FCV电动汽车的火灾危险性

■ 栾 荣

（上海市黄浦区消防救援支队，上海 200010）

汽车工业是国民经济的支柱性产业之一，新能源汽车是当今汽车技术发展的重要方向。随着氢燃料电池技术的不断突破、新能源汽车的不断发展，以及国家对清洁能源的日益重视，对FCV车进行了研发和投入使用，但FCV车身携带的高压氢气钢瓶属于高压容器，具有较大的火灾风险，笔者通过对FCV电动汽车结构及火灾危险性进行分析，为该类火灾调查提供一些参考。

FCV电动汽车；氢燃料电池；火灾危险性

0 引言

FCV是Fuel cell vehicles 的简称，是电动汽车的一种，其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用、而不是经过燃烧直接变成电能的，这是它的最大特点。其能量转换效率可高达60%～70%，实际使用效率则是普通内燃机的2倍左右。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，燃料电池车辆是无污染汽车，因此，从能源的利用和环境保护方面来说，燃料电池汽车是一种理想的车辆。

1 FCV电动汽车结构分析

FCV燃料电池汽车是一种用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车，与通常的电动汽车比较, 其动力方面的不同在于FCV 用的电力来自车载燃料电池装置, 电动汽车所用的电力来自由电网充电的蓄电池。因此, FCV 的关键是燃料电池。

FCV的主要组成系统包括动力控制装置、氢燃料电池电堆、电机、高压储氢系统、二次电池等，如图1所示。从组成系统中，我们可以看出氢燃料电池汽车与天然气汽车和电动汽车有相类似的结构，同时具有自己独特的结构特点，如图2所示。其工作原理见图3。

图1 FCV主要系统组成

图2 氢燃料电池汽车结构

图3 FCV工作原理

燃料电池是FCV中的最重要的组成部分之一，其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极（负极即燃料电极、正极即氧化剂电极）以及电解质组成。不同的是，一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件，因此，燃料电池是把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。

燃料电池化学反应情况如下：

目前，我国的氢燃料电池汽车大多数是基于传统的内燃机汽车改装而成，经过大幅度的结构改动，氢燃料电池汽车的组成系统与传统汽车存在较大差异。基于氢燃料电池汽车的组成系统，相对于传统汽车来说，在前舱结构、车身底部、后舱结构的布置上有较大变化。

前舱区域：去除了传统汽车的发动机及变速箱，加入了质量和体积较大的动力控制装置以及水泵和空气过滤器，在副车架上安装了主减速器和电机以及空压机，统称为驱动模块。车身底部：去除了油箱及管路系统，安装了电堆、二次电池、氢泵、散热器、冷却水泵、加湿器等装置，统称为动力电池模块，动力电池模块的电压一般大于300 V。后舱区域：安装了氢瓶和固定支架，以及氢瓶固定钢带，统称为氢瓶模块，由于氢气密度较小，氢瓶储氢压力高达35 MPa或以上。

2 FCV电动汽车火灾危险性分析

2.1 燃料电池及氢供应系统火灾危险性

燃料电池及氢供应系统是FCV与其他车辆最主要的区别，燃料电池及氢供应系统的火灾危险性是FCV火灾危险性的主要表现形式。

燃料电池及氢供应系统的火灾危险性主要来源于氢，氢是最轻的元素，比液体燃料和其它气体燃料更容易从小孔中泄漏。如果发生泄漏，氢气就会迅速扩散。与汽油、丙烷、天然气相比，氢气具有较大的浮力（快速上升）和较强的扩散性（横向移动）。在空气中，氢的燃烧范围很宽，而且着火能很低，氢气火焰几乎是看不到的，因为在可见光范围内，燃烧的氢放出的能量很少，接近氢气火焰的人可能会不知道火焰的存在，因此增加了危险。

为了提高FCV车辆的行驶里程，FCV采用了高压储氢系统及管道，高压系统给FCV带来了额外的风险，一旦高压系统发生破裂或泄露，会造成大量、瞬间的氢气泄露，极易形成爆炸或燃烧，因此，对于高压储氢系统，国内外都进行了大量研究。

