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[摘 要]在分析氢燃料电池汽车氢系统安全问题的基础上，本文从安全防护体系构建、氢系统安全监控和碰撞安全防护三个层面对氢燃料电池汽车氢系统安全防控措施展开了研究。
[关键词]氢燃料电池；汽车氢系统；安全防控
中图分类号：P272 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）44-0228-01
引言：作为新生事物，氢燃料电池汽车在推广的过程中遭遇了人们对汽车氢系统安全问题的偏见，认为该类汽车安全风险比传统燃油汽车要高。针对这一情况，除了加强宣传、教育和引导，还要正视氢燃料电池汽车氢系统安全问题，提出有效的安全防控措施，继而更好的进行氢燃料电池汽车的推广。
1氢燃料电池汽车氢系统安全问题
氢燃料电池汽车以氢气为燃料，而在空气中，氢气拥有较宽的燃烧范围。在体积比浓度在4%-75%的范围内时，氢气都能燃烧。作为易燃易爆品，氢气的爆炸范围在18-59%之间。而氢气具有无色无味的特点，即便发生泄漏也难以依靠感官察觉，所以给氢燃料电池汽车带来了一定的安全风险。但实际上，氢气为最轻的气体，在空气中将迅速扩散，其向上扩散速度接近20m/s，为氮气的2倍，是天然气的6倍。只有受到场所限制，氢气难以得到扩散才会发生爆炸。在开放空间内，氢气的扩散系数为汽油的12倍，汽油的爆炸能量则为相同体积氢气的22倍，因此氢气危险程度远低于汽油。但在氢燃料电池汽车上，氢气赋存在氢系统中，系统由高压储氢瓶和氢气管路等结构构成。如果氢气压力超出储氢瓶最大压力极限，就会发生系统爆裂[1]。因此在对氢燃料电池汽车的氢安全性进行分析时，主要是针对氢系统存在的安全问题进行控制和预防。
2氢燃料电池汽车氢系统的安全防控
2.1系统安全体系
如图1所示，为氢燃料电池汽车氢系统安全防护体系的功能框图。在该体系中，包含安全阀、碰撞传感器、压力传感器、泄压球阀、排空管、手动截止阀、温度传感器等器件，能够结合设定的防护值对氢系统进行监控，一旦发现异常情况就会利用控制器相各安全设施传递信息，继而加强汽车安全防护。其中，安全阀用于气瓶控制，能够在储氢瓶压力超出设定值时实现自动泄压。例如，在瓶体温度突然升高的情况下，瓶中气体压力将得到提升，导致瓶压超出安全范围，安全阀就会自动开启泄压，使气瓶压力保持在安全范围内。温度传感器用于进行氢系统温度检测，根据检测结果能够对系统是否异常进行判断。如果系统温度突然上升，意味气瓶周围可能发生火警，需要利用控制器报警。气瓶电磁阀为气瓶开关，与泄露报警系统联动。系统通电工作时，电磁阀开启，一旦发现氢气泄露且浓度超出保护值将自动关闭，从而将氢源切断。在系统无电源时，电磁阀处于常闭状态。如果电磁阀失效，可以利用手动截止阀将氢源切断，所以手动截止阀一般为常开状态。在对储氢瓶内剩余氢气量进行判断时，可以采用压力传感器。如果剩余量低于设定值，将会发出加氢提示。加气口为单向阀，在损坏时可以避免气体向外泄露。在充气过程中，利用管路电磁阀，可以防止气体进入燃料电池。利用减压阀，能够将压力调制电池需要范围，并在压力异常时联合针阀、安全阀将残余氢气放空。在高压储氢瓶内，设置有热溶栓，能够避免气瓶在周边着火时发生爆炸。因为在温度较高情况下，瓶内热熔栓将熔化，促使氢气以较低流速释放，因此氢气只能缓慢燃烧，能够有效避免爆炸的产生。
图1 氢燃料电池汽车氢系统安全防护体系的功能框图
2.2系统安全监控
在氢系统安全防控方面，还要通过加强监控保证系统安全。具体来讲，就是要对氢燃料电池汽车的储氢瓶、燃料电池发动机系统、乘客舱等部分进行监控，确认是否发生了氢气泄露、温度升高、压力升高等问题，以保障汽车加氢、用氢安全。从监控系统组成上来看，包含氢气泄露传感器、压力传感器、温度传感器等，能够实现对整车运行状况和氢系统状态的监控[2]。一旦发现异常，通过及时关闭氢系统，则能保证车辆安全。在氢气泄露监控方面，需要对车内氢含量进行实时监测，一旦得到的氢气体积浓度检测结果超出氢爆炸下限，监控器将发出报警。在检测的氢气泄露量分别为0.4%、1%、2%时，监控器将分别发出I级、II级、III级报警信号。其中，I级为长时间亮黄灯，II级为长时间亮红灯，III级为长时间亮红灯+声音警示，同时关闭电磁阀。在汽车加氢过程中，需要加强瓶内压力监控，如果超出设定值将向管路系统和加氢机发送报警和停止加氢的信号。如果监测到氢系统温度超出设定值范围，会发出报警信号，并關闭电磁阀，提示驾驶员采取措施。此外，针对供氢管路会进行压力监控，如果管路压力超出设定范围，将发送报警信号和关断电磁阀。
