中心議題：

• 燃料電池車載氫氣安全設計
• 車載供氫係統的安全措施
• 燃料電池汽車的碰撞安全性問題

 當dang前qian能neng源yuan和he環huan境jing問wen題ti日ri益yi緊jin張zhang
，世shi界jie上shang石shi油you等deng傳chuan統tong能neng源yuan麵mian臨lin枯ku竭jie的de嚴yan重zhong考kao驗yan。同tong時shi，由you動dong力li機ji械xie使shi用yong傳chuan統tong能neng源yuan引yin起qi的de環huan境jing汙wu染ran日ri益yi威wei脅xie到dao人ren們men的de生sheng活huo，溫wen室shi氣qi體ti的de排pai放fang
、酸雨的形成無不與使用傳統燃料相關。因此發展為動力機械使用的清潔可替代燃料，成為目前亟待解決的問題。

在此背景之下開發出了使用清潔能源氫氣作為燃料的燃料電池汽車［1］。zhezhongxinnengyuanqicheyouqingqiheyangtongguoranliaodianchichanshengdediannengtigongdongli，qingyangfanyingzheyiguochengbujinyoujigaodenengliangliyongxiaolv
，erqiepaifangwuzhiyoushui

，duihuanjingmeiyourenhewuran［2］。但是，氫氣本身的特性如泄漏性、爆(bao)炸(zha)性(xing)和(he)氫(qing)脆(cui)等(deng)，使(shi)得(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)汽(qi)車(che)存(cun)在(zai)著(zhe)一(yi)定(ding)的(de)安(an)全(quan)隱(yin)患(huan)，這(zhe)種(zhong)新(xin)能(neng)源(yuan)動(dong)力(li)係(xi)統(tong)的(de)安(an)全(quan)性(xing)成(cheng)為(wei)人(ren)們(men)首(shou)先(xian)關(guan)心(xin)的(de)問(wen)題(ti)。這(zhe)些(xie)安(an)全(quan)問(wen)題(ti)包(bao)括(kuo)儲(chu)氫(qing)安(an)全(quan)
、車載氫氣係統的安全、燃料電池汽車發生碰撞以及發生氫氣泄露時的安全等。因此
，為了燃料電池汽車的推廣使用，有必要對其安全性進行深入研究。

1 燃料電池汽車的儲氫安全

對燃料電池汽車來講，氫氣的存儲應當密度高、輕便、安全而且經濟。一台裝有 24 L 汽油可行駛 400 km 的汽車
，行駛同樣的距離
，靠燃燒方式需消耗 8 kg 氫，靠電池供能則僅需 4 kg 氫。4kg 的氫氣在室溫和一個大氣壓下體積為 45 000L
，這對汽車載氫是不現實的。目前限製燃料電池汽車推廣的最主要因素就是氫氣的儲存問題。目前比較常用的儲氫技術有高壓壓縮儲氫、深冷液化儲氫
、金屬氫化物儲氫、碳納米管吸附儲氫及有機液體氫化物儲氫等［3］。

目前大多數燃料電池汽車都采用高壓壓縮儲氫方法，但是要攜帶足夠行駛 400 ～500 km 的高壓氣態氫

，容器必須由能經受住高達70 MPa 壓力的複合材料製成［4］。同濟大學研製的燃料電池汽車超越 1 號使用的是 20 MPa、50 L 車用壓縮氫氣鋁膽複合氣瓶儲氫; 大連新源動力研製的燃料電池轎車使用 30 MPa
、40 L 車用壓縮氫氣鋁膽複合氣瓶儲氫; 北京奧運會燃料電池示範車使用 35MPa
、140 L 車用壓縮氫氣瓶儲氫; 武漢理工大學的楚天 2 號中巴車使用 20 MPa、汽車用壓縮氫氣鋁膽複合氣瓶儲氫; 奔馳公司采用車頂設置高壓儲氫容器儲氫。目前德國、美國和加拿大等國已經通過了 37． 5 MPa 的高壓氫罐的相應測試以及生產許可
，工作壓力可高達68． 9 MPa 的高壓氫罐也已經通過了相應的實驗［5 －6］。如此高的壓力容器
，如果發生撞車，後果不堪設想。因此越來越多的人開始關注新的儲氫方式，以減少高壓儲氫的危險。

