氢燃料电池汽车典型安全风险与防控分析

氢燃料电池汽车典型安全风险与防控分析 氢作为一种高密度的能量载体，在其制取、储存、运输、加注、使用过程中往往面临着许多安全问题。氢气自身的物理特性很大程度上决定了其各环节可能出现的风险。总体而言，与氢气安全性相关的物理特征主要有以下几点：一是易泄漏扩散。氢气密度小，多采用高压存储，无色无味，泄漏后又很难发觉，导致氢气较易泄漏。二是易燃易爆。氢气燃烧范围大，点火能量小，遇火易燃易爆，在有限空间更容易引发爆炸。三是容易引发氢脆。氢和金属材料相互作用会产生氢脆现象，导致材料的力学性能降低从而发生失效断裂的现象，造成安全风险和经济损失。 一、氢安全事故数据统计 多年来，涉氢安全事件几乎覆盖了氢的全产业链。根据氢安全事故数据库H2LL统计数据，1999-2019年间，发生了120起氢安全事故。从事故原因看，导致事故的主要原因是设备故障，占比35.78%。此外，人为失误（如错误的拆卸、组装、移动和更换等）和设计缺陷（如传感器误报、设备寿命短等）分别占14.22%和12.07%。 图 1 事故原因占比及可能事故原因数 从事故设备看，管道/配件/阀门、存储瓶、燃料电池汽车是引发安全事故的主要设备，分别占事故的32.28%、15.51%、12.66%。 图 2 事故设备占比及设备类型事故数量 从事故地点看，高校实验室占比最高，达到38.3%，加氢站和与氢相关的商业设施，分别占事故的10.64%和9.04%。 图 3 事故发生场所占比及场所类型事故数量 从事故损失看，仅31.18%的涉氢事故未产生损失，多数情况下可能会产生财产损失、人身伤亡、生产生活设施关闭等一系列严重后果。 图 4 事故损失占比及损失类别数量 数据来源：H2LL, The Pacific Northwest National Laboratory 二、典型的氢安全事故事例 近年来，氢能产业链各环节的安全事故逐渐增加，给产业长足发展敲响了警钟。如在氢气制取环节，2019年5月23日韩国发生一起氢气制取储存过程中储氢罐爆炸事故，造成2人死亡、6人受伤。在氢气储运环节，2019年6月1日美国空气产品公司氢转运设施发生高压氢气泄漏事故，随即发生爆炸并产生高压喷射火焰，导致管道损坏。2021年8月4日，我国沈阳发生一起长管拖车卸气软管断裂引发着火事故，所幸未造成人员伤亡。在氢气加注环节，2019年6月10日，挪威一处加氢站发生爆炸，导致两人受伤。在用氢环节虽然尚未发生重大事故，但也存在一系列风险隐患。氢燃料电池汽车氢气管路接口和弯头多，可能因道路工况复杂、交通事故引发氢系统故障，全生命周期中出现氢意外泄漏难以避免，且被电气意外点火风险较大。若车辆出现氢泄漏后，由于乘客舱相对封闭，可能导致车内人员窒息，且发动机舱半封闭、通风散热条件差，还易产生局部高温及电气火花，从而引发燃烧爆炸。2022年4月，因存在氢燃料泄漏风险，现代汽车召回54辆Nexo氢燃料电池汽车。 图 5 氢安全典型事故 三、氢燃料电池汽车氢安全风险与防控 氢燃料电池汽车是一种将车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车，其中车载燃料电池装置所使用的燃料为高纯度氢气或含氢燃料经重整所得到的高含氢重整气。《氢燃料电池汽车全球技术法规》将氢燃料电池汽车划分为加氢系统、储氢系统、供氢系统、燃料电池系统、电驱动和动力管理系统五个关键系统。 氢燃料电池汽车储氢供氢系统结构如图6所示： 图 6氢燃料电池汽车储氢供氢系统示意图 1. 储氢系统 氢燃料电池汽车的储氢系统主要是压缩气体储存系统，包括氢气瓶、温度驱动压力泄放装置、组合阀（单向阀、截止阀）及配件等。由于氢气在高压下容易从非金属内胆向外泄漏，且金属材质的瓶口阀与非金属内胆的连接强度难以保证，所以容易发生“非金属内胆纤维全缠绕气瓶”爆炸事故。 2. 加氢系统 由于氢燃料电池汽车多采用高压气态储氢方式，故在高压氢气加注过程中，车载氢瓶内氢气容易快速升温，存在安全隐患，需要在加注过程中检测车载压缩氢气存储系统内的压力、容量、温度及授权指令等数据。 3. 供氢系统 当车载氢瓶供氢时，氢系统控制器检测到压力超过或低于设定值时，会立即关断电磁阀，并将管路超压或管路低压的报警信息发送给整车管理系统请求结束正常工作，同时声光报警提示司机采取必要措施。当氢系统控制器检测到气瓶温度超过或低于设定温度时，也会立即关闭电磁阀，并将氢瓶内温度过高或过低的报警信息发送给整车管理系统请求结束正常工作，同时信息提示故障气瓶编号，通过声光报警方式通知司机，立即采取相应措施。 供氢系统在将车载高压压缩储氢气瓶内的氢气经减压阀减压后送至燃料电池电堆，在为燃料电池电堆提供合适压力、温度和流量的氢气时，瓶口阀和减压阀等关键零部件存在失效风险，管路系统接头存在泄漏风险。针对氢意外泄漏情况，在储氢瓶口、乘客舱及燃料电池系统易于聚集和泄漏处均放置多个氢气泄漏传感器，实时监测车内的氢含量，一旦发生氢泄漏立即采取响应处置，确保乘客安全。 4. 燃料电池系统 燃料电池电堆主要存在制造商设计问题，导致运行风险和供氢纯度不符合要求。同时，软件、控制电路或保护/安全元器件的失效或加工不良或误动作也会引起运行风险。氢燃料电池汽车的燃料电池系统可输出300-600V的高压电，易出现短路或电击风险。氢燃料电池汽车发生碰撞时除可能有氢气泄漏外，还可能发生高压电漏电风险。针对上述问题，可以通过安全设计来提高本质安全化程度，利用系统功率电压/电流传感器监控过压/流，利用温度传感器监控电堆冷却液出入口温度，利用FCU多级调节控制与诊断实现冷却、过温保护，利用系统绝缘检测、冷却液离子浓度传感器、联结整车HVIL回路（如空压机、水泵、加热器）、橙色高压线路、金属壳体接地等方法防止电气高压泄漏。 5. 储氢材料与电气元件 针对储氢供氢等系统出现氢脆效应从而导致氢泄漏的问题，当下主要是通过选择合适材料防止出现氢脆。目前，高压储氢瓶选择铝合金或合成材料，各种燃料管道以及阀件也都采用适用于氢介质的材料，如抗氢脆的不锈钢、铝合金材料或聚合物，并且在对储瓶、管道及阀件的强度设计中留有足够的安全余量，储氢瓶的安装及高压氢气连接管材质均应符合相关国家规范的安全要求。由于氢燃料电池汽车中涉及诸多电气元件，极可能引燃意外泄漏的氢气，燃料电池汽车的电气元件、管路、阀体宜采用相应的防爆、防静电、阻燃、防水材料。同时，还可利用氢系统控制器实现电气元件短路监控，在电气元件发生短路时，立即关闭氢系统所有电磁阀并使氢系统断电，同时通过声光报警提示司机短路，采取相应的安全措施。 7