車用燃料電池系統(tǒng)氫安全控制綜述

黃興 丁天威 趙洪輝 都京 趙子亮

（中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司 新能源開發(fā)院，長(zhǎng)春 130011）

主題詞：新能源車 燃料電池 氫安全 控制策略

1 前言

隨著人們生活水平的提高，汽車保有量逐漸增加，同時(shí)環(huán)境問題也受到了廣泛關(guān)注，因此汽車行業(yè)也正積極推動(dòng)變革，努力推廣新能源汽車。其中，氫燃料電池汽車作為眾多新能源汽車形式中的重要分支，其通過氫和氧的反應(yīng)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能提供動(dòng)力，因其具有高效率和近零排放的優(yōu)點(diǎn)，被世界各國(guó)普遍認(rèn)為具有廣闊的發(fā)展前景[1]。燃料電池汽車的燃料是氫氣，由于氫氣本身的特性，使得燃料電池汽車氫系統(tǒng)的安全性成為人們首先關(guān)心的問題[2]，因此，為了燃料電池汽車的推廣和使用，有必要對(duì)燃料電池汽車的氫系統(tǒng)安全性進(jìn)行研究。

本文在介紹燃料電池氫系統(tǒng)構(gòu)型和氫安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，探討了燃料電池氫系統(tǒng)在各使用環(huán)節(jié)的氫安全控制策略，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了總結(jié)與展望。

2 氫特性及燃料電池氫系統(tǒng)概述

2.1 氫特性

在常溫常壓下，氫氣是一種無(wú)色無(wú)味無(wú)毒的氣體。從氫安全的角度考慮，其具有以下五大特點(diǎn)：

(1)易燃性：氫氣是一種極易燃的氣體，燃點(diǎn)只有574℃，同時(shí)氫氣和空氣混合時(shí)可燃范圍非常廣，使得氫氣很容易快速點(diǎn)燃，又由于氫氣密度低，因此氫氣燃燒后火焰上升也很快；

(2)爆炸性：氫氣爆炸極限的體積分?jǐn)?shù)在4～75%之間，相比甲烷的5～15%，其爆炸極限體積分?jǐn)?shù)的范圍很寬，為了避免爆炸，需將氫氣濃度控制在4%以下，通常的做法是使用氫濃度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在必要的時(shí)候使用風(fēng)扇排風(fēng)降低濃度；

(3)泄露性：氫在元素周期表中排在第一位，氫分子直徑小質(zhì)量輕，與其他氣體或液體燃料相比就更容易從縫隙或孔隙中泄露；

(4)擴(kuò)散性：與其他氣體或液體燃料相比，氫氣在空間上能夠以很快的速度上升，同時(shí)進(jìn)行快速的橫向移動(dòng)擴(kuò)散，因此當(dāng)氫氣泄漏時(shí)，氫氣將沿著多個(gè)方向迅速擴(kuò)散，并伴隨著氫氣濃度下降；

(5)氫脆：氫氣與金屬材料長(zhǎng)期接觸或進(jìn)行特定工藝過程時(shí)，金屬材料發(fā)生了氫滲透或者吸氫現(xiàn)象，并使材料的機(jī)械性能發(fā)生了嚴(yán)重退化，進(jìn)而發(fā)生脆斷。

2.2 車載燃料電池氫系統(tǒng)

氫系統(tǒng)是燃料電池汽車上動(dòng)力系統(tǒng)的重要組成之一，其主要功能是為燃料電池系統(tǒng)供給反應(yīng)所需的氫氣，典型的氫系統(tǒng)示意圖如圖1所示[3]。

氫系統(tǒng)的部件主要包括加氫口、氫氣過濾器、單向閥、減壓閥、電磁閥、排空口、限流閥、安全閥、針閥、溫度傳感器、壓力傳感器和氫系統(tǒng)控制器等。

圖1 燃料電池氫系統(tǒng)示意圖[3]

