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　　隨著中國新能源汽車的深入發(fā)展，氫燃料電池汽車的前景逐漸清晰，越來越多的人相信，中國氫燃料電池汽車將首先應(yīng)用于商用車領(lǐng)域，尤其是客車和物流車的應(yīng)用。2017年10月20日，科技部部長萬鋼來到北京億華通科技股份有限公司，參觀了配套億華通技術(shù)的福田歐輝全系列氫燃料電池客車。萬鋼部長十分看好氫燃料電池客車在遠(yuǎn)程公交領(lǐng)域的發(fā)展前景。

　　但也有不少的公交客運(yùn)物流企業(yè)對氫燃料電池客車的安全性有所顧慮。國內(nèi)航天專家靳殷實(shí)在近日接受客車網(wǎng)采訪時表示，現(xiàn)在很多車企都在研制燃料電池汽車，因此，氫燃料電池汽車的安全性研究更要加強(qiáng)，中國客車不能再重復(fù)電動化過程中“先進(jìn)入后提高”、“先上馬后治理”的現(xiàn)象，否則就會出現(xiàn)低端重復(fù)制造、企業(yè)扎堆競爭的老路子。

　　氫燃料技術(shù)：汽車與航天技術(shù)擦出的火花

　　從國際上來看，目前豐田、本田、日產(chǎn)、現(xiàn)代在氫燃料電池汽車研發(fā)生產(chǎn)方面走在了世界前列，寶馬、凱迪拉克等也在推進(jìn)，近些年美國Van Hool、New Flyer、德國奔馳戴姆勒、日本豐田和日野都有氫燃料電池客車上路運(yùn)營。

　　在國內(nèi)，2008年北京奧運(yùn)會期間，福田歐輝與清華大學(xué)億華通團(tuán)隊合作的3輛氫燃料電池客車參與示范;2010年上海世博會期間，清華大學(xué)與億華通團(tuán)隊、同濟(jì)大學(xué)與上汽合作的各3輛申沃氫燃料電池客車參與示范，2010年新加坡青奧會期間，海格和清華大學(xué)億華通團(tuán)隊合作的1輛氫燃料電池客車參與示范。

　　2016年佛山飛馳客車與廣東國鴻、億華通等合作的28輛氫燃料電池客車在云浮、三水開始掛牌運(yùn)營;2016年，福田歐輝氫燃料電池客車獲得某運(yùn)營企業(yè)100臺訂單，這是全球迄今為止最大的商業(yè)化訂單，2017年-2018年，歐輝氫燃料電池客車將在張家口開始運(yùn)營。

　　據(jù)客車網(wǎng)了解，截止2017年10月第300批工信部公告，已經(jīng)通過工信部產(chǎn)品公告的客車企業(yè)有宇通、福田、金旅、申龍、南京金龍、青年、飛馳等;輕客品牌有上海大通;物流車品牌有東風(fēng)、青年。

　　此外，中植、中通、申沃、揚(yáng)子江、五洲龍、陸地方舟、沂星等客車企業(yè)的氫燃料電池樣車先后亮相，青年、重汽、聯(lián)孚等客車企業(yè)也都紛紛宣布有樣車問世。

　　其實(shí)，早在上個世紀(jì)60年代，氫燃料電池就已經(jīng)成功地應(yīng)用于航天領(lǐng)域。往返于太空和地球之間的“阿波羅”飛船就安裝了這種體積小、容量大的裝置。進(jìn)入20世紀(jì)70年代以后，隨著燃料電池技術(shù)成熟，氫燃料電池很快被運(yùn)用于發(fā)電和汽車。

　　北京航天發(fā)射技術(shù)研究所與長征火箭工業(yè)有限公司就是在這種情況下，利用技術(shù)優(yōu)勢，共同設(shè)立了航天新長征電動汽車技術(shù)有限公司，公司依托15所與長征火箭公司多年積累的航天應(yīng)用技術(shù)能力，致力于燃料電池、新能源專用車、新能源汽車零部件等項目與產(chǎn)品的運(yùn)營。