液態氫存儲具有較高的能量質量比
，約為氣態時的 3 倍，但液態氫將氣態氫冷卻到 － 235 ℃才能得到，耗損太大。另外

，液態氫難以存儲

，無法避免蒸發( 每天大約損失 1% ～3%) ，車輛停放時間長時

，蒸發的氫就會浪費，因此液態氫存儲要求具有良好的絕熱措施。德國戴姆勒 － 克萊斯勒公司研發的 NECAR 係列和美國通用公司的“氫動一號”都是以液態氫為燃料［7］。

金屬氫化物儲氫是指在 3 ～ 6 MPa 下讓氫與金屬結合形成合金
，在需要的時候加熱使氫化物分解脫氫而得到氫氣。這一技術結構簡單
、使用安全，但是金屬的重量是個無法忽視的問題，與攜帶的氫相比，金屬的重量太大。

選擇儲氫材料代替高壓儲氫來滿足高儲氫密度可減小燃料電池汽車的危險性; 采用氨硼烷儲氫可保證在燃料電池操作溫度下釋放大量氫氣以供燃料電池汽車長距離行駛。文獻［8］分析了燃料電池汽車采用液氫、高壓氣氫和金屬氫化物儲氫 3 種不同儲氫方案的安全性和實用性，結果表明液氫方案的加注站安全性、泄漏安全性和易操作性方麵優於氣氫方案，並且在有效載荷與空間、燃料經濟性、續駛裏程、加速性能和最高車速等實用性方麵也好於氣氫方案。

雖(sui)然(ran)人(ren)們(men)在(zai)儲(chu)氫(qing)材(cai)料(liao)的(de)選(xuan)擇(ze)方(fang)麵(mian)做(zuo)了(le)很(hen)多(duo)研(yan)究(jiu)，但(dan)是(shi)這(zhe)些(xie)儲(chu)氫(qing)材(cai)料(liao)的(de)儲(chu)氫(qing)效(xiao)率(lv)目(mu)前(qian)還(hai)明(ming)顯(xian)低(di)於(yu)高(gao)壓(ya)儲(chu)氫(qing)，因(yin)此(ci)有(you)必(bi)要(yao)在(zai)儲(chu)氫(qing)方(fang)式(shi)的(de)選(xuan)擇(ze)上(shang)做(zuo)進(jin)一(yi)步(bu)研(yan)究(jiu)
，以(yi)提(ti)高(gao)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)汽(qi)車(che)的(de)儲(chu)氫(qing)安(an)全(quan)。

2 車載供氫係統的安全措施

為了保證燃料電池汽車的安全穩定運行，需要設計一套安全有效的供氫係統。在燃料電池汽車上
，供氫係統一般包括電磁閥、安全閥、溢流閥
、熱熔栓、手動截止閥、溫度傳感器和壓力傳感器等在內的輔助安全裝置，其示意圖如圖 1 所示［9］。chezaigongqingxitonganquancuoshiyingcongyufangyujiankongliangfangmianzheshou。congyufangdejiaodulaishuo

，bizheyiguoneiyanfaderanliaodianchizhongbacheweili，geichulechezaigongqinganquanshili。 [page]
如圖 1 所示，燃料電池中巴車隨車攜帶 6 個(ge)高(gao)壓(ya)氫(qing)氣(qi)罐(guan)，在(zai)這(zhe)些(xie)氫(qing)氣(qi)罐(guan)上(shang)安(an)裝(zhuang)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)用(yong)來(lai)檢(jian)測(ce)氣(qi)罐(guan)內(nei)氣(qi)體(ti)溫(wen)度(du)，由(you)這(zhe)些(xie)傳(chuan)感(gan)器(qi)將(jiang)氣(qi)罐(guan)內(nei)氣(qi)體(ti)的(de)溫(wen)度(du)信(xin)號(hao)發(fa)送(song)到(dao)駕(jia)駛(shi)室(shi)儀(yi)表(biao)盤(pan)上(shang)，通(tong)過(guo)氣(qi)體(ti)溫(wen)度(du)的(de)變(bian)化(hua)來(lai)判(pan)斷(duan)外(wai)界(jie)是(shi)否(fou)有(you)異(yi)常(chang)情(qing)況(kuang)發(fa)生(sheng)。例(li)如(ru)氣(qi)體(ti)溫(wen)度(du)突(tu)然(ran)急(ji)劇(ju)上(shang)升(sheng)，如(ru)排(pai)除(chu)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)故(gu)障(zhang)之(zhi)外(wai)，則(ze)在(zai)氫(qing)氣(qi)罐(guan)周(zhou)圍(wei)可(ke)能(neng)有(you)火(huo)警(jing)發(fa)生(sheng)。
yalichuanganqizhuyaoyongyupanduanqiguanzhongshengyuqingqiliang，yibaozhengcheliangdezhengchangxingshi，dangyalidiyumouzhishikeyitishijiashiyuanjiazhuqingqi。qici，jiashiyuankegenjuyibiaopanshangdeyalidushupanduanqingqiguanshifouyouxieloufasheng。

