燃料电池汽车氢排放泄漏标准分析

王仁广 郝冬 王晓兵 朱凯 张妍懿

（中国汽车技术研究中心有限公司试验所）

近几年，燃料电池汽车以其独特的环保节能优势得到了快速发展。但由于氢气特殊的易燃和易爆特性，引起了大家对燃料电池汽车安全的担忧。实际上通过制定严格的技术法规要求，完全可以保证燃料电池汽车跟传统汽车具有同等的安全性。对应着燃料电池汽车的安全性，最令人关注的就是氢气的排放和泄漏问题。国际上多个法规对此进行了严格规定，有些还给出了具体测试方法。文章以ISO23273:2013燃料电池道路车辆-安全规范-压缩氢气燃料车辆的氢安全防护[1]、GTR 13氢和燃料电池汽车全球法规[2]、SAE J2578燃料电池汽车推荐规程[3]、SAE J2579燃料电池和其他氢燃料汽车的燃料系统标准[4]的相关内容为基准，对其氢气排放泄漏方面的要求及测试内容进行简述，以供设计和测试技术人员了解和参考。

1　ISO 23273:2013对氢气排放的规定

这个国际标准对燃料电池汽车（FCV）就人体防护和车内车外氢安全防护方面规定了实质要求。其适用于以压缩氢气为燃料电池系统供应燃料的FCV，不适用于燃料电池系统制造、维护和修理，而且标准的要求注重于车辆的正常操作和单点故障情况。但该标准对具体要求的规定比较笼统，其5.4条对排放方面的要求如下[1]：

对于所有燃料系统在车辆正常操作情况下的排放、吹扫、排气和其他排放，汽车设计时应该防止含氢危险状况出现。正常操作模式包括启动、行驶、停车、熄火。

在正常操作情况下，排放到汽车舱内和单点失效情况不应该导致任何危险状况。

在预计的应用区域，比如室外、机械通风的建筑物和无机械通风的居家车库，都应满足法规要求，即从车内到车外的正常排放应为不可燃的（常规使用场景的评价导则见SAE J2578）。

2　GTR 13对氢气排放泄漏方面的规定

该法规适用于标称工作压力（NWP）不大于70 MPa、最大加注压力为125%NWP的氢储存系统，且该氢储存系统在汽车使用年限内稳固地连接在汽车上。在正常使用情况和碰撞后氢气的排放、泄漏、故障、报警情况下，对燃料系统的完整性也分别作了具体规定，同时还给出具体测试方法，文章只对其要求进行描述。

2.1　氢气排放系统[2]

2.1.1泄压系统

储存系统的温控压力泄放阀（TPRD）的排氢出口（如果有的话）应使用帽盖保护；TPRD排出的氢气不应进入汽车上的封闭或半封闭式的空间内、不应进入或朝向车轮罩、不应朝向氢气气瓶和车辆前方，不应从车辆后方和平行于道路的两侧水平方向排出。

其他安全泄压装置（比如爆破片）可以在氢气储存系统之外使用。从其他压力释放装置排出的氢气不应朝向外露的电气终端、外露的电气开关或者其他点火源，不应进入或者朝向乘客舱或者行李箱、不应进入或者朝向车轮罩、不应朝向氢气储气瓶。

2.1.2车辆排气系统

在正常运行期间（包括启动和关闭期间），车辆排气系统排出的氢浓度，在任何连续的3 s时间内，平均体积浓度不超过4%，任何时刻不得超过8%。

2.2　单点故障条件下防止易燃的条件[2]

1）从氢气储存系统泄漏和/或渗透的氢气不应直接排入乘客舱、行李箱、货舱，或者不应直接进入车内无保护点火源的封闭或半封闭空间。

2）主氢气关断阀下游的任何单点故障不得导致氢气进入乘客舱内任何地方。

3）如果在运行过程中，一个单点故障导致了车内封闭或者半封闭空间内的氢浓度超过2%体积浓度，则需要发出警告。如果车内封闭或者半封闭空间内的氢浓度超过3%体积浓度，应关闭主关断阀，以隔离储氢系统。