　　靳殷實(shí)是這家公司的首席專家，他的身份還包括中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究員、全國燃料電池及液流電池標(biāo)委會委員、全國汽車標(biāo)委會燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)工作組成員等。

　　從航天專家轉(zhuǎn)向氫燃料汽車專家，靳殷實(shí)積極響應(yīng)國家新能源戰(zhàn)略，跟隨國家產(chǎn)業(yè)政策和市場需求，充分發(fā)揮自身的技術(shù)優(yōu)勢，力爭在新能源汽車及零部件行業(yè)中貢獻(xiàn)自己的知識和力量。

　　靳殷實(shí)告訴客車網(wǎng)：氫是易燃易爆化學(xué)危險品，但氫燃料電池汽車本身是安全的。

　　不過，靳殷實(shí)認(rèn)為，氫安全的問題，不但需要汽車企業(yè)深入了解，也需要對用戶進(jìn)行科普。下文的內(nèi)容，就是客車網(wǎng)根據(jù)靳殷實(shí)研究員的訪談，結(jié)合他的演講內(nèi)容和研究成果，整理而成：

　　氫易燃易爆，但它是風(fēng)險可控相對安全的燃料

　　靳殷實(shí)介紹，氫氣是易燃易爆危險品，它無色無味，所以人類感官無法對其泄露有所警覺，但它又是一種風(fēng)險可控的燃料。因此氫燃料電池汽車的安全主要包括三個方面：機(jī)械及結(jié)構(gòu)方面的安全、電安全、氫安全。

　　根據(jù)上圖所示的氫氣特性，氫氣的可燃范圍為4-75vol%，爆炸范圍為18-59vol%，點(diǎn)火能量為0.02mj。結(jié)合以往氫氣事故研究，靳殷實(shí)向客車網(wǎng)介紹，當(dāng)儲氫氣的壓力容器受熱，氫氣壓力超過容器材料最大壓力極限時，會引起容器爆裂，因此，儲氫氣的壓力容器必須要始終處于安全狀態(tài)。

　　另外，氫氣不允許泄露。當(dāng)空氣中氫的濃度達(dá)到4%-75%的時候，施加靜電、明火或混合空氣溫度達(dá)到攝氏527°及以上時，氫氣會發(fā)生爆炸。

　　燃料電池儲氫方式有三種：高壓儲氫、液氫、金屬氫化物(如下圖)

　　附：

　　氫燃料電池汽車，廠家和用戶都要學(xué)的安全問題，涉及到國家標(biāo)準(zhǔn)的，重點(diǎn)有以下方面：

　　首先在加氫過程中的安全

　　靳殷實(shí)向客車網(wǎng)介紹，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《燃料電池電動汽車 加氫口》方面的要求如下：

　　5.1一般要求

　　5.1.1接口型式及尺寸應(yīng)符合4.1的要求。

　　5.1.2加氫口應(yīng)符合GB/T 24549--2009中4.2.2的有關(guān)規(guī)定。

　　5.1.3加氫口應(yīng)有防止水和灰塵進(jìn)人接口并能防止接口損傷的防塵蓋，應(yīng)有防止防塵蓋丟失的裝置。

　　5.1.4加氫口應(yīng)有接地連接裝置，除非車輛上有其他能消除靜電的措施。

　　5.1.5加氫口應(yīng)有防止壓力超過標(biāo)稱壓力的壓縮氫氣通過加氫口的功能。

　　5.1.6加氫口與氫接觸的材料應(yīng)與氫兼容，在設(shè)計的使用壽命期限內(nèi)，不會發(fā)生氫脆現(xiàn)象。

　　《燃料電池電動汽車 安全要求》安全要求如下：

　　氣密性：按6.3規(guī)定的方法進(jìn)行氣密性試驗，用檢漏液檢查如果1 分鐘之內(nèi)無氣泡產(chǎn)生則為合格。

　　耐溫性：按6.4規(guī)定的方法進(jìn)行耐溫性試驗后其氣密性應(yīng)符合5.2.1的要求。

　　相容性：加氫口與氫氣接觸的非金屬零件，按6.5規(guī)定的方法進(jìn)行相容性試驗后，其體積膨脹率應(yīng)不大于25%，體積收縮率應(yīng)不大于10%，質(zhì)量變化率應(yīng)不大于10%。

