燃料电池汽车安全系统分析 ①

夏玉珍，胡祎玮，王杰董，温小豪，胡桂林

(浙江科技学院机械与能源工程学院，浙江 杭州 310000)

1 引言

随着人类社会工业化进程的不断推进，环境问题日渐凸显，传统内燃机汽车以汽油作为燃料，排放的尾气己成为主要的大气污染源[1-2]。国务院发布的《中国制造2025》将新能源汽车作为将来重点研发的领域之一。而在新能源汽车中，氢燃料电池汽车(FCVs)利用质子交换膜燃料电池(PEMFC)将氢气的化学能转化为电能，由于具有无污染、效率高、零排放等优点，在国内外逐渐进入商业化[3]。1993年，加拿大Ballard电力公司展示了一辆零排放、最高时速为72 km/h、以PEMFC为动力的公交车，引发了全球性FCVs研发热潮[4]。各大汽车企业争相将燃料电池应用于汽车上，经过十几年的发展，已经基本构建了与传统汽车相差不大的FCVs平台，陆续开始规模化生产和商业化推广[5]。2019年全球FCVs销量创下历史新高，达到10 409辆，其中韩国成为FCVs的主销地区，达到4 194辆，美国和日本分别为2 089、644辆。另外，德国、瑞士、奥地利、加拿大、西班牙成为2019年氢燃料电池乘用车新增销售地区[6-7]。

梅赛德斯-奔驰公司于2017年在法兰克福车展发布型号为GLC F-Cell的FCVs，在德国几大配备了相对完善加氢站的城市提供租赁服务[8]。本田汽车公司型号为Clarity(2016)续驶里程(NEDC欧洲循环工况)达到750 km[9]。MIRAI是丰田汽车公司第五款FCVs，于2014年12月量产。根据丰田中国2019年公告，MIRAI在全球累计销量达到约10 000辆[10]。2020年12月9日，丰田公司MIRAI第二代已正式发布，续航里程和结构设计有了较大提升[11]。现代汽车公司NEXO于2018年下半年问世，并且在第二年成功赶超MIRAI的年销量，达到4 818辆[12]。现代公司还计划在2023年推出燃料电池卡车，成为推动韩国氢能运输发展的绝对主力[13]。这几款FCVs无论是市场化进程，还是在关键参数，如电池效率、最大功率、电池的耐久性，都取得了重大突破，各项性能指标如表1所示[8-18]。

表1 四种FCVs的性能比较[8-18]Table 1 Performance comparison of the four FCVs.[8-18]

FCVs的商业化进程受到关键材料的价格和加氢站普及程度等因素的影响，此外，安全性能也是影响其推广的一个重要因素[19]。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[20-21]。车载供氢系统，如图1所示，从加氢口到燃料电池发动机，储氢装置、氢气供给管路以及燃料电池堆均存在泄漏和爆炸等风险[22-23]。清华大学的冯文等[24]人将FCVs的氢安全系统分为三个方面：储氢系统安全、供氢系统安全、碰撞系统安全。

目前市场上最突出的四款FCVs：梅赛德斯-奔驰GLC F-Cell、本田的Clarity、丰田MIRAI、现代NEXO，本文从储氢系统安全、供氢系统安全、碰撞系统安全三个方面对四款典型FCVs进行详细分析，并基于文献综述综合评估它们的安全性能。

2 储氢系统安全

储氢系统包括加氢站储氢和汽车内部储氢，FCVs储氢系统安全主要从加氢系统和车载储氢两个方面讨论。在高压氢气的加注过程中，氢气瓶的温度会快速上升，因此氢气加注常采用氢气预冷、温升控制和分级优化加注策略相结合的方法[25]。但目前几款汽车都没有相关报道。

早先储氢罐的材料通常选用304不锈钢或铬钼钢，但它们重量过大，不符合FCVs轻量化的要求[26-27]。梅赛德斯-奔驰GLC F-Cell采用了挪威Hexagon的Ⅳ型储氢罐，一大一小两个储氢罐均布置在车辆底板和车桥之间的碰撞保护区内，并通过周围的辅助车架保护[28-29]。材料采用碳纤维外壳，储氢量达到4.4 kg，储氢压力采用全球标准的70 MPa，仅在3 min内就能充满所需的氢燃料[30]。本田Clarity采用一大一小两个铝合金内衬的Type 3型的储氢罐，符合国际技术标准GTR No.13[31]。和丰田旧款FCVs相比，MIRAI将高压储氢罐的数量从四个缩减到两个，并减小体积以置于后排座椅下方。如图2所示，储氢罐由三层混合材料结构组成，最内层材料是塑料内胆，用于密封空气，中层是具有高抗压性的碳纤维增强塑料(CFRP)，外层是具有高抗冲击性的玻璃纤维增强塑料(GFRP)，以及两端耐摔耐火的环形保护层。通过改进CFRP层并减少材料用量，储氢罐的重量大幅下降[32]。现代公司拥有自主研发的储氢罐技术，NEXO拥有三个大小相同的储氢罐，使用了一种具有优异抗渗性的新材料，该材料采用碳纤维制造，表面覆盖能长时间承受火焰的特殊涂层[33-34]。

