一、功能要求

車載氫系統(tǒng)可以分為加氫模塊、儲氫模塊、供氫模塊和控制監(jiān)測模塊，車載氫系統(tǒng)的安全設(shè)計可以結(jié)合上述幾個模塊的功能進(jìn)行。

1、加氫模塊

加氫模塊一般包含加氫口、壓力表、過濾器、單向閥等功能閥件，通過與加氫槍連接實現(xiàn)為車輛加注氫氣的功能。為了保證加氫過程的安全可靠，應(yīng)在充分考慮加氫時的溫升問題、靜電消除問題、氣密性問題等基礎(chǔ)上，對加氫模塊進(jìn)行安全設(shè)計。一般應(yīng)考慮以下建議：

1）考慮到加氫過程的溫升問題，對于70MPa 氫系統(tǒng)應(yīng)配備溫度監(jiān)測模塊。

2）加氫口周圍應(yīng)設(shè)計有靜電接地裝置。

3）為避免加氫口密閉不嚴(yán)導(dǎo)致高壓管路漏氣，增加單向閥。

4）為避免加氫模塊連接點泄漏，在加氫模塊安裝艙內(nèi)最高點區(qū)域安裝氫濃度傳感器。

2、儲氫模塊

儲氫模塊一般包含儲氫瓶、瓶口組合閥（手動閥門、電磁閥、TPRD）、限流閥、壓力傳感器、瓶尾安全泄放裝置（TPRD）等功能閥件。

為了保證儲氫模塊的安全可靠，儲氫瓶應(yīng)滿足GB/T 35544-2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》的相關(guān)要求，瓶口組合閥、瓶尾安全泄放裝置同樣應(yīng)滿足GB/T 35544-2017 的相關(guān)要求，當(dāng)管路內(nèi)的壓力異常降低或流量反常增大時，限流閥能夠有效自動切斷儲氫容器內(nèi)的氫氣供應(yīng)，壓力感器可以通過氫控制器向整車或燃料電池控制器傳遞壓力信息。

3、供氫模塊

供氫模塊一般包含減壓閥、壓力傳感器、安全閥、排空閥、電磁閥等功能閥件。為了保證供氫模塊的安全可靠，減壓閥應(yīng)能保證輸出壓力的穩(wěn)定可靠，安全閥能夠?qū)崿F(xiàn)管路壓力超過一定限值后的起跳泄放功能，并在管路壓力恢復(fù)正常后，可以恢復(fù)原狀態(tài)。

4、控制監(jiān)測模塊

控制監(jiān)測模塊一般是由電氣系統(tǒng)組成，通過氫控制器實現(xiàn)車載氫系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)測，其中包括儲氫瓶的開啟狀態(tài)、瓶內(nèi)的溫度、管路的壓力以及氫濃度傳感器測量值，還要穩(wěn)定高效地控制瓶口組合閥和其他電磁閥類的開啟和關(guān)閉，計算車載氫系統(tǒng)運行的耗氫量，對剩余氫氣量進(jìn)行估算，實現(xiàn)不同故障的識別，還要通過CAN 總線與整車通訊，將接收來的信息發(fā)送給VCU，并接受VCU 的指令做出相應(yīng)動作。

1）余量監(jiān)測。在易于觀察處，設(shè)置氫氣剩余量儀表。

2）實時監(jiān)測。供氫系統(tǒng)應(yīng)具有能夠?qū)崟r監(jiān)測儲氫容器或管路壓力及溫度的能力，相應(yīng)傳感器材料應(yīng)能夠與氫完全兼容。當(dāng)氫系統(tǒng)檢測到氣瓶或管路壓力超過允許最大壓力或檢測到氣瓶溫度超高最高允許溫度時，應(yīng)主動報警，同時關(guān)斷氣瓶閥停止供氫。

當(dāng)氫系統(tǒng)檢測到儲氫容器壓力低于安全值時，應(yīng)主動關(guān)斷閥件停止供氫。

5、供氫能力

供氫系統(tǒng)在可用壓力范圍內(nèi)應(yīng)能夠滿足燃料電池系統(tǒng)的氫氣需求。

供氫系統(tǒng)應(yīng)有過流保護(hù)裝置或其他措施，當(dāng)檢測到儲氫容器或管道內(nèi)壓力異常降低或流量異常增大時，能自動關(guān)斷儲氫瓶內(nèi)的氫氣供應(yīng)。如采用過流保護(hù)閥，該閥應(yīng)安裝在主關(guān)斷閥上或緊靠主關(guān)斷閥處。

