车用燃料电池系统氢安全控制综述

车用燃料电池系统氢安全控制综述

1导读

本文在介绍燃料电池氢系统构型和氢安全相关标准

的基础上，探讨了燃料电池氢系统在各使用环节的

氢安全控制策略，并在此基础上进行了总结与展

望。

2氢特性及燃料电池氢系统概述

2.1氢特性

在常温常压下，氢气是一种无色无味无毒的气体。

从氢安全的角度考虑，其具有以下五大特点：

(1)易燃性：氢气是一种极易燃的气体，燃点只有

574(,同时氢气和空气混合时可燃范围非常广，使

得氢气很容易快速点燃，又由于氢气密度低，因此

氢气燃烧后火焰上升也很快；

(2)爆炸性：氢气爆炸极限的体积分数在4~75%之

间，相比甲烷的5-15%z其爆炸极限体积分数的

范围很宽，为了避免爆炸，需将氢气浓度控制在4%

以下，通常的做法是使用氢浓度传感器实时监控，

并在必要的时候使用风扇排风降低浓度；

(3)泄露性：氢在元素周期表中排在第一位，氢分子

直径小质量轻，与其他气体或液体燃料相比就更容

易从缝隙或孔隙中泄露；

(4)扩散性：与其他气体或液体燃料相比，氢气在空

间上能够以很快的速度上升，同时进行快速的横向

移动扩散，因此当氢气泄漏时，氢气将沿着多个方

向迅速扩散，并伴随着氢气浓度下降；

(5)氢脆：氢气与金属材料长期接触或进行特定工艺

过程时，金属材料发生了氢渗透或者吸氢现象，并

使材料的机械性能发生了严重退化，进而发生脆

断。

2.2车载燃料电池氢系统

氢系统是燃料电池汽车上动力系统的重要组成之

-,其主要功能是为燃料电池系统供给反应所需的

氧气，典型的氢系统示意图如图1所示。

氢系统的部件主要包括加氢口、氢气过滤器、单向

阀、减压阀、电磁阀、排空口、限流阀、安全阀、

针阀、温度传感器、压力传感器和氢系统控制器

等。

图1燃料电池氢系统示意图

在氢气安全系统中，氢气使用安全分为两类，即被

动安全系统和主动安全系统。

被动安全系统包括的部件为排空口和氢瓶及氢管路

上的安全阀，其部件特征为无需电气控制的机械部

件，例如当管道内氢气压力过高时，安全阀会打

开，过压的氢气就可以通过氢管路从排空口排到空

气中。

主动安全系统是可通过电气控制的系统，其以氢系

统控制器为核心，以氢系统各传感器、整车的部分

传感器和其他控制器发送的信号等作为信息读取来

源，以可控的电磁阀作为执行部件，当各传感器监

控的状态出现异常时，能够主动控制阀门动作，关

闭供氧系统，进而保证车辆和人员的安全。

3燃料电池氢安全法规

燃料电池汽车的氢安全总是让人们充满担忧，美国

能源部在氢安全的规范中也提到了保证安全是推进

氢燃料电池汽车商业化的基础，为了确保燃料电池

汽车的安全性达到传统汽车的水平，需要制定严格

的法规和标准，进而在法律层面得到强制安全保

证。提到氢燃料电池汽车的安全，人们最关心的就

是氢泄露和氢排放等氢气使用相关的问题。无论是

国际上还是国内与燃料电池汽车相关的标准中，都

提到了氢安全性的问题。国际上与氢燃料电池相关

的比较有代表性的标准为以下三项：国际标准化组

织发布的与氢安全防护相关的ISO23273:2013、

全球统一汽车技术法规发布的GTR13和SAE

International发布的SAEJ2578。

3.1ISO23273:2013标准

该国际标准规定了燃料电池汽车车内外的氢安全防

护和对人体防护方面的很多要求。该标准适用的范

围是用压缩氢气作为燃料电池动力系统燃料的燃料

