氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)火災風險分析及處置戰(zhàn)法研究

劉拯浩 朱亮

摘要：目前，氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，新的安全風險也相伴而生，對消防救援隊伍滅火處置工作而言，可借鑒的火災事故案例極少，且消防救援人員對此類火災風險點的了解較少。通過分析氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的主要火災風險點及各車型特有風險點，制定了對應風險點的處置戰(zhàn)法及流程，以期為消防救援人員處置此類火災事故提供參考。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池；安全風險點；處置流程；滅火救援

1 氫燃料電池汽車介紹

氫燃料電池汽車的最大特點是其能量轉(zhuǎn)換效率可高達60%～70%。由于燃料電池的化學反應過程本質(zhì)上可以看作是電解水的逆反應，在反應的過程中不會產(chǎn)生有害物質(zhì)，所以它是一種較為理想的環(huán)保型汽車。

1.1? 氫燃料電池汽車的識別

目前的氫燃料電池汽車類別按其用途可分為乘用車、客運車、貨運車等類型。燃料電池汽車在車輛整體造型與傳統(tǒng)燃油車差別不大，其辨識主要通過車牌和車輛外部標識進行區(qū)分。

車輛號牌識別，新能源汽車號牌分為小型新能源汽車號牌和大型新能源汽車號牌，分別為漸變綠色和黃綠雙拼色。在車輛號牌無損壞的情況下，可通過國家電動汽車號牌的規(guī)則來識別車輛是否為燃料電池汽車。

車輛外觀標識識別，可通過觀察車身，尤其是檢查車尾部和車身側(cè)面是否有氫燃料汽車標識，如氫燃料汽車的英文縮寫“FCEV”和“氫燃料汽車”字樣等，來確定是否為燃料電池汽車。

1.2? 氫燃料電池汽車的工作原理

氫燃料電池汽車主要是以氫燃料電池為動力系統(tǒng)的汽車，一般由燃料電池反應堆、高壓儲氫罐、蓄電裝置、電機、電控系統(tǒng)等組成[1]，通過高壓儲氫罐與空氣壓縮機提供氫氣和氧氣來源，進入燃料電池反應系統(tǒng)進行化學反應產(chǎn)生電流，將產(chǎn)生的電流經(jīng)變頻器升壓轉(zhuǎn)變后流入汽車驅(qū)動電機，從而使汽車運行。當汽車制動或減速時，由于汽車需要的電能有限，多余的電能會通過燃料電池進入汽車的蓄電系統(tǒng)，達到電能的儲存回收，從而為汽車提供輔助動力。

1.3? 氫燃料電池汽車的主要結(jié)構(gòu)組成

相比于鋰離子電池汽車的動力電池驅(qū)動系統(tǒng)及電機、電控系統(tǒng)，氫燃料電池汽車在由氫燃料電池系統(tǒng)和高壓儲氫系統(tǒng)提供動力的同時[2]，也兼具了鋰離子電池汽車的動力電池系統(tǒng)，作為輔助及備用動力[3]。

1.3.1? 氫燃料電池系統(tǒng)

氫燃料電池系統(tǒng)作為該類型汽車的動力源，更像是一個發(fā)電裝置，理論上如果能源源不斷地提供氫氣，汽車的動力就會一直存在。其工作原理為將氫氣送到氫能源汽車的動力系統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)的陽極板表面，經(jīng)過催化劑的催化作用，使得氫分解成氫離子和電子，氫離子（質(zhì)子H+）通過質(zhì)子交換膜（PEM）[4]，到達燃料電池陰極板（正極），而電子不能直接穿過質(zhì)子交換膜[5]，電子只能通過外部電路而到達燃料電池陰極板，從而產(chǎn)生電流[1，6]。電子到達燃料電池陰極板后，與氧氣和氫離子反應結(jié)合生成水[5]。

1.3.2? 高壓儲氫系統(tǒng)

現(xiàn)有的儲氫方式有金屬氫化物儲氫、高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫三種。其中，高壓氣態(tài)儲氫由于其經(jīng)濟性好且技術(shù)簡易、成熟，成為目前最常見的儲氫方式。國內(nèi)的車載儲氫基本為氣態(tài)儲氫，通常情況下在20～35MPa之間，且最大均不超過35MPa[7]，為金屬纖維纏繞儲氫瓶（Ⅲ型），由高壓儲氫氣瓶、緊急排空口、減壓閥、電磁閥、手動排空閥組成，儲氫質(zhì)量密度在3%wt左右。

