燃料电池汽车运行安全性能关键要素分析

目前，随着环境污染和能源短缺等问题的日益突出，新能源汽车成为了各大汽车产商和研发机构的重点研究对象。

其中，燃料电池汽车因其燃烧效率高，燃烧产物绿色无污染等优点，被认为是最具潜力的新能源汽车之一，得到了行业的广泛关注。

然而，燃料电池汽车的商业化进程缓慢，受到关键材料价格成本、加氢站普及程度和安全性能等多方面因素限制。其中，安全性能的影响尤为突出。

氢的各种内在特性，决定了氢能系统有着不同于常规能源系统的危险特征，比如易燃、易泄漏、扩散性、爆炸性和氢脆等。对于燃料电池汽车，整车、车载氢系统以及燃料电池系统均存在泄漏和爆炸等风险。

本文基于对燃料电池汽车整车、系统和关键部件的理解，依托国家氢能动力质量监督检验中心的相关实测试验数据，对燃料电池汽车运行过程中的典型场景进行提取，分析包括道路行驶、氢气加注、停车、驻车等场景的运行安全问题。

梳理燃料电池汽车运行安全性能特征，从燃料电池系统、车载氢系统、燃料电池整车三层级分析在用燃料电池汽车运行安全性能关键要素，提取氢电安全等关键要素核心检测参数；研究在用燃料电池汽车运行安全性能检验及评价技术，研究快速检验方法与检验工具，确立在用燃料电池汽车定期检验流程，构建在用燃料电池汽车运行安全性能检验技术体系。

燃料电池系统运行安全性能分析

在燃料电池汽车运行过程中，燃料电池系统作为车辆动力性能的提供源，具有氢气流量大、产热较多和输出高电压高电流等工作特点，其安全性能涉及到机械、电气、热和化学等多种因素；同时，车辆行驶中还会受到振动冲击和冷热雨尘等环境影响。

因此，需要对控制系统及其保护部件、子系统核心部件、外壳管路及连接件等方面提取运行安全要素，开展燃料电池系统性能特性、氢气泄露、绝缘强度、故障/异常保护等方面的快速、精准检验技术研究。

对于燃料电池电堆的运行安全性能，需要对电堆复杂的电化学内部环境及振动、冲击、灰尘、雨淋、环境温度大幅度变化等外部环境条件进行综合考虑，提取燃料电池电堆运行安全要素。

氢燃料电池汽车所使用的电堆因具有纯电动汽车、混合动力汽车所使用的动力蓄电池的电气特征，即“通过输出电量驱动电动机工作从而促使车辆前进”，从而使很多安全试验项目都可以参考电动车用储能系统的相关标准。

1.1

性能特性

燃料电池系统随着车辆的使用会不可避免的出现性能衰减，进而影响整车的性能与安全性，因此有必要对燃料电池系统进行性能特性检测。

燃料电池系统性能包含稳态性能、启动性能和动态性能。

其中，稳态性能主要为系统的额定功率，如果燃料电池系统在运行一段时间后功率达不到出厂时的额定功率，说明系统衰减较大，应对系统进行维修或更换；启动特性主要是低温冷启动特性，主要指标参数有冷启动温度与启动时间；动态性能主要为加减载响应时间，加减载范围为10%-90%额定功率。

图1 燃料电池发动机性能特性试验示例

1.2

发动机系统氢气泄露

氢的各种内在特性，决定了氢能系统有不同于常规能源系统的危险特征，比如易燃、易泄漏、扩散性、爆炸性、氢脆等。燃料电池系统作为氢气的消耗端，在氢气使用过程中也存在一定的泄漏风险。

因此，燃料电池堆的氢安全设计方面，其包装内部的通风设计以及氢泄漏的在线监测设计也需着重考虑。

在气密性方面，燃料电池堆需保证无泄漏并通过出厂前的气密检测等实验测试内容在完成密封性检查外，运行过程中监控器工作电压的变化也是不可或缺的。

如果燃料电池堆中的质子交换膜发生破损后，会出现氢气泄漏到空气腔或空气泄漏到氢气腔中的现象，在催化剂的作用下，会在泄漏的局部发生燃烧，对燃料电池堆的安全造成威胁。当发生膜泄漏氢气与空气混合后，会引起电压降低，可以通过检查单个电池的电压进行判断。

图2 燃料电池系统氢气泄漏检测

1.3

绝缘性能

在通过循环冷却水冷却燃料电池堆的燃料电池系统中，由于有离子析出到冷却水中，冷却水的导电率会随着时间上升，导致燃料电池产生的电流在冷却水中流动，进而引发燃料电池系统漏电、短路等故障。另外，燃料电池其他高压线路或部件会随着时间老化。

因此有必要对燃料电池系统的绝缘性能进行检测。

图3 燃料电池系统的绝缘性能

燃料电池车载氢系统运行安全性能分析

燃料电池汽车车载氢系统作为燃料电池汽车的重要组成部分，实现了氢气的加注、储存与供应。

车载氢系统需满足燃料电池用氢技术要求，同时要结合储氢瓶、供氢管路及控制系统的功能要求、安全要求等，对燃料电池汽车的车载氢系统的运行安全进行综合分析。通过分析，提取包括氢

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