燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈（四）| 氫氣篇：安全性分析

　　氫氣安全嗎？——安全性能不亞于常見燃料，可以滿足應(yīng)用需求

　　隨著各國對燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的不斷投入，燃料電池汽車技術(shù)逐漸成熟，已經(jīng)有多個汽車廠商推出燃料電池商用車型，各國及各區(qū)域燃料電池汽車相關(guān)標準也在不斷制定和完善中。在燃料選擇方面，以氫氣作為燃料具有環(huán)保、可再生、來源廣泛的優(yōu)勢。但是，由于氫氣本身的物化特性，使得車載氫氣系統(tǒng)存在著一定的安全隱患，也使得人們對于燃料電池車的安全性普遍存在顧慮。

　　氫氣是最不容易形成可爆炸的氣霧的燃料，只要建立有效的防控手段，氫氣的安全性還是十分出眾的。與常規(guī)能源相比，氫氣有很多特性。其中既有有利于安全的屬性，也有不利于安全的屬性。有利于安全的屬性有：更大的擴散系數(shù)和浮力，單位體積或單位能量的爆炸能更低等；不利于安全的屬性有：更寬的爆炸極限范圍，更容易泄漏，更高的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊取１疚木腿藗兤毡殛P(guān)心的幾個氫能安全問題，結(jié)合氫氣的特性進行分析比較。

　　將氫氣的主要特性和其它常見燃料作對比，建立四個坐標分別是擴散、浮力、爆炸下限和燃燒速度的倒數(shù)，越靠近坐標原點越危險。可以看出，就擴散、浮力和爆炸下限而言，氫氣都遠比其它燃料安全，但氫氣的燃燒速度是常見燃料中最快的。

　　泄露性：泄露速度快于常見燃料，但泄露總能量不高

　　氫氣相對比液體燃料和其他氣體更容易從小孔中泄露，因此氫氣相對于其他燃料的泄露速度更快。對于透過薄膜的擴散，氫氣的擴散速度是天然氣的3.8倍。實際當中，氫氣易泄漏更多的是通過燃料管線、閥門、高壓儲罐上出現(xiàn)的微小裂縫。通過對燃料運輸系統(tǒng)的合理設(shè)計，可以避免采用厚度很薄的材料。

　　從表中可以看出，在不同的泄漏狀態(tài)下氫氣的泄漏率大于其他常見燃氣。在湍流情況（流體不規(guī)則運動）下，氫氣的泄漏率是天然氣的2.8倍。在層流情況（流體規(guī)則運動）下，氫氣的泄漏率比天然氣高26%，丙烷泄漏的更快，比天然氣快38%。

　　根據(jù)燃料電池車泄漏位置和泄露時機的不同，氫氣的泄漏狀態(tài)是不同的：（1）儲氫瓶（35MPa）直接發(fā)生泄漏將直接以湍流的形式發(fā)生，此時發(fā)生泄漏的氫氣速度可達聲速的3倍多（1308mps）。相比之下，天然氣汽車由于氣瓶內(nèi)壓力為20MPa左右，發(fā)生泄漏時的速度僅為聲速的1.2倍多（449mps），氫氣顯然的泄漏要比天然氣快。（2）如果氫氣在供給電堆時發(fā)生泄露，將以層流的形式發(fā)生。這是由于氫瓶后端由于有減壓器，一般一級壓力將降為1.5MPa左右；在氫氣進入燃料電池系統(tǒng)之前會再進行二級減壓，最終供給電堆的氫氣壓力為100kPa左右。

　　相同時間內(nèi)泄漏的氫氣體積總是大于天然氣，但泄漏的天然氣的能量將大于氫氣的能量。由于天然氣和氫氣都是儲存在汽車的高壓氣罐中，如果發(fā)生泄漏，都是以湍流的形式，此時氫氣的相對泄漏率是天然氣的2.83倍。一般在20MPa壓力下的壓縮天然氣的體積能量密度僅相當于汽油能量密度的30%，而國內(nèi)現(xiàn)行的35MPa壓力下的壓縮氫氣其體積能量密度是汽油的16.7%。但是泄漏之后的氣體處于常溫常壓的狀態(tài)，此時氫氣的體積能量密度為12.74MJ/Nm3，而天然氣為39.82MJ/Nm3，所以在相同時間內(nèi)，泄露的氫氣體積雖然更多，但是根據(jù)泄露情況的不同，泄漏后天然氣攜帶的能量大約為泄漏氫氣1.11-2.48倍，下圖模擬的是氫氣和天然氣泄漏時體積和能量對比：

　　擴散性：具有很高的擴散系數(shù)和浮力，泄漏時可迅速降低濃度

　　氫與汽油、丙烷和天然氣相比，氫氣具有更大的浮力（快速上升）和更大的擴散性（橫向移動）。氫氣的密度僅為空氣的7%，而天然氣的密度是空氣的55%。所以即使在沒有風或不通風的情況下，它們也會向上升，而且氫氣會上升的更快一些。但丙烷和汽油氣都比空氣重，所以它們會停留在地面，擴散的很慢。氫的擴散系數(shù)是天然氣的3.8倍、丙烷的6.1倍、汽油氣的12倍。這么高的擴散系數(shù)表明，即使在通風不暢的環(huán)境下，泄漏的氫氣也將會很快上升并向各個方向快速擴散，迅速降低濃度。

　　在戶外，氫的快速擴散對安全是有利的。但在相對密閉的環(huán)境中，這如果氫氣的泄漏量很小，氫氣會快速與空氣混合，保持在爆炸極限濃度以下；如果氫氣的泄漏量很大，快速擴散會使得混合氣濃度很容易達到爆炸極限，不利于安全。

　　爆炸性：爆炸極限范圍寬，但爆炸能很低且不產(chǎn)生濃煙和灰霾

　　在空氣中，氫的爆炸范圍很寬，而且點火能不高。氫氣的爆炸極限范圍（體積分數(shù)）是4%-75.6%，最小點火能僅為0.02mJ。而其他燃料的爆炸極限范圍則要窄得多，點火能也要高得多。一般來說，氫氣爆炸要達到兩個條件，除了要滿足氫氣的爆炸極限，還要施加靜電、明火或混合空氣溫度達到527oC及以上。氫氣爆燃的條件是有先后順序的，首先要滿足濃度，然后再滿足點燃條件。如果已經(jīng)有點燃條件，那么氫氣只會排出多少就燃燒多少，不會爆燃，就像煤氣灶燃燒燃氣一樣。

