氢燃料电池汽车产业火灾风险分析及处置战法研究

刘拯浩 朱亮

摘要：目前，氢燃料电池汽车产业迅速发展，新的安全风险也相伴而生，对消防救援队伍灭火处置工作而言，可借鉴的火灾事故案例极少，且消防救援人员对此类火灾风险点的了解较少。通过分析氢燃料电池汽车产业的主要火灾风险点及各车型特有风险点，制定了对应风险点的处置战法及流程，以期为消防救援人员处置此类火灾事故提供参考。

关键词：氢燃料电池；安全风险点；处置流程；灭火救援

1 氢燃料电池汽车介绍

氢燃料电池汽车的最大特点是其能量转换效率可高达60%～70%。由于燃料电池的化学反应过程本质上可以看作是电解水的逆反应，在反应的过程中不会产生有害物质，所以它是一种较为理想的环保型汽车。

1.1  氢燃料电池汽车的识别

目前的氢燃料电池汽车类别按其用途可分为乘用车、客运车、货运车等类型。燃料电池汽车在车辆整体造型与传统燃油车差别不大，其辨识主要通过车牌和车辆外部标识进行区分。

车辆号牌识别，新能源汽车号牌分为小型新能源汽车号牌和大型新能源汽车号牌，分别为渐变绿色和黄绿双拼色。在车辆号牌无损坏的情况下，可通过国家电动汽车号牌的规则来识别车辆是否为燃料电池汽车。

车辆外观标识识别，可通过观察车身，尤其是检查车尾部和车身侧面是否有氢燃料汽车标识，如氢燃料汽车的英文缩写“FCEV”和“氢燃料汽车”字样等，来确定是否为燃料电池汽车。

1.2  氢燃料电池汽车的工作原理

氢燃料电池汽车主要是以氢燃料电池为动力系统的汽车，一般由燃料电池反应堆、高压储氢罐、蓄电装置、电机、电控系统等组成[1]，通过高压储氢罐与空气压缩机提供氢气和氧气来源，进入燃料电池反应系统进行化学反应产生电流，将产生的电流经变频器升压转变后流入汽车驱动电机，从而使汽车运行。当汽车制动或减速时，由于汽车需要的电能有限，多余的电能会通过燃料电池进入汽车的蓄电系统，达到电能的储存回收，从而为汽车提供辅助动力。

1.3  氢燃料电池汽车的主要结构组成

相比于锂离子电池汽车的动力电池驱动系统及电机、电控系统，氢燃料电池汽车在由氢燃料电池系统和高压储氢系统提供动力的同时[2]，也兼具了锂离子电池汽车的动力电池系统，作为辅助及备用动力[3]。

1.3.1  氢燃料电池系统

氢燃料电池系统作为该类型汽车的动力源，更像是一个发电装置，理论上如果能源源不断地提供氢气，汽车的动力就会一直存在。其工作原理为将氢气送到氢能源汽车的动力系统燃料电池系统的阳极板表面，经过催化剂的催化作用，使得氢分解成氢离子和电子，氢离子（质子H+）通过质子交换膜（PEM）[4]，到达燃料电池阴极板（正极），而电子不能直接穿过质子交换膜[5]，电子只能通过外部电路而到达燃料电池阴极板，从而产生电流[1，6]。电子到达燃料电池阴极板后，与氧气和氢离子反应结合生成水[5]。

1.3.2  高压储氢系统

现有的储氢方式有金属氢化物储氢、高压气态储氢、低温液态储氢三种。其中，高压气态储氢由于其经济性好且技术简易、成熟，成为目前最常见的储氢方式。国内的车载储氢基本为气态储氢，通常情况下在20～35MPa之间，且最大均不超过35MPa[7]，为金属纤维缠绕储氢瓶（Ⅲ型），由高压储氢气瓶、紧急排空口、减压阀、电磁阀、手动排空阀组成，储氢质量密度在3%wt左右。