2.3　燃料系统泄漏[2]

氢燃料管路和主关断阀下游的氢系统不应发生泄漏，在NWP下验证其符合性。具体测试应从高压部分到燃料电池电堆（或燃料电池发动机）的燃料管路上接近位置处，以及连接管路处进行测试，使用气体探测器或者像皂液这类检漏液体进行氢气泄漏评估。

2.4　信号报警[2]

当传感器检测到氢气浓度超标时，会向驾驶员发出报警信号，应以具有以下属性的视觉信号或文字显示的形式给出，并且当驾驶员在系好安全带状态下，驾驶员在驾驶位上可见报警信号；如果检测系统发生故障，则显示为黄色（或红色）；信号在点亮情况下，应保证驾驶员在白天和夜间驾驶状态下都能看见；当氢浓度达到2%的浓度或检测到故障，并且点火开关系统处于ON（RUN）位置或驱动系统处于启动状态时，信号要保持点亮状态。

3　SAE J2578对氢气排放方面的规定

SAE J2578标准是为燃料电池汽车及其子系统确立安全准则和方法，用于氢燃料系统和燃料电池系统集成在整车上使用的特殊要求准则，规定了具体要求和试验方法，下面对SAE J2578中关于氢气排放泄漏的相关规定进行简述。

3.1　燃料系统完整性方面的要求[3]

对于燃料电池汽车和其他氢能汽车发生碰撞后其氢燃料的释放，推荐使用同FMVSS301规定的等效能量的燃料标准，同时燃料系统中不应排出其他危险液体（比如液氢、金属氢化物、化学氢化材料）。

3.2　汽车浸水情况下的要求[3]

按照汽车制造商规定把燃料电池汽车浸入水中，不应该造成电压或电流、气体或液体排放、火焰或爆炸等对汽车内外人体有危险的情况出现。

3.3　失效安全关断情况下的要求[3]

燃料电池汽车在失效情况下，应该有具体方法，防止单点故障所引起的不必要的燃料排放，直至燃料完全不排出，安全关断。可以使用HVIL（Hazardous Voltage Interlock Loop）来隔离燃料供应。

3.4　对汽车舱内潜在的危险情况管理[3]

对燃料电池汽车内所有含有或产生危险气体的部件，应该布置在其潜在危险情况可以管控的汽车空间或舱内。

3.5　正常情况下的气体排放系统[3]

汽车上所有燃料系统的排放、吹扫、通风和其他正常气体排放应该满足以下4个方面的物理和功能要求。气体排放系统的可信失效应该作为故障监控的一部分加以说明。

3.5.1车外的正常气体排放

在汽车正常操作时，吹扫、通风和排放中含有的燃料，不应该导致危险情况发生。当汽车在密闭空间内停放或者操作时，潜在危险包括在排放点局部或扩散到周围大气中的气体可燃性或毒性，以及后续排放集聚达到可燃或有毒水平的可能性。排放中出现的气体可燃性或毒性的潜在危险，可以通过处理方法与汽车内部件设计改进相结合、自然或强制通风、催化反应或其他方式进行管控，包括在启动和关机的正常操作过程中，排放点局部区域或当排放扩散到周围大气中，都应该满足下列准则：

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

2）低于可燃下限，或在排放点或扩散到周围大气时具有潜在可燃情况时，氢气的浓度和体积都应加以限制并验证。

3.5.2进入乘员舱、后备箱和货舱的正常气体排放

应该防止危险气体排放到乘员舱、后备箱和货舱中，可以使用遮挡、自然或强制通风、催化反应或其他方法来实现。乘员舱、后备箱和货舱内可燃气体和有毒气体的水平应该低于25%LFL（Lower Flammability Limit）。