主關(guān)斷閥、儲氫容器的單向閥以及安全泄放裝置應(yīng)集成在一起，裝在儲氫容器端頭。對于多儲氫瓶系統(tǒng)，每個儲氫瓶的端頭應(yīng)分別安裝手動關(guān)斷閥或其他裝置，在加氫、排氫及維修時可根據(jù)需要單獨隔斷每個儲氫瓶。

6、氫氣品質(zhì)

根據(jù)GB/T 37244-2018《質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣》，燃料電池供氫系統(tǒng)供應(yīng)的氫氣品質(zhì)應(yīng)能滿足表3-1 所列要求。

表3-1 氫氣品質(zhì)要求

二、安全要求

1、氣密性

車載氫系統(tǒng)的氣密性應(yīng)至少滿足國標(biāo)要求，此外還應(yīng)滿足一定的泄漏速率或符合氣泡法檢測要求。

建議參考國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定思路，即將泄漏速率要求與安全擴(kuò)散速率對應(yīng)，氫氣在靜止空氣中會以大約20m/s 的速度迅速擴(kuò)散，在有排空扇或流動空氣的情況下會更快，如果單位空間內(nèi)整車的泄漏速率可以小于等于擴(kuò)散速率，那么可以適當(dāng)根據(jù)使用區(qū)域，存放場所對氣密性提出針對性要求。

2、泄漏量

在1.05~1.1 倍額定工作壓力下，供氫系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下每小時氫氣泄漏量應(yīng)小于0.5%。在安裝供氫系統(tǒng)的封閉或半封閉空間上方合適位置，至少安裝一個氫氣濃度傳感器，實時監(jiān)測氫氣的泄漏情況，并將信號傳遞給氫氣泄漏報警裝置。氫氣傳感器可在其響應(yīng)時間內(nèi)（一般為1s）感知到氫氣泄漏。在燃料電池系統(tǒng)中易發(fā)生氫氣泄漏或者氫氣積聚且駕駛員容易識別的部位安裝氫氣泄漏報警提醒裝置，泄漏濃度與警告信號的級別由制造商根據(jù)車輛的使用環(huán)境和要求決定，建議配置與傳感器相應(yīng)的安全連鎖裝置。建議當(dāng)空氣中氫氣體積含量不低于2.0％±1.0％時，發(fā)出警告；空氣中氫氣體積含量不低于3.0％±1.0％立即關(guān)斷氫供應(yīng)；如果車輛裝有多個氫系統(tǒng)，允許僅關(guān)斷有氫泄漏部分的氫供應(yīng)。

泄放分為兩種情況，一種是當(dāng)周圍環(huán)境溫度達(dá)到（110±5）℃時，TPRD 開啟；另一種是當(dāng)減壓閥下游管路壓力超過安全閥起跳壓力時，安全閥起跳泄放。

車載氫系統(tǒng)使用的車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶，都是經(jīng)過火燒試驗認(rèn)證的，但是均為單只測試，當(dāng)TPRD 作用時，不同儲氫瓶數(shù)量組成的瓶組中TPRD 泄放管路串聯(lián)應(yīng)有數(shù)量及通徑限制，避免集中泄放造成管路破損，以致氫氣未能及時排出艙體外，在相對密閉的空間內(nèi)積聚，最終造成嚴(yán)重后果。

安全閥泄放通徑至少應(yīng)滿足燃料電池堆提供的安全壓力下的泄放需求，但極端情況下應(yīng)考慮減壓閥完全失效時造成的無壓降情況。

3、安全措施

（1）壓力保護(hù)

系統(tǒng)應(yīng)該帶有檢測壓力的部件，當(dāng)系統(tǒng)檢測到供氫壓力低于產(chǎn)品規(guī)定的最低壓力，應(yīng)發(fā)出報警；