　　耐氧老化性：加氫口與氫氣接觸的非金屬零件，按6.6規(guī)定的方法進(jìn)行耐氧老化性試驗后，不應(yīng)出現(xiàn)變形、變質(zhì)、斑點(diǎn)及裂紋等現(xiàn)象。

　　液靜壓強(qiáng)度：加氫口的承壓零件按6.7規(guī)定的方法進(jìn)行液靜壓強(qiáng)度試驗后，應(yīng)不出現(xiàn)任何裂紋、永久變形。

　　耐振性：加氫口按6.8規(guī)定的方法進(jìn)行耐振性試驗后，所有連接件不應(yīng)松動，其氣密性應(yīng)符合5.2.1的要求。

　　耐異常壓力：加氫口按6.9規(guī)定的方法進(jìn)行耐異常壓力試驗后，所有連接件不應(yīng)松動，其氣密性應(yīng)符合5.2.1的要求。

　　耐久性：加氫口的單向閥完成耐溫性試驗后，按6.10規(guī)定的方法再進(jìn)行耐久性試驗，試驗后不應(yīng)出現(xiàn)異常磨損，且應(yīng)符合5.2.1氣密性的要求。

　　在供氫系統(tǒng)方面，氫氣溫度、充裝速率會有如下影響：

　　氣瓶在進(jìn)行充裝時,氫氣從加氫站固定容器以很快的流速充入車載儲氫氣瓶,氣瓶內(nèi)氫氣溫度由于受到壓縮而升高。溫升大小受充裝速率的影響較大,如果在很短的時間內(nèi)充裝完畢,氣瓶內(nèi)氣體的溫升很大,中心溫度會超過100℃甚至200℃,因此需要對充裝速率進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和控制。

　　正在編寫的《燃料電池汽車加氫接口通信協(xié)議》

　　若車輛接到動態(tài)加注命令，且以下數(shù)據(jù)均滿足各自數(shù)據(jù)的完整性檢查和加注方案檢查，則加氫機(jī)執(zhí)行動態(tài)通信加注;最多傳遞8個信號——7個已要求信號，1個可選信號(可同時處理復(fù)合數(shù)據(jù))。

　　ID: 協(xié)議標(biāo)識符

　　VN: 版本序列

　　RT: 接口類型

　　TV: 氫瓶容積

　　FC: 加注命令

　　MT: 測量溫度

　　MP: 測量壓力

　　在供氫系統(tǒng)，氣瓶共分四個類型:

　　Ⅰ型(全金屬氣瓶)、

　?、蛐?金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞氣瓶)、

　?、笮?金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶)

　　Ⅳ型(非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶)。

　?、裥秃廷蛐蜌馄恐厝荼容^大,難以滿足單位質(zhì)量儲氫密度的要求,用于車載供氫系統(tǒng)并不理想。Ⅳ型氣瓶在高壓下,氣體易從非金屬內(nèi)膽向外滲透, 且金屬閥座與非金屬結(jié)構(gòu)的連接強(qiáng)度難以保。我國已發(fā)生多起Ⅳ型氣瓶爆炸事故。

　?、笮?金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶)鋁合金內(nèi)膽纖維全纏繞高壓氫氣瓶所使用的材料主要有:鋁合金、碳纖維、玻璃纖維及樹脂。鋁合金內(nèi)膽的主要用氣體密封并作為纖維纏繞的芯軸,承受一定的纏繞張力。金屬材料在常溫高壓氫氣條件下易發(fā)生氫脆。