　　從爆炸上限（UEL）考慮，在泄漏量比較大的情況下，天然氣的濃度超過15%，或者汽油氣的濃度超過7.8%，的確要比氫氣的濃度超過75%要容易的多。但在實踐中經(jīng)常發(fā)生的情況是，一般通過限制最大可能的燃料流量或者增加空氣流通量盡量使燃料混合物的濃度低于爆炸下限（LEL）。所以爆炸下限比爆炸極限范圍更好地表示燃料空氣混合物的著火趨勢。而氫氣的爆炸下限是汽油氣的4倍、丙烷的1.8倍，只是略低于天然氣。

　　在特定條件下（爆炸下限附近，燃料濃度為4%-5%），引爆氫氣/空氣混合物所需要的能量與點燃天然氣/空氣混合物所需的能量基本相同。這是由于：氫氣的最小點火能是在濃度為25%-30%的情況下得到的，在較高或較低的體積分數(shù)情況下，引爆氫氣所需的點火能會迅速增加。

　　如果發(fā)生爆炸，氫氣的爆炸能量是常見燃氣中最低的，特別就單位體積爆炸能而言，氫氣爆炸能僅為汽油氣的1/22。在工程上，一般通過安裝探測器警報與排風扇來共同控制氫氣濃度保持在4%的爆炸下限以下，并且探測器的靈敏度設(shè)置遠遠低于爆炸下限，只有安全保護系統(tǒng)出現(xiàn)重大問題，才會造成氫氣大量泄露，而出現(xiàn)這種情況的概率是很小的。

　　氫氣火焰幾乎是看不到的，因為在可見光范圍內(nèi)，燃燒的氫氣放出的能量很少。因此接近氫氣火焰的人可能會不知道火焰的存在，從而增加了危險。但這也有有利的一面，由于氫火焰的輻射能力較低，所以附近的物體（包括人）不容易通過輻射熱傳遞而被點燃。相反，汽油火焰的蔓延一方面可以通過液體汽油的流動，另一方面也可以通過汽油火焰的輻射。因此，汽油比氫氣更容易發(fā)生二次著火。而且汽油燃燒產(chǎn)生的濃煙和灰霾會造成對人的額外傷害，而氫氣燃燒只會產(chǎn)生水蒸氣。

　　氫脆現(xiàn)象：會引起金屬脆化裂紋，可以選用合適的材料防護避免

　　氫脆是由氫在進入金屬后，局部氫濃度達到飽和后聚合為氫分子，造成應(yīng)力集中，引起金屬塑性下降、誘發(fā)裂紋或斷裂的現(xiàn)象。錳鋼、鎳鋼以及其它高強度鋼都容易發(fā)生氫脆。這些金屬長期暴露在氫氣中，尤其是在高溫高壓下，其強度會大大降低，導(dǎo)致失效。氫脆只可防，不可治；一經(jīng)產(chǎn)生，就很難消除。

　　根據(jù)氫的來源不同，氫脆又可分為內(nèi)部氫脆和環(huán)境氫脆。氫在常溫常壓下并不會對金屬產(chǎn)生明顯的腐蝕，但當溫度超過300℃和壓力高于30MPa時，會產(chǎn)生氫脆這種腐蝕缺陷，尤其在高溫條件更甚。因此在進行氫能安全設(shè)計時，如果與氫接觸的材料選擇不當，就會導(dǎo)致氫的泄漏和燃料管道的脆化斷裂。

　　選擇合適的材料，可以避免因氫脆產(chǎn)生的安全風險。金屬鋁和一些合成材料不會發(fā)生氫脆。另外，如果氫氣中含有的極性雜質(zhì)，會強烈地阻止氫化物的生成，如水蒸汽、H2S、CO2、醇以及其它類似化合物都能阻止金屬生成氫化物。只有高純度金屬十分潔凈，放置在不含雜質(zhì)的極高純度氫氣中，才有利于生成氫化物，發(fā)生氫脆。目前燃料電池車用的儲氫瓶都選用鋁內(nèi)膽碳纖維纏繞并且燃料運輸管道大多采用316不銹鋼材質(zhì)，都具有較良好的抗氫脆性能。

　　氫氣的儲運安全嗎？——以氣氫拖車運輸為主，從充裝到儲運安全措施完善

　　儲氫的方式主要分為：低溫液態(tài)儲氫、高壓氣態(tài)儲氫和儲氫材料三種。氫的質(zhì)量能量密度很高，大約是汽油的3倍，但體積能量極低，常溫常壓下比汽油低4個數(shù)量級。較為現(xiàn)實的做法是在生產(chǎn)廠將制得的氫氣壓縮或液化后進行運輸和儲存。

　　運氫的方式主要分為：氣氫拖車運輸（tube trailer）、氣氫管道運輸（pipeline）和液氫罐車運輸（liquid truck）。

　　拖車運輸適用于將制氫廠的氫氣輸送到距離不太遠而同時需用氫氣量不很大的用戶，前期投資不高；而管道運輸前期投入高，適用于大規(guī)模的輸送；液氫罐車的運輸能力強但仍存在技術(shù)難點。因而從現(xiàn)階段加氫站對運輸距離（<500km，200km為宜）和運輸規(guī)模（10噸/天）的需求來看，氫氣最佳的運輸方式仍是氣氫拖車。

　　我國常用的高壓管式拖車一般裝8根高壓儲氣管。其中高壓儲氣管直徑0.6m、長11m、工作壓力35MPa、工作溫度為-40~60°C、單只鋼瓶水容積為2.25m3，重量2730kg。這種車總重26030kg，裝氫氣300kg以上，輸送氫氣的效率只有1.1%，未來更高壓力的存儲會提升載氫能力。

　　氣氫拖車系統(tǒng)的運行過程如下：空載氣氫拖車在集中制氫廠加氫到滿載，然后車輛行駛到加氫站，直接卸下車上管狀儲存容器作為加氫站的存貯設(shè)備，同時拾起原本位于加氫站的“空載”管狀容器，運回集中生產(chǎn)廠開始新一輪的加載。