在氫氣安全系統(tǒng)中，氫氣使用安全分為兩類，即被動(dòng)安全系統(tǒng)和主動(dòng)安全系統(tǒng)。被動(dòng)安全系統(tǒng)包括的部件為排空口和氫瓶及氫管路上的安全閥，其部件特征為無(wú)需電氣控制的機(jī)械部件，例如當(dāng)管道內(nèi)氫氣壓力過高時(shí)，安全閥會(huì)打開，過壓的氫氣就可以通過氫管路從排空口排到空氣中；主動(dòng)安全系統(tǒng)是可通過電氣控制的系統(tǒng)，其以氫系統(tǒng)控制器為核心，以氫系統(tǒng)各傳感器、整車的部分傳感器和其他控制器發(fā)送的信號(hào)等作為信息讀取來(lái)源，以可控的電磁閥作為執(zhí)行部件，當(dāng)各傳感器監(jiān)控的狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，能夠主動(dòng)控制閥門動(dòng)作，關(guān)閉供氫系統(tǒng)，進(jìn)而保證車輛和人員的安全。

3 燃料電池氫安全法規(guī)

燃料電池汽車的氫安全總是讓人們充滿擔(dān)憂，美國(guó)能源部在氫安全的規(guī)范中也提到了保證安全是推進(jìn)氫燃料電池汽車商業(yè)化的基礎(chǔ)，為了確保燃料電池汽車的安全性達(dá)到傳統(tǒng)汽車的水平，需要制定嚴(yán)格的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而在法律層面得到強(qiáng)制安全保證。提到氫燃料電池汽車的安全，人們最關(guān)心的就是氫泄露和氫排放等氫氣使用相關(guān)的問題。無(wú)論是國(guó)際上還是國(guó)內(nèi)與燃料電池汽車相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中，都提到了氫安全性的問題。國(guó)際上與氫燃料電池相關(guān)的比較有代表性的標(biāo)準(zhǔn)為以下三項(xiàng)：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布的與氫安全防護(hù)相關(guān)的ISO 23273:2013、全球統(tǒng)一汽車技術(shù)法規(guī)發(fā)布的GTR 13和SAE International發(fā)布的SAE J2578。

3.1 ISO 23273:2013標(biāo)準(zhǔn)[4]

該國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了燃料電池汽車車內(nèi)外的氫安全防護(hù)和對(duì)人體防護(hù)方面的很多要求。該標(biāo)準(zhǔn)適用的范圍是用壓縮氫氣作為燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)燃料的燃料電池汽車，該標(biāo)準(zhǔn)關(guān)注的側(cè)重點(diǎn)是車輛在正常操作時(shí)的情況和車輛單點(diǎn)故障時(shí)的情況，同時(shí)對(duì)具體的要求只做了概述性的規(guī)定。例如該標(biāo)準(zhǔn)指出：在預(yù)設(shè)的區(qū)域內(nèi)，比如無(wú)機(jī)械通風(fēng)的車庫(kù)、靠機(jī)械通風(fēng)的建筑物或室外等場(chǎng)所，都必須滿足車內(nèi)外的正常排放均為不可燃的法規(guī)要求。

3.2 GTR 13法規(guī)[4]

該法規(guī)是燃料電池安全的基礎(chǔ)性法規(guī)，其適用于標(biāo)稱工作壓力不超過70 MPa且最大加注壓力為1.25倍標(biāo)稱工作壓力的氫系統(tǒng)，同時(shí)要求該氫系統(tǒng)必須是穩(wěn)固地連接在汽車上的。該法規(guī)規(guī)定了正常使用情況和碰撞等特殊情況下，氫氣的泄露、排放和報(bào)警故障的要求，規(guī)定了系統(tǒng)的完整性以及具體測(cè)試方法。該法規(guī)明確規(guī)定了氫泄壓系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)的具體要求，例如其規(guī)定：車輛尾排系統(tǒng)的氫氣濃度，平均體積濃度任何時(shí)刻不允許超過8%，在連續(xù)測(cè)量的3 s時(shí)間內(nèi)，濃度不允許超過4%。此外，該法規(guī)還規(guī)定了故障、氫泄漏和信號(hào)報(bào)警燈等多種情況下的具體要求。

