氢燃料电池汽车氢安全法规要求分析

氢燃料电池汽车氢安全法规要求分析

武文捷 ,梁连昊

中汽研汽车工业工程（天津）有限公司  天津  300399

摘要：目前氢燃料电池汽车安全主要存在氢泄漏点不明确、安全策略不完善、标准体系不健全等问题，尤其运输与集中存环节放仍处于试验阶段。本文从标准入手，重点分析了氢燃料电池汽车安全法规相关要求，涉及整车及系统级安全要求、搭载瓶装燃料电池汽车运输集中存放安全要求、高压储氢系统安全风险及措施。

关键词：氢燃料、安全、风险措施

1前言

氢能发展已被列入国家“十四五”规划，考虑其危险性，如何安全利用氢能成为氢燃料电池汽车快速发展的重中之重。目前，涉氢车辆安全主要有氢泄漏点不明确、安全策略不完善、标准体系不健全等问题。本文重点对氢燃料电池汽车氢安全法规要求进行分析。

2氢燃料电池汽车标准现状

国际上有多个组织开展燃料电池方面的标准制订工作，WP.29负责制订发布了全球统一汽车技术法规GTR13《氢和燃料电池电动汽车全球技术法规》；ISO主要负责整车、动力系统和电池标准，IEC负责电器附件和基础设施标准。充电连接、充电通讯、电池规格尺寸等领域ISO和IEC紧密合作；SAE制订标准内容涵盖氢气、电池、电堆、系统、整车几个不同层级，涉及到术语、质量控制、氢安全、急救、加氢通讯、碰撞安全、能耗测试等方面。

国内氢能汽车发展较晚，相关标准法规还不够完善，部分相关标准制订参考了ISO与IEC对应标准。目前我国燃料电池电动汽车标准体系共发布标准15项，涉及整车安全性、整车经济性、定型试验、车载氢系统、燃料电池系统、加氢口等方面。在研标准13项，其中计划对燃料电池电动汽车最高车速试验方法、燃料电池发动机性能试验方法、车载氢系统技术条件及试验方法做出更新修改，新增燃料电池整车碰撞安全要求、燃料电池发动机性能及耐久性试验要求、燃料电池系统附件试验要求。

3氢燃料电池汽车安全要求

2020年发布的GB/T24549—2020《燃料电池电动汽车安全要求》代替了2009版，增加整车氢气泄漏、氢气低剩余量提醒、燃料管路氢气泄漏及检测和氢气泄漏报警装置功能要求，对整车氢气排放、整车氢气泄漏、电安全要求、泄压系统要求和燃料排出要求的测试方法作出调整。

3.1整车及系统级安全要求

1）整车安全要求

整车氢气排放。按照GB/T37154—2018中6.1怠速热机状态氢气排放章节规定的试验方法进行测试，在进行启动和停机操作时，任意连续3s内的平均氢气体积浓度应不超过4%，且瞬时氢气体积浓度不超过8%。

整车氢气泄漏。氢气体积浓度达到或超过2.0%±1.0%时，应发出警告；氢气体积浓度达到或超过3.0%±1.0%时，应立即自动关断氢气供应。商用车通常安装有不止一个储氢气瓶，现允许仅关断有氢泄漏的部分氢气供应。

密闭空间氢泄漏。要求车辆在无机械通风的密闭空间内持续存放8h以上，试验过程中任一位置的氢气体积浓度不得超过1%。

氢气低剩余量提醒。氢气的压力或剩余量影响到车辆的行驶，应通过一个明显的信号（如声或光信号）装置向驾驶员发出提示。

电安全要求。燃料电池电动汽车电安全应符合GB18384—2020。

2）氢系统安全要求

车载氢系统主要由储氢气瓶、管阀件和加氢口等零部件组成。需重点关注氢气泄漏、聚集导致的爆燃等风险。

储氢气瓶和管路要求。储氢气瓶和管路的防护主要着眼于防止氢气泄漏聚集和避免热源对储氢气瓶的影响。标准规定储氢气瓶和管路一般不应装在乘客舱、行李舱等通风不良的地方；在不可避免地要安装在通风不良的地方时，应保证泄漏的氢气能及时排出；对可能受排气管、消声器等热源影响的储氢气瓶、管路等应有热绝缘保护，且储氢气瓶要避免直接暴露在阳光下。

泄压系统要求。标准中对泄压系统主要作出了四点要求；一是气体流动方向不能朝向乘客舱或行李舱；二是不能排向车轮所在空间；三是不能排向露出的电气开关；四是不能排向其他氢气容器。

加氢及加氢口要求。新旧版标准对于加氢及加氢口的要求基本一致，一方面是防止加氢时车辆移动，另一方面是防止灰尘等污染物进入加氢口。加氢口附近应注明燃料类型、公称工作压力和储氢气瓶终止使用期限。

燃料管路氢气泄漏及检测。氢气分子较小，极易在连接不紧密的位置产生泄漏。因此，新版标准新增了对于涉氢管路氢气泄漏的检测，允许使用泄漏检测液法和气体检测仪法。

氢气泄漏报警装置功能要求。标准则规定装置应通过声响报警、警告灯或文字显示这些明显提示对驾驶员发出警告，且不应受天气和时间的影响。在氢气浓度超限时，车辆应能切断供氢。