2.3系统安全防护
在汽车行驶的过程中，可能发生碰撞。而对于氢燃料电池汽车来讲，一旦碰撞造成氢系统破裂，就会给汽车运行带来安全威胁。所以，还要加强氢系统安全防护，保证储氢瓶、燃料电池堆、氢气管路和各类阀门等关键部位在汽车碰撞发生时能够得到有效保护。为达成这一目标，除了选用防撞能力较强的材料进行系统研制，还要合理实现氢系统布置，同时采用有效的固定保护和碰撞安全防护措施。通常的情况下，储氢瓶都安装在车辆前置顶部，燃料电池模块位于后置顶部。在储氢瓶与燃料电池中间，需要利用管路连接。而将管路设置在汽车顶部，则能确保一旦泄露发生氢气能够迅速排放至大气中。作为重要的储能部件，储氢瓶为安全隐患的根源。在储氢瓶安装时，需要利用高强度的固定支架对氢瓶组、管路和氢瓶阀进行集成，利用钢带提供支撑，以免氢系统在碰撞过程中发生较大移位，导致氢气因管路断裂或瓶破裂而泄露。而在氢燃料电池汽车研发过程中，还要加强实车带压前碰和零压后碰测试，对汽车侧翻状态下燃料电池和氢系统的动态位移和加速度进行仿真分析，确定系统安全性能否达到要求[3]。此外，在整车上需要安装多个惯性开关，以便在汽车发生碰撞时能够将信号及时传递至氢系统控制器，立即将储氢瓶阀门关闭。
结论：通过研究可以发现，在氢燃料电池汽车推广过程中，汽车氢系统安全问题得到了突显。想要保证汽车安全运行，还要加强对氢系统安全防控措施的研究，以便采取有效措施解决汽车安全问题。具体可以通过构建安全防护体系、加强系统监控和强化碰撞安全防护为系统提供全方位安全保障，有效降低汽车氢气泄露或爆炸的几率，为汽车推广应用奠定良好基础。
参考文献：
[1]杨德虎，胡奕.关于创建新能源汽车安全检验平台的研究分析[J].科技创新与应用，2017（09）：300.
[2]肖献法.工信部要求：切实加强新能源汽车生产与运行安全——新生产的新能源客车暂按《电动客车安全技术条件》执行[J].商用汽车，2016（12）：24-26.
[3]张志勇.不能忽视的新能源汽车安全[J].中国经济周刊，2017（19）：71-73.
[关键词]氢燃料电池；汽车氢系统；安全防控
中图分类号：P272 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）44-0228-01
引言：作为新生事物，氢燃料电池汽车在推广的过程中遭遇了人们对汽车氢系统安全问题的偏见，认为该类汽车安全风险比传统燃油汽车要高。针对这一情况，除了加强宣传、教育和引导，还要正视氢燃料电池汽车氢系统安全问题，提出有效的安全防控措施，继而更好的进行氢燃料电池汽车的推广。
1氢燃料电池汽车氢系统安全问题
氢燃料电池汽车以氢气为燃料，而在空气中，氢气拥有较宽的燃烧范围。在体积比浓度在4%-75%的范围内时，氢气都能燃烧。作为易燃易爆品，氢气的爆炸范围在18-59%之间。而氢气具有无色无味的特点，即便发生泄漏也难以依靠感官察觉，所以给氢燃料电池汽车带来了一定的安全风险。但实际上，氢气为最轻的气体，在空气中将迅速扩散，其向上扩散速度接近20m/s，为氮气的2倍，是天然气的6倍。只有受到场所限制，氢气难以得到扩散才会发生爆炸。在开放空间内，氢气的扩散系数为汽油的12倍，汽油的爆炸能量则为相同体积氢气的22倍，因此氢气危险程度远低于汽油。但在氢燃料电池汽车上，氢气赋存在氢系统中，系统由高压储氢瓶和氢气管路等结构构成。如果氢气压力超出储氢瓶最大压力极限，就会发生系统爆裂[1]。因此在对氢燃料电池汽车的氢安全性进行分析时，主要是针对氢系统存在的安全问题进行控制和预防。
2氢燃料电池汽车氢系统的安全防控
2.1系统安全体系
