【氢云重磅】安全重于泰山，如何保障燃料电池汽车安全？
作者：风氢扬，管理学博士；Jack，汽车分析师；Yong，汽车分析师
导读
氢气和天然气、汽油蒸汽一样具有一定的危险性，只要按照安全标准操作，氢气是一种比天然气、汽油更为安全的气体能源。目前氢燃料电池安全技术成熟，加拿大巴拉德、日本丰田、美国普拉格等国外企业多年产业运营经验表明，氢燃料电池安全技术有保障，国内企业缺乏安全意识，不执行安全操作标准、管理混乱、偷工减料，才是引发燃料电池洗车安全事故的最大隐患。
点评：风氢扬
氢燃料安全吗？张家口市“11·28”爆燃事故迅速将媒体注意力聚焦到“氢燃料安全”问题。若全社会消费者对“氢燃料安全”的认识不够，必将阻碍我国氢能产业发展大战略。针对 “氢燃料引发爆燃事故”传闻，各大媒体纷纷发文澄清误解，向社会科普氢气和天然气、汽油蒸汽一样有一定的危险性，在安全规范条件下使用，氢气是一种安全的气体能源，而管理混乱和不按照安全规范操作才是引发大多数安全事故的主因。
图1 张家口爆炸事故
12月2日，国务院安委会办公室、应急管理部门正式发布官方报告，“经初步调查，事故直接原因是：中国化工集团公司所属的河北盛华化工有限公司氯乙烯气柜发生泄漏，泄漏的氯乙烯扩散到厂区外公路上，遇明火发生爆燃，导致停放公路两侧等候卸货车辆的司机等人员大量伤亡。调查中发现，该企业安全生产管理十分混乱。”可见，了解燃料电池汽车安全技术，提高行业安全管理水平，是目前国内氢燃料电池汽车产业成功落地的前提。
图2 张家口爆炸事故原因通报
氢燃料比汽油更安全
氢是易燃易爆化学危险品，但氢燃料电池汽车本身是安全的。事实上，让人谈氢色变的 “兴登堡空难“是对氢气使用不当，加上极端外部环境变化造成的，就像铁达尼号撞上冰山，属于小概率事件。
从化学特性来讲，氢燃料比汽油更安全。如表1所示， （1）当氢气在空气中的体积密度达到18.3%时遇到火源会爆炸，相比之下天然气5.7%、汽油蒸汽1.1%的临界点要高（2）氢气密度仅是空气的7%，扩散速度快（高压氢气和液氢的逃逸速度更快），底层空气中很难聚集高浓度的氢，因此很难达到爆炸的临界点。丰田的试验表明，即使子弹击穿了储氢罐，由于氢气快速逃逸，并不会发生爆炸。
但氢气也并非完全没有危险，氢气有爆炸范围更大，燃烧时产生的火焰几乎不可见，无味无形等特点，因此主要安全问题在于防止氢气泄露。基于这个特性，衣宝廉洁院士曾经建议将氢燃料电池汽车停放在户外最安全。所以，在做好了防止氢气泄露的措施之后，氢燃料电池汽车比电动车、燃油车的安全性更好，这个技术成熟，难度也不高，只需要在生产、使用过程中严格按照安全标准进行就可以避免常规的安全事故发生。
表1 氢气、天然气、汽油蒸汽危险性对比
来源：根据公开资料整理
如何保障燃料电池汽车安全？
燃料电池汽车安全性主要是车载氢系统的安全，包括高压储氢罐、供氢系统和燃料电池发电系统。本文从材料选择、氢泄漏监测、防静电、防爆和阻燃等五个角度重点说明如何在技术层面保障燃料电池汽车的安全。
图3 燃料电池汽车安全要素
来源：根据公开资料整理
1、材料选择
车载高压储氢瓶一般选择铝合金或复合材料来避免氢脆的发生。如丰田Mirai的储氢罐由三层结构组成，最内是高强度聚合物，中间层是碳纤维和聚合物的混合材料，外层是剥离纤维和聚合物的混合材料。供氢系统管道及阀门采用适用于氢气的材料，如抗氢脆的不锈钢、铝合金材料或聚合物，在元器件承压上留有足够的安全余量。
2、元器件防护
为了防止电路中产生电火花点燃氢气，燃料电池汽车的电气元件、管路、阀门都要采用相应的防爆、防静电、阻燃、防水、防盐雾材料。如为了防止继电器触点动作放出电弧引燃氢气，氢安全系统中一般选用防爆固态继电器。此外，元器件的防水防尘、线束阻燃的级别也应达到相应的级别要求，这些都比普通的燃油车、电动汽车有着更高的要求。
3、车载氢系统安全防护
主要通过对高压储氢瓶和氢气管道进行安全设计、安装安全设施，来保障供氢系统的安全。如图1，车载氢系统的安全防护体系主要包括排空管、安全阀、手动截止阀、单向阀、泄压球阀、碰撞传感器、温度传感器、压力传感器、电磁阀、碰撞传感器等。一旦发生意外，氢系统控制器会把监控信息传给安全部件，各安全部件及时动作，使燃料电池汽车处于安全状态。各安全部件功能见表2。
图4 燃料电池汽车氢系统
来源：公开资料
表2 主要车载氢系统安全元件
来源：玖牛研究院
4、氢系统安全监控
车载氢系统的安全监控是防护的前提，是对储氢瓶系统、乘客舱、燃料电池发动机系统以及尾气排放处的氢气泄漏、系统压力、系统温度、电气元件及其他器件进行实时监控，确保燃料电池汽车加氢、用氢的安全。如表3，主要监控内容包括氢气泄漏、加注过程、储氢瓶温度、供氢管路压力、电气元件短路等。
表3 主要车载氢系统安全监控
来源：公开资料