燃料排出要求。标准中都明确要求车辆应具有安全排出剩余燃料的功能。

3.2搭载瓶装燃料电池汽车运输、集中存放安全要求

燃料电池汽车在转运过程中涉及船、集装箱、公路、停车场、隧道等多种复杂场景，再加上风速温度等环境因素、多种动力源间的耦合作用、内载燃料电池与储氢瓶内存有少量氢气，诸多因素共同作用增加了燃烧爆炸的风险。安全风险主要有：①海运与陆运中存在的周期和非周期性的颠簸，造成紧固件以及连接件松动、管道、储气瓶等车载氢系统零部件的疲劳失效。②转运过程中碰撞引起的安全风险。③涉氢车辆事故联动引起的安全风险。为应对上述风险，需采取以下几个方面。

1）分析车载氢系统框架结构以及储氢系统的固定方式，考虑空间要求，尽可能提高车载氢系统整体结构强度以及储气瓶强度。

2）储氢瓶的安装不能严重削弱车辆结构，气瓶安装在车上后，气瓶的刚度和强度不应有所下降。

3）燃料电池车辆车载氢系统应具有一定的抗震和抗冲击性能，以确保在运输和储存过程中产生的振动和冲击不会对供氢系统的部件造成损坏。

4）燃料电池汽车多车运输和停放场景，应合理设计车与车之间的排列位置、规定车辆间距。5）为防止氢气泄出，要求转运和存放过程中车载氢系统截止阀要紧闭。车身安装温度传感器，通过监测外界温度的变化来判断是否有险情的发生。

在标准方面，目前燃料电池汽车转运过程中的车载氢系统状态监控、过路隧道影响、运输车安全要求等仍处于试验室阶段，没有形成具体的技术规范。

3.3车载高压储氢系统安全风险及措施

1）加氢系统安全风险及措施

加氢系统的主要零部件有加氢口、过滤器、输氢管道、管路电磁阀和单向阀。主要风险包括：氢脆泄漏、加注超温、管道静电、加氢口泄漏燃烧等。

加氢系统使用的金属材料配件必须经过材料安全性能测试；非金属材料管件垫圈、输氢软管等需进行长期使用性能测试，软管在高压下要能反复经受低温（233K）到高温（358K）的循环测试；传感器需进行可靠性和稳定性相关测试。

在氢气加注过程中，加氢站的高压储氢罐向车载储氢气瓶加注氢气，车载储氢气瓶内压力会快速升高，气体快速压缩会使储氢气瓶温度明显升高，进而造成一定的安全威胁。为了能解决这一问题，温升控制、氢气预冷和分级优化加注相结合的加氢方案常常被应用于工程实际。

2）供氢系统安全风险及措施

供氢系统包括单向阀、安全阀、高压气瓶熔断阀、电磁阀、流量调节阀、手动截止阀、流量传感器、温度传感器等以及各种连接管路。主要风险点包括：管路和阀体的氢脆导致的氢气泄漏；静电产生打火现象；管路连接部位的泄漏问题；电气元件的失效。采取的措施有以下几个方面。

供氢系统的安装位置应选择相对开放的空间；供氢系统可能发生静电的部位应可靠接地，以免出现静电现象；零部件的连接管路要固定，如总成无法固定在同一个结构体上，应确保两个不同的结构体之间的相对位移合理；车内氢气容易聚集区域应布置氢浓度传感器；电气系统中的各零部件满足系统使用环境要求，包括温度、阻燃、耐盐雾、电绝缘、电磁干扰、防水防尘等要求。

3）储氢系统安全风险及措施

高压压缩储氢系统由氢气瓶、电磁阀、单向阀、截止阀、温度驱动安全泄压装置（TPRD）等组成。其主要风险点包括：以气瓶氢脆为原因的高压氢气泄漏；以加氢站的氢气加注机和加氢口与高压储氢罐的压力不匹配；瓶口阀、减压阀和其他关键零部件失效并引发氢泄漏；卸荷阀、连接管路等的接头泄漏。

气瓶在材料和加工工艺上采取措施减少氢脆风险；采用合理的安装方式避免泄漏氢气的积聚；储氢瓶及管路不宜设置于乘员舱内、行李舱等通风不畅场所；储氢瓶安装位置应远离热源，必要时应采取隔热措施；设置氢气泄漏探测器，并采取合理的布局方式，能实时检测到由于零件失效；瓶口阀集成单向阀、电磁阀和TPRD等附件安装于氢气瓶上，且随氢气瓶进行使用性能、火烧等相关试验。

4结论

国内氢燃料电池汽车氢安全法规标准在系统性、完整性方面尚有不足，尤其在运输、集中存放阶段没有形成可落地的技术规范，已有标准也主要参考国外标准，今后需加强我国氢安全邻域关键技术的研究，并制定系统完善的氢能安全标准，为实现氢安全应用提供的有力保障。

参考文献

[1]GB/T24549—2020,燃料电池电动汽车 安全要求[S]

[2]GB/T37154—2018,燃料电池电动汽车 整车氢气排放测试方法[S]

[3]GB/T 26990-2011,燃料电池电动汽车 车载氢系统技术条件[S]

[4]王琦,罗马吉,罗仲.燃料电池汽车车载氢气安全研究[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2011

[5]张城兴,付玉生.氢燃料电池汽车车载用氢安全问题分析及对策研究[J].河南科技,2020