3.3 SAE J2578標(biāo)準(zhǔn)[5]

該標(biāo)準(zhǔn)不僅規(guī)定了燃料電池汽車的安全準(zhǔn)則和方法，也規(guī)定了相關(guān)子系統(tǒng)的安全準(zhǔn)則，提出了氫燃料電池系統(tǒng)集成在整車上的特殊要求，同時(shí)該標(biāo)準(zhǔn)還具體規(guī)定了氫燃料電池系統(tǒng)的具體要求和試驗(yàn)方法。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)燃料電池系統(tǒng)完整性進(jìn)行了具體要求，對(duì)浸水、失效安全關(guān)斷、汽車艙內(nèi)潛在危險(xiǎn)等情況進(jìn)行了要求，也對(duì)排放、吹掃、通風(fēng)和其他正常氣體排放應(yīng)滿足的條件進(jìn)行了要求。此外，標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了正常汽車排放測(cè)試和汽車不當(dāng)或不利操作測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)和條件。

4 氫系統(tǒng)安全控制策略

為了保證燃料電池汽車的安全運(yùn)行，以氫系統(tǒng)控制器為主，各傳感器和執(zhí)行部件為輔的氫管理系統(tǒng)發(fā)揮著重要的作用[6]。在正常工作時(shí)，氫管理系統(tǒng)與燃料電池控制系統(tǒng)通信，在不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中氫管理系統(tǒng)也與整車控制系統(tǒng)通訊。按照氫管理系統(tǒng)的工作場(chǎng)景，氫系統(tǒng)的安全控制策略分為以下四個(gè)方面：加氫安全策略、儲(chǔ)氫安全策略、氫泄露及排氫安全策略和碰撞及整車緊急安全策略。

4.1 加氫安全策略

在國(guó)內(nèi)外，燃料電池汽車的儲(chǔ)氫形式以高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫為主，目前儲(chǔ)氫壓力分為兩個(gè)等級(jí)，即35 MPa和70 MPa。在高壓氫氣加注過程中，車載氫瓶?jī)?nèi)氫氣容易快速升溫，存在安全隱患[7]。

為了實(shí)現(xiàn)氫氣的安全快速加注，常采用氫氣預(yù)冷、溫升控制和分級(jí)優(yōu)化加注策略相結(jié)合的方法，同時(shí)車載氫管理系統(tǒng)與加氫站通過紅外信號(hào)實(shí)時(shí)通訊，時(shí)刻檢測(cè)加注過程中的各項(xiàng)參數(shù)[8]。

氫氣預(yù)冷：如果氣源為常溫，則在氫氣加注過程中，氣瓶溫度會(huì)快速增加，并很容易達(dá)到氫瓶的安全溫度限制，如果此過程靠自然冷卻，則加注時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，也就無(wú)法達(dá)到快速加注的目標(biāo)，所以在氫氣加注之前，通過對(duì)氫氣進(jìn)行制冷，使氣源溫度達(dá)到-40℃，然后再用低溫氫氣進(jìn)行加注。

溫升控制加注：在氫加注過程中，即使進(jìn)行氫氣預(yù)冷，也不能保證加注流量很大時(shí)氣瓶溫度始終在安全限值以下，因此為了平衡氫氣加注速度和氫瓶溫升，需要通過控制氣瓶?jī)?nèi)的壓力上升速度和氫氣加注流量的方式控制氣瓶溫度。

分級(jí)加注：通常加氫站的儲(chǔ)氫罐按照壓力級(jí)別分成三組，壓力從高到低分別是高級(jí)瓶組、中級(jí)瓶組和低級(jí)瓶組。在加注過程中，加氫機(jī)將按照控制程序，按照從低壓到高壓的順序依次供應(yīng)氫氣。其中，氣源階梯切換的判斷常以氣瓶?jī)?nèi)平均壓力變化速率為依據(jù)，進(jìn)而可按照低級(jí)瓶組到中級(jí)瓶組再到高級(jí)瓶組的順序從各級(jí)儲(chǔ)氫罐中取氣，按照此方式也提高了各級(jí)儲(chǔ)氫罐中的氫利用率。氫氣的分級(jí)加注流程如圖2所示[8]。

4.2 儲(chǔ)氫安全策略

為了保證儲(chǔ)氫安全，氫管理系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)氫瓶?jī)?nèi)的溫度和壓力，監(jiān)測(cè)管路上的壓力，同時(shí)還需監(jiān)測(cè)各傳感器、執(zhí)行器以及通訊信號(hào)的通斷等，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行故障上報(bào)和處理。典型氫管理系統(tǒng)的傳感器和執(zhí)行器信號(hào)類型和特點(diǎn)如表1所示[9]。

