在zai此ci背bei景jing之zhi下xia開kai發fa出chu了le使shi用yong清qing潔jie能neng源yuan氫qing氣qi作zuo為wei燃ran料liao的de燃ran料liao電dian池chi汽qi車che。這zhe種zhong新xin能neng源yuan汽qi車che由you氫qing氣qi和he氧yang通tong過guo燃ran料liao電dian池chi產chan生sheng的de電dian能neng提ti供gong動dong力li，氫qing氧yang反fan應ying這zhe一yi過guo程cheng不bu僅jin有you極ji高gao的de能neng量liang利li用yong效xiao率lv，而er且qie排pai放fang物wu隻zhi有you水shui，對dui環huan境jing沒mei有you任ren何he汙wu染ran。但dan是shi
，氫qing氣qi本ben身shen的de特te性xing如ru泄xie漏lou性xing、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。

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。

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。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(de)高(gao)壓(ya)氫(qing)罐(guan)也(ye)已(yi)經(jing)通(tong)過(guo)了(le)相(xiang)應(ying)的(de)實(shi)驗(yan)。如(ru)此(ci)高(gao)的(de)壓(ya)力(li)容(rong)器(qi)，如(ru)果(guo)發(fa)生(sheng)撞(zhuang)車(che)，後(hou)果(guo)不(bu)堪(kan)設(she)想(xiang)。因(yin)此(ci)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)的(de)人(ren)開(kai)始(shi)關(guan)注(zhu)新(xin)的(de)儲(chu)氫(qing)方(fang)式(shi)，以(yi)減(jian)少(shao)高(gao)壓(ya)儲(chu)氫(qing)的(de)危(wei)險(xian)。

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。

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。

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。

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(suo)示(shi)。車(che)載(zai)供(gong)氫(qing)係(xi)統(tong)安(an)全(quan)措(cuo)施(shi)應(ying)從(cong)預(yu)防(fang)與(yu)監(jian)控(kong)兩(liang)方(fang)麵(mian)著(zhe)手(shou)。從(cong)預(yu)防(fang)的(de)角(jiao)度(du)來(lai)說(shuo)，筆(bi)者(zhe)以(yi)國(guo)內(nei)研(yan)發(fa)的(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)中(zhong)巴(ba)車(che)為(wei)例(li)
，給(gei)出(chu)了(le)車(che)載(zai)供(gong)氫(qing)安(an)全(quan)實(shi)例(li)。

圖1：車載供氫係統示意圖

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)。

壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)判(pan)斷(duan)氣(qi)罐(guan)中(zhong)剩(sheng)餘(yu)氫(qing)氣(qi)量(liang)
，以(yi)保(bao)證(zheng)車(che)輛(liang)的(de)正(zheng)常(chang)行(xing)駛(shi)，當(dang)壓(ya)力(li)低(di)於(yu)某(mou)值(zhi)時(shi)可(ke)以(yi)提(ti)示(shi)駕(jia)駛(shi)員(yuan)加(jia)注(zhu)氫(qing)氣(qi)。其(qi)次(ci)
，駕(jia)駛(shi)員(yuan)可(ke)根(gen)據(ju)儀(yi)表(biao)盤(pan)上(shang)的(de)壓(ya)力(li)讀(du)數(shu)判(pan)斷(duan)氫(qing)氣(qi)罐(guan)是(shi)否(fou)有(you)泄(xie)漏(lou)發(fa)生(sheng)。

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。

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。

燃料電池汽車的碰撞安全性問題

燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)汽(qi)車(che)存(cun)在(zai)高(gao)壓(ya)氣(qi)體(ti)容(rong)器(qi)和(he)高(gao)電(dian)壓(ya)電(dian)池(chi)，因(yin)此(ci)它(ta)也(ye)存(cun)在(zai)不(bu)同(tong)於(yu)傳(chuan)統(tong)汽(qi)車(che)的(de)安(an)全(quan)碰(peng)撞(zhuang)性(xing)問(wen)題(ti)，同(tong)時(shi)由(you)於(yu)氫(qing)的(de)各(ge)種(zhong)內(nei)在(zai)特(te)性(xing)
，其(qi)安(an)全(quan)性(xing)也(ye)是(shi)一(yi)項(xiang)挑(tiao)戰(zhan)。針(zhen)對(dui)氫(qing)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)汽(qi)車(che)的(de)結(jie)構(gou)特(te)點(dian)
，提(ti)出(chu)了(le)氫(qing)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)汽(qi)車(che)存(cun)在(zai)的(de)碰(peng)撞(zhuang)安(an)全(quan)性(xing)問(wen)題(ti)。與(yu)氫(qing)安(an)全(quan)相(xiang)關(guan)的(de)主(zhu)要(yao)存(cun)在(zai)兩(liang)個(ge)問(wen)題(ti)：

