26990－2011［11］、GB/T 29126－2012［12］。

目前，我国采用的关于燃料电池汽车的安全法规GB/T 24549－2009［8］的主要的测试项目如下:

1)一般要求。除满足传统汽车、电动汽车的国家相关法规、标准要求外，还要求在外部应标有明显的标识燃料电池车辆类型的警示标识。

2)对压缩氢气储存系统的要求。要求储氢容器内应该装有温度的传感器，显示罐内气体温度。同时要求安装过压和低压的保护装置，能够及时显示内部压力，及时进行安全报警并及时切断燃料的输出。当系统发生氢气泄漏时，要求燃料系统应能及时关闭氢气总开关。

3)加氢口的要求。汽车的燃料系统通过加氢口进行燃料的加注，要求在燃料的加注口应有能够防尘防土、防止液体和污染物等进入的防尘盖。防尘盖旁边要注明燃料加注口的最大加注压力，并有消除静电的措施。由于加氢口在加注时可能会受到车体意外拉伸的原因，所以要求燃料加注口能够承受来自任意方向的670 N的载荷，且气密性完好。

4)排气装置。当发生故障或意外事故时，燃料系统需要通风放气。气体流动的方位、方向应远离人、电源、火源。放气装置要求应尽可能安装在汽车的高处，且应防止排出的氢气对人员造成危害，避免流向暴露的电气端子、电气开关器件或点火源等部件。要求所有压力释放装置排气时，不应直接排到乘客舱和行李舱，不应排向车轮所在的空间，不应排向露出的电气端子、电气开关器件及其他点火源，不应排向其他氢气容器。要求连接管道的材料都应该是熔点较高的金属材料。

5)氢气泄漏的检测与要求。由于氢气具有易挥发性和较低的爆炸下限，要求汽车应有与氢气浓度探测器联动的安全措施。当泄漏发生时，探测器应能及时探测到，氢气积聚浓度达到50%LEL之前，就能够利用声响报警装置或者紧急显示等方法，提示驾驶员或者汽车使用者注意;氢气积聚浓度达到75%LEL时，要求能够自动切断氢气源和电源。

6)电安全。现阶段燃料电池汽车的安全标准对汽车动力电路的电压级别、标识、触电防护、绝缘性等提出了具体要求。在触电防护要求中提出了防止与动力电路系统中带电部件直接接触，防止与动力系统中外漏可导电部件的间接接触的规定。燃料电池电动汽车的每个电路和电平台及其他电路之间应保持绝缘。

2.2 相关建议

针对燃料电池汽车的安全要求，目前相关标准正在积极修订中。修订时，必须对其安全性提出更高的要求，应积极吸取国内外法规标准的优点，进行国际化法规的转化。根据各国标准的分析对比，以及燃料电池汽车本身的发展趋势，在未来的标准修订中提出以下几点建议:

1)氢传感器安全检测。在氢泄漏的要求中，增加对氢气传感器的灵敏度测试，因为在整个对氢安全的检测中，对汽车本身的故障检测也是十分必要的，并且在GTR 13［5］的标准中也有相关的技术要求进行参考。

2)整车氢泄漏。各个国家对氢气泄漏探测的标准要求并不相同，在新修订的标准中应将这一要求进行国际化统一。如果在汽车运行的过程中，某单点泄漏导致封闭空间或半封闭空间内氢气的体积浓度大于2%±1%，应该发出警报，浓度大于3%±1%，则应关闭主截止阀停止氢气供应。在系统检测到氢气泄漏时，当浓度大于2%时，报警为黄色，浓度大于3%时，报警为红色。

从我国现阶段来看，以客车和货车为主的燃料电池商用车是不需要进行整车的泄漏检测与防护的，但如果在大型的公交公司和厂区，可能会将燃料电池汽车放在密闭的空间内，这样会发生氢气泄漏聚集等情况，影响安全性。提高对整车的氢泄漏的要求是提高燃料电池安全性的重要手段。其测试方法应该与燃料电池标准乘用车氢气泄漏量的检测方法相同:对一辆标准商用车进行氢气泄漏、泄漏量评估时，需要将其限制在一个密闭的空间内，增压至100%的标称工作压力，确保氢气的渗透和泄漏量在稳态条件下不超过0.15 NL/min。在密闭空间上方适当的位置，至少安装一个氢泄漏探测器，能实时检测氢气的泄漏量。

3)在线绝缘监测。增加对燃料电池汽车在线绝缘检测。燃料电池本身是发电系统，内部储存高压和大量的电能，而由于燃料电池汽车结构的复杂性，一旦绝缘不好，就会发生人员触电等意外，而现阶段的绝缘监测仅仅针对车辆不工作时的检测。为了加强电安全的防护，建议增加对燃料电池动力系统的在线绝缘检测，提高安全性。在新修订的GB/T 24549中应参考电动汽车的安全要求，引用标准 GB/T 18384.3《电动汽车安全要求第三部分:人员触电防护》［13］进行电安全的检测与要求。