1.3.3  蓄电系统

在汽车起步的工况下，完全由车载蓄电系统作为辅助动力源提供动力；当氢燃料汽车在上坡、提速等工况工作时，蓄电系统可以作为辅助动力投入使用；并且在氢燃料电池动力系统能够满足汽车动力需求时，及时回收氢燃料电池系统产生的多余能量并进行存储。目前，车载蓄电系统主要以使用锂离子电池为主，氢能源汽车车载电池结构与纯电动汽车锂电池结构相同。

2 氢燃料电池汽车安全风险点

2.1  主要风险点

氢燃料电池汽车具有双风险，既具有与纯电乘用车类似的带电设备的风险，也有因使用氢气产生的高压、易燃易爆特殊风险。

带电设备的风险。高压电击、电池系统燃烧产生的烟毒、高压电路及设备进水和破拆、多种物质叠加燃烧等风险。

高压气瓶的风险。压缩氢气瓶压力有35MPa和70MPa两种，在超压情况下，若气瓶受到火焰烘烤和紧急泄放装置和罐体发生故障，会导致罐内超压，会发生气瓶瓶头高速旋转崩出或者高压气瓶爆裂解体的风险；气瓶瓶头阀高速旋转崩出时，危害角度范围大，可能波及瓶头阀向外120°的扇形区域，波及范围广、危害距离远。

氫气泄漏的风险。在交通事故等发生碰撞时，有从高压氢罐和氢气管路中泄漏氢，导致起火、爆炸的危险性，氢气爆炸极限范围为4%至75%且点火能量极低。

喷射火焰的风险。高压氢罐和供氢管线从外部受热到一定温度以上时，会导致安全阀会启动或管线爆裂，高压的气体被放出，易产生喷射火，火焰距离长、温度高，且氢气在白天燃烧时，其火焰的可见长度仅为30%，具有高温灼伤的风险。

相互影响的风险。常见氢燃料电池车辆高压氢气瓶和动力电池往往集中布置，发生火灾时易相互影响，导致灾情进一步扩大。

特殊环境的风险。氢气在地下停车场、 地下车库、高速公路隧道、客运船等封闭/密闭区域内释放时，会取代大气中的氧气，会造成被困人员因缺氧而导致窒息的风险。同时，在封闭/密闭区域内，氢气泄漏现场灾情转化成爆炸、火灾的风险较高。

2.2  不同车型安全风险特点

2.2.1  氢燃料电池客运车

以某氢能源汽车公司生产的氢燃料电池客运车为例，以下部件需要重点关注：

客运车氢燃料电池系统。一般采用尾置式的布置方式，也有采取顶置式布置的车型，但目前国内较为少见，存在高压电击的风险。

车载氢系统。由于车型不同，车载高压氢气瓶的所在位置也存在差异，通常有顶置式、底置式、后置式等。因此，在灭火救援时，易出现对其储氢罐的位置误判导致进攻路线错误，从而被喷射火焰灼伤的风险。

高压驱动电机。主要有分布式驱动和集中驱动两种典型的方式。

其他高压部件。车辆转向机、空压机、冷却水泵、交直流转化器、燃料电池升压转化器、橙色高压线缆等高压部件根据车辆机构不同一般位于车辆尾部、底盘两侧和车头位置，主要存在触电、多种物质叠的燃烧风险。

2.2.2  氢燃料电池乘用车

氢燃料电池乘用车具备与客运车相同的风险。除此之外，氢燃料电池乘用车高压氢储罐一般位于车辆底部，同辅助电池集中布置，发生火灾事故后相互影响的风险更大，处置难度更高；受车身结构影响，氢燃料电池乘用车动力电池包的安装位置、充电电路及控制系统比客运车和货运车更复杂，处置难度更大。

2.2.3  氢燃料电池货运车

氢燃料电池货运车的系统设备布置相对集中，几乎全部在牵引车头部位，一旦发生事故极易产生连环爆炸现象。例如，多合一控制器、高压配电盒、空调压缩机、加热设备等高压部件大都集成在驾驶室下部区域且集中布置，使得驾乘人员的风险增加。这些部位坚决不得盲目打水和破拆。同时，刹车片在大型火灾中容易发热起火，刹车片起火会引燃轮胎，轮胎一旦着火容易直接炙烤电池包，加速热失控风险。