图1 FCVs车载供氢系统示意图[22]Fig.1 Diagram of FCVs on-board hydrogen supply system.[22]

高效、经济、安全的储氢系统是FCVs的关键技术之一，四款FCVs都为储氢系统安全性提供了较为成熟的方案。改善并进一步提高现有的技术指标与探索新的储氢方法既是研发车载储氢系统的重要任务，也是今后的努力方向[35]。我国预计2025年实现单瓶6.0 kg级车载储氢能力，储氢压力达70 Mpa标准，质量储氢率达5.5%，体积储氢密度大于40 g/L，系统成本控制在2 000 元/kg。到2030年，质量储氢率达到7.5%，体积储氢密度大于70 g/L，系统成本控制在1 800 元/kg[36]。

图2 MIRAI高压储氢罐结构示意图[32]Fig.2 Schematic diagram of MIRAI high pressure hydrogen storage tank.[32]

3 供氢系统安全

供氢系统包括高压储氢罐、减压阀、压力调节阀、循环装置(循环泵或引射器)、稳压罐、传感器、各种电磁阀及管路等[37-38]。梅赛德斯-奔驰GLC F-Cell中碰撞传感器会监测是否发生严重事故，并在几毫秒内关闭氢气瓶上的罐阀和主氢气阀，使氢气瓶压力在平均压力范围内从最高70 Mpa降至1～1.2 Mpa。在燃料电池组的入口，另一个压力调节阀将氢侧燃料电池组的压力降低到0.1～0.3 Mpa。保证即使发生严重的事故，氢管线和燃料电池堆也不会发生泄漏[31]。

本田Clarity将包括截止阀、调节器、压力传感器和其他组件重新设计和压缩，作为内置模块使用，使得高压供氢系统中零件使用数量减少了74%，大大降低了氢气泄露的风险，同时各个位置的氢气传感器会及时监测氢气浓度，关闭截止阀，切断氢气源[39]。

为防止供氢管道出现氢脆，MIRAI供氢系统中与氢接触的的高压部件的主体使用了铝合金。通过对铝制主体表面进行明矾处理，以确保稳定的滑动特性并减少磨损。为避免高压传感器膜片上的氢渗透影响到传感器的精度，MIRAI将经过特殊表面处理的薄膜添加到膜片的内表面。经检测，膜片中形成的氢固溶体的量减少了90%，即使在高压氢气环境下长期使用，也不会对传感器精度产生不利影响[40]。

现代NEXO供氢系统中，氢气进堆压力为0.1～0.2 Mpa，氢气循环方式变成了引射器模式，以取代Tucson FCVs上的“循环泵+引射器”方法，结构更为简单，供氢更加可靠[41]。该供氢系统中还设计有快速排气系统，在发生碰撞事故时，车内传感器会开启排氢阀门，并将内部的高压氢气排空。此外，NEXO还安装了许多保险装置，保障整个系统的安全[42]。

图3 梅赛德斯-奔驰GLC F-CELL储氢瓶和进氢组件[45]Fig.3 Mercedes-benz GLC F-Cell hydrogen storage tank and hydrogen feeding assembly.[45]

4 碰撞系统安全

FCVs的碰撞安全主要包括储氢系统、氢气管路、电堆等部件在发生碰撞时避免发生泄漏[43-44]。从节约空间和安全性考虑，梅赛德斯-奔驰戴姆勒公司要求储氢容器必须安装在与车辆中心线垂直的车辆平面后方，并与车辆后方边界有规定的距离，GLC F-Cell的驱动组件和氢气罐放置在后排座位下方，如图3所示[45]。在梅赛德斯-奔驰公司的GLC F-Cell碰撞安全测试中，用一辆货运半挂车分别从侧面和正面撞击车身以评估其碰撞安全性。该测试可以在汽车尚未检测到碰撞因而未关闭HV(High-voltage)或H2系统的情况下检测氢气和HV组件的安全性。碰撞传感器激活燃料电池上的烟火短路装置，将燃料电池与车辆隔离，同时断开牵引电池的接触器将其与车载电气系统隔离。除了碰撞时的安全性，这款FCVs还接受了系统级别的附加组件测试，安全系数超过常规测试范围[31]。

Clarity车型将燃料电池堆放在车前盖的位置，电池堆上设置盖板，与车前盖啮合，抗击性能提高了四倍，使得电堆在对抗冲击的时候不至于造成氢泄露的问题[46]。如图4，测试中采用“前中心杆”碰撞来检测燃料电池堆的安全性，结果显示燃料电池堆和任何其他车辆位置均无氢气泄漏，燃料切断系统正常运行；采用“后车对车”碰撞来检测储氢罐的安全性，结果显示储氢罐并没有受到严重破坏，整车也未发生泄露，燃料切断系统正常运行[47]。

