HFCV电动汽车储氢系统火灾风险点及安全对策研究

摘要：氢能源是一种清洁二次能源，相比于传统的化石燃料能源，具有用途广泛、无污染、低成本、储量大、可再生等特点，代表着世界能源发展的趋势。通过分析HFCV电动汽车特有的高压储氢系统，掌握HFCV电动汽车特有的火灾风险点，为消防人员处置此类火灾事故提供参考。

关键词：氢气；氢能源；HFCV电动汽车；高压储氢系统；CFRP基体

中图分类号：D631.6 文献标识码：A 文章编号：2096-1227（2024）06-0001-04

HFCV是Hydrogen Fuel Cell Vehicles的简称，是以氢能源为动力的电动汽车。目前，以氢能源为代表的清洁能源也在汽车上逐步开始应用，HFCV电动汽车具有清洁无污染、噪声小、成本低等特点，其燃料电池系统通过氢气与氧气反应结合生成水，不会产生有害物质及环境污染物质，同时不会产生传统汽车内燃机容易产生的噪声，它的主要驱动燃料是氢气，通过燃料电池里的回收装置，可以对未反应完的氢气进行回收并继续参与反应，从而确保了相比于传统内燃机而言更高的工作效率。

由于HFCV电动汽车正处于起步发展阶段，结构上与传统燃油汽车有很大不同，因此带来了新的汽车火灾事故风险点，使得消防救援人员面临了新的挑战。相对于燃油汽车，HFCV电动汽车的主要风险来源于它所储存的氢燃料，与燃油汽车火灾不同，HFCV电动汽车由于它的高压储氢系统特点，还会出现喷射火、物理爆燃、化学爆燃等情况，而与之相关的可借鉴的火灾事故案例相对较少，且消防救援人员对相关事故风险点的了解也较为薄弱。

1 HFCV电动汽车工作原理及储氢系统结构特点

1.1 HFCV电动汽车工作原理

HFCV电动汽车是一种结合氢燃料电池系统的电动汽车。由氢气和氧气的化学能转换为电能，为电池充电和电机运行提供电力。氢燃料电池汽车一般由储氢罐、燃料电池反应堆、动力电池、电控系统、电机等组成。储氢罐向燃料电池反应堆提供燃料氢，氢在燃料电池反应堆中与氧气进行电化学反应产生电，燃料电池反应堆的单体结构包括膜电极、质子交换膜以及双极板，氢电极为阳极，氧电极为阴极，见图1。然后供电机使用，在电控系统的指挥下由电机驱动汽车前进。当汽车制动或减速时，回收的能量可以储存在动力电池中，用来辅助驱动车轮。其基本构造见图2。

1.2 车载储氢系统结构特点

车载高压储氢装置是HFCV的关键部件，国内的车载储氢基本为气态储氢，通常情况下在20～25MPa之间，大多不超过35MPa，储氢质量密度约为3%wt，极少数为70MPa，储氢质量密度约为5.5%wt，材料为金属纤维缠绕储氢瓶。

固态储氢、高压气态储氢、低温液态储氢是目前已知的三种常见储氢方式。其中，固态储氢主要是利用金属氢化物进行储存，可以实现吸氢和放氢的可逆过程，但技术方面尚不成熟，主要原因为合适的金属氢化物尚在研究中[1]；低温液态储氢在加速性能、储氢密度、最高车速和续行里程等方面都要优于高压储氢，但因为需要对氢气进行低温液化处理工艺，所以经济性较差；相较于上述两种，国内的氢燃料电池车辆大多使用高压储氢方式，因为技术较为成熟且相对简易，储存成本也低，能够满足HFCV电动汽车的经济性需求。

2 HFCV电动汽车储氢系统安全风险点

氢气属易燃气体，火灾危险分级为甲类，空气中的氢气浓度爆炸极限为4.0%～75.6%，同时具有点火能量低、火焰传播速度快、爆炸强度大等特点。高压储存的氢气会产生导致金属材料的延性和塑性损减、疲劳裂纹扩展速率加剧以及氢致滞后断裂的氢脆现象，高压氢气所产生的应力会造成毛发状裂缝、微细穿孔等多种破坏形式，从而导致高压氢泄漏扩散，当高压氢气从泄放口泄漏后，遇点火源就会造成射流燃烧及气云燃爆。因此，应对处置此类事故是HFCV电动汽车和加氢/储氢站规模化发展亟须解决的难题。