5、碰撞安全防护
这类防护是为了保证发生碰撞时储氢系统、氢气管路、燃料电池电堆、各类阀门等关键部件不遭受危害性破坏。防碰撞设计除了关键零部件具有防撞能力外，还通过位置布置、固定装置保护和惯性开关监控碰撞，并与车载氢监控系统联动，实现自动断电、关闭阀门等保护性措施。如燃料电池巴士的高压储氢瓶防止在车身顶部，发生泄漏时氢气可以迅速排放到大气中。
高压储氢瓶是燃料电池车主要安全隐患所在，通过足够强度的专用固定支架将储氢瓶、瓶阀和高压管路集成在一起，并用钢带支撑，以限制在碰撞过程中高压氢瓶的位移，避免因碰撞造成氢气的泄漏。
由于碰撞过程复杂，仅仅零部件的设计仍显不足，整车上进行惯性开关的冗余设计以保万无一失。发生碰撞时惯性开关被激活，将碰撞信号传送至氢系统控制器，氢系统控制器立即发出指令关闭储氢瓶阀门，断开氢气供应，将氢气的泄漏量降低至最低。
安全技术的案例分析
巴拉德氢燃料电池技术商业化最早，实际运营时间长，我们以巴拉德的产品为例，简单说明上述安全技术的实际应用：（1）如果巴拉德的燃料电池模块发生泄露，它会启动“故障保护”。（2）巴拉德燃料电池系统包括：板载泄漏检测，通风系统，以防止泄漏达到易燃水平，通过烟雾探测器或热探测器进行火灾探测，排放燃料电池的减压装置。这些措施能够很好的预防氢气泄露:（3）在发生意外之时，巴拉德燃料电池动力模块的设计兼顾乘客和操作员的安全。比如：小泄漏会触发预警，以便驾驶员在车辆仍然安全时停车。（4）碰撞传感器设计用于激活“安全关闭”序列，锁定罐中的高压氢，并将高压组件与系统隔离。这些都使得乘员有一定的时间进行疏散。
巴拉德氢燃料电池技术比较成熟，在安全性设计方面考虑较为周到，事实上，巴拉德产品其安全性已经足以和燃油车媲美，这为我们自主技术研究提供了参考依据。
此外，美国有超过3%的叉车使用了燃料电池系统，大多为普拉格提供，多年来运营情况较好。丰田在美国也投入了数千辆燃料电池汽车，数年来运行良好。综上，加拿大、美国、日本的数家企业运营经验证明了只要在设计上做好安全防护措施，操作时严格按照标准，氢气在使用上是安全的。
国家对安全的重视
国家对危化品安全问题向来高度重视，氢气目前作为危化品，从安全标准数量占比上可以看出国家对于氢氢使用安全问题高度重视。从纯电动汽车的经验看，企业对于技术安全管理意识不断在提高，国家也制定了各类标准、各种测试保证电动车产品的安全性。几个影响较大的新能源汽车安全事故，问题更多在于企业安全意识不足，存在侥幸心理，过于节约成本粗制滥造，不严格执行安全规范。参考电动车安全管理经验，在完善氢能源使用的标准规范之后，更需要光大力气抓执行，进而通过加强对于标准的执行和检测来确保氢燃料电池汽车的安全性。
图5 氢能标准数量分布
来源：根据公开资料整理
尽管氢气仍然被列为危化品管理，但我们可以预见的是，在未来技术和法规标准进一步完善之后，如果严格按照法规标准要求进行设计、生产和使用，氢能源是一项比汽油、天然气等石化能源更加安全、清洁的可再生资源。上述安全分析和国外商业化运营经验已经证明氢能技术的安全性，人们无需对氢能源抱有恐惧的心理。恐惧来自于不熟悉，相关政府部分在推动氢能产业的同时，也应该加大对氢能知识培训、提高从业者安全规范意识，让群众在了解氢能源的同时，发挥全社会共同监督企业氢能使用行为规范，为氢能安全使用多加一道社会保险。
最后，虽然张家口市“11·28”爆燃事与氢气无关，但这个事件仍然给张家口乃至全国的“氢能大跃进式快速发展”展蒙上了一层安全阴影。联想这半年来新能源电动车多起的着火事件，据作者与业内人士讨论分析后，认为大多数电动车着火事故多是生产厂家过度节约成本，或是管理混乱，不按照安全标准生产导致的。氢燃料电池汽车安全情况也是一样。安全重于泰山，燃料电池汽车行业刚刚起步， 如何保障燃料电池汽车安全问题可能是影响氢能产业快速发展的重大障碍，需要引起产业界和政府相关部门的高度重视。
附件： 国家相关法规标准：
安全为主要要求的燃料电池相关国家标准如下：
氢系统安全的基本要求(GB/T 29729-2013 )
移动式加氢设施安全技术规范(GB/T 31139-2014 )
氢氧发生器安全技术要求(GB/T 34539-2017))
加氢站安全技术规范(GB/T 34584-2017)
加氢站用储氢装置安全技术要求(GB/T 34583-2017)
氢能车辆加氢设施安全运行管理规程(GB/Z 34541-2017)
小型燃料电池车用低压储氢装置安全试验方法(GB/T 34544-2017)
燃料电池电动汽车 燃料电池堆 安全要求(报批中)
燃料电池电动汽车 安全要求(修订GB/T 24549-2009)
工业起升车辆用燃料电池发电系统 第1部分：安全(GB/T31037.1-2014)
玖牛研究院 汽车团队