3 事故处置战法及流程

3.1  基本灾情

氢燃料电池客运车发生追尾、撞击、碰擦、坠落等道路交通事故引发火灾，现以动力电池包破损着火、高压氢气瓶泄漏着火，并且车内有人员被困为例。

3.2  力量编成

按照首战四车模式，不低于表1力量编成。

3.3  处置战法

封闭道路，以事故车辆为中心划定120m处置区，上风或侧上风方向站位，第一时间选择合适路径抵近事故车辆通过车门、窗、应急天窗等疏散救助被困人员；待动力电池全部过火、无高压且高压氢气瓶燃烧结束时，在距离事故车辆25m处设置灭火阵地，利用灭火机器人或移动炮、自摆炮进行灭火冷却稀释。所有路径及阵地选择注意避开高压氢气瓶瓶头阀、泄放管朝向120°区域范围和氢气燃烧火焰朝向范围。

3.4  处置流程

侦察研判。现场主要侦察高压氢气瓶的类型、压力、容量、位置及瓶头朝向；动力电池种类、电压、容量和位置；检查燃料电池堆、氢气管线、高压带电设备及高压线束走向、氢气泄漏位置；被困人员数量、位置等情况。

疏散救人。坚持救人第一，优先疏散救助被困人员，贯彻电动汽车“非必要不破拆、破拆必先评估”的原则，优先考虑以门窗为主突破面，利用车辆自身的门窗、应急门、应急窗、逃生窗，快速实施人员疏散，人员大量被困可考虑破拆车辆中部立柱（避开高压电缆线束）加大人员救助速度，其他部位不得任意破拆。

灭火冷却。在人员疏散完毕后，研判灭火时机，同时具备以下两个条件：一是确认动力电池包全部过火或车辆整体全部过火时，高压电池包模组串并聯熔断器已断开，单个模组电压在安全值，不存在高压电击风险。二是高压氢气瓶泄漏燃烧完毕。在距离事故车辆25m外适当位置设置水炮阵地对动力电池进行灭火冷却，控制动力电池包的火势向周边蔓延，待明火熄灭后可对动力电池系统进行冷却降温，并做好监护防止复燃。

降温保护。对高压氢气瓶组进行降温保护，防止未泄露的高压氢气瓶受火焰烘烤温度、压力增高导致氢气瓶安全阀动作，从而形成氢气喷射火。

4 结束语

随着产业发展速度的逐渐加快，氢能源汽车的数量及类型也会不断增加。同时，值得注意的是，目前大部分城市投入生产及使用的氢能源汽车因为还没有国标、行标，只有企标，不同企业、不同批次、不同品牌，有不同的结构布置和安全等级，所以处置时要高度警惕，不能完全照搬照抄，消防救援人员在未来工作中还需要结合更多新的氢能源车型及实际案例，将相应的处置战法及流程加以完善和细化。

参考文献

[1]张志新，王春鹏，郑水英，等.燃料电池汽车高压供氢组合阀研究综述[J].装备制造技术，2019（11）：1-6.

[2]孙振东，刘桂彬，李希浩，等.基于氢燃料电池汽车碰撞安全性的研究[J].北京汽车，2009（2）：27-30.

[3]舒红，郑军，胡明辉，等.基于模型预测控制的混合动力汽车下坡再生制动策略[J].汽车工程，2013，35（9）：775-780.

[4]李鹏程.质子交换膜燃料电池系统仿真与控制[D].淄博：山东理工大学，2021.

[5]余阿东.汽车节能环保新技术研究[J].汽车实用技术，2016（12）：1-2.

[6]蒋伟.“超越”系列燃料电池轿车电动空调系统研制[D].淮南：安徽理工大学，2008.

[7]吴兵，陈沛，冷宏祥，等.车载供氢系统[J].上海汽车，2007（9）：9-11.