3.5.3排放到其他舱内的正常气体排放

如果汽车舱或空间内有不适合在可燃气体出现的位置安装的设备，可燃气体不应排放到汽车舱或空间内，可以使用遮挡、自然或强制通风、催化反应或其他方法来实现。

3.5.4动力电池中潜在的氢气生成

汽车设计时，应该排除超过限值的危险气体排放情况，并采取安全措施。

3.6　来自氢储存系统和压力泄放装置（PRD）的排放[3]

在事故或故障情况下，氢气储存系统可能排放气体。PRD的排放应该排到汽车的乘员舱、后备箱或货舱外面。排风气流的位置和方向应以使人体暴露或者汽车内部或周围的危险传播最小化为宗旨。

以上是氢气排放方面的具体要求，下面简要介绍具体测试方法。

3.7　正常汽车排放测试[3]

在正常操作时（包括启动和关机），汽车上的所有排放应该是无危险的。采用汽车周围最小的假象储存空间，并根据假象空间的通风情况就可以确定车上的氢气允许排放量。标准乘用车的假象储存空间的长为4.5 m、宽为2.6 m、高为2.6 m。这个选择小于一般的北美车库，以提供符合全球要求的设计导则。这个空间容积是30.4 m3，不同尺寸的汽车，容积和底面积需要进行调整。

3.7.1在非机械通风结构内的汽车排放测试

汽车应停放在非常密闭的非机械通风结构的地方（如居家车库），其换气量低至0.03ACH（Air Changes per Hour）。可以通过试验、分析或组合方法验证汽车是否满足这个要求。符合性通过是使用验证的氢气储存系统来展示，对于标准乘用车，其泄漏、渗透、通风造成的总氢气排放低于150 Ncc/min。SAE J2579提供了氢气储存系统的验证方法。

3.7.2通风结构内的汽车排放测试

汽车应该在通风结构（如停车库和其他建筑物）中操作，其机械或自然通风的换气量达到5.4ACH情况下的氢气排放浓度。

3.8　汽车的不当或不利操作的测试[3]

汽车制造商应该考虑燃料电池汽车潜在的极端使用情况，并在认为必要的情况下，提供防护措施，使车辆的这些操作跟传统内燃机汽车可比，不会构成危险。比如，FCV不能在没有足够新鲜空气的空间内操作，但当这些不利的操作情况发生时，FCV通过把周围空气变得可燃会造成其他危险。在潜在可燃性为新的唯一危险情况下，制造商应该说明这种可能并保证汽车固有的操作限制情况。基于可靠的工程判断，通过试验、分析或组合方法可以验证汽车满足要求。

3.9　副产物[3]

FCV生成的水或其他物质排放应该是无毒的并加以限制，使其不会形成危险情况，也不会影响汽车驱动。

4　SAE J2579对氢气排放方面的规定

SAE J2579标准提供的初始信息用于设计和制造氢气储存和处理系统，使其在操作和维护中的危险最小，还提供了基于性能的测试准则，以用于道路汽车上的氢气储存和处理系统的性能验证。在这个标准中，对燃料系统排放方面的规定基本就是执行SAE J2578的具体要求，这里只讨论其排放系统[4]的要求。

燃料系统供用商应该考虑如下要求，并同汽车制造商一起保证4.4.1～4.4.3要求作为燃料系统设计和集成到汽车上的一部分加以说明。1）正常排放系统。所有废气、吹扫、通风和其他正常排放的设计、制造和位置应该满足这些进入乘员舱或车内的排放是没有危险的，具体导则见SAE J2578。2）PRD排放。如果在故障或事故情况下，系统排出的燃料或其他危险液体应该按照SAE J2578给出的设计、制造和位置导则。3）副产物。水或其他副产物的排放应该是无危险的。

5　结语

通过对ISO、GTR和SAE标准中的4个氢燃料电池汽车相关的法规标准中氢排放泄漏方面内容的简要介绍，可以使相关技术人员对燃料电池汽车在氢气排放泄漏方面的安全要求及测试方法有了基本了解，并加深了氢排放相关内容的理解和应用，对燃料电池汽车设计和测试有一定的指导意义。