氣qi罐guan安an全quan閥fa也ye對dui供gong氫qing係xi統tong提ti供gong了le安an全quan保bao障zhang
，當dang氣qi罐guan中zhong氫qing氣qi壓ya力li超chao過guo設she定ding值zhi時shi，能neng通tong過guo氣qi罐guan安an全quan閥fa自zi動dong泄xie壓ya，例li如ru瓶ping體ti溫wen度du由you於yu某mou種zhong原yuan因yin突tu然ran升sheng高gao造zao成cheng氣qi罐guan內nei氣qi體ti壓ya力li上shang升sheng，當dang壓ya力li超chao過guo安an全quan閥fa設she定ding值zhi時shi，安an全quan閥fa自zi動dong泄xie壓ya，保bao證zheng氣qi罐guan在zai安an全quan的de工gong作zuo壓ya力li範fan圍wei之zhi內nei。

氣(qi)罐(guan)電(dian)磁(ci)閥(fa)通(tong)常(chang)與(yu)手(shou)動(dong)截(jie)止(zhi)閥(fa)聯(lian)合(he)作(zuo)用(yong)，當(dang)電(dian)磁(ci)閥(fa)能(neng)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)時(shi)，手(shou)動(dong)截(jie)止(zhi)閥(fa)處(chu)於(yu)常(chang)開(kai)狀(zhuang)態(tai)，這(zhe)時(shi)電(dian)磁(ci)閥(fa)由(you)直(zhi)流(liu)電(dian)源(yuan)驅(qu)動(dong)，無(wu)電(dian)源(yuan)時(shi)處(chu)於(yu)常(chang)閉(bi)狀(zhuang)態(tai)，主(zhu)要(yao)起(qi)開(kai)關(guan)氣(qi)瓶(ping)的(de)作(zuo)用(yong)
，與(yu)氫(qing)氣(qi)泄(xie)露(lu)報(bao)警(jing)係(xi)統(tong)聯(lian)動(dong)
，當(dang)泄(xie)漏(lou)氫(qing)氣(qi)濃(nong)度(du)達(da)到(dao)保(bao)護(hu)值(zhi)能(neng)自(zi)動(dong)關(guan)閉(bi)，從(cong)而(er)達(da)到(dao)切(qie)斷(duan)氫(qing)源(yuan)的(de)目(mu)的(de)。當(dang)氣(qi)罐(guan)電(dian)磁(ci)閥(fa)失(shi)效(xiao)時(shi)利(li)用(yong)手(shou)動(dong)截(jie)止(zhi)閥(fa)切(qie)斷(duan)氫(qing)源(yuan)，有(you)效(xiao)避(bi)免(mian)氫(qing)氣(qi)泄(xie)漏(lou)。

加氣口在加注時與加氣機的加氣槍相連
，以達到加注的目的，同時加氣口應具有單向閥以及顆粒過濾功能

，應與未遮蔽的電氣接頭

、電氣開關和其他點火源保持至少 200 mm 的距離［10］。

單向閥在加氣口或供氫管路出現損壞情況下防止氣體向外泄漏並提高加氣口的使用壽命。

管路電磁閥在給氣罐充氣時，可有效防止氣體進入電池。

減壓閥可以將氫氣的壓力調節到電池所需要的壓力。當出現危險時針閥可以將氫氣瓶中的殘餘氫氣安全放空。
由於供氫管路內氫氣高壓流動，因此管路的材質選用不鏽鋼，耐壓要大於 35 MPa。

溢流閥在係統正常工作時
，閥門關閉。隻有負載超過規定的極限( 係統壓力超過調定壓力)時開啟溢流閥
，進行過載保護
，使係統壓力不再增加( 通常使溢流閥的調定壓力比係統最高工作壓力高 10% ～20%) 。
過濾閥可防止管路中的雜質進入燃料電池，以免損壞電池。

