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3 燃料电池汽车的碰撞安全性问题

燃料电池汽车存在高压气体容器和高电压电池，因此它也存在不同于传统汽车的安全碰撞性问题，同时由于氢的各种内在特性，其安全性也是一项挑战。文献［11］针对氢燃料电池汽车的结构特点，提出了氢燃料电池汽车存在的碰撞安全性问题。与氢安全相关的主要存在两个问题:

( 1) 泄漏性。氢是最轻的元素，比液体燃料和其他气体燃料更容易从小孔中泄漏。如果发生泄漏，氢气就会迅速扩散。与汽油、丙烷、天然气相比，氢气具有较大的浮力( 快速上升) 和较强的扩散性( 横向移动) 。在空气中，氢的燃烧范围很宽，且着火点很低，氢气火焰几乎是看不到的，因为在可见光范围内，燃烧的氢放出的能量很少［12］。因此接近氢气火焰的人可能不知道火焰的存在，从而增加了危险性。

( 2) 氢气罐保护。高压氢气罐的固定支架和钢带应有足够的强度，以保证在碰撞过程中，高压氢气罐的动态位移不会太大，避免造成连接管路的断裂、变形和氢气的大量泄漏。何健［13］基于显式有限元理论，按照 CMVDR294 法规对国内自主开发的某燃料电池轿车进行正面碰撞分析，对比分析两种氢气罐保护系统设计方案的计算结果，提出了安全有效的氢气罐保护方案，即氢气罐保护系统采用整体式设计。如图 2 所示，氢气罐框架通过 3 根横梁和 2 根纵梁将两个氢气罐集成到一个框架总成。纵梁截面为“Π”形，由几块板材拼焊而成，中部设计出两个圆弧形凹槽，可以对氢气罐进行有效的固定和保护。


4 汽车发生氢气泄露时的安全性分析

任何燃料的安全性都与其本身的性质密切相关。氢的特殊性质使得氢的安全性有不少特点。然而与其他燃料相比，氢气是一种安全性比较高的气体。例如氢气无毒，氢气在开放的大气中，很容易快速逃逸，而不像汽油挥发后，滞留在空间中不易疏散［14］。

迈阿密大学的 MICHAEL［15］分别对燃料电池汽车和汽油汽车的燃烧进行对比试验，将两辆汽车分别用氢气和汽油做燃料，然后做泄漏点火试验，如图 3 所示。点火 3 s 后，高压氢气产生的火焰直喷上方，而汽油由于比空气重，则从汽车的下部着火。到 1 min 时，氢气作燃料的汽车只有漏出的氢气在燃烧，汽车没有大问题; 而汽油车则早已成为一个大火球，完全烧光。这说明氢气汽车比现在普遍使用的汽油车安全得多。

如果燃料电池汽车发生车内氢气泄露，也存在一定的危险性，刘延雷［16］对燃料电池汽车内氢气泄露扩散进行数值模拟研究，考虑了氢气在车内泄露扩散后的危险区域分布，研究结论可以为车内预警用氢气泄露报警仪的放置( 见图 4) 以及燃料电池汽车的安全设计提供参考。在车内发生氢气泄露的情况下，整车控制系统能通过车上安装的氢气传感器信号将氢气供应系统切断，这一点与传统汽车在发生碰撞情况下自动切断油路系统一样，以保障燃料电池汽车发生车内氢气泄露时的安全。


5 结论

通过对文献的调研和实践经验对燃料电池汽车的氢安全问题进行了初步探讨。发现氢安全的问题在国际上已有较多的理论性研究，尤其是储氢和车载高压氢气系统设计方面的研究较多，但是氢安全的实验却很少，且还不能实现量化。这就导致了人们对氢安全性的认识不足，氢安全也因此成为了燃料电池汽车在应用上的瓶颈之一。为了消除这个瓶颈带来的负面影响，今后我国要加强车载氢安全研究，包括实验研究和计算机模拟研究等，同时设计更有效的安全措施，保障燃料电池汽车的氢安全，以加速燃料电池汽车的发展。

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关键词： 安全 设计 氢气 车载 电池 燃料