燃料電池汽車氫排放泄漏標準分析

王仁廣 郝冬 王曉兵 朱凱 張妍懿

（中國汽車技術研究中心有限公司試驗所）

近幾年，燃料電池汽車以其獨特的環保節能優勢得到了快速發展。但由于氫氣特殊的易燃和易爆特性，引起了大家對燃料電池汽車安全的擔憂。實際上通過制定嚴格的技術法規要求，完全可以保證燃料電池汽車跟傳統汽車具有同等的安全性。對應著燃料電池汽車的安全性，最令人關注的就是氫氣的排放和泄漏問題。國際上多個法規對此進行了嚴格規定，有些還給出了具體測試方法。文章以ISO23273:2013燃料電池道路車輛-安全規范-壓縮氫氣燃料車輛的氫安全防護[1]、GTR 13氫和燃料電池汽車全球法規[2]、SAE J2578燃料電池汽車推薦規程[3]、SAE J2579燃料電池和其他氫燃料汽車的燃料系統標準[4]的相關內容為基準，對其氫氣排放泄漏方面的要求及測試內容進行簡述，以供設計和測試技術人員了解和參考。

1　ISO 23273:2013對氫氣排放的規定

這個國際標準對燃料電池汽車（FCV）就人體防護和車內車外氫安全防護方面規定了實質要求。其適用于以壓縮氫氣為燃料電池系統供應燃料的FCV，不適用于燃料電池系統制造、維護和修理，而且標準的要求注重于車輛的正常操作和單點故障情況。但該標準對具體要求的規定比較籠統，其5.4條對排放方面的要求如下[1]：

對于所有燃料系統在車輛正常操作情況下的排放、吹掃、排氣和其他排放，汽車設計時應該防止含氫危險狀況出現。正常操作模式包括啟動、行駛、停車、熄火。

在正常操作情況下，排放到汽車艙內和單點失效情況不應該導致任何危險狀況。

在預計的應用區域，比如室外、機械通風的建筑物和無機械通風的居家車庫，都應滿足法規要求，即從車內到車外的正常排放應為不可燃的（常規使用場景的評價導則見SAE J2578）。

2　GTR 13對氫氣排放泄漏方面的規定

該法規適用于標稱工作壓力（NWP）不大于70 MPa、最大加注壓力為125%NWP的氫儲存系統，且該氫儲存系統在汽車使用年限內穩固地連接在汽車上。在正常使用情況和碰撞后氫氣的排放、泄漏、故障、報警情況下，對燃料系統的完整性也分別作了具體規定，同時還給出具體測試方法，文章只對其要求進行描述。

2.1　氫氣排放系統[2]

2.1.1泄壓系統

儲存系統的溫控壓力泄放閥（TPRD）的排氫出口（如果有的話）應使用帽蓋保護；TPRD排出的氫氣不應進入汽車上的封閉或半封閉式的空間內、不應進入或朝向車輪罩、不應朝向氫氣氣瓶和車輛前方，不應從車輛后方和平行于道路的兩側水平方向排出。

其他安全泄壓裝置（比如爆破片）可以在氫氣儲存系統之外使用。從其他壓力釋放裝置排出的氫氣不應朝向外露的電氣終端、外露的電氣開關或者其他點火源，不應進入或者朝向乘客艙或者行李箱、不應進入或者朝向車輪罩、不應朝向氫氣儲氣瓶。

2.1.2車輛排氣系統

在正常運行期間（包括啟動和關閉期間），車輛排氣系統排出的氫濃度，在任何連續的3 s時間內，平均體積濃度不超過4%，任何時刻不得超過8%。

2.2　單點故障條件下防止易燃的條件[2]

1）從氫氣儲存系統泄漏和/或滲透的氫氣不應直接排入乘客艙、行李箱、貨艙，或者不應直接進入車內無保護點火源的封閉或半封閉空間。

2）主氫氣關斷閥下游的任何單點故障不得導致氫氣進入乘客艙內任何地方。

3）如果在運行過程中，一個單點故障導致了車內封閉或者半封閉空間內的氫濃度超過2%體積濃度，則需要發出警告。如果車內封閉或者半封閉空間內的氫濃度超過3%體積濃度，應關閉主關斷閥，以隔離儲氫系統。

