FCV電動汽車的火災(zāi)危險性

■ 欒 榮

（上海市黃浦區(qū)消防救援支隊，上海 200010）

汽車工業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱性產(chǎn)業(yè)之一，新能源汽車是當(dāng)今汽車技術(shù)發(fā)展的重要方向。隨著氫燃料電池技術(shù)的不斷突破、新能源汽車的不斷發(fā)展，以及國家對清潔能源的日益重視，對FCV車進行了研發(fā)和投入使用，但FCV車身攜帶的高壓氫氣鋼瓶屬于高壓容器，具有較大的火災(zāi)風(fēng)險，筆者通過對FCV電動汽車結(jié)構(gòu)及火災(zāi)危險性進行分析，為該類火災(zāi)調(diào)查提供一些參考。

FCV電動汽車；氫燃料電池；火災(zāi)危險性

0 引言

FCV是Fuel cell vehicles 的簡稱，是電動汽車的一種，其電池的能量是通過氫氣和氧氣的化學(xué)作用、而不是經(jīng)過燃燒直接變成電能的，這是它的最大特點。其能量轉(zhuǎn)換效率可高達60%～70%，實際使用效率則是普通內(nèi)燃機的2倍左右。燃料電池的化學(xué)反應(yīng)過程不會產(chǎn)生有害產(chǎn)物，燃料電池車輛是無污染汽車，因此，從能源的利用和環(huán)境保護方面來說，燃料電池汽車是一種理想的車輛。

1 FCV電動汽車結(jié)構(gòu)分析

FCV燃料電池汽車是一種用車載燃料電池裝置產(chǎn)生的電力作為動力的汽車，與通常的電動汽車比較, 其動力方面的不同在于FCV 用的電力來自車載燃料電池裝置, 電動汽車所用的電力來自由電網(wǎng)充電的蓄電池。因此, FCV 的關(guān)鍵是燃料電池。

FCV的主要組成系統(tǒng)包括動力控制裝置、氫燃料電池電堆、電機、高壓儲氫系統(tǒng)、二次電池等，如圖1所示。從組成系統(tǒng)中，我們可以看出氫燃料電池汽車與天然氣汽車和電動汽車有相類似的結(jié)構(gòu)，同時具有自己獨特的結(jié)構(gòu)特點，如圖2所示。其工作原理見圖3。

圖1 FCV主要系統(tǒng)組成

圖2 氫燃料電池汽車結(jié)構(gòu)

圖3 FCV工作原理

燃料電池是FCV中的最重要的組成部分之一，其原理是一種電化學(xué)裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負兩個電極（負極即燃料電極、正極即氧化劑電極）以及電解質(zhì)組成。不同的是，一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質(zhì)，只是個催化轉(zhuǎn)換元件，因此，燃料電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應(yīng)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排除，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。

燃料電池化學(xué)反應(yīng)情況如下：

目前，我國的氫燃料電池汽車大多數(shù)是基于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車改裝而成，經(jīng)過大幅度的結(jié)構(gòu)改動，氫燃料電池汽車的組成系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車存在較大差異。基于氫燃料電池汽車的組成系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)汽車來說，在前艙結(jié)構(gòu)、車身底部、后艙結(jié)構(gòu)的布置上有較大變化。

前艙區(qū)域：去除了傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機及變速箱，加入了質(zhì)量和體積較大的動力控制裝置以及水泵和空氣過濾器，在副車架上安裝了主減速器和電機以及空壓機，統(tǒng)稱為驅(qū)動模塊。車身底部：去除了油箱及管路系統(tǒng)，安裝了電堆、二次電池、氫泵、散熱器、冷卻水泵、加濕器等裝置，統(tǒng)稱為動力電池模塊，動力電池模塊的電壓一般大于300 V。后艙區(qū)域：安裝了氫瓶和固定支架，以及氫瓶固定鋼帶，統(tǒng)稱為氫瓶模塊，由于氫氣密度較小，氫瓶儲氫壓力高達35 MPa或以上。