2.1 高压氢泄漏扩散的风险

2.1.1 氢脆现象造成储氢系统管道发生泄漏

氢气是最小的分子，具有很强的渗透性，高温高压的氢能够渗透溶解进金属管道内部，形成新的氢分子，在金属内部产生裂纹，如氢与钢中的碳结合，使钢脱碳，或使钢中的硫化物与氧化物还原。部分设备中原本就含有氢，在高压的作用下，对管道进行破坏，也可以是使用后由介质中吸收进入，在高压作用下氢气能渗透到金属设备的碳素中而引起金属管道及储存设备的“氢脆”破坏，使储存设备和传输管道的塑性和强度急剧下降，从而导致设备损坏引发氢气泄漏[2]。

当氢气泄漏压力过大时，氢气从管口或缝隙处高速喷出的同时，会产生静电，流速越快静电的产生就越强，爆燃现象就会在静电荷达到一定数值时产生。此外，氢气的带电性致使氢气储罐的出口处及输气管道处易发生静电积聚，从而产生放电现象，这会成为氢气火灾爆炸事故的引火源，当储罐及输气管道的接地装置发生故障时，极易引发火灾及燃爆事故。

2.1.2 高压储氢气瓶瓶身CFRP基体软化导致氢泄漏

根据火灾场景下车载储氢装置热损伤模拟实验，当HFCV电动汽车其他部位起火诱发车辆火灾，通常在30min以后汽车客厢部位温度最高可达900℃[3-4]，加之HFCV电动汽车形成的局部密闭空间不易散热，使得着火部位能在周围空间产生强烈的热辐射。虽然，火焰未直接触及高压储氢装置，但由于高压气瓶所处局部空间温度迅速升高，导致高压储氢气瓶瓶身CFRP基体在高温氧化环境中受热辐射损伤，基体软化失效，失去密封作用，从而造成储氢瓶内的氢气泄漏。

2.2 高压储氢气瓶氢气泄放产生氢射流火的风险

TPRD阀是高压储氢气瓶的重要组成部分，安装位置为气瓶瓶头，形式为嵌入式安装，当气瓶被火焰侵袭，达到装置激活温度（109℃+/-5℃）时[5]，该装置动作，将高压氢气排放到外部；TPRD阀无法人为手动关闭，TPRD管路的大气端安装有盖子，当有氢气释放有压力时该盖子可以自动打开，在储氢装置达到承压极限或激活温度（110℃）前，热熔材料激活TPRD阀，阀门动作释放内部压力，从而防止气瓶爆裂[3，6]。当TPRD阀激活后，氢气在泄放口喷出，遇火源产生高速射流火焰。以4.2mm泄放口径的TPRD阀为例，35MPa储氢气瓶的射流火焰长度可达5.2m，而当氢气在白天燃烧时，只能看到射流火焰总长度的30%，其波及范围通常为TPRD阀向外120°的扇形区域，波及范围广，危害距离远。

2.3 高压气瓶爆裂产生氢气爆燃的风险

当TPRD阀损坏无法在设定的温度范围动作时，会造成高压储氢气瓶的压力无法泄放，高压储氢装置在外部高温火源的作用下，内部压力持续升高，当超过设定压力的20%时，气瓶发生瓶体破裂失效，产生物理爆炸，大量氢气在一定空间内短时间聚集，遇到点火能量，进而诱发更为猛烈的化学爆燃。

3 HFCV电动汽车储氢系统消防安全对策分析

目前，国内的HFCV电动汽车主要分为客运车、货运车及小型乘用车三类，其高压储氢系统的位置也有所不同，客运车的储氢系统通常分为车顶布置和车底布置两种，车底布置的位置通常在车厢底部动力电池包后部；货运车的储氢系统布置通常相对集中，通常在车头后部且大多与车载动力电池集中布置；小型乘用车的储氢系统通常布置在车辆的中后部后备箱部位，相比于上述两种，更易形成有限密闭空间，爆燃风险大。消防救援人员在进行到场处置时，需针对不同车辆类型及储氢系统的具体位置进行研判，而后根据其具体位置，采取相应的处置措施。

无论哪种类型HFCV电动汽车的事故处置，安全管控区域设置是前提，消防处置人员在到达现场后要先做好相应的安全管控及人员疏散，根据独立储罐破裂危害距离测试[3，5，7]，不同压力类型储罐破裂时对人体的危害距离，主要分为致死距离、受伤距离、无害距离，目前国内常见的储氢气瓶大多不超过35MPa，极少数为70MPa，单瓶容量最大不超过400L，因此，根据目前国内气瓶的容量测算安全距离，得出安全管控距离可以控制在120～180m之间。