　　從氫氣的充裝階段看，為了將常溫下將7kPa的氫氣多步壓縮至35MPa甚至更高專供氫氣長管車充裝，整個氫氣充裝工藝十分復(fù)雜，包括壓縮機、罐裝系統(tǒng)等各環(huán)節(jié)都有相應(yīng)的安全措施：

　　氫氣壓縮機的安全保障：氫氣壓縮機采用可編程控制器進行集中控制，控制系統(tǒng)還設(shè)置有各種自動保護功能和故障報警及故障信息顯示功能，可以監(jiān)控壓縮機各處壓力，一旦壓力超出規(guī)定范圍，壓縮機連鎖自動停機以保證安全。

　　氫氣充裝系統(tǒng)的安全保障：（1）超壓保護：在氫氣充裝排上設(shè)置氫氣超壓泄壓安全閥，避免氫氣充裝系統(tǒng)發(fā)生超壓事故。（2）回流保護：在氫氣充裝排上設(shè)置氫氣回流閥，氫氣回流利用，減少排放大氣的氫氣量，既利于安全，也減少了浪費。（3）放空保護：在充裝排上設(shè)置氫氣放空管道，在氫氣壓縮機開、停車時，進行放空，既利于氫氣系統(tǒng)的提純，又避免形成爆炸性的混合氣體，保證了生產(chǎn)系統(tǒng)的安全。

　　除此之外，氫氣充裝地點都配有氮氣滅火系統(tǒng)等消防措施，在氫氣容易泄漏的爆炸危險區(qū)域都設(shè)置有氫氣檢漏報警裝置，保障整個氫氣充裝站的生產(chǎn)設(shè)備及人身安全。

　　從氫氣的運輸過程來說，主要依靠氣氫長管拖車。長管拖車總體結(jié)構(gòu)分行走機構(gòu)、大容積鋼質(zhì)無縫鋼瓶（即氣瓶）及其連接裝置三部分。氣氫長管拖車裝載的壓縮氫氣工作壓力高，使用時需經(jīng)常來往于城市道路及建筑密集地帶，安全問題非常重要，有諸多安全設(shè)置：

　　氣瓶質(zhì)量：氣瓶作為長管拖車的主要承壓部件，其質(zhì)量與長管拖車的安全性能密切相關(guān)。因此氣瓶內(nèi)外表面均經(jīng)過噴丸處理，并用內(nèi)窺攝像系統(tǒng)逐只進行內(nèi)部全面檢查，確保內(nèi)部質(zhì)量。氣瓶成形及水壓試驗后逐只進行磁粉檢測，確保不得有任何裂紋狀缺陷存在，且氣瓶的兩端螺紋均經(jīng)磁粉檢測, 確保連接螺紋質(zhì)量可靠。

　　爆破片裝置：爆破片裝在氣瓶的兩端，較安全閥體積小、重量輕，但密封十分可靠，同時其泄放面積較同體積的安全閥泄放面積要大得多。

　　壓力表：氣瓶充卸氣管路上設(shè)置壓力表一塊，量程取1.5-3倍的工作壓力，精度1.5級。壓力表采用防震型，其前端設(shè)置壓力表閥，便于更換拆卸。

　　溫度計：考慮到工作環(huán)境溫度及充氣時氣體溫度升高、卸氣時氣體溫度降低等因素影響，溫度計測量范圍應(yīng)覆蓋最低和最高工作溫度，測量范圍應(yīng)取-40-80。溫度計多采用雙金屬型，讀數(shù)方便，堅固耐用，且采用防護套管與介質(zhì)隔開，易于更換拆卸。

　　安全聯(lián)鎖裝置：裝卸氣過程中，即操作倉門打開狀態(tài)，嚴禁拖車啟動運行，否則會造成裝卸軟管等連接部位拉斷、氣體泄漏等嚴重事故。

　　導(dǎo)靜電裝置：長管拖車尾部設(shè)置導(dǎo)靜電接地帶，操作倉管路上設(shè)置導(dǎo)靜電片，可隨時導(dǎo)出運行時及充卸氣時積聚的靜電荷，不至于突然放電而產(chǎn)生電火花。

　　除此以外，氣氫長管拖車的裝卸操作有標準的操作歷程，只要工作人員按照標準操作可以有效保障裝卸安全。并且根據(jù)上海危險氣體運輸法規(guī)規(guī)定在氣溫大于30oC時，僅能在夜間運輸，這也降低了氣氫長管拖車運輸?shù)奈ｋU性。

　　因此，通過長管拖車儲運氫氣盡管存在危險特征，但可通過合理方式降低風險，以保障氫氣充裝、運輸過程中的安全性。

　　燃料電池車輛安全嗎？——設(shè)計完備提供全方位防護，實際運行安全有效

　　由于氫氣不同的物化特性，如何應(yīng)用于燃料電池車中依然可以保證安全。我們從車載供氫系統(tǒng)的安全性和車輛的安全性兩個角度進行全面的介紹。

　　車載供氫系統(tǒng)：技術(shù)設(shè)計與材料選用雙管齊下，實現(xiàn)用氫安全多重保障

　　車載供氫系統(tǒng)是燃料電池汽車的重要組成部分，功能主要是為燃料電池系統(tǒng)提供穩(wěn)定壓力的氫氣，而其安全措施主要從預(yù)防與監(jiān)控兩方面著手。一方面通過完整的安全輔助裝置實施良好的預(yù)防，另一方面通過合理的布置各類傳感器形成完善的監(jiān)控，通力合作維護了車載供氫系統(tǒng)的安全性。

　　從技術(shù)設(shè)計的角度說，車載供氫系統(tǒng)主要由高壓儲氫瓶、加注口、單向閥、安全閥、溢流閥、減壓閥、電磁閥、熱溶栓、壓力和溫度傳感器以及氫管路等零部件組成。其不僅應(yīng)具備過溫保護、低壓報警、過壓保護、過流保護等功能，還考慮到了碰撞安全、氫氣泄漏的控制等。

　　過溫保護：燃料電池車的高壓儲氫罐上一般會安裝溫度傳感器用來檢測氣罐內(nèi)氣體溫度，由這些傳感器將氣罐內(nèi)氣體的溫度信號發(fā)送到駕駛室儀表盤上，通過氣體溫度的變化來判斷外界是否有異常情況發(fā)生。