1.3.3? 蓄電系統(tǒng)

在汽車起步的工況下，完全由車載蓄電系統(tǒng)作為輔助動力源提供動力；當氫燃料汽車在上坡、提速等工況工作時，蓄電系統(tǒng)可以作為輔助動力投入使用；并且在氫燃料電池動力系統(tǒng)能夠滿足汽車動力需求時，及時回收氫燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的多余能量并進行存儲。目前，車載蓄電系統(tǒng)主要以使用鋰離子電池為主，氫能源汽車車載電池結(jié)構(gòu)與純電動汽車鋰電池結(jié)構(gòu)相同。

2 氫燃料電池汽車安全風險點

2.1? 主要風險點

氫燃料電池汽車具有雙風險，既具有與純電乘用車類似的帶電設備的風險，也有因使用氫氣產(chǎn)生的高壓、易燃易爆特殊風險。

帶電設備的風險。高壓電擊、電池系統(tǒng)燃燒產(chǎn)生的煙毒、高壓電路及設備進水和破拆、多種物質(zhì)疊加燃燒等風險。

高壓氣瓶的風險。壓縮氫氣瓶壓力有35MPa和70MPa兩種，在超壓情況下，若氣瓶受到火焰烘烤和緊急泄放裝置和罐體發(fā)生故障，會導致罐內(nèi)超壓，會發(fā)生氣瓶瓶頭高速旋轉(zhuǎn)崩出或者高壓氣瓶爆裂解體的風險；氣瓶瓶頭閥高速旋轉(zhuǎn)崩出時，危害角度范圍大，可能波及瓶頭閥向外120°的扇形區(qū)域，波及范圍廣、危害距離遠。

氫氣泄漏的風險。在交通事故等發(fā)生碰撞時，有從高壓氫罐和氫氣管路中泄漏氫，導致起火、爆炸的危險性，氫氣爆炸極限范圍為4%至75%且點火能量極低。

噴射火焰的風險。高壓氫罐和供氫管線從外部受熱到一定溫度以上時，會導致安全閥會啟動或管線爆裂，高壓的氣體被放出，易產(chǎn)生噴射火，火焰距離長、溫度高，且氫氣在白天燃燒時，其火焰的可見長度僅為30%，具有高溫灼傷的風險。

相互影響的風險。常見氫燃料電池車輛高壓氫氣瓶和動力電池往往集中布置，發(fā)生火災時易相互影響，導致災情進一步擴大。

特殊環(huán)境的風險。氫氣在地下停車場、 地下車庫、高速公路隧道、客運船等封閉/密閉區(qū)域內(nèi)釋放時，會取代大氣中的氧氣，會造成被困人員因缺氧而導致窒息的風險。同時，在封閉/密閉區(qū)域內(nèi)，氫氣泄漏現(xiàn)場災情轉(zhuǎn)化成爆炸、火災的風險較高。

2.2? 不同車型安全風險特點

2.2.1? 氫燃料電池客運車

以某氫能源汽車公司生產(chǎn)的氫燃料電池客運車為例，以下部件需要重點關(guān)注：

客運車氫燃料電池系統(tǒng)。一般采用尾置式的布置方式，也有采取頂置式布置的車型，但目前國內(nèi)較為少見，存在高壓電擊的風險。

車載氫系統(tǒng)。由于車型不同，車載高壓氫氣瓶的所在位置也存在差異，通常有頂置式、底置式、后置式等。因此，在滅火救援時，易出現(xiàn)對其儲氫罐的位置誤判導致進攻路線錯誤，從而被噴射火焰灼傷的風險。

高壓驅(qū)動電機。主要有分布式驅(qū)動和集中驅(qū)動兩種典型的方式。

其他高壓部件。車輛轉(zhuǎn)向機、空壓機、冷卻水泵、交直流轉(zhuǎn)化器、燃料電池升壓轉(zhuǎn)化器、橙色高壓線纜等高壓部件根據(jù)車輛機構(gòu)不同一般位于車輛尾部、底盤兩側(cè)和車頭位置，主要存在觸電、多種物質(zhì)疊的燃燒風險。