图4 Clarity前中心杆碰撞(左)后车对车碰撞(右)[47]Fig.4 Clarity front center bar collision (left) Rear car to car collision (right).[47]

2014年12月在MIRAI首次发布会上发布了丰田MIRAI的碰撞性能实验视频。试验中MIRAI以80 km/h的速度碰撞变形，但是位于其第二座椅和后备箱下面的氢气瓶基本没有损伤[48]。MIRAI二代把燃料电池堆及系统集成在发动机舱内并着重加强车辆前部的防撞设计，安全性能进一步提高。

图5 丰田MIRAI中氢气瓶的位置及碰撞后氢气瓶No.1(左)和No.2(右)的具体情况[48]Fig.5 Location and location of hydrogen bottles in Toyota MIRAI The specific situation of hydrogen bottles No.1(left) and No.2(right) after the collision.[48]

欧盟新车安全鉴定协会(ENCAP)曾在2018年对现代旗下的燃料电池汽车NEXO进行了碰撞测试，如图6所示，a，b为前碰撞测试，c，d为后碰撞测试。后碰撞测试中，储氢系统已发生变形和损坏的情况下，储氢罐并没有泄漏，结果显示NEXO的碰撞系统安全达到了安全五星的成绩水平[34]。2019年IIHS测试公路安全性能评级中，该款车在包括驾驶员侧小重叠正面、乘客侧小重叠正面、中等重叠正面、侧面、车顶强度和头部约束测试中获得良好评级，达到S+，获得最高安全奖[49]。

5 安全系统标准化进展

FCVs的发展离不开相关产业的标准化。目前，ISO(International Organization for Standardization)和IEC(International Electrotechnical Commission)已经建立相对完善的标准体系，覆盖系统性能、安全性、可靠性3大层面。在安全性方面，国际上已有《氢和燃料电池车辆全球技术法规》(GTR13)，其规定了FCVs的整车安全与车载储氢系统安全的技术要求与试验方法，在国际上是较为权威的FCVs安全法规[51]。

我国关于FCVs的研发起步较晚，2007年，FCVs标准制定专门项目组成立，十余年间累计发布燃料电池相关国家标准、行业标准76项，其中涉及电池反应堆34项，氢能基础设施27项，燃料电池汽车15项[52]。2019年11月18日欧盟将中国国家标准GB/T 24549-2009《燃料电池电动汽车 安全要求》列为联合国法规UN R134的五个等同替代标准法规之一[53]。这是我国汽车标准首次被采用写入欧盟汽车法规中，也是外界对我国在FCVs标准化方面所做的工作的高度认可。

在碰撞安全和储氢安全方面，国际标准GTR13要求碰撞试验后，氢泄露率不应大于118 NL/h，且乘客舱和行李舱的氢浓度不应大于4%；储氢罐平均爆破压力BP0>2NMP，且在22000次规定压力循环次数内不泄露[54]。我国在这方面尚欠缺完整的国家标准。在供氢系统方面，根据我国国家标准《燃料电池电动汽车 安全要求》(GB/T 24549-2020)，尽可能让气体检测仪接近测量部位，其氢气泄露速率应满足不高于0.005 mg/s。这与国际法规GTR13的内容基本一致，但GTR13考虑了液态储氢的情况，我国标准则没有相关记载。

图7 NEXO在ENCAP测试的结果图[50]Fig.7 Diagram of NEXO’s results from ENCAP tests.[50]

6 结论与展望

目前市场上最突出的四款FCVs：梅赛德斯-奔驰GLC F-Cell、本田的Clarity、丰田MIRAI、现代NEXO。四款FCVs设计上都非常重视氢系统安全：在储氢系统安全性上，均采用碳纤维材料为内衬设计的氢气瓶；四款车采用了高灵敏度的传感器和对应的保险装置以提高供氢系统安全，其中Clarity和NEXO通过设计优化精简了供氢系统结构，以降低了氢气泄露的风险；四款车型都通过了不同类型的碰撞测试，其中，以NEXO在2019年通过的IIHS测试公路安全性能测试级别最高，充分证明了FCVs的安全性能。

目前，我国FCVs的商业化处于起步阶段，对于其未来的发展，本文提出如下建议：

(1) 完善加氢环境。现有加氢站，制氢和储输等基础设施不足以支撑FCVs的发展，政府和行业急需加快相关方面的建设以加快FCVs的商业化进程。

(2) 加快强制性统一标准体系的建立。以上四家公司推出的FCVs皆做了严格的安全措施，但缺乏一套科学统一的安全标准对其做出评价。

(3)政府应加大宣传。目前我国民众对于FCVs的了解有所欠缺，若能加大对其的宣传和科普，会更有利于FCVs的普及。