　　低壓報警：儲氫罐上安裝的壓力傳感器主要用于判斷氣罐中剩余氫氣量，以保證車輛的正常行駛，當壓力低于某值時可以提示駕駛員加注氫氣。其次，駕駛員可根據(jù)儀表盤上的壓力讀數(shù)判斷氫氣罐是否有泄漏發(fā)生。

　　起火防護：當車身處于起火環(huán)境中，溫度傳感器和壓力傳感器會檢測到儲氫瓶內(nèi)氣體溫度和壓力的異常并切斷氫氣供應(yīng)。同時，為防止儲氫瓶因高溫高壓爆炸，瓶閥上安裝了易熔栓。以豐田的Mirai為例，其易熔栓在110℃的溫度下易熔栓會熔解，氫氣可以以每分鐘不超過118NL的速度逐漸排出，在60分鐘內(nèi)排空。

　　過壓保護：當氣罐中氫氣壓力超過設(shè)定值時，能通過氣罐安全閥自動泄壓，例如瓶體溫度由于某種原因突然升高造成氣罐內(nèi)氣體壓力上升，當壓力超過安全閥設(shè)定值時，安全閥自動泄壓，保證氣罐在安全的工作壓力范圍之內(nèi)。并且減壓閥可以將氫氣的壓力調(diào)節(jié)到電池所需要的范圍，當出現(xiàn)危險時針閥可以將氫氣瓶中的殘余氫氣安全放空。

　　過流保護：溢流閥在系統(tǒng)正常工作時，閥門關(guān)閉。只有儲氫容器或管道流量異常增大，超過規(guī)定的極限（系統(tǒng)壓力超過調(diào)定壓力）時開啟溢流閥，進行過流保護，使系統(tǒng)壓力不再增加（通常溢流閥的調(diào)定壓力比系統(tǒng)最高工作壓力高10%~20%）。

　　氫氣泄露控制：氣罐電磁閥通常與手動截止閥聯(lián)合作用，當電磁閥能正常工作時，手動截止閥處于常開狀態(tài)，這時電磁閥由直流電源驅(qū)動，無電源時處于常閉狀態(tài)，主要起開關(guān)氣瓶的作用，與氫氣泄露報警系統(tǒng)聯(lián)動，當泄漏氫氣濃度達到保護值能自動關(guān)閉，從而達到切斷氫源的目的。當氣罐電磁閥失效時利用手動截止閥切斷氫源，雙重保障有效避免和控制氫氣泄漏。單向閥在加氣口或供氫管路出現(xiàn)損壞情況下防止氣體向外泄漏并提高加氣口的使用壽命。

　　過濾防護：加氣口具有顆粒過濾功能，與未遮蔽的電氣接頭、電氣開關(guān)和其他點火源保持至少200mm的距離。管路電磁閥在給氣罐充氣時，可有效防止氣體進入電池。過濾閥可防止管路中的雜質(zhì)進入燃料電池，以免損壞電池。

　　在零部件制造方面，用于儲存氫氣的氫瓶和系統(tǒng)管路由于氫脆等原因?qū)ζ湟筝^高，因此選擇合適的材料以及保護結(jié)構(gòu)對儲氫系統(tǒng)的安全至關(guān)重要。

　　儲氫瓶材料選擇：現(xiàn)在美國Quantum公司、豐田Mirai等都采用鋁合金內(nèi)膽碳纖維纏繞的高壓儲氫瓶，因其重量輕，單位重量儲氫密度高，很好解決了氫脆問題并降低了成本，在燃料電池項目中得到了很好的應(yīng)用。Mirai的儲氫罐由三層結(jié)構(gòu)組成，最內(nèi)層材料是高強度聚合物，中層是強化碳纖維和高強度聚合物的混合材料，外層是玻璃纖維和高強度聚合物的混合材料，總厚度25mm。其強度達到了以往40mm厚度的水平。靜止狀態(tài)下不會由罐壁泄露氫氣。

　　碳纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶還具有以下優(yōu)點：1）金屬材料的疲勞破壞通常是沒有明顯預(yù)兆的突發(fā)性破壞，而復(fù)合材料中的增強物與基體的結(jié)合既能有效地傳載負荷，能阻止裂紋的擴展，提高了氣瓶的斷裂韌性；2）復(fù)合材料中的大量增強纖維使得材料過載而少數(shù)纖維斷裂時，載荷會迅速重新分配到未破壞的纖維上；3）復(fù)合材料氣瓶在受到撞擊或高速沖擊發(fā)生破壞時不會產(chǎn)生具有危險性的碎片，從而減少對人員的傷害；4）無需特殊處理就能滿足耐腐蝕的要求。

　　儲氫罐保護：在儲氫罐本身足夠堅固的前提下，還需要給高壓儲氫罐的足夠強度的固定支架和鋼帶，以保證在碰撞過程中，高壓儲氫罐的動態(tài)位移不會太大，避免造成連接管路的斷裂、變形和氫氣的大量泄漏。一般儲氫罐保護系統(tǒng)采用整體式設(shè)計，整個框架通過3根橫梁和2根縱梁將兩個氫氣罐集成到一個框架總成?？v梁截面為“Π”形，由幾塊板材拼焊而成，中部設(shè)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。

　　氫系統(tǒng)管路：由于系統(tǒng)高壓段壓力已達35MPa，同時在氫加注過程可能出現(xiàn)壓力沖高過程，因此在氫系統(tǒng)管路設(shè)計中也必須進行合適的選材。氫管路中大多采用316不銹鋼材質(zhì)的管路，有研究表明316不銹鋼在85℃，45MPa氫氣中的拉伸性能、低應(yīng)變速率拉伸性能、疲勞性能和勞裂紋擴展性能與在惰性氣體和空氣中結(jié)果相似，即316不銹鋼在室溫下具有較好的抗氫脆性能。

　　燃氣管設(shè)計：燃氣管排出氫氣的方向是順延車底部的前后方向，可以保護車艙內(nèi)不會被火焰殃及。這并不是新的設(shè)計，早在天然氣車產(chǎn)生之初，便通過嚴格實驗而產(chǎn)生的安全設(shè)計規(guī)范，已經(jīng)應(yīng)用很長時間，安全可靠。