　　碳纖維-樹脂復(fù)合層是氣瓶的主要承載結(jié)構(gòu),玻璃纖維-樹脂復(fù)合層作為外保護(hù)層主要用于承受外部沖擊載荷。樹脂作為基體材料,其功能是粘結(jié)增強(qiáng)體并傳遞應(yīng)力和起抗剪切的作用。車用儲氫氣瓶中,纖維纏繞高壓氫氣瓶具有承壓能力高、質(zhì)量輕、耐腐蝕性強(qiáng)比強(qiáng)度和比剛度高等優(yōu)良性能成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

　　關(guān)于供氫系統(tǒng)安全

　　根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，《燃料電池電動汽車 車載氫系統(tǒng)技術(shù)條件》供氫系統(tǒng)需要開展以下測試：

　　常溫壓力循環(huán)試驗

　　未爆先漏試驗

　　槍擊試驗

　　極端溫度壓力循環(huán)試驗

　　環(huán)境試驗

　　加速應(yīng)力爆破試驗

　　跌落試驗

　　當(dāng)氣瓶遭受尖銳高速物體(如槍彈)沖擊時,會發(fā)生纖維斷裂,導(dǎo)致纖維-樹脂增強(qiáng)層強(qiáng)度儲備降低,氣瓶存在爆破的危險。因此,進(jìn)行槍擊試驗以檢驗氣瓶遭受尖銳高速物體撞擊時能否保持完整而不發(fā)生爆炸。

　　極端溫度壓力循環(huán)試驗用于檢驗汽車在不同地域行駛時的極端溫度條件對氣瓶疲勞壽命和爆破壓力的影響。

　　未爆先漏是在氣瓶設(shè)計需要遵循的重要設(shè)計準(zhǔn)則。

　　具體來講,氣瓶的破壞應(yīng)首先發(fā)生在鋁內(nèi)膽,鋁內(nèi)膽發(fā)生破壞后,氣體穿過鋁內(nèi)膽迅速地擠壓纖維樹脂復(fù)合層,發(fā)生泄漏,但不導(dǎo)致氣瓶的整體爆破。

　　加速應(yīng)力爆破試驗(上述第5條)

　　加速應(yīng)力爆破試驗主要考察氣瓶在長時間高溫下工作對氣瓶爆破壓力的影響。氣瓶長時間在高溫下工作,性能會因為材料性能尤其是樹脂材料性能的下降而下降。

　　跌落試驗(上述第6條)

　　氣瓶在運(yùn)輸、安裝及使用中可能跌落或受到碰撞等,影響氣瓶的性能。因此,有必要進(jìn)行跌落試驗以檢驗氣瓶抗撞擊的能力。

　　壓縮氫氣儲存系統(tǒng)

　　根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，《燃料電池電動汽車 安全要求》需要進(jìn)行以下試驗：

　　關(guān)于燃料電池發(fā)動機(jī)的安全

　　根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《燃料電池電動汽車 燃料電池堆安全要求》，在燃料電池發(fā)動機(jī)方面，

　　通用要求

　　1 燃料電池堆應(yīng)有必要防護(hù)， 防止其部件與外部高溫部件或環(huán)境接觸。燃料電池堆外殼應(yīng)避免容易對人體產(chǎn)生危害的結(jié)構(gòu)。

　　2 當(dāng)燃料電池堆中含有易燃、 易爆氣體或有害物質(zhì)時， 在易見位置清楚標(biāo)注出來。

　　3 燃料電池堆中應(yīng)用的材料對工作環(huán)境要有一定的耐受性，燃料電池堆的工作環(huán)境包括振動、 沖擊、多變的溫濕度、電勢以及腐蝕環(huán)境; 在易發(fā)生腐蝕、 摩擦的部位應(yīng)采取必要的防護(hù)措施。

　　4 對燃料電池堆反應(yīng)氣和冷卻液的進(jìn)口或出口溫度、壓力或流量等其他相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測或者計算。