氫系統(tǒng)控制器讀取傳感器信號(hào)，并通過相應(yīng)的策略進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。以氫瓶?jī)?nèi)壓力監(jiān)測(cè)的計(jì)算為例，首先氫控制器按照預(yù)設(shè)的采樣速率，如每10 ms采集一次氫瓶?jī)?nèi)壓力，連續(xù)采集6次，并計(jì)算出這6次壓力的最大值和最小值，將6次采樣的壓力值求和，再減去最大值和最小值，最后除以4得到的就是去除極值后的平均值，該數(shù)值作為氫氣壓力的有效值。每一次有效值時(shí)的獲取，都將重新采樣6次新的壓力值，然后再按照上面的方式進(jìn)行計(jì)算[10]。

圖2 氫氣分級(jí)加注流程圖[8]

表1 氫管理系統(tǒng)傳感器和執(zhí)行器信號(hào)類型[9]

氫系統(tǒng)控制器還需對(duì)計(jì)算后的參數(shù)進(jìn)行判斷和故障處理。例如，在氫瓶的溫度超過報(bào)警溫度時(shí)，氫系統(tǒng)控制器會(huì)發(fā)出控制信號(hào)立即關(guān)閉電磁閥，并將報(bào)警信號(hào)發(fā)送給整車控制系統(tǒng)和燃料電池控制系統(tǒng)，發(fā)送請(qǐng)求結(jié)束系統(tǒng)工作的請(qǐng)求，發(fā)送的信號(hào)中也包括故障氣瓶編號(hào)的信息，并在儀表上提示駕駛員，同時(shí)使用聲音提醒駕駛員采取緊急安全措施。

4.3 氫泄露及排氫安全策略

由于氫氣的易燃易爆特性，對(duì)氫泄露和排氫濃度的監(jiān)控和處理顯得尤為重要。

在燃料電池系統(tǒng)工作中，為排出氫氣路蓄積的水，需要按照一定的時(shí)間間隔進(jìn)行排氣操作，不可避免會(huì)有少量氫氣排出系統(tǒng)，而為了保證安全，必須確保排出其他的氫濃度低于可燃值。因此，常規(guī)方案是將排出的氫與空氣路排出的廢氣在混合腔內(nèi)充分混合，同時(shí)監(jiān)測(cè)排氫的濃度，當(dāng)排氫濃度高于預(yù)設(shè)的限值時(shí)，需降低排氫時(shí)間，同時(shí)增加空氣的排氣量使排出的混合氣低于預(yù)設(shè)值。

一般情況下，常采用高精度的氫氣濃度傳感器監(jiān)控氫泄漏，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控車內(nèi)氫含量的目標(biāo)，需要在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)附近、乘客艙頂棚和儲(chǔ)氫瓶附近布置多個(gè)傳感器，任何監(jiān)控的位置發(fā)生氫泄漏，均需要采取安全措施，確保車輛和乘客安全[11]。氫泄露傳感器的布置如圖3所示[12]，圖中傳感器布置在了后備箱的最高點(diǎn)①、乘客艙②和前機(jī)艙③附近，有的傳感器布置方案也在儲(chǔ)氫瓶口處增設(shè)氫傳感器。氫系統(tǒng)控制器將多個(gè)氫濃度傳感器的采集值進(jìn)行處理，并取其中的最大值作為氫泄露的報(bào)警值，氫系統(tǒng)控制器會(huì)將該最大值上報(bào)燃料電池控制系統(tǒng)和整車控制系統(tǒng)，當(dāng)最大值超過限值時(shí)，氫系統(tǒng)控制器還將發(fā)送報(bào)警信息，并執(zhí)行相應(yīng)的舉措。

圖3 氫泄露傳感器布置示意圖[12]