电池汽车，该标准关注的侧重点是车辆在正常操作

时的情况和车辆单点故障时的情况，同时对具体的

要求只做了概述性的规定。例如该标准指出：在预

设的区域内，比如无机械通风的车库、靠机械通风

的建筑物或室外等场所，都必须满足车内外的正常

排放均为不可燃的法规要求。

3.2GTR13法规

该法规是燃料电池安全的基础性法规，其适用于标

称工作压力不超过70MPa且最大加注压力为1.25

倍标称工作压力的氢系统，同时要求该氢系统必须

是稳固地连接在汽车上的。该法规规定了正常使用

情况和碰撞等特殊情况下，氢气的泄露、排放和报

警故障的要求，规定了系统的完整性以及具体测试

方法。该法规明确规定了氢泄压系统、排气系统的

具体要求，例如其规定：车辆尾排系统的氢气浓

度，平均体积浓度任何时刻不允许超过8%,在连续

测量的3s时间内,浓度不允许超过4%o此外,该

法规还规定了故障、氢泄漏和信号报警灯等多种情

况下的具体要求。

3.3SAEJ2578标准

该标准不仅规定了燃料电池汽车的安全准则和方

法，也规定了相关子系统的安全准则，提出了氢燃

料电池系统集成在整车上的特殊要求，同时该标准

还具体规定了氢燃料电池系统的具体要求和试验方

法。标准对燃料电池系统完整性进行了具体要求，

对浸水、失效安全关断、汽车舱内潜在危险等情况

进行了要求，也对排放、吹扫、通风和其他正常气

体排放应满足的条件进行了要求。止匕外，标准还规

定了正常汽车排放测试和汽车不当或不利操作测试

的标准和条件。

4氢系统安全控制策略

为了保证燃料电池汽车的安全运行，以氢系统控制

器为主，各传感器和执行部件为辅的氢管理系统发

挥着重要的作用。在正常工作时,氢管理系统与燃

料电池控制系统通信，在不同的网络架构中氢管理

系统也与整车控制系统通讯。按照氢管理系统的工

作场景，氢系统的安全控制策略分为以下四个方

面：加氢安全策略、储氢安全策略、氢泄露及排氢

安全策略和碰撞及整车紧急安全策略。

4.1加氢安全策略

在国内外，燃料电池汽车的储氢形式以高压气态储

氢为主,目前储氢压力分为两个等级,即35MPa

和70MPae在高压氢气加注过程中，车载氢瓶内氢

气容易快速升温，存在安全隐患。

为了实现氢气的安全快速加注，常采用氢气预冷、

温升控制和分级优化加注策略相结合的方法，同时

车载氢管理系统与加氢站通过红外信号实时通讯，

时刻检测加注过程中的各项参数。

氢气预冷：如果气源为常温，则在氢气加注过程

中，气瓶温度会快速增加，并很容易达到氢瓶的安

全温度限制，如果此过程靠自然冷却，则加注时间

会很长，也就无法达到快速加注的目标，所以在氢

气加注之前，通过对氢气进行制冷，使气源温度达

到-40℃z然后再用低温氢气进行加注。

温升控制加注：在氢加注过程中,即使进行氢气预

冷，也不能保证加注流量很大时气瓶温度始终在安

全限值以下，因此为了平衡氢气加注速度和氢瓶温

升，需要通过控制气瓶内的压力上升速度和氢气加

注流量的方式控制气瓶温度。

分级加注：通常加氢站的储氢罐按照压力级别分成

三组，压力从高到低分别是高级瓶组、中级瓶组和

低级瓶组。在加注过程中，加氢机将按照控制程

序，按照从低压到高压的顺序依次供应氢气。其

中，气源阶梯切换的判断常以气瓶内平均压力变化

速率为依据，进而可按照低级瓶组到中级瓶组再到

高级瓶组的顺序从各级储氢罐中取气，按照此方式

也提高了各级储氢罐中的氢利用率。氢气的分级加