2.3　燃料系統泄漏[2]

氫燃料管路和主關斷閥下游的氫系統不應發生泄漏，在NWP下驗證其符合性。具體測試應從高壓部分到燃料電池電堆（或燃料電池發動機）的燃料管路上接近位置處，以及連接管路處進行測試，使用氣體探測器或者像皂液這類檢漏液體進行氫氣泄漏評估。

2.4　信號報警[2]

當傳感器檢測到氫氣濃度超標時，會向駕駛員發出報警信號，應以具有以下屬性的視覺信號或文字顯示的形式給出，并且當駕駛員在系好安全帶狀態下，駕駛員在駕駛位上可見報警信號；如果檢測系統發生故障，則顯示為黃色（或紅色）；信號在點亮情況下，應保證駕駛員在白天和夜間駕駛狀態下都能看見；當氫濃度達到2%的濃度或檢測到故障，并且點火開關系統處于ON（RUN）位置或驅動系統處于啟動狀態時，信號要保持點亮狀態。

3　SAE J2578對氫氣排放方面的規定

SAE J2578標準是為燃料電池汽車及其子系統確立安全準則和方法，用于氫燃料系統和燃料電池系統集成在整車上使用的特殊要求準則，規定了具體要求和試驗方法，下面對SAE J2578中關于氫氣排放泄漏的相關規定進行簡述。

3.1　燃料系統完整性方面的要求[3]

對于燃料電池汽車和其他氫能汽車發生碰撞后其氫燃料的釋放，推薦使用同FMVSS301規定的等效能量的燃料標準，同時燃料系統中不應排出其他危險液體（比如液氫、金屬氫化物、化學氫化材料）。

3.2　汽車浸水情況下的要求[3]

按照汽車制造商規定把燃料電池汽車浸入水中，不應該造成電壓或電流、氣體或液體排放、火焰或爆炸等對汽車內外人體有危險的情況出現。

3.3　失效安全關斷情況下的要求[3]

燃料電池汽車在失效情況下，應該有具體方法，防止單點故障所引起的不必要的燃料排放，直至燃料完全不排出，安全關斷。可以使用HVIL（Hazardous Voltage Interlock Loop）來隔離燃料供應。

3.4　對汽車艙內潛在的危險情況管理[3]

對燃料電池汽車內所有含有或產生危險氣體的部件，應該布置在其潛在危險情況可以管控的汽車空間或艙內。

3.5　正常情況下的氣體排放系統[3]

汽車上所有燃料系統的排放、吹掃、通風和其他正常氣體排放應該滿足以下4個方面的物理和功能要求。氣體排放系統的可信失效應該作為故障監控的一部分加以說明。

3.5.1車外的正常氣體排放

在汽車正常操作時，吹掃、通風和排放中含有的燃料，不應該導致危險情況發生。當汽車在密閉空間內停放或者操作時，潛在危險包括在排放點局部或擴散到周圍大氣中的氣體可燃性或毒性，以及后續排放集聚達到可燃或有毒水平的可能性。排放中出現的氣體可燃性或毒性的潛在危險，可以通過處理方法與汽車內部件設計改進相結合、自然或強制通風、催化反應或其他方式進行管控，包括在啟動和關機的正常操作過程中，排放點局部區域或當排放擴散到周圍大氣中，都應該滿足下列準則：

1）組成成分低于IDLH（Immediately Dangerous to Life and Health）；

2）低于可燃下限，或在排放點或擴散到周圍大氣時具有潛在可燃情況時，氫氣的濃度和體積都應加以限制并驗證。

3.5.2進入乘員艙、后備箱和貨艙的正常氣體排放

應該防止危險氣體排放到乘員艙、后備箱和貨艙中，可以使用遮擋、自然或強制通風、催化反應或其他方法來實現。乘員艙、后備箱和貨艙內可燃氣體和有毒氣體的水平應該低于25%LFL（Lower Flammability Limit）。