根据HFCV电动汽车事故处置安全管控示意图，见图3。该图将事故现场分为警戒区、安全管控区、易受伤区、致死区四个区域。警戒区：距离车辆事故现场大于180m，该区域人员为保障人员、公安、医护等其他联动单位人员，围观群众必须控制在警戒区之外，该区域风险性较低。安全管控区：距离车辆事故现场大于120m，该区域人员主要为消防救援人员，包括现场指挥员、安全员、处置小组人员，并在该区域同时设置装备集结点、消防车辆停靠点、紧急救助区，该区域安全风险中等。易受伤区：距离车辆事故现场大于10m，该区域人员不可长时间停留，以横向车顶布置的储氢气瓶为例，通常面向车头设施水炮架设区域，人员应在架设水炮完毕后第一时间撤离到安全管控区；同时，及时搭建疏散救人通道，注意避开两侧的气瓶泄爆口方向及其延伸区，该区域安全风险较高。致死区：距离车辆事故现场小于等于10m，该区域人员禁止停留，存在致死风险，该区域安全风险高。

综合第二大点描述，HFCV电动汽车储氢系统存在的氢气泄漏、氢气泄放产生射流火以及高压氢气瓶爆裂的风险，HFCV电动汽车发生事故时，可能会发生高速物理打击、化学爆燃、物理爆炸、氢射流火焰等风险。因此，在消防处置过程中，抵达现场做好安全管控之后，消防员在面临此类情况时给予以下几种安全对策：

3.1 化学爆燃的安全对策

尽管氢气作为逃逸性气体，很难大量聚集，但氢气在地下停车场、地下车库、高速公路隧道、客混船等封闭、密闭区域内释放时，氢气泄漏现场灾情转化成爆炸、火灾的风险较高，同样，由于小型乘用车高压氢气瓶放置区空间相对密闭，当氢气泄漏时，可能会出现短时间的大量聚集，加之氢气本身的特性爆炸范围很宽，产生化学爆燃。

消防处置人员选择安全的行车路线，从上风方向抵近事故现场，严禁穿过泄漏形成具有爆炸危险的气体云，在距离事故车辆120m外停车，避开高压氢气瓶瓶头扇形区域设置事故处置阵地；利用高压雾状水稀释驱散现场泄漏气体，在事故车辆上风方向适当距离处设置水炮阵地，利用高压雾状水，对泄漏气体进行驱散稀释，严禁使用直流水，以防产生静电引燃泄漏气体，待高压氢气自行排空后进行处置。

3.2 物理爆炸的安全对策

高压气瓶外部发生火灾且气瓶的TPRD装置损坏失效时，高压储氢装置在瓶外燃烧火焰的炙烤下，气瓶内部的压力会持续升高，从而导致瓶体破裂失效产生物理爆炸。此时消防处置人员到达现场时，应按照化学爆燃情况做好相应的安全管控后，在事故车辆上风方向较近位置，设置自摆炮阵地对受炙烤的高压气瓶进行灭火冷却，防止超压爆炸。

3.3 氢射流火及高速物流打击的安全对策

当消防处置人员到达现场，高压气瓶TPRD安全爆破片动作，氢气从气瓶中喷出，在储氢气瓶放置区两侧位置产生氢气射流火时，应该及时根据储氢压力测算喷射距离，设置灭火救援进攻路线，合理计算氢气的泄爆距离，随后在安全距离下开花水射流灭火的同时，铺设水幕水带稀释驱散泄漏气体，防止氢气短时间聚集，如有人员被困，在进行稀释驱散保护后，可以派处置人员避开气瓶泄爆面接近车辆进行人员疏散。

4 结束语

当前，HFCV电动汽车的生产与应用日益广泛，本文从HFCV电动汽车的工作原理、储氢系统结构特点入手，总结分析了该类汽车特有的储氢系统的相应风险点，进而提出了针对性的消防安全对策，旨在为消防救援人员处理类似火灾提供参考，同时，随着HFCV电动汽车储氢系统的不断更新，对于HFCV电动汽车火灾的风险评估与处置战法也要不断完善。

参考文献

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[4]冯屹，杜建波，刘桂彬.燃料电池汽车的氢存储及道路安全评估[J].上海汽车，2007（9）：6-9.

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