2 FCV電動汽車火災(zāi)危險性分析

2.1 燃料電池及氫供應(yīng)系統(tǒng)火災(zāi)危險性

燃料電池及氫供應(yīng)系統(tǒng)是FCV與其他車輛最主要的區(qū)別，燃料電池及氫供應(yīng)系統(tǒng)的火災(zāi)危險性是FCV火災(zāi)危險性的主要表現(xiàn)形式。

燃料電池及氫供應(yīng)系統(tǒng)的火災(zāi)危險性主要來源于氫，氫是最輕的元素，比液體燃料和其它氣體燃料更容易從小孔中泄漏。如果發(fā)生泄漏，氫氣就會迅速擴散。與汽油、丙烷、天然氣相比，氫氣具有較大的浮力（快速上升）和較強的擴散性（橫向移動）。在空氣中，氫的燃燒范圍很寬，而且著火能很低，氫氣火焰幾乎是看不到的，因為在可見光范圍內(nèi)，燃燒的氫放出的能量很少，接近氫氣火焰的人可能會不知道火焰的存在，因此增加了危險。

為了提高FCV車輛的行駛里程，F(xiàn)CV采用了高壓儲氫系統(tǒng)及管道，高壓系統(tǒng)給FCV帶來了額外的風(fēng)險，一旦高壓系統(tǒng)發(fā)生破裂或泄露，會造成大量、瞬間的氫氣泄露，極易形成爆炸或燃燒，因此，對于高壓儲氫系統(tǒng)，國內(nèi)外都進行了大量研究。

為了提高FCV儲氫系統(tǒng)安全性，北美、日本和歐洲等燃料電池汽車發(fā)達國家和國內(nèi)相關(guān)機構(gòu)開展了相關(guān)的模擬與試驗研究，主要包括水壓爆破、火燒與槍擊、跌落等。

2.1.1 水壓爆破試驗

該試驗要求高壓氫氣瓶能承受2.25～3倍的工作壓力，升壓速率有一定的要求，和幾個國際標準和草案要求基本吻合。圖4是日本汽車研究所公布的35 MPa高壓氫氣瓶的爆破試驗圖片和爆破曲線。

圖4 高壓氫氣瓶爆破試驗

2.1.2 火燒、槍擊試驗

國外公布的火燒試驗一般分為整車類火燒試驗和氣瓶類火燒試驗，一般的火燒、槍擊試驗都在野外或有防護的區(qū)域內(nèi)進行，只有日本汽車研究所的火燒試驗可在其抗爆防火試驗室內(nèi)進行，其試驗的一致性較好，更利于分析和研究。圖5和圖6為國外公布的氣瓶火燒試驗示意圖，其中圖5為壓力釋放裝置（PRD）出氣口朝上，圖6為PRD出氣口朝下，試驗結(jié)果如圖7所示，在火燒條件下，均形成了較大的火焰。

圖5 PRD出氣口朝上的火燒試驗

圖6 PRD出氣口朝下的火燒試驗

圖7 FCV火燒試驗

國外研究機構(gòu)也對氫燃料汽車和傳統(tǒng)汽油車的起火安全性進行了對比試驗，結(jié)果表明，氫燃料汽車在起火時的安全問題與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車區(qū)別非常大，試驗結(jié)果如圖8所示，火焰呈現(xiàn)出明顯的噴射狀，火焰高度高，但其橫向蔓延速度較慢。

圖8 FCV安全性對比

在國內(nèi)，中國汽車技術(shù)研究中心同樣開展了較多的火燒與槍擊試驗研究，火燒試驗表明：火燒過程中，氫氣通過壓力釋放裝置（PRD）排放，形成噴射火焰，氫氣排空時（瓶內(nèi)壓力低于1.0 MPa時）氣瓶仍保持完整；槍擊試驗表明：槍擊試驗后氣瓶正面彈孔周圍出現(xiàn)樹脂脫層現(xiàn)象，瓶體其他部位也出現(xiàn)多處樹脂脫層現(xiàn)象，氣瓶未破裂成碎片，試驗結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 氣瓶火燒試驗

圖10 氣瓶槍擊試驗

上述研究和分析表明，燃料電池及供氫系統(tǒng)是FCV的主要火災(zāi)風(fēng)險源，一旦發(fā)生碰撞、氫氣泄露和外部火燒等情況時，極易形成火災(zāi)或擴散火災(zāi)規(guī)模，需要極其重視。