3.5.3排放到其他艙內的正常氣體排放

如果汽車艙或空間內有不適合在可燃氣體出現的位置安裝的設備，可燃氣體不應排放到汽車艙或空間內，可以使用遮擋、自然或強制通風、催化反應或其他方法來實現。

3.5.4動力電池中潛在的氫氣生成

汽車設計時，應該排除超過限值的危險氣體排放情況，并采取安全措施。

3.6　來自氫儲存系統和壓力泄放裝置（PRD）的排放[3]

在事故或故障情況下，氫氣儲存系統可能排放氣體。PRD的排放應該排到汽車的乘員艙、后備箱或貨艙外面。排風氣流的位置和方向應以使人體暴露或者汽車內部或周圍的危險傳播最小化為宗旨。

以上是氫氣排放方面的具體要求，下面簡要介紹具體測試方法。

3.7　正常汽車排放測試[3]

在正常操作時（包括啟動和關機），汽車上的所有排放應該是無危險的。采用汽車周圍最小的假象儲存空間，并根據假象空間的通風情況就可以確定車上的氫氣允許排放量。標準乘用車的假象儲存空間的長為4.5 m、寬為2.6 m、高為2.6 m。這個選擇小于一般的北美車庫，以提供符合全球要求的設計導則。這個空間容積是30.4 m3，不同尺寸的汽車，容積和底面積需要進行調整。

3.7.1在非機械通風結構內的汽車排放測試

汽車應停放在非常密閉的非機械通風結構的地方（如居家車庫），其換氣量低至0.03ACH（Air Changes per Hour）。可以通過試驗、分析或組合方法驗證汽車是否滿足這個要求。符合性通過是使用驗證的氫氣儲存系統來展示，對于標準乘用車，其泄漏、滲透、通風造成的總氫氣排放低于150 Ncc/min。SAE J2579提供了氫氣儲存系統的驗證方法。

3.7.2通風結構內的汽車排放測試

汽車應該在通風結構（如停車庫和其他建筑物）中操作，其機械或自然通風的換氣量達到5.4ACH情況下的氫氣排放濃度。

3.8　汽車的不當或不利操作的測試[3]

汽車制造商應該考慮燃料電池汽車潛在的極端使用情況，并在認為必要的情況下，提供防護措施，使車輛的這些操作跟傳統內燃機汽車可比，不會構成危險。比如，FCV不能在沒有足夠新鮮空氣的空間內操作，但當這些不利的操作情況發生時，FCV通過把周圍空氣變得可燃會造成其他危險。在潛在可燃性為新的唯一危險情況下，制造商應該說明這種可能并保證汽車固有的操作限制情況。基于可靠的工程判斷，通過試驗、分析或組合方法可以驗證汽車滿足要求。

3.9　副產物[3]

FCV生成的水或其他物質排放應該是無毒的并加以限制，使其不會形成危險情況，也不會影響汽車驅動。

4　SAE J2579對氫氣排放方面的規定

SAE J2579標準提供的初始信息用于設計和制造氫氣儲存和處理系統，使其在操作和維護中的危險最小，還提供了基于性能的測試準則，以用于道路汽車上的氫氣儲存和處理系統的性能驗證。在這個標準中，對燃料系統排放方面的規定基本就是執行SAE J2578的具體要求，這里只討論其排放系統[4]的要求。

燃料系統供用商應該考慮如下要求，并同汽車制造商一起保證4.4.1～4.4.3要求作為燃料系統設計和集成到汽車上的一部分加以說明。1）正常排放系統。所有廢氣、吹掃、通風和其他正常排放的設計、制造和位置應該滿足這些進入乘員艙或車內的排放是沒有危險的，具體導則見SAE J2578。2）PRD排放。如果在故障或事故情況下，系統排出的燃料或其他危險液體應該按照SAE J2578給出的設計、制造和位置導則。3）副產物。水或其他副產物的排放應該是無危險的。

5　結語

通過對ISO、GTR和SAE標準中的4個氫燃料電池汽車相關的法規標準中氫排放泄漏方面內容的簡要介紹，可以使相關技術人員對燃料電池汽車在氫氣排放泄漏方面的安全要求及測試方法有了基本了解，并加深了氫排放相關內容的理解和應用，對燃料電池汽車設計和測試有一定的指導意義。