如图1所示，为氢燃料电池汽车氢系统安全防护体系的功能框图。在该体系中，包含安全阀、碰撞传感器、压力传感器、泄压球阀、排空管、手动截止阀、温度传感器等器件，能够结合设定的防护值对氢系统进行监控，一旦发现异常情况就会利用控制器相各安全设施传递信息，继而加强汽车安全防护。其中，安全阀用于气瓶控制，能够在储氢瓶压力超出设定值时实现自动泄压。例如，在瓶体温度突然升高的情况下，瓶中气体压力将得到提升，导致瓶压超出安全范围，安全阀就会自动开启泄压，使气瓶压力保持在安全范围内。温度传感器用于进行氢系统温度检测，根据检测结果能够对系统是否异常进行判断。如果系统温度突然上升，意味气瓶周围可能发生火警，需要利用控制器报警。气瓶电磁阀为气瓶开关，与泄露报警系统联动。系统通电工作时，电磁阀开启，一旦发现氢气泄露且浓度超出保护值将自动关闭，从而将氢源切断。在系统无电源时，电磁阀处于常闭状态。如果电磁阀失效，可以利用手动截止阀将氢源切断，所以手动截止阀一般为常开状态。在对储氢瓶内剩余氢气量进行判断时，可以采用压力传感器。如果剩余量低于设定值，将会发出加氢提示。加气口为单向阀，在损坏时可以避免气体向外泄露。在充气过程中，利用管路电磁阀，可以防止气体进入燃料电池。利用减压阀，能够将压力调制电池需要范围，并在压力异常时联合针阀、安全阀将残余氢气放空。在高压储氢瓶内，设置有热溶栓，能够避免气瓶在周边着火时发生爆炸。因为在温度较高情况下，瓶内热熔栓将熔化，促使氢气以较低流速释放，因此氢气只能缓慢燃烧，能够有效避免爆炸的产生。
图1 氢燃料电池汽车氢系统安全防护体系的功能框图
2.2系统安全监控
在氢系统安全防控方面，还要通过加强监控保证系统安全。具体来讲，就是要对氢燃料电池汽车的储氢瓶、燃料电池发动机系统、乘客舱等部分进行监控，确认是否发生了氢气泄露、温度升高、压力升高等问题，以保障汽车加氢、用氢安全。从监控系统组成上来看，包含氢气泄露传感器、压力传感器、温度传感器等，能够实现对整车运行状况和氢系统状态的监控[2]。一旦发现异常，通过及时关闭氢系统，则能保证车辆安全。在氢气泄露监控方面，需要对车内氢含量进行实时监测，一旦得到的氢气体积浓度检测结果超出氢爆炸下限，监控器将发出报警。在检测的氢气泄露量分别为0.4%、1%、2%时，监控器将分别发出I级、II级、III级报警信号。其中，I级为长时间亮黄灯，II级为长时间亮红灯，III级为长时间亮红灯+声音警示，同时关闭电磁阀。在汽车加氢过程中，需要加强瓶内压力监控，如果超出设定值将向管路系统和加氢机发送报警和停止加氢的信号。如果监测到氢系统温度超出设定值范围，会发出报警信号，并關闭电磁阀，提示驾驶员采取措施。此外，针对供氢管路会进行压力监控，如果管路压力超出设定范围，将发送报警信号和关断电磁阀。
2.3系统安全防护
在汽车行驶的过程中，可能发生碰撞。而对于氢燃料电池汽车来讲，一旦碰撞造成氢系统破裂，就会给汽车运行带来安全威胁。所以，还要加强氢系统安全防护，保证储氢瓶、燃料电池堆、氢气管路和各类阀门等关键部位在汽车碰撞发生时能够得到有效保护。为达成这一目标，除了选用防撞能力较强的材料进行系统研制，还要合理实现氢系统布置，同时采用有效的固定保护和碰撞安全防护措施。通常的情况下，储氢瓶都安装在车辆前置顶部，燃料电池模块位于后置顶部。在储氢瓶与燃料电池中间，需要利用管路连接。而将管路设置在汽车顶部，则能确保一旦泄露发生氢气能够迅速排放至大气中。作为重要的储能部件，储氢瓶为安全隐患的根源。在储氢瓶安装时，需要利用高强度的固定支架对氢瓶组、管路和氢瓶阀进行集成，利用钢带提供支撑，以免氢系统在碰撞过程中发生较大移位，导致氢气因管路断裂或瓶破裂而泄露。而在氢燃料电池汽车研发过程中，还要加强实车带压前碰和零压后碰测试，对汽车侧翻状态下燃料电池和氢系统的动态位移和加速度进行仿真分析，确定系统安全性能否达到要求[3]。此外，在整车上需要安装多个惯性开关，以便在汽车发生碰撞时能够将信号及时传递至氢系统控制器，立即将储氢瓶阀门关闭。
结论：通过研究可以发现，在氢燃料电池汽车推广过程中，汽车氢系统安全问题得到了突显。想要保证汽车安全运行，还要加强对氢系统安全防控措施的研究，以便采取有效措施解决汽车安全问题。具体可以通过构建安全防护体系、加强系统监控和强化碰撞安全防护为系统提供全方位安全保障，有效降低汽车氢气泄露或爆炸的几率，为汽车推广应用奠定良好基础。
参考文献：
[1]杨德虎，胡奕.关于创建新能源汽车安全检验平台的研究分析[J].科技创新与应用，2017（09）：300.
[2]肖献法.工信部要求：切实加强新能源汽车生产与运行安全——新生产的新能源客车暂按《电动客车安全技术条件》执行[J].商用汽车，2016（12）：24-26.
[3]张志勇.不能忽视的新能源汽车安全[J].中国经济周刊，2017（19）：71-73.