2.2.2? 氫燃料電池乘用車

氫燃料電池乘用車具備與客運車相同的風險。除此之外，氫燃料電池乘用車高壓氫儲罐一般位于車輛底部，同輔助電池集中布置，發(fā)生火災事故后相互影響的風險更大，處置難度更高；受車身結(jié)構(gòu)影響，氫燃料電池乘用車動力電池包的安裝位置、充電電路及控制系統(tǒng)比客運車和貨運車更復雜，處置難度更大。

2.2.3? 氫燃料電池貨運車

氫燃料電池貨運車的系統(tǒng)設備布置相對集中，幾乎全部在牽引車頭部位，一旦發(fā)生事故極易產(chǎn)生連環(huán)爆炸現(xiàn)象。例如，多合一控制器、高壓配電盒、空調(diào)壓縮機、加熱設備等高壓部件大都集成在駕駛室下部區(qū)域且集中布置，使得駕乘人員的風險增加。這些部位堅決不得盲目打水和破拆。同時，剎車片在大型火災中容易發(fā)熱起火，剎車片起火會引燃輪胎，輪胎一旦著火容易直接炙烤電池包，加速熱失控風險。

3 事故處置戰(zhàn)法及流程

3.1? 基本災情

氫燃料電池客運車發(fā)生追尾、撞擊、碰擦、墜落等道路交通事故引發(fā)火災，現(xiàn)以動力電池包破損著火、高壓氫氣瓶泄漏著火，并且車內(nèi)有人員被困為例。

3.2? 力量編成

按照首戰(zhàn)四車模式，不低于表1力量編成。

3.3? 處置戰(zhàn)法

封閉道路，以事故車輛為中心劃定120m處置區(qū)，上風或側(cè)上風方向站位，第一時間選擇合適路徑抵近事故車輛通過車門、窗、應急天窗等疏散救助被困人員；待動力電池全部過火、無高壓且高壓氫氣瓶燃燒結(jié)束時，在距離事故車輛25m處設置滅火陣地，利用滅火機器人或移動炮、自擺炮進行滅火冷卻稀釋。所有路徑及陣地選擇注意避開高壓氫氣瓶瓶頭閥、泄放管朝向120°區(qū)域范圍和氫氣燃燒火焰朝向范圍。

3.4? 處置流程

偵察研判。現(xiàn)場主要偵察高壓氫氣瓶的類型、壓力、容量、位置及瓶頭朝向；動力電池種類、電壓、容量和位置；檢查燃料電池堆、氫氣管線、高壓帶電設備及高壓線束走向、氫氣泄漏位置；被困人員數(shù)量、位置等情況。

疏散救人。堅持救人第一，優(yōu)先疏散救助被困人員，貫徹電動汽車“非必要不破拆、破拆必先評估”的原則，優(yōu)先考慮以門窗為主突破面，利用車輛自身的門窗、應急門、應急窗、逃生窗，快速實施人員疏散，人員大量被困可考慮破拆車輛中部立柱（避開高壓電纜線束）加大人員救助速度，其他部位不得任意破拆。

滅火冷卻。在人員疏散完畢后，研判滅火時機，同時具備以下兩個條件：一是確認動力電池包全部過火或車輛整體全部過火時，高壓電池包模組串并聯(lián)熔斷器已斷開，單個模組電壓在安全值，不存在高壓電擊風險。二是高壓氫氣瓶泄漏燃燒完畢。在距離事故車輛25m外適當位置設置水炮陣地對動力電池進行滅火冷卻，控制動力電池包的火勢向周邊蔓延，待明火熄滅后可對動力電池系統(tǒng)進行冷卻降溫，并做好監(jiān)護防止復燃。

降溫保護。對高壓氫氣瓶組進行降溫保護，防止未泄露的高壓氫氣瓶受火焰烘烤溫度、壓力增高導致氫氣瓶安全閥動作，從而形成氫氣噴射火。

4 結(jié)束語

隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度的逐漸加快，氫能源汽車的數(shù)量及類型也會不斷增加。同時，值得注意的是，目前大部分城市投入生產(chǎn)及使用的氫能源汽車因為還沒有國標、行標，只有企標，不同企業(yè)、不同批次、不同品牌，有不同的結(jié)構(gòu)布置和安全等級，所以處置時要高度警惕，不能完全照搬照抄，消防救援人員在未來工作中還需要結(jié)合更多新的氫能源車型及實際案例，將相應的處置戰(zhàn)法及流程加以完善和細化。

參考文獻

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