　　5 對燃料電池堆的電壓、或者電流進(jìn)行監(jiān)測或者計算。

　　機(jī)械結(jié)構(gòu)安全要求

　　燃料電池堆安裝固定后，在三個軸向： X向、 Y向、 Z向上應(yīng)能夠承受5.0 g的沖擊加速度， 承受沖擊之后，燃料電池堆機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)不發(fā)生損壞， 并能夠正常工作， 氣密性應(yīng)滿足4.3.1和4.3.2的要求，絕緣性應(yīng)滿足4.4.1的要求。

　　機(jī)械沖擊脈沖采用半正弦波形、 持續(xù)時間15 ms， 每個方向各進(jìn)行一次。

　　(注： X向是車輛前進(jìn)方向， Y向是側(cè)向， Z向是垂直方向。)

　　氣密性安全要求

　　1 燃料電池堆氣密性安全要求

　　燃料電池堆處于冷態(tài)， 關(guān)閉燃料電池堆的氫氣排氣端口、空氣排氣端口和冷卻液出口，同時向氫氣流道、空氣流道和冷卻液流道加注氦氮混合氣體， 氦氣濃度不低于10%，壓力均設(shè)定在正常工作壓力(表壓) ，壓力穩(wěn)定后關(guān)閉進(jìn)氣閥門，保壓20 min。保壓結(jié)束后氣體壓力值不得低于初始壓力的85%。

　　(注： 該條款不適用于風(fēng)冷燃料電池堆。)

　　2 燃料電池堆外殼密封安全要求

　　如果燃料電池堆單獨(dú)密封但非氣密性外殼， 要有防止氫氣在殼內(nèi)積聚的措施， 如強(qiáng)制通風(fēng)等將積聚的氫氣排出， 并在合理位置加裝氫濃度傳感器，氫氣的積聚濃度不能超過25% LFL。

　　燃料電池堆

　　在整車方面，《燃料電池電動汽車 安全要求》也提出了具體的要求

　　B1.1 加氫口

　　(1)加氫口應(yīng)能防止壓縮氫氣倒流至大氣。

　　(2)加氫口標(biāo)志檢查：應(yīng)在靠近加氫口處，設(shè)有標(biāo)志，標(biāo)志應(yīng)包含以下信息：

　　燃料類型、公稱工作壓力、氣瓶報廢日期。

　　(3)加氫口應(yīng)有必要的防護(hù)裝置，防止灰塵、水等異物進(jìn)入加氫口內(nèi)。

　　B1.2 氫排放系統(tǒng)

　　B1.2.1 超壓泄放系統(tǒng)(C6試驗方法)

　　(1)在連接溫度驅(qū)動壓力泄放裝置(TPRD)和壓力驅(qū)動泄放裝置(PRD)釋放管路的出口處采取必要的保護(hù)措施，防止在使用過程中被異物堵塞，影響氣體釋放。例如：可以加蓋一個管帽。

　　(2)通過溫度驅(qū)動壓力泄放裝置(TPRD)釋放的氫氣，不應(yīng)：

　?、? 流入封閉空間或半封閉空間

　?、? 流入或流向任一車輪罩

　　ⅲ. 流向氫氣瓶

　　(3)通過壓力泄放裝置(如爆破片)釋放的氫氣，不應(yīng)：

　　ⅰ. 流向裸露的電氣端子、電氣開關(guān)或其它引火源

　?、? 流向或流入乘客艙或貨艙

　　ⅲ. 流向或流入任一汽車輪罩

　?、? 流向氫氣瓶

　　B1.2.2 燃料電池/車輛排氣系統(tǒng)

　　在汽車排氣系統(tǒng)的排氣測量點(diǎn)處，氫氣濃度應(yīng)滿足以下兩項要求：

　　(1)在進(jìn)行正常操作(包括開車和停車)時，任意3 s中內(nèi)的平均氫氣濃度不超過4%(體積濃度)，(2)在任何瞬時氫氣濃度不大于8%(體積濃度)(C4試驗方法)。

　　B1.3氫氣泄露情況下的火災(zāi)防護(hù)