當(dāng)系統(tǒng)檢測到供氫壓力高于產(chǎn)品規(guī)定的最高壓力時，應(yīng)發(fā)出報警，同時關(guān)斷氣瓶閥停止供氫。

（2）泄壓裝置

系統(tǒng)應(yīng)該有泄壓裝置，當(dāng)系統(tǒng)壓力大于設(shè)計壓力時可以及時釋放壓力。為便于供氫系統(tǒng)操作及維護(hù)，可根據(jù)需要安裝手動泄壓閥。

（3）接地性能

系統(tǒng)應(yīng)具有接地點，且應(yīng)有明顯的標(biāo)志，接地點應(yīng)用銅螺母；供氫系統(tǒng)外殼、所有可觸及的金屬零部件與接地端子間的電阻應(yīng)不大于0.1Ω。

（4）防護(hù)等級

系統(tǒng)防護(hù)等級應(yīng)符合IP67。當(dāng)完成防護(hù)等級試驗后，系統(tǒng)部件不應(yīng)有損壞或故障的跡象，也不應(yīng)出現(xiàn)水在系統(tǒng)任何部件中的有害聚積。

（5）氫氣泄漏探測及報警

供氫系統(tǒng)或其安裝使用位置應(yīng)設(shè)置氫氣泄漏濃度連續(xù)測定和報警裝置。氫氣濃度傳感器應(yīng)符合GB16808-2008 和GB 12358-2006 的規(guī)定要求。報警裝置應(yīng)能根據(jù)氫氣濃度的大小發(fā)出不同等級的報警信號。濃度與報警信號的級別可由供氫系統(tǒng)使用者根據(jù)具體的使用環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)要求決定。

涉及安全的氣體傳感器應(yīng)根據(jù)IEC 61779-6 規(guī)定進(jìn)行選擇、安裝、校對、使用和維護(hù)。

（6）安全泄壓裝置

供氫系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置安全泄壓裝置（Pressure Relief Device，PRD），在釋放管路的出口處采取必要的保護(hù)措施，防止在使用過程中被異物堵塞，影響氣體釋放。通過安全泄壓裝置釋放的氫氣時，應(yīng)避免以下情況：

1）直接排到密閉或半密閉空間。

2）排向容易產(chǎn)生靜電的裝置或空間。

3）排向露出的電氣端子、電氣開關(guān)器件及其他引火源。

4）排向其他儲氫容器。

4、電磁兼容性

燃料電池供氫系統(tǒng)不得在其周圍產(chǎn)生超過規(guī)定水平的電磁干擾。除此之外，供氫系統(tǒng)電氣設(shè)備應(yīng)對電磁干擾具有足夠的抵抗能力，以便在其工作環(huán)境中正常運行。供氫系統(tǒng)的電磁兼容性具體要求如下：供氫系統(tǒng)的靜電放電抗擾度限制應(yīng)符合GB/T 17626.2-2018 中試驗等級3 的規(guī)定。試驗期間，被測樣品不應(yīng)損壞、故障或發(fā)生狀態(tài)改變，但允許指示燈閃爍，試驗后系統(tǒng)應(yīng)能正常工作。

5、絕緣及電安全要求

參考GB/T 18384-2020《電動汽車安全要求》中間接接觸防護(hù)要求、絕緣電阻檢測要求、電位均衡要求、電容耦合要求設(shè)計供氫系統(tǒng)，以保障其電安全。

三、啟動與關(guān)斷

1、啟動

當(dāng)所有防護(hù)裝置均已到位且起作用時，供氫系統(tǒng)才能啟動。為保證下次正常啟動，可采用適當(dāng)?shù)倪B鎖裝置，裝置應(yīng)具備手動、自動啟動功能。

氫系統(tǒng)在低壓電源接通后，氫管理系統(tǒng)應(yīng)控制供氫系統(tǒng)，先對氫系統(tǒng)提供氫氣進(jìn)行預(yù)充，確保氫氣管路壓力達(dá)到規(guī)定值。

2、關(guān)斷

燃料電池不需要繼續(xù)工作時，氫系統(tǒng)控制器根據(jù)通訊協(xié)議關(guān)閉儲氫瓶口組合閥，當(dāng)燃料電池關(guān)閉時，整車關(guān)斷瓶口組合閥供電；緊急情況時，駕駛員可緊急關(guān)閉氫閥翹板開關(guān)，切斷儲氫瓶瓶口組合閥供電需求，將瓶口組合閥關(guān)閉。根據(jù)燃料電池供氫系統(tǒng)的功能性要求，供氫系統(tǒng)應(yīng)提供以下關(guān)斷功能：