为了提高FCV储氢系统安全性，北美、日本和欧洲等燃料电池汽车发达国家和国内相关机构开展了相关的模拟与试验研究，主要包括水压爆破、火烧与枪击、跌落等。

2.1.1 水压爆破试验

该试验要求高压氢气瓶能承受2.25～3倍的工作压力，升压速率有一定的要求，和几个国际标准和草案要求基本吻合。图4是日本汽车研究所公布的35 MPa高压氢气瓶的爆破试验图片和爆破曲线。

图4 高压氢气瓶爆破试验

2.1.2 火烧、枪击试验

国外公布的火烧试验一般分为整车类火烧试验和气瓶类火烧试验，一般的火烧、枪击试验都在野外或有防护的区域内进行，只有日本汽车研究所的火烧试验可在其抗爆防火试验室内进行，其试验的一致性较好，更利于分析和研究。图5和图6为国外公布的气瓶火烧试验示意图，其中图5为压力释放装置（PRD）出气口朝上，图6为PRD出气口朝下，试验结果如图7所示，在火烧条件下，均形成了较大的火焰。

图5 PRD出气口朝上的火烧试验

图6 PRD出气口朝下的火烧试验

图7 FCV火烧试验

国外研究机构也对氢燃料汽车和传统汽油车的起火安全性进行了对比试验，结果表明，氢燃料汽车在起火时的安全问题与传统内燃机汽车区别非常大，试验结果如图8所示，火焰呈现出明显的喷射状，火焰高度高，但其横向蔓延速度较慢。

图8 FCV安全性对比

在国内，中国汽车技术研究中心同样开展了较多的火烧与枪击试验研究，火烧试验表明：火烧过程中，氢气通过压力释放装置（PRD）排放，形成喷射火焰，氢气排空时（瓶内压力低于1.0 MPa时）气瓶仍保持完整；枪击试验表明：枪击试验后气瓶正面弹孔周围出现树脂脱层现象，瓶体其他部位也出现多处树脂脱层现象，气瓶未破裂成碎片，试验结果如图9和图10所示。

图9 气瓶火烧试验

图10 气瓶枪击试验

上述研究和分析表明，燃料电池及供氢系统是FCV的主要火灾风险源，一旦发生碰撞、氢气泄露和外部火烧等情况时，极易形成火灾或扩散火灾规模，需要极其重视。

2.2 二次电池系统火灾危险性

FCV中的二次电池系统主要由锂电池系统构成，锂离子电池是一个封闭的反应体系，在其内部存在系列电化学和化学反应。除了用于储存和释放电能的正常电极反应外，还存在许多潜在的副反应。当电池处于正常温度范围和正常电压范围时，这些副反应不会发生，电池内部仅发生正常的充电和放电反应，此时电池安全。但当电池温度过高，或者充电电压过高时，这些副反应被触发，产生大量的热，并释放出有机小分子气体。由于反应剧烈，产生的热量不能有效传递到电池体外，引起电池内部温度和压力的急剧上升，而温度的上升又会极大地加速副反应的进行速度，产生更大量的热和气体产物，此时电池进入无法控制的自加温状态，即俗称的热失控状态，电池有可能发生爆炸。锂离子电池发生爆炸燃烧的过程如图11所示。

图11 锂离子蓄电池热失控示意

当然，电池是否发生爆炸与很多因素有关，如电池的荷电状态、副反应的进行速度和发生程度、热传递速度、安全阀开启的灵敏度、外界环境温度等，因此，并非所有进入到热失控状态的电池都会发生爆炸，存在一定的几率性。从爆炸发生的机理来看，与炸药爆炸有相似之处。但由于电池活性材料的含能密度，以及反应速度均远低于炸药，因此，其危害程度远不如炸药。