注流程如图2所示。

图2氢气分级加注流程图

4.2储氢安全策略

为了保证储氢安全，氢管理系统需要监测氢瓶内的

温度和压力，监测管路上的压力，同时还需监测各

传感器、执行器以及通讯信号的通断等，并结合实

际情况进行故障上报和处理。典型氢管理系统的传

感器和执行器信号类型和特点如表1所示。

表1氢管理系统传感器和执行器信号类型

氢系统控制器读取传感器信号，并通过相应的策略

进行参数计算。以氢瓶内压力监测的计算为例，首

先氢控制器按照预设的采样速率，如每10ms采集

一次氢瓶内压力，连续采集6次，并计算出这6次

压力的最大值和最小值，将6次采样的压力值求

和，再减去最大值和最小值，最后除以4得到的就

是去除极值后的平均值，该数值作为氢气压力的有

效值。每一次有效值时的获取，都将重新采样6次

新的压力值，然后再按照上面的方式进行计算。

氢系统控制器还需对计算后的参数进行判断和故障

处理。例如，在氢瓶的温度超过报警温度时，氢系

统控制器会发出控制信号立即关闭电磁阀，并将报

警信号发送给整车控制系统和燃料电池控制系统，

发送请求结束系统工作的请求，发送的信号中也包

括故障气瓶编号的信息，并在仪表上提示驾驶员，

同时使用声音提醒驾驶员采取紧急安全措施。

4.3氢泄露及排氢安全策略

由于氢气的易燃易爆特性，对氢泄露和排氢浓度的

监控和处理显得尤为重要。

在燃料电池系统工作中，为排出氢气路蓄积的水，

需要按照一定的时间间隔进行排气操作，不可避免

会有少量氢气排出系统，而为了保证安全，必须确

保排出其他的氢浓度低于可燃值。因此，常规方案

是将排出的氢与空气路排出的废气在混合腔内充分

混合，同时监测排氢的浓度，当排氢浓度高于预设

的限值时，需降低排氢时间，同时增加空气的排气

量使排出的混合气低于预设值。

一般情况下，常采用高精度的氢气浓度传感器监控

氢泄漏，为实现实时监控车内氢含量的目标，需要

在燃料电池发动机附近、乘客舱顶棚和储氢瓶附近

布置多个传感器，任何监控的位置发生氢泄漏，均

需要采取安全措施，确保车辆和乘客安全。氢泄露

传感器的布置如图3所示，图中传感器布置在了后

备箱的最高点①、乘客舱②和前机舱③附近，有的

传感器布置方案也在储氢瓶口处增设氢传感器。氢

系统控制器将多个氢浓度传感器的采集值进行处

理，并取其中的最大值作为氢泄露的报警值，氢系

统控制器会将该最大值上报燃料电池控制系统和整

车控制系统，当最大值超过限值时，氢系统控制器

还将发送报警信息，并执行相应的举措。

匿3氢泄露传感器布置示意图

氢泄漏报警分为四类，其一是氢浓度传感器故障，

另外三类是三级泄露报警，按照氢泄露浓度不同依

次为轻度报警、中度报警和紧急报警。轻度报警又

称一级泄露报警,指空气中的氢含量在0.4%到1%

之间，氢系统控制器将轻度氢气泄露报警信息上报

燃料电池控制器系统和整车控制系统，并提示驾驶

员有氢泄露异常；中度报警又称二级泄露报警，指

空气中的氢含量在1%到2%之间,氢系统控制器将

向燃料电池控制器系统和整车控制系统上报严重的

氢气泄露报警，并提示驾驶员立即停车；紧急泄露

报警又称三级泄露报警，指空气中的氢含量超过2%

时，氢系统控制器向燃料电池控制器系统和整车控

制系统上报紧急泄漏报警，同时进入故障处理模

式，立即关闭氢瓶上的电磁阀，并声光报警提示司

机氢气泄露，具体控制措施如表2所示。

4.4整车紧急状态安全策略