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(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(zai)空(kong)氣(qi)中(zhong)，氫(qing)的(de)燃(ran)燒(shao)範(fan)圍(wei)很(hen)寬(kuan)，且(qie)著(zhe)火(huo)點(dian)很(hen)低(di)
，氫(qing)氣(qi)火(huo)焰(yan)幾(ji)乎(hu)是(shi)看(kan)不(bu)到(dao)的(de)，因(yin)為(wei)在(zai)可(ke)見(jian)光(guang)範(fan)圍(wei)內(nei)，燃(ran)燒(shao)的(de)氫(qing)放(fang)出(chu)的(de)能(neng)量(liang)很(hen)少(shao)。因(yin)此(ci)接(jie)近(jin)氫(qing)氣(qi)火(huo)焰(yan)的(de)人(ren)可(ke)能(neng)不(bu)知(zhi)道(dao)火(huo)焰(yan)的(de)存(cun)在(zai)，從(cong)而(er)增(zeng)加(jia)了(le)危(wei)險(xian)性(xing)。

(2) qingqiguanbaohu。gaoyaqingqiguandegudingzhijiahegangdaiyingyouzugoudeqiangdu，yibaozhengzaipengzhuangguochengzhong
，gaoyaqingqiguandedongtaiweiyibuhuitaida
，bimianzaochenglianjieguanludeduanlie、變形和氫氣的大量泄漏。何健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。

圖2：氫氣罐保護係統

汽車發生氫氣泄露時的安全性分析

renheranliaodeanquanxingdouyuqibenshendexingzhimiqiexiangguan。qingdeteshuxingzhishideqingdeanquanxingyoubushaotedian。raneryuqitaranliaoxiangbi，qingqishiyizhonganquanxingbijiaogaodeqiti。liruqingqiwudu，qingqizaikaifangdedaqizhong
，henrongyikuaisutaoyi

，erbuxiangqiyouhuifahou，zhiliuzaikongjianzhongbuyishusan。

邁阿密大學的 MICHAEL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。

圖3：燃料電池汽車和汽油汽車的燃燒對比試驗

如(ru)果(guo)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)汽(qi)車(che)發(fa)生(sheng)車(che)內(nei)氫(qing)氣(qi)泄(xie)露(lu)
，也(ye)存(cun)在(zai)一(yi)定(ding)的(de)危(wei)險(xian)性(xing)，劉(liu)延(yan)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) 以(yi)及(ji)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)汽(qi)車(che)的(de)安(an)全(quan)設(she)計(ji)提(ti)供(gong)參(can)考(kao)。在(zai)車(che)內(nei)發(fa)生(sheng)氫(qing)氣(qi)泄(xie)露(lu)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，整(zheng)車(che)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)能(neng)通(tong)過(guo)車(che)上(shang)安(an)裝(zhuang)的(de)氫(qing)氣(qi)傳(chuan)感(gan)器(qi)信(xin)號(hao)將(jiang)氫(qing)氣(qi)供(gong)應(ying)係(xi)統(tong)切(qie)斷(duan)，這(zhe)一(yi)點(dian)與(yu)傳(chuan)統(tong)汽(qi)車(che)在(zai)發(fa)生(sheng)碰(peng)撞(zhuang)情(qing)況(kuang)下(xia)自(zi)動(dong)切(qie)斷(duan)油(you)路(lu)係(xi)統(tong)一(yi)樣(yang)，以(yi)保(bao)障(zhang)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)汽(qi)車(che)發(fa)生(sheng)車(che)內(nei)氫(qing)氣(qi)泄(xie)露(lu)時(shi)的(de)安(an)全(quan)。

圖4：氫氣泄漏報警儀位置布置示意圖

tongguoduiwenxiandetiaoyanheshijianjingyanduiranliaodianchiqichedeqinganquanwentijinxinglechubutantao。faxianqinganquandewentizaiguojishangyiyoujiaoduodelilunxingyanjiu
，youqishichuqinghechezaigaoyaqingqixitongshejifangmiandeyanjiujiaoduo，danshiqinganquandeshiyanquehenshao
，qiehaibunengshixianlianghua。zhejiudaozhilerenmenduiqinganquanxingderenshibuzu，qinganquanyeyincichengweileranliaodianchiqichezaiyingyongshangdepingjingzhiyi。weilexiaochuzhegepingjingdailaidefumianyingxiang，jinhouwoguoyaojiaqiangchezaiqinganquanyanjiu

，baokuoshiyanyanjiuhejisuanjimoniyanjiudeng
，tongshishejigengyouxiaodeanquancuoshi
，baozhangranliaodianchiqichedeqinganquan，yijiasuranliaodianchiqichedefazhan。