　　燃料電池整車：嚴格的性能測試與密切的氫氣監(jiān)控體系確保車輛運行安全

　　多樣化的安全性測試能確保燃料電池汽車出廠時的安全性和一致性。除了保證車載氫氣系統(tǒng)安全性之外，相關(guān)的安全性檢測在燃料電池汽車動力系統(tǒng)的開發(fā)方面也顯得尤為重要。在燃料電池汽車出廠之前就要做多次安全性測試。

　　氫氣泄露檢測：由于氫氣是一種低密度的氣體，檢查泄露最常規(guī)的方法就是液體檢測，其方法與測試輪胎漏氣部位的原理差不多。常規(guī)的檢查方法就是向供氫系統(tǒng)通入氮氣或氦氣等惰性氣體，這種氣體密度小，而且活躍性低。之后進行水體氣泡檢測以及皂泡實驗，對所有連接點進行有效測試。水體測驗成本不高，實際效果也不錯。靈敏度較高的檢測方法有超聲波、鹵素火焰法以及氦質(zhì)譜泄漏檢測儀等，但是成本較高，而且測試過程中比較復(fù)雜，更多的是應(yīng)用在高級車輛中。

　　系統(tǒng)振動檢測：為了考察車載氫氣系統(tǒng)的可靠性，以防燃料電池汽車在經(jīng)歷劇烈振動之后產(chǎn)生漏氣現(xiàn)象。儲氫瓶與燃料電池電堆都要進行一個整體的振動檢測，統(tǒng)稱為系統(tǒng)振動檢測。其具體檢測方式是在垂直方向采用8g（重力加速度）加速度，水平方向施加2g加速度進行振動檢驗，在持續(xù)經(jīng)過指定的振動時間后，再檢查整個系統(tǒng)的氣密性。

　　追尾碰撞安全以及防追尾檢測：如何預(yù)防并保證燃料電池汽車在發(fā)生追尾碰撞時，不會導(dǎo)致其氫氣的泄漏、控制系統(tǒng)的失效以及電路起火，這些都是必須考慮的安全性問題。目前國內(nèi)還沒有系統(tǒng)的碰撞安全性能評價體系，不過結(jié)合國內(nèi)外廠商所做試驗和相關(guān)規(guī)范標準，一般燃料電池車輛要接受正面碰撞、偏置碰撞、側(cè)面碰撞和追尾碰撞等多方面檢測，然后對碰撞后的氫氣泄漏率、電解液溢出量、儲氫瓶位移等都需進行評價，保證燃料汽車在各類碰撞情況下的安全性和進一步的車身布置改進。

　　2010年世博燃料電池車輛安全檢測實踐（氫氣超標情況監(jiān)測）：早在2010年，上汽集團在世博會期間就對于世博示范運行的燃料電池汽車進行過安全檢測實踐。檢測車輛140余輛，其中包括觀光車100輛、轎車42輛和大巴車6輛。檢測范圍包括供氫系統(tǒng)氫安全、車內(nèi)氫安全、零部件和管路氫安全、燃料電池發(fā)動機氫安全等多個方面。具體方式是將傳感器分布在被檢測車輛的各個部位，在車輛入庫出庫時進行系統(tǒng)的檢測，得出氫氣超標情況。結(jié)果顯示燃料電池車輛在實際運行中，整體安全性很高，氫氣超標情況多由于當時車體特性所致，不影響整車安全。

　　以某類轎車和大巴車為例，檢測結(jié)果顯示，轎車和大巴車分別共檢測了3468次和1119次，其中轎車共超標62次，超標率約為1.79%，大巴車共超標16次，超標率約為1.43%。

　　氫氣超標多發(fā)生在加注口和車輪輪罩及前輪機罩邊緣處。（1）加注口特性影響：入庫時車輛剛加滿氫氣，加注口因本身結(jié)構(gòu)設(shè)計，導(dǎo)致會有少量氫氣短時間內(nèi)聚集，從而導(dǎo)致此時此處檢測的氫氣超標，是正?，F(xiàn)象，不影響整車安全。（2）前艙外邊緣超標：在入庫檢測時出現(xiàn)了多次前艙氫超標，經(jīng)分析驗證此處氫氣來源于12V鉛酸蓄電池氫氣的釋放。因檢測溫度為35°C以上，此種現(xiàn)象較為明顯。但是也不影響整車安全。

　　統(tǒng)計結(jié)果見下圖：其中以A、B、C、D、E、F、G、H分別表示轎車的各個位置。A：車周圍；B：車輪輪罩；C：前輪機罩邊緣；D：行李箱；E：乘員艙；F：手動排空管；G：排空管；H：加注口。

　　密切的監(jiān)控體系確保燃料電池車在實際運行時的安全性：根據(jù)不同的要求，在燃料電池車上對氫氣傳感器類型、數(shù)量以及布置的位置均有一定的要求。燃料電池車氫氣傳感器核心感應(yīng)元件都使用鉑金制造，穩(wěn)定性高。一般來說，出于對安全性能考慮，燃料電池車總共要求安裝4個氫氣傳感器，而所有傳感器信號需直接傳送到儀表盤的醒目位置，及時通知駕駛員。

　　由于氫氣傳感器的測量原理不同，造成了其測量靈敏度及測量范圍的差別，主要有半導(dǎo)體式、催化燃燒式、電化學(xué)式以及光化學(xué)式等。根據(jù)各種傳感器的量程不同，又可以分為低量程傳感器和高量程傳感器。從靈敏度上看，低量程的反應(yīng)比較快，并且在低濃度時反應(yīng)比較明顯。一般傳感器的反應(yīng)時間都在1s左右。傳感器可以等效于兩個電阻，一個是可變電阻，另一個為固定電阻。可變電阻隨著氫氣濃度、濕度和溫度的變化而變化，其中氫氣濃度和濕度對它的影響比較大。傳感器的可變電阻隨著濃度變大而變?。葱盘柖说妮敵鲭妷阂沧兇螅?/p>

　　以豐田Mirai的氫氣傳感器的布置位置為例：

　　1） 一般傳感器的報警值根據(jù)不同的位置和警戒等級，都設(shè)置都再2.5%的氫氣爆炸下限LEL到12.5%LEL之間。報警系統(tǒng)自帶蜂鳴器，泄漏傳感器處于常供電狀態(tài)，在不開車的情況下如果測到氫氣泄漏，蜂鳴器可以發(fā)出報警聲音。