氫泄漏報(bào)警分為四類，其一是氫濃度傳感器故障，另外三類是三級(jí)泄露報(bào)警，按照氫泄露濃度不同依次為輕度報(bào)警、中度報(bào)警和緊急報(bào)警。輕度報(bào)警又稱一級(jí)泄露報(bào)警，指空氣中的氫含量在0.4%到1%之間，氫系統(tǒng)控制器將輕度氫氣泄露報(bào)警信息上報(bào)燃料電池控制器系統(tǒng)和整車控制系統(tǒng)，并提示駕駛員有氫泄露異常；中度報(bào)警又稱二級(jí)泄露報(bào)警，指空氣中的氫含量在1%到2%之間，氫系統(tǒng)控制器將向燃料電池控制器系統(tǒng)和整車控制系統(tǒng)上報(bào)嚴(yán)重的氫氣泄露報(bào)警，并提示駕駛員立即停車；緊急泄露報(bào)警又稱三級(jí)泄露報(bào)警，指空氣中的氫含量超過2%時(shí)，氫系統(tǒng)控制器向燃料電池控制器系統(tǒng)和整車控制系統(tǒng)上報(bào)緊急泄漏報(bào)警，同時(shí)進(jìn)入故障處理模式，立即關(guān)閉氫瓶上的電磁閥，并聲光報(bào)警提示司機(jī)氫氣泄露，具體控制措施如表2所示[12]。

4.4 整車緊急狀態(tài)安全策略

車輛出現(xiàn)碰撞、燃料電池電堆故障或其他整車緊急狀態(tài)下，氫系統(tǒng)也將進(jìn)行相應(yīng)的措施來(lái)保證安全[13]。

在部分燃料電池系統(tǒng)中，除了通過CAN總線在各控制器之間傳輸報(bào)警信號(hào)之外，還設(shè)計(jì)了應(yīng)急硬線連接裝置，能夠保證系統(tǒng)有效并可靠地快速響應(yīng)。具體硬線應(yīng)急安全原理如圖4所示[10]。圖中的應(yīng)急安全硬線裝置由碰撞開關(guān)、急停開關(guān)、氫系統(tǒng)控制器控制端和整車控制控制端等四個(gè)端口同時(shí)控制，實(shí)際應(yīng)用中控制端口也可以按照相同的原理增加或減少。

表2 氫泄露報(bào)警控制措施[12]

當(dāng)急停開關(guān)或碰撞開關(guān)斷開時(shí)，之前保持高電平的安全線將變?yōu)榈碗娖剑瑲湎到y(tǒng)控制器和整車控制器都將收到低電平應(yīng)急信號(hào)，氫系統(tǒng)將進(jìn)入安全應(yīng)急狀態(tài)，停止供氫并報(bào)警提示。當(dāng)整車控制器識(shí)別出整車異常或燃料電池系統(tǒng)異常時(shí)，將把安全線拉為低電平，通知?dú)湎到y(tǒng)或其他獲取該信號(hào)的系統(tǒng)進(jìn)入安全應(yīng)急狀態(tài)。同樣的，氫系統(tǒng)控制器也能拉低安全線并讓系統(tǒng)進(jìn)入安全應(yīng)急狀態(tài)，來(lái)達(dá)到保證車輛及人員安全的目的。

圖4 應(yīng)急安全原理示意圖[10]

5 總結(jié)與展望

（1）氫由于其固有的特性，氫安全問題在一定程度上制約了氫燃料電池汽車的應(yīng)用和發(fā)展，因此讓更多人了解氫氣，了解燃料電池氫系統(tǒng)以及了解氫應(yīng)用的安全實(shí)例就顯得尤為重要。在氫能相關(guān)技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)，做好氫安全知識(shí)的科普具有重要意義。

（2）我國(guó)在燃料電池汽車領(lǐng)域的起步相對(duì)較晚，雖然已經(jīng)發(fā)布了氫安全相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，但仍需在實(shí)踐中不斷完善和補(bǔ)充，進(jìn)而從法律角度嚴(yán)格保障燃料電池汽車的安全性與傳統(tǒng)車相當(dāng)。

（3）燃料電池汽車氫安全策略已基本形成了比較完善的框架，在加氫、儲(chǔ)氫、排氫、氫泄露及緊急情況等各環(huán)節(jié)均能保證安全，隨著仿真模擬的進(jìn)步，安全試驗(yàn)的積累和優(yōu)化，多種故障分析方法的廣泛應(yīng)用以及傳感器技術(shù)不斷提高，必將推動(dòng)燃料電池汽車商業(yè)化、規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的歷史進(jìn)程。