1）緊急關(guān)斷功能：當(dāng)供氫系統(tǒng)內(nèi)部或外部情況惡化，繼續(xù)運行供氫系統(tǒng)會帶來危害時，應(yīng)能夠通過手動啟動應(yīng)急按鈕而終止供氫系統(tǒng)的運行，并同時自動切斷氫氣的供給。緊急關(guān)斷功能應(yīng)考慮以下安全因素：

①在不產(chǎn)生新的危險情況下阻止危險發(fā)生。

②在必要情況下，觸發(fā)或允許觸發(fā)某些防護(hù)措施。

③不論供氫系統(tǒng)處于何種運行，緊急開關(guān)啟動后，緊急關(guān)斷具有第一優(yōu)先權(quán)。

④在緊急開關(guān)沒有復(fù)位的情況下系統(tǒng)不能重新啟動。

⑤緊急開關(guān)的復(fù)位不得導(dǎo)致任何危險情況的發(fā)生。

2）正常關(guān)斷功能。供氫系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)，可通過啟動控制設(shè)備而終止供氫系統(tǒng)運行。在正常運行情況下能夠自動或手動安全關(guān)斷。

3）非正常關(guān)斷功能。供氫系統(tǒng)處于非正常運行狀態(tài)時，可通過啟動控制設(shè)備而終止系統(tǒng)的運行。

在不會立即帶來危險的非正常狀態(tài)下能夠自動關(guān)斷，但不能自動重新啟動。

當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時，應(yīng)觸發(fā)關(guān)斷功能，并進(jìn)行停機(jī)檢查：

①監(jiān)測的空氣中氫氣體積濃度超設(shè)定值（3%±1%）。

②電力供應(yīng)故障。

③系統(tǒng)檢測到制氫系統(tǒng)內(nèi)富氫化合物余量低于設(shè)定值。

④系統(tǒng)氫氣壓力超過/低于設(shè)定安全值。

⑤系統(tǒng)監(jiān)測到溫度超過設(shè)定安全值。

⑥系統(tǒng)監(jiān)測到儲氫容器或管道流量反常增大或壓力快速下降。

氫氣系統(tǒng)關(guān)斷應(yīng)注意以下事項：燃料電池系統(tǒng)停止供氫請求前，不允許斷開氫氣供應(yīng)；當(dāng)氫管理系統(tǒng)發(fā)生通訊丟失，考慮到氫氣傳感器無法監(jiān)控，建議整車控制器或燃料電池系統(tǒng)發(fā)送氫系統(tǒng)關(guān)斷信號；當(dāng)檢測到車輛碰撞、火災(zāi)、氫氣泄漏等嚴(yán)重情況，整車控制器應(yīng)發(fā)送應(yīng)急關(guān)閉氫系統(tǒng)的信號。

3、啟動時間

對于以單質(zhì)形式儲存氫氣的供氫系統(tǒng)（如高壓氣態(tài)儲氫等），高壓儲氫啟動時間由電磁閥控制，按燃料電池需求啟動供氫。對于以化合物形式儲存氫氣的供氫系統(tǒng)，啟動時間可根據(jù)用戶要求確定。一般對于啟動供氫的要求如下：

1）在熱待機(jī)條件下，額定流量從0 到80%額定流量的啟動時間不應(yīng)大于10 min，從0 到100%額定流量的啟動時間不大于15 min。

2）在停機(jī)條件下且利用燃料燃燒實現(xiàn)氫氣產(chǎn)生設(shè)備加熱時，額定流量從0 到80%額定流量的啟動時間不應(yīng)大于45 min，0 到100%額定流量的啟動時間不大于50 min。

3）在停機(jī)條件下且利用電加熱裝置實現(xiàn)氫氣產(chǎn)生設(shè)備加熱時，額定流量從0 到80%額定流量的啟動時間不應(yīng)大于120 min，0 到100%額定流量的啟動時間不大于125 min。