　　2） 一般警報裝置有兩套，且獨立供電且結(jié)構(gòu)簡單，同時不工作的可能性很低，應(yīng)該低于客機操作電傳系統(tǒng)及其備份同時壞掉的概率。

　　在車輛發(fā)生碰撞的情況下，整車控制系統(tǒng)能通過車上安裝的碰撞傳感器信號將氫氣供應(yīng)系統(tǒng)切斷，一般配備在動力控制單元（PCU）上。這一點與傳統(tǒng)汽車在發(fā)生碰撞情況下自動切斷油路系統(tǒng)一樣。

　　與鋰電池車輛相比，燃料電池車的安全性也處于上風。近年來，鋰電池車輛事故常有發(fā)生，其最大的安全隱患就是產(chǎn)生自燃或者火災(zāi)，而形成原因是多方面的，電池內(nèi)部短路或者鋰電池在外界干擾下溫度上升，容易產(chǎn)生氣體狀鋰離子聚合物，其中包含了容易燃燒的鋰離子氣體和氧氣，當聚合物的濃度達到臨界點或者溫度達到臨界點，就會形成自燃。一旦鋰離子聚合物燃燒，將不斷發(fā)生鏈式反應(yīng)，產(chǎn)生新的氣體狀鋰離子聚合物，從而加劇燃燒的劇烈程度。

　　鋰電池起火迅猛。通過研究發(fā)現(xiàn)，用單體鋰電池做穿刺實驗，電池在穿刺后即刻劇烈發(fā)熱并冒出大量的濃煙，并在1秒鐘后出現(xiàn)自燃，在5秒鐘時因為劇烈燃燒出現(xiàn)爆炸的情況。

　　鋰電池火災(zāi)特性復(fù)雜。鋰電池的燃燒是鋰離子聚合物，而鋰離子聚合物屬于金屬和氣體的混合可燃物質(zhì)，其火災(zāi)特點非常復(fù)雜，傳統(tǒng)的滅火劑不能對其產(chǎn)生撲滅效果。

　　鋰電池起火有流動性。由于鋰離子聚合物具有流動性，會充斥在電池箱的箱體內(nèi)，起火點不確定，可不能被定向來進行撲滅。

　　相比之下，由于氫氣爆炸要求濃度高，在爆炸前一般就已經(jīng)開始燃燒，反而很難爆炸。而且氫氣重量輕，溢出系統(tǒng)的氫氣著火后會迅速向上升起，反而一定程度上保護了車身和乘客。同時，現(xiàn)在車用儲氫裝置采用的鋁合金內(nèi)膽碳纖維纏繞的儲氫瓶安全系數(shù)很高，在80km/h速度多角度碰撞測試中都可以做到毫發(fā)無損。但鋰電池在有安全措施的保護下，在常見的普通碰撞條件下也容易發(fā)生著火事故，側(cè)面反映了其安全性上天然的劣勢。

　　車輛面對事故和極端情況還安全嗎？——儲氫瓶被貫穿火燒不易炸裂，密閉空間氫氣泄露難引發(fā)爆炸

　　國內(nèi)外著名的燃料電池車廠商都針對儲氫瓶的安全性在各類條件下做了多方面實踐測試，多角度的展示了在現(xiàn)在氫氣儲備和使用技術(shù)下氫能的安全性是十分有保障的。通過實際的安全試驗和模擬，不難看出氫氣實際上有著可以與傳統(tǒng)燃油比肩的安全性，甚至更加安全。現(xiàn)實條件下氫氣爆炸并非想象中的那么容易實現(xiàn)。

　　儲氫瓶子彈貫穿試驗：豐田公司首先對所有可能的破壞風險進行了理論評估，然后進行了嚴苛的實際驗證，對所有可能的破壞方式進行了驗證，包括了射擊試驗、長期高壓下的充氣放氣試驗、極端溫度環(huán)境測試、化學(xué)品浸潤試驗等等。近期公布的視頻展示了其車載儲氫罐在大口徑來復(fù)槍射擊時的安全性能，結(jié)果顯示并沒有出現(xiàn)觀眾預(yù)期的起火甚至爆炸。結(jié)果表明，實驗條件下罐體并沒有損壞，而氫氣則在15至30秒時間內(nèi)完全排除，這不會引起大的災(zāi)難。結(jié)果還表明，只有5mm口徑的子彈才能貫穿現(xiàn)有的儲氫罐，這是大口徑狙擊步槍所用的子彈。

　　國內(nèi)的廠商也做過類似的測試，用子彈打穿35MPa儲氫瓶的45秒照片，可以得出：當儲氫瓶被子彈擊穿時沒有發(fā)生氫氣爆炸，當子彈擊穿儲氫瓶時氫氣是向上噴射，氫氣噴射的速度極快，整瓶氫氣通過一個子彈孔45秒就排放完成。

　　儲氫瓶火燒試驗：將儲氫瓶進行火燒，氫氣燃燒前一秒火焰最大，一秒之后火焰驟降，基本5-15秒后火焰熄滅，最重要的一點，即便是火燒氫瓶，儲氫瓶依舊沒有出現(xiàn)爆炸。

　　儲氫瓶泄漏點火試驗：以氫燃料電池汽車為例，與燃油車對比進行燃料泄露點火試驗。氫燃料電池汽車火焰是從后備箱向上竄，燃油車是油向下流淌，導(dǎo)致火焰從整車下部著火；一分鐘后氫燃料電池汽車依舊只是氫氣向上燃燒，對汽車基本沒有損壞，而此時燃油車早已成為一個大火球，只剩下燃燒后的車架。

　　密閉空間氫氣泄露試驗：在日本政府推進氫燃料電池的過程中，對于氫氣的安全性，有關(guān)方面進行了大量的試驗。其中對在相對密閉場所，如地下停車場和隧道當中發(fā)生氫氣泄漏的情況做過試驗?zāi)M，總體來說即使在相對密閉空間由于氫氣的擴散性強，發(fā)生爆炸的可能性不大。