2.2 二次電池系統(tǒng)火災(zāi)危險性

FCV中的二次電池系統(tǒng)主要由鋰電池系統(tǒng)構(gòu)成，鋰離子電池是一個封閉的反應(yīng)體系，在其內(nèi)部存在系列電化學(xué)和化學(xué)反應(yīng)。除了用于儲存和釋放電能的正常電極反應(yīng)外，還存在許多潛在的副反應(yīng)。當(dāng)電池處于正常溫度范圍和正常電壓范圍時，這些副反應(yīng)不會發(fā)生，電池內(nèi)部僅發(fā)生正常的充電和放電反應(yīng)，此時電池安全。但當(dāng)電池溫度過高，或者充電電壓過高時，這些副反應(yīng)被觸發(fā)，產(chǎn)生大量的熱，并釋放出有機小分子氣體。由于反應(yīng)劇烈，產(chǎn)生的熱量不能有效傳遞到電池體外，引起電池內(nèi)部溫度和壓力的急劇上升，而溫度的上升又會極大地加速副反應(yīng)的進行速度，產(chǎn)生更大量的熱和氣體產(chǎn)物，此時電池進入無法控制的自加溫狀態(tài)，即俗稱的熱失控狀態(tài)，電池有可能發(fā)生爆炸。鋰離子電池發(fā)生爆炸燃燒的過程如圖11所示。

圖11 鋰離子蓄電池?zé)崾Э厥疽?/p>

當(dāng)然，電池是否發(fā)生爆炸與很多因素有關(guān)，如電池的荷電狀態(tài)、副反應(yīng)的進行速度和發(fā)生程度、熱傳遞速度、安全閥開啟的靈敏度、外界環(huán)境溫度等，因此，并非所有進入到熱失控狀態(tài)的電池都會發(fā)生爆炸，存在一定的幾率性。從爆炸發(fā)生的機理來看，與炸藥爆炸有相似之處。但由于電池活性材料的含能密度，以及反應(yīng)速度均遠低于炸藥，因此，其危害程度遠不如炸藥。

對于電池燃燒來說，其主要的引發(fā)原因是電解液所用溶劑具有易燃性，且閃點較低。在鋰離子電池電解液中，主要溶劑組分為有機碳酸酯類。如DMC（二甲基碳酸酯）、EMC（乙基甲基碳酸酯）、DEC （二乙基碳酸酯）等，其閃點分別為17℃、23℃和33℃。另外，負極碳材料、隔膜和正極導(dǎo)電碳也具有可燃性。當(dāng)電池處于如圖2.7所述的熱失控狀態(tài)時，電池內(nèi)部的溫度和壓力均很高。如果電池安全閥能夠及時開啟，或者電池采用非金屬的軟質(zhì)材料為外殼時，電池往往不會發(fā)生爆炸。但因壓力很大，安全閥開啟或外殼破裂時，可燃性電解液蒸氣和有機小分子氣體以極快的速度噴出，并與殼壁發(fā)生摩擦，摩擦產(chǎn)生的高溫足以點燃低閃點的可燃性氣體組分，導(dǎo)致電池燃燒。因此，電池發(fā)生燃燒的幾率高于電池發(fā)生爆炸的幾率，但電池爆炸必定伴隨著燃燒。此外，當(dāng)電池開裂，并且外界環(huán)境的空氣濕度較高時，空氣中的水分容易與嵌有鋰的碳負極發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，并放出大量的熱，也可以引起電池的燃燒。