3 燃料電池汽車的碰撞安全性問題

ranliaodianchiqichecunzaigaoyaqitirongqihegaodianyadianchi，yincitayecunzaibutongyuchuantongqichedeanquanpengzhuangxingwenti
，tongshiyouyuqingdegezhongneizaitexing
，qianquanxingyeshiyixiangtiaozhan。wenxian［11］針對氫燃料電池汽車的結構特點，提出了氫燃料電池汽車存在的碰撞安全性問題。與氫安全相關的主要存在兩個問題:

( 1) 泄漏性。氫是最輕的元素，比液體燃料和其他氣體燃料更容易從小孔中泄漏。如果發生泄漏，氫氣就會迅速擴散。與汽油、丙烷、天然氣相比
，氫氣具有較大的浮力( 快速上升) 和較強的擴散性( 橫向移動) 。在空氣中
，氫的燃燒範圍很寬

，且著火點很低
，氫氣火焰幾乎是看不到的，因為在可見光範圍內，燃燒的氫放出的能量很少［12］。因此接近氫氣火焰的人可能不知道火焰的存在，從而增加了危險性。

( 2) 氫qing氣qi罐guan保bao護hu。高gao壓ya氫qing氣qi罐guan的de固gu定ding支zhi架jia和he鋼gang帶dai應ying有you足zu夠gou的de強qiang度du，以yi保bao證zheng在zai碰peng撞zhuang過guo程cheng中zhong，高gao壓ya氫qing氣qi罐guan的de動dong態tai位wei移yi不bu會hui太tai大da
，避bi免mian造zao成cheng連lian接jie管guan路lu的de斷duan裂lie
、變形和氫氣的大量泄漏。何健［13］基於顯式有限元理論
，按照 CMVDR294 法(fa)規(gui)對(dui)國(guo)內(nei)自(zi)主(zhu)開(kai)發(fa)的(de)某(mou)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)轎(jiao)車(che)進(jin)行(xing)正(zheng)麵(mian)碰(peng)撞(zhuang)分(fen)析(xi)，對(dui)比(bi)分(fen)析(xi)兩(liang)種(zhong)氫(qing)氣(qi)罐(guan)保(bao)護(hu)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)方(fang)案(an)的(de)計(ji)算(suan)結(jie)果(guo)，提(ti)出(chu)了(le)安(an)全(quan)有(you)效(xiao)的(de)氫(qing)氣(qi)罐(guan)保(bao)護(hu)方(fang)案(an)
，即(ji)氫(qing)氣(qi)罐(guan)保(bao)護(hu)係(xi)統(tong)采(cai)用(yong)整(zheng)體(ti)式(shi)設(she)計(ji)。如(ru)圖(tu) 2 所示，氫氣罐框架通過 3 根橫梁和 2 根縱梁將兩個氫氣罐集成到一個框架總成。縱梁截麵為“Π”形
，由幾塊板材拚焊而成，中部設計出兩個圓弧形凹槽，可以對氫氣罐進行有效的固定和保護。 4 汽車發生氫氣泄露時的安全性分析

任(ren)何(he)燃(ran)料(liao)的(de)安(an)全(quan)性(xing)都(dou)與(yu)其(qi)本(ben)身(shen)的(de)性(xing)質(zhi)密(mi)切(qie)相(xiang)關(guan)。氫(qing)的(de)特(te)殊(shu)性(xing)質(zhi)使(shi)得(de)氫(qing)的(de)安(an)全(quan)性(xing)有(you)不(bu)少(shao)特(te)點(dian)。然(ran)而(er)與(yu)其(qi)他(ta)燃(ran)料(liao)相(xiang)比(bi)，氫(qing)氣(qi)是(shi)一(yi)種(zhong)安(an)全(quan)性(xing)比(bi)較(jiao)高(gao)的(de)氣(qi)體(ti)。例(li)如(ru)氫(qing)氣(qi)無(wu)毒(du)，氫(qing)氣(qi)在(zai)開(kai)放(fang)的(de)大(da)氣(qi)中(zhong)，很(hen)容(rong)易(yi)快(kuai)速(su)逃(tao)逸(yi)，而(er)不(bu)像(xiang)汽(qi)油(you)揮(hui)發(fa)後(hou)，滯(zhi)留(liu)在(zai)空(kong)間(jian)中(zhong)不(bu)易(yi)疏(shu)散(san)［14］。
[page]
邁阿密大學的 MICHAEL［15］分別對燃料電池汽車和汽油汽車的燃燒進行對比試驗
，將兩輛汽車分別用氫氣和汽油做燃料，然後做泄漏點火試驗
，如圖 3 所示。點火 3 s 後，高壓氫氣產生的火焰直噴上方，而汽油由於比空氣重，則從汽車的下部著火。到 1 min 時
，氫氣作燃料的汽車隻有漏出的氫氣在燃燒，汽車沒有大問題; 而汽油車則早已成為一個大火球
，完全燒光。這說明氫氣汽車比現在普遍使用的汽油車安全得多。 如果燃料電池汽車發生車內氫氣泄露