　　1）伊藤忠Techno-Solutions株式會社進行的《地下停車場氫氣爆發(fā)過程解析》研究表明，在地下停車場中因燃料電池車中氫氣泄露而導(dǎo)致的爆炸，需要比較強的限定條件。因為氫氣分子擴散速度很快，為的3.7倍，形成引起爆炸的有效濃度并不容易。如果規(guī)模（車位）比較大的停車場（小區(qū)的停車場）。除非停車場為每臺車建造了一個個小房間，否則不太容易出現(xiàn)局部氫氣濃度過高的現(xiàn)象。氫氣泄露后，會漂向空間的上方，除特殊情況外（比如說車庫照明系統(tǒng)漏電），一般是一種遠離火源的機制。另外，當氫燃料電池車大規(guī)模普及后，停車場等社會基礎(chǔ)設(shè)施肯定會增加應(yīng)對于氫氣泄露的檢測設(shè)備和換氣設(shè)備等，建立起有效的報警防范機制。

　　2）財團法人日本自動車研究所進行的《隧道內(nèi)的氫氣安全性的計算機模擬研究》顯示，即使車輛在隧道內(nèi)發(fā)生大量氫氣泄漏，由于隧道空間相對寬廣和有通風設(shè)備的存在，幾乎在不到20s的時間內(nèi)，泄漏的氫氣就可以完全排空，很難達到爆炸極限。

　　加氫基礎(chǔ)設(shè)施安全嗎？——已有相關(guān)技術(shù)規(guī)范指導(dǎo)，加快健全行業(yè)標準體系

　　加氫站是構(gòu)建未來燃料電池汽車網(wǎng)絡(luò)的重要環(huán)節(jié)。隨著加氫技術(shù)的不斷進步，氣態(tài)加注從35MPa逐漸提升到70MPa，使得加注質(zhì)量增加、續(xù)航里程更長，同時，新的加氫技術(shù)對于加氫站的安全距離等也帶來了新的挑戰(zhàn)。

　　加氫站有兩種主要的建設(shè)模式：站內(nèi)制氫和外供氫模式。目前世界上大多數(shù)加氫站采用的是站內(nèi)制氫模式，我國受制于站內(nèi)制氫的成本問題，仍然以外供氫模式為主；

　　按照加氫站的不同形式分類，加氫站可以分為：固定式和移動式，其中移動式加氫站又可以分為移動撬裝式和加氫車兩種，移動加氫站具有機動靈活、加注能力高、性能可靠、使用簡單方便的優(yōu)點。這幾種形式可以和站內(nèi)制氫以及站外供氫的模式進行有機混合。例如，豐田在澳洲推出Mirai的同時，也建設(shè)了移動式氫氣加氫站，相當于半自動拖車，生產(chǎn)及壓縮氫氣，并輸送至冷卻的瓶子中。

　　目前撬裝式加氫站是發(fā)展的重點，其安全性要求的復(fù)雜性相較于固定式的加氫站較低，較易滿足。隨著加氫站制造安裝技術(shù)的發(fā)展和革新，并依據(jù)加氫站站工藝流程及控制要求，將一些設(shè)備控制元件集成安裝在一塊底座上，組成可移動的特定功能的加氫站已成為趨勢，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，工廠制造安裝，質(zhì)量容易得到保證，節(jié)約大量土地，減少投資成本，且安全可靠，利于操作和維護。

　　撬裝式加氫站設(shè)備是指將儲氫罐內(nèi)的氫燃料經(jīng)管路、低溫泵、計量系統(tǒng)等元件注入到汽車燃料電池車用瓶中的專用裝置。主要設(shè)備包括：氫燃料儲存系統(tǒng)、管路系統(tǒng)、潛液泵、流量計量系統(tǒng)、站控系統(tǒng)等設(shè)備，并將各系統(tǒng)安裝在撬體內(nèi)。

　　作為新興的能源基礎(chǔ)設(shè)施，不同于以往的加油加氣站，加氫站的安全設(shè)計需要根據(jù)加氫站自身的設(shè)備組成和加氫模式建立相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范。世界上已經(jīng)有10多個國家制定了加氫站法規(guī)，包括美國NFPA2、英國BCGA CP33、法國la rubrique N1416、德國VdTüVMerkblatt 514、意大利Regulation 2006-08-31、韓國KGS FP216以及日本“高壓燃氣保安法”，但僅美日涉及液氫。我國也于2010年頒布了《加氫站技術(shù)規(guī)范》(GB 50516—2010)，其中的標準和要求等主要參考了制氫站的標準，結(jié)合原有的《建筑設(shè)計防火規(guī)范》，共同對國內(nèi)加氫站建設(shè)起到了指導(dǎo)作用。

　　《加氫站技術(shù)規(guī)范》（下稱《規(guī)范》）編制組結(jié)合我國加氫站設(shè)計、建造的實際情況，主要對于基本規(guī)定、站址選擇、總平面布置、加氫工藝及設(shè)施、消防與安全設(shè)施、建筑設(shè)施、給水排水、電氣裝置、采暖通風，施工、安裝和驗收、氫氣系統(tǒng)運行管理等設(shè)置了相關(guān)的規(guī)范要求。

　　基本規(guī)定：加氫站主要設(shè)備包括管束拖車、壓縮機、儲氣瓶組、加氣機，在《規(guī)范》中對于各個設(shè)施的大致布置方式以及型號等進行了特別說明，此外，《規(guī)范》中還特別強調(diào)在儲氫瓶周圍建設(shè)防爆墻，當環(huán)境風速小于9m/s時，能夠承受爆炸產(chǎn)生的巨大超壓，進行防爆保護。

　　站址選擇：在城市建成區(qū)內(nèi)不應(yīng)建立一級加氫站、一級加氫加氣合建站和一級加氫加油合建站。在城市建成區(qū)內(nèi)的加氫站等。宜靠近城市道路，但不應(yīng)設(shè)在城市干道的交叉路口附近。

　　報警裝置：按照壓力等級的不同，儲氫罐和儲氫瓶組應(yīng)分別設(shè)有各自的超壓報警和低壓報警裝置；儲氫罐或儲氫瓶組鄰近處，應(yīng)設(shè)置火焰報警探測器。氫氣壓縮機間、壓力調(diào)節(jié)器間、制氫間等房間頂部容易積聚泄漏氫氣的場所，應(yīng)設(shè)置氫氣濃度超限報警裝置，當空氣中氫氣含量達到0.4%時報警，達到1%時啟動相應(yīng)的事故排風風機。