動力電池火災(zāi)具有燃燒溫度高、燃燒迅速、不同體系電池燃燒現(xiàn)象差異大和撲救困難等特點。以三元體系的鋰離子電池為例，當(dāng)發(fā)生熱失控燃燒時，經(jīng)紅外熱像儀測試，其火焰最高溫度可達880℃。而常規(guī)汽油燃燒時火焰溫度約為400℃左右，動力電池燃燒溫度遠遠高于傳統(tǒng)汽車中燃料汽油的溫度，燃燒溫度高；實驗研究發(fā)現(xiàn)表明，由于熱的作用，動力電池中的電解液揮發(fā)、分解，沖開安全泄壓裝置，揮發(fā)出的可燃性氣體遇空氣迅速燃燒，并導(dǎo)致電解液著火。燃燒過程中，從有明火出現(xiàn)至火焰完全熄滅，部分電池僅需數(shù)秒，燃燒非常迅速；不同體系的電池由于其正極材料的不同，其動力電池具有不同的電化學(xué)反應(yīng)和電池電壓和容量，因此，不同體系電池發(fā)生火災(zāi)時的表現(xiàn)也不盡相同。以磷酸鐵鋰電池和三元鋰材料電池為例，磷酸鐵鋰電池燃燒前發(fā)煙量大，燃燒持續(xù)時間較長，三元鋰材料電池發(fā)煙較少，燃燒初期火焰呈噴射狀，燃燒迅速。動力電池的火災(zāi)是由一系列電化學(xué)反應(yīng)引發(fā)，并且這些電化學(xué)反應(yīng)迅速，燃燒時一些電池成分會分解形成氧化物，即使在沒有氧氣的環(huán)境中也能支持燃燒反應(yīng)。根據(jù)動力電池的結(jié)構(gòu)，動力電池的電芯的外部由外殼材料包裹，動力電池的燃燒反應(yīng)發(fā)生在電池內(nèi)部，滅火劑一般不能直接作用于電池內(nèi)部。對于動力電池包而言，電池包的外殼材料阻擋了滅火劑對起火電芯的直接作用，滅火困難。

2.3 低壓電系統(tǒng)火災(zāi)危險性

FCV中除了燃料電池及供氫系統(tǒng)、二次電池系統(tǒng)外，其車輛控制、燈光、聲響等系統(tǒng)所需的低壓電系統(tǒng)也是FCV中的火災(zāi)危險源之一。根據(jù)中國消防年鑒統(tǒng)計，我國近年來每年發(fā)生逾30 000起機動車火災(zāi)，根據(jù)火災(zāi)原因調(diào)查，電氣火災(zāi)占機動車火災(zāi)的30%以上。

綜上所述，F(xiàn)CV中的燃料電池及氫供應(yīng)系統(tǒng)是FCV中的最主要的火災(zāi)風(fēng)險源，其火災(zāi)特性與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車有較大區(qū)別，因此在車輛設(shè)計、滅火與救援中應(yīng)當(dāng)格外關(guān)注。同時，其二次電池和低壓電系統(tǒng)的火災(zāi)風(fēng)險也不應(yīng)忽視，特別是二次電池，也具有獨特的燃燒特性。因此，F(xiàn)CV中的火災(zāi)風(fēng)險較高，給FCV的滅火與救援等帶來了挑戰(zhàn)。

3 關(guān)于FCV電動汽車的建議

FCV汽車是我國新能源汽車的一個新的發(fā)展方向，不管從我國的戰(zhàn)略規(guī)劃、還是從地方的示范應(yīng)用來說，氫燃料汽車會得到蓬勃發(fā)展，因此，國家以及政府部門對于FCV與加氫設(shè)施的消防安全要求也會越來越重視。建議從以下幾個方面加強研究：

1）加強FCV的消防安全標準研究

進一步分析燃料電池汽車需要重點關(guān)注和采取的消防安全措施，編制燃料電池汽車消防安全規(guī)范體系，提出建筑防火、消防設(shè)施配置、消防安全管理、消防力量建設(shè)等規(guī)范化建議。

2）加快FCV的基礎(chǔ)理論研究

系統(tǒng)深入開展燃料電池汽車的災(zāi)害泄漏、燃燒和爆炸模擬實驗研究，量化典型災(zāi)害事故演化和救援力量作用的動力學(xué)過程，研究確定燃料電池汽車的火災(zāi)危險性。

3）推進FCV的滅火救援技戰(zhàn)術(shù)研究

進一步分析燃料電池汽車結(jié)構(gòu)和災(zāi)害事故特點，研究燃料電池汽車的火災(zāi)撲救和搶險救援技術(shù)，編制應(yīng)急救援處置規(guī)程。