对于电池燃烧来说，其主要的引发原因是电解液所用溶剂具有易燃性，且闪点较低。在锂离子电池电解液中，主要溶剂组分为有机碳酸酯类。如DMC（二甲基碳酸酯）、EMC（乙基甲基碳酸酯）、DEC （二乙基碳酸酯）等，其闪点分别为17℃、23℃和33℃。另外，负极碳材料、隔膜和正极导电碳也具有可燃性。当电池处于如图2.7所述的热失控状态时，电池内部的温度和压力均很高。如果电池安全阀能够及时开启，或者电池采用非金属的软质材料为外壳时，电池往往不会发生爆炸。但因压力很大，安全阀开启或外壳破裂时，可燃性电解液蒸气和有机小分子气体以极快的速度喷出，并与壳壁发生摩擦，摩擦产生的高温足以点燃低闪点的可燃性气体组分，导致电池燃烧。因此，电池发生燃烧的几率高于电池发生爆炸的几率，但电池爆炸必定伴随着燃烧。此外，当电池开裂，并且外界环境的空气湿度较高时，空气中的水分容易与嵌有锂的碳负极发生剧烈的化学反应，并放出大量的热，也可以引起电池的燃烧。

动力电池火灾具有燃烧温度高、燃烧迅速、不同体系电池燃烧现象差异大和扑救困难等特点。以三元体系的锂离子电池为例，当发生热失控燃烧时，经红外热像仪测试，其火焰最高温度可达880℃。而常规汽油燃烧时火焰温度约为400℃左右，动力电池燃烧温度远远高于传统汽车中燃料汽油的温度，燃烧温度高；实验研究发现表明，由于热的作用，动力电池中的电解液挥发、分解，冲开安全泄压装置，挥发出的可燃性气体遇空气迅速燃烧，并导致电解液着火。燃烧过程中，从有明火出现至火焰完全熄灭，部分电池仅需数秒，燃烧非常迅速；不同体系的电池由于其正极材料的不同，其动力电池具有不同的电化学反应和电池电压和容量，因此，不同体系电池发生火灾时的表现也不尽相同。以磷酸铁锂电池和三元锂材料电池为例，磷酸铁锂电池燃烧前发烟量大，燃烧持续时间较长，三元锂材料电池发烟较少，燃烧初期火焰呈喷射状，燃烧迅速。动力电池的火灾是由一系列电化学反应引发，并且这些电化学反应迅速，燃烧时一些电池成分会分解形成氧化物，即使在没有氧气的环境中也能支持燃烧反应。根据动力电池的结构，动力电池的电芯的外部由外壳材料包裹，动力电池的燃烧反应发生在电池内部，灭火剂一般不能直接作用于电池内部。对于动力电池包而言，电池包的外壳材料阻挡了灭火剂对起火电芯的直接作用，灭火困难。

2.3 低压电系统火灾危险性

FCV中除了燃料电池及供氢系统、二次电池系统外，其车辆控制、灯光、声响等系统所需的低压电系统也是FCV中的火灾危险源之一。根据中国消防年鉴统计，我国近年来每年发生逾30 000起机动车火灾，根据火灾原因调查，电气火灾占机动车火灾的30%以上。

综上所述，FCV中的燃料电池及氢供应系统是FCV中的最主要的火灾风险源，其火灾特性与传统内燃机汽车有较大区别，因此在车辆设计、灭火与救援中应当格外关注。同时，其二次电池和低压电系统的火灾风险也不应忽视，特别是二次电池，也具有独特的燃烧特性。因此，FCV中的火灾风险较高，给FCV的灭火与救援等带来了挑战。

3 关于FCV电动汽车的建议

FCV汽车是我国新能源汽车的一个新的发展方向，不管从我国的战略规划、还是从地方的示范应用来说，氢燃料汽车会得到蓬勃发展，因此，国家以及政府部门对于FCV与加氢设施的消防安全要求也会越来越重视。建议从以下几个方面加强研究：

1）加强FCV的消防安全标准研究

进一步分析燃料电池汽车需要重点关注和采取的消防安全措施，编制燃料电池汽车消防安全规范体系，提出建筑防火、消防设施配置、消防安全管理、消防力量建设等规范化建议。

2）加快FCV的基础理论研究

系统深入开展燃料电池汽车的灾害泄漏、燃烧和爆炸模拟实验研究，量化典型灾害事故演化和救援力量作用的动力学过程，研究确定燃料电池汽车的火灾危险性。

3）推进FCV的灭火救援技战术研究

进一步分析燃料电池汽车结构和灾害事故特点，研究燃料电池汽车的火灾扑救和抢险救援技术，编制应急救援处置规程。