　　B1.3.1 儲氫系統(tǒng)泄漏或滲透的氫燃料，不應(yīng)直接排到乘客艙、行李艙、貨艙，或者車輛中 任何存在未受保護(hù)潛在火源的封閉空間或半封閉空間。

　　B1.3.2 任何發(fā)生在主截止閥下游的單點(diǎn)泄露不應(yīng)導(dǎo)致乘客艙內(nèi)氫氣的體積濃度大于4%。

　　B1.3.3 如果在汽車運(yùn)行過程中，某單點(diǎn)泄露導(dǎo)致封閉空間或半封閉空間內(nèi)氫氣的體積濃度大于2±1%，應(yīng)該發(fā)出警報，濃度大于3±1%，則應(yīng)關(guān)閉主截止閥停止氫氣供應(yīng)。

　　B1.4 燃料系統(tǒng)泄漏

　　加氫管路和主截止閥下游的氫系統(tǒng)不應(yīng)存在泄漏。應(yīng)在1.15倍NWP下進(jìn)行該驗證(C5試驗方法)。

　　B1.5 報警裝置

　　報警裝置應(yīng)通過警報燈或具有下列特性的文字顯示對駕駛員發(fā)出警報：

　　(1)坐在駕駛座位的駕駛員應(yīng)能夠看到警報，不應(yīng)受天氣和時間的影響。

　　(2)當(dāng)檢測系統(tǒng)檢測到氫泄漏時，大于2%警報應(yīng)為黃色;當(dāng)出現(xiàn)B1.3.3中的泄漏情況時，大于3%，警報應(yīng)為紅色。

　　(3)在車輛運(yùn)行過程中或燃料電池汽車啟動狀態(tài)過程中，當(dāng)車內(nèi)封閉空間或半封閉空間內(nèi)出現(xiàn)氫氣濃度超過2%的泄漏情況時，警報應(yīng)保持亮起。

　　(4)當(dāng)大于3%泄漏報警發(fā)生后，泄漏濃度低于報警值時，只有在下次燃料電池系統(tǒng)啟動時才能復(fù)位報警狀態(tài)，取消報警。

　　(5)車內(nèi)安裝的氫濃度監(jiān)測設(shè)備精度應(yīng)高于1%vol。

　　B2 碰撞后燃料系統(tǒng)的安全要求

　　B2.1 燃料泄漏極限：采用壓縮氣態(tài)儲氫形式的汽車，在發(fā)生碰撞后的60 min之內(nèi)，燃料系統(tǒng)的平均氫氣泄漏率不應(yīng)超過118 NL/min。

　　B2.2 封閉空間濃度極限：采用壓縮氣態(tài)儲氫形式的車輛，碰撞后的氫燃料泄漏不應(yīng)使乘客艙、行李艙或貨艙內(nèi)的氫氣濃度超過4%(體積濃度)。

　　附 國家相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)：

　　以安全為主要要求的燃料電池相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)如下：

　　氫系統(tǒng)安全的基本要求(GB/T 29729-2013 )

　　移動式加氫設(shè)施安全技術(shù)規(guī)范(GB/T 31139-2014 )

　　氫氧發(fā)生器安全技術(shù)要求(GB/T 34539-2017))

　　加氫站安全技術(shù)規(guī)范(GB/T 34584-2017)

　　加氫站用儲氫裝置安全技術(shù)要求(GB/T 34583-2017)

　　氫能車輛加氫設(shè)施安全運(yùn)行管理規(guī)程(GB/Z 34541-2017)

　　小型燃料電池車用低壓儲氫裝置安全試驗方法(GB/T 34544-2017)

　　燃料電池電動汽車 燃料電池堆 安全要求(報批中)

　　燃料電池電動汽車 安全要求(修訂GB/T 24549-2009)

　　工業(yè)起升車輛用燃料電池發(fā)電系統(tǒng) 第1部分：安全(GB/T31037.1-2014)

　　(注：本文圖片和附錄內(nèi)容均由靳殷實(shí)研究員提供)