　　消防設(shè)施：加氫站、加氫加油合建站、加氫加氣合建站應(yīng)配備相應(yīng)的消防給水系統(tǒng)。每2臺加氫機至少配置1只8kg手提式干粉滅火器或者2只4kg手提式干粉滅火器；可燃氣體壓縮機間應(yīng)按照建筑面積50m2配置1只8kg手提式干粉滅火器，總數(shù)不得少于2只。

　　加氫站防火間距：根據(jù)我國《加氫站安全技術(shù)規(guī)范》的規(guī)范和標準，設(shè)計中特別注意拖車之間、壓縮機和高壓儲氣瓶之間、以及控制室和壓縮機之間的防火間距。此外，加氣機也需置于安全位置。

　　加氫裝置安全：加氣槍連接到車的加氣口后被電磁機構(gòu)鎖住，安全性和電動車充電接頭的水平相當。同時加氣槍具有單向閥的功能，在加氣頭出現(xiàn)損壞情況下，防止氣體向外泄漏并提高加氣頭的使用壽命。管路電磁閥，在給氣瓶充氣時，可有效防止氣體進入電池。值得一提的是，日本最新法律規(guī)定，用戶不允許自己操作加氫設(shè)備，而應(yīng)由專業(yè)工作人員完成加氫工作，也是出于防止事故發(fā)生的考慮。

　　加氫站爆炸事故模擬證明安全規(guī)范切實有效。加氫站內(nèi)存儲的大量高壓氫氣若發(fā)生泄漏，極易形成大規(guī)?？扇細庠疲唤?jīng)點燃便會引發(fā)劇烈的爆炸事故，是最主要的安全威脅。國內(nèi)研究機構(gòu)有對于加氫站高壓氫氣泄漏爆炸事故進行模擬研究，對于防爆區(qū)域劃分、事故防范控制措施制定等方面都具有指導(dǎo)和檢驗意義。

　　泄漏情況模擬：可燃氣云快速上升，難以橫向擴散。如圖所示為高壓儲氫氣瓶泄漏后不同時刻的氫氣可燃氣云圖（氫氣體積分數(shù)為4%-74%)?？梢钥闯觯?/p>

　　在泄漏結(jié)束（14s）前，可燃氣云體積持續(xù)增大，且因為氫氣密度遠小于空氣，呈現(xiàn)不斷上升的狀態(tài)。由于受障礙物的限制，防爆墻和壓縮機附近的可燃氣云主要向上擴展，拖車儲氫瓶附近的氫氣可以沿拖車底部及氣瓶間空隙橫向擴散。

　　同時，較小的環(huán)境風速對氫氣水平方向擴散速度影響甚微，可燃氣云幾乎垂直上升。在泄漏停止（14s）后，氫氣進一步擴散，體積分數(shù)不斷減小，可燃氣云體積逐漸減小，至泄漏28s后，完全消失。

　　總體而言，高壓氫氣泄漏和可燃氣云擴散速度極快，當環(huán)境風速較小時，可燃氫氣云始終被限制在儲氫氣瓶、壓縮機和拖車儲氫瓶所圍成的高擁塞度障礙區(qū)域，并未大規(guī)模擴散至加注機和控制室等人員較密集的場所。

　　引燃爆炸情況模擬：高壓儲氫瓶和防爆墻的承壓能力較強。若在泄漏形成氫氣可燃氣云的基礎(chǔ)上點燃氫氣，就會發(fā)生爆炸事故。在泄漏結(jié)束時（14s）可燃氣云體最大，被點燃的概率也最大，選擇在此時將氫氣點燃進行爆炸模擬。壓縮機內(nèi)含有大量電氣、電子設(shè)備，容易形成電火花而點燃氫氣，將點火位置設(shè)定為壓縮機附近，結(jié)果顯示：

　　高壓儲氫氣瓶局部最大的超壓為350kPa，小于能夠承受的最大壓力，因此爆炸后不會造成其他氣瓶的損壞，引發(fā)進一步的連續(xù)爆炸事故而產(chǎn)生更嚴重的后果。

　　防爆墻的局部最大超壓為60kPa，低于可致其破壞的超壓值。隨著時間的推移（0.09-0.15s），超壓波可以越過防爆墻向外繼續(xù)擴張，但強度逐漸減弱，直至0.15s完全消失殆盡。

　　自點燃后，危害區(qū)域可在0.15s的時間內(nèi)由點燃位置以不規(guī)則形狀向外擴張，在向控制室以及拖車儲氫瓶方向傳播過程中，受障礙物的阻擋迅速消退，難以對周邊人員和設(shè)施造成更大破壞。

　　綜合以上可以看出，由于氫氣的擴散速度快，即使發(fā)生泄露也主要是垂直上升擴散，不會蔓延到周邊地區(qū)。且在可燃氣云被引燃爆炸的情況下，只要站內(nèi)設(shè)施的布置符合安全距離規(guī)定，防爆墻設(shè)置合理，可以確保事故范圍和影響在有限范圍內(nèi)，說明加氫站的建設(shè)規(guī)范合理有效，能夠保障其整體安全性。

　　建立和健全標準規(guī)范體系是加氫站行業(yè)安全、健康發(fā)展的重要保障。目前我國2010年最新的《加氫站技術(shù)規(guī)范》GB50516-2010距離現(xiàn)在已有5年，如對液氫的嚴格管控已經(jīng)影響到氫氣的儲運效率。而日本在標準方面響應(yīng)相當迅速，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省根據(jù)實際發(fā)展情況于2014年5月公布了《高壓氣體安全法》及其“容器安全規(guī)則”、“再檢查方法”等相關(guān)技術(shù)標準的修訂版，修訂后放寬了此前日本“容器安全規(guī)則”設(shè)置的燃料電池車車載氫瓶單次充氣壓力的安全上限值，從以前的70MPa提高到88MPa，從而使燃料電池車的續(xù)駛里程提高20%。目前國際標準規(guī)范不斷更新，我國在標準方面應(yīng)該加快縮小與發(fā)達國家存在的差距，促進整個行業(yè)的發(fā)展。