车辆出现碰撞、燃料电池电堆故障或其他整车紧急

状态下，氢系统也将进行相应的措施来保证安全。

在部分燃料电池系统中，除了通过CAN总线在各控

制器之间传输报警信号之外，还设计了应急硬线连

接装置，能够保证系统有效并可靠地快速响应。具

体硬线应急安全原理如图4所示。图中的应急安全

硬线装置由碰撞开关、急停开关、氢系统控制器控

制端和整车控制控制端等四个端口同时控制，实际

应用中控制端口也可以按照相同的原理增加或减

少。

表2氢泄露报警控制措施

当急停开关或碰撞开关断开时，之前保持高电平的

安全线将变为低电平，氢系统控制器和整车控制器

都将收到低电平应急信号，氢系统将进入安全应急

状态，停止供氧并报警提示。当整车控制器识别出

整车异常或燃料电池系统异常时,将把安全线拉为

低电平，通知氢系统或其他获取该信号的系统进入

安全应急状态。同样的，氢系统控制器也能拉低安

全线并让系统进入安全应急状态,来达到保证车辆

及人员安全的目的。

图4应急安全原理示意图

5总结与展望

(1)氢由于其固有的特性，氢安全问题在一定程度

上制约了氢燃料电池汽车的应用和发展，因此让更

多人了解氢气，了解燃料电池氢系统以及了解氢应

用的安全实例就显得尤为重要。在氢能相关技术进

步的同时，做好氢安全知识的科普具有重要意义。

(2)我国在燃料电池汽车领域的起步相对较晚，虽

然已经发布了氢安全相关的标准法规，但仍需在实

践中不断完善和补充，进而从法律角度严格保障燃

料电池汽车的安全性与传统车相当。

(3)燃料电池汽车氢安全策略已基本形成了比较完

善的框架，在加氢、储氢、排氢、氢泄露及紧急情

况等各环节均能保证安全，随着仿真模拟的进步，

安全试验的积累和优化，多种故障分析方法的广泛

应用以及传感器技术不断提高，必将推动燃料电池

汽车商业化、规模化、产业化发展的历史进程。

燃料电池效率的几种说明

燃料电池性能的评价，除工作寿命、重量、成本等因素外，

最重要的就是效率。一般来讲，能量转换装置的效率是指装

置输出的能量占输人能量的百分数比，即输出能量/输人能

量x100%。

电化学能量转换装置以外.其他能量转换装置是将化学反应

能转换为机械能或热能，然后再转换成电能。在能量转换过

程中，效率是受一定限制的。但是，燃料电池没有这样的制

约，其效率要比其他能量转换装置的效率高。

然而，燃料电池的效率表达方式也非常复杂，一般有以下几

种常用的效率表达方法。

1.热力学效率

热力学效率也称极限效率，是燃料电池理论上能达到的最高

效率。由于燃料电池所用的燃料通常可以燃烧并释放能量,

热力学效率可以用发电装置产生的电能与燃料燃烧反应所释

放的热能(AH)相比较，理论上燃料电池的热力学效率在高

温时比低温时低。然而在较高温下，反应速率增加.且相同

电流密度下过电位也比低温时要低。另外，高温燃料电池可

以少用或不用贵金属电极催化剂，产生的余热更容易利用。

因而，综合比较起来，高温燃料电池的实际效率更高。

2、电化学效率

电化学效率，也称电压效率，对于不同的电池设计，即使是

相同的电化学反应，也会有不同的效率。

3、发电效率

燃料电池的发电效率，也称实际效率，影响实际效率的因素

较多，主要有电流密度、极化、温度、燃料利用率

4.共发电效率

燃料电池的一个显著优点是在发电的同时，能提供高质量的

热水或水蒸气，特别是千瓦级以上的燃料电池电站和发电

厂。这种发电模式称为联合供热发电(CHP,