，也存在一定的危險性，劉延雷［16］對(dui)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)汽(qi)車(che)內(nei)氫(qing)氣(qi)泄(xie)露(lu)擴(kuo)散(san)進(jin)行(xing)數(shu)值(zhi)模(mo)擬(ni)研(yan)究(jiu)
，考(kao)慮(lv)了(le)氫(qing)氣(qi)在(zai)車(che)內(nei)泄(xie)露(lu)擴(kuo)散(san)後(hou)的(de)危(wei)險(xian)區(qu)域(yu)分(fen)布(bu)，研(yan)究(jiu)結(jie)論(lun)可(ke)以(yi)為(wei)車(che)內(nei)預(yu)警(jing)用(yong)氫(qing)氣(qi)泄(xie)露(lu)報(bao)警(jing)儀(yi)的(de)放(fang)置(zhi)( 見圖 4) yijiranliaodianchiqichedeanquanshejitigongcankao。zaicheneifashengqingqixieludeqingkuangxia，zhengchekongzhixitongnengtongguocheshanganzhuangdeqingqichuanganqixinhaojiangqingqigongyingxitongqieduan
，zheyidianyuchuantongqichezaifashengpengzhuangqingkuangxiazidongqieduanyouluxitongyiyang，yibaozhangranliaodianchiqichefashengcheneiqingqixielushideanquan。 5 結論

通(tong)過(guo)對(dui)文(wen)獻(xian)的(de)調(tiao)研(yan)和(he)實(shi)踐(jian)經(jing)驗(yan)對(dui)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)汽(qi)車(che)的(de)氫(qing)安(an)全(quan)問(wen)題(ti)進(jin)行(xing)了(le)初(chu)步(bu)探(tan)討(tao)。發(fa)現(xian)氫(qing)安(an)全(quan)的(de)問(wen)題(ti)在(zai)國(guo)際(ji)上(shang)已(yi)有(you)較(jiao)多(duo)的(de)理(li)論(lun)性(xing)研(yan)究(jiu)，尤(you)其(qi)是(shi)儲(chu)氫(qing)和(he)車(che)載(zai)高(gao)壓(ya)氫(qing)氣(qi)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)方(fang)麵(mian)的(de)研(yan)究(jiu)較(jiao)多(duo)，但(dan)是(shi)氫(qing)安(an)全(quan)的(de)實(shi)驗(yan)卻(que)很(hen)少(shao)，且(qie)還(hai)不(bu)能(neng)實(shi)現(xian)量(liang)化(hua)。這(zhe)就(jiu)導(dao)致(zhi)了(le)人(ren)們(men)對(dui)氫(qing)安(an)全(quan)性(xing)的(de)認(ren)識(shi)不(bu)足(zu)，氫(qing)安(an)全(quan)也(ye)因(yin)此(ci)成(cheng)為(wei)了(le)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)汽(qi)車(che)在(zai)應(ying)用(yong)上(shang)的(de)瓶(ping)頸(jing)之(zhi)一(yi)。為(wei)了(le)消(xiao)除(chu)這(zhe)個(ge)瓶(ping)頸(jing)帶(dai)來(lai)的(de)負(fu)麵(mian)影(ying)響(xiang)
，今(jin)後(hou)我(wo)國(guo)要(yao)加(jia)強(qiang)車(che)載(zai)氫(qing)安(an)全(quan)研(yan)究(jiu)，包(bao)括(kuo)實(shi)驗(yan)研(yan)究(jiu)和(he)計(ji)算(suan)機(ji)模(mo)擬(ni)研(yan)究(jiu)等(deng)
，同(tong)時(shi)設(she)計(ji)更(geng)有(you)效(xiao)的(de)安(an)全(quan)措(cuo)施(shi)，保(bao)障(zhang)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)汽(qi)車(che)的(de)氫(qing)安(an)全(quan)，以(yi)加(jia)速(su)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)汽(qi)車(che)的(de)發(fa)展(zhan)。