氫氣安全嗎？

隨著各國(guó)對(duì)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的不斷投入，燃料電池汽車技術(shù)逐漸成熟，已經(jīng)有多個(gè)汽車廠商推出燃料電池商用車型，各國(guó)及各區(qū)域燃料電池汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也在不斷制定和完善中。在燃料選擇方面，以氫氣作為燃料具有環(huán)保、可再生、來源廣泛的優(yōu)勢(shì)。但是，由于氫氣本身的物化特性，使得車載氫氣系統(tǒng)存在著一定的安全隱患，也使得人們對(duì)于燃料電池車的安全性普遍存在顧慮。

氫氣是最不容易形成可爆炸的氣霧的燃料，只要建立有效的防控手段，氫氣的安全性還是十分出眾的。與常規(guī)能源相比，氫氣有很多特性。其中既有有利于安全的屬性，也有不利于安全的屬性。有利于安全的屬性有：更大的擴(kuò)散系數(shù)和浮力，單位體積或單位能量的爆炸能更低等；不利于安全的屬性有：更寬的爆炸極限范圍，更容易泄漏，更高的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊取１疚木腿藗兤毡殛P(guān)心的幾個(gè)氫能安全問題，結(jié)合氫氣的特性進(jìn)行分析比較。

將氫氣的主要特性和其它常見燃料作對(duì)比，建立四個(gè)坐標(biāo)分別是擴(kuò)散、浮力、爆炸下限和燃燒速度的倒數(shù)，越靠近坐標(biāo)原點(diǎn)越危險(xiǎn)。可以看出，就擴(kuò)散、浮力和爆炸下限而言，氫氣都遠(yuǎn)比其它燃料安全，但氫氣的燃燒速度是常見燃料中最快的。

泄露性：泄露速度快于常見燃料，但泄露總能量不高

氫氣相對(duì)比液體燃料和其他氣體更容易從小孔中泄露，因此氫氣相對(duì)于其他燃料的泄露速度更快。對(duì)于透過薄膜的擴(kuò)散，氫氣的擴(kuò)散速度是天然氣的3.8倍。實(shí)際當(dāng)中，氫氣易泄漏更多的是通過燃料管線、閥門、高壓儲(chǔ)罐上出現(xiàn)的微小裂縫。通過對(duì)燃料運(yùn)輸系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，可以避免采用厚度很薄的材料。

根據(jù)燃料電池車泄漏位置和泄露時(shí)機(jī)的不同，氫氣的泄漏狀態(tài)是不同的：（1）儲(chǔ)氫瓶（35MPa）直接發(fā)生泄漏將直接以湍流的形式發(fā)生，此時(shí)發(fā)生泄漏的氫氣速度可達(dá)聲速的3倍多（1308mps）。相比之下，天然氣汽車由于氣瓶?jī)?nèi)壓力為20MPa左右，發(fā)生泄漏時(shí)的速度僅為聲速的1.2倍多（449mps），氫氣顯然的泄漏要比天然氣快。（2）如果氫氣在供給電堆時(shí)發(fā)生泄露，將以層流的形式發(fā)生。這是由于氫瓶后端由于有減壓器，一般一級(jí)壓力將降為1.5MPa左右；在氫氣進(jìn)入燃料電池系統(tǒng)之前會(huì)再進(jìn)行二級(jí)減壓，最終供給電堆的氫氣壓力為100kPa左右。

相同時(shí)間內(nèi)泄漏的氫氣體積總是大于天然氣，但泄漏的天然氣的能量將大于氫氣的能量。由于天然氣和氫氣都是儲(chǔ)存在汽車的高壓氣罐中，如果發(fā)生泄漏，都是以湍流的形式，此時(shí)氫氣的相對(duì)泄漏率是天然氣的2.83倍。一般在20MPa壓力下的壓縮天然氣的體積能量密度僅相當(dāng)于汽油能量密度的30%，而國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的35MPa壓力下的壓縮氫氣其體積能量密度是汽油的16.7%。但是泄漏之后的氣體處于常溫常壓的狀態(tài)，此時(shí)氫氣的體積能量密度為12.74MJ/Nm3，而天然氣為39.82MJ/Nm3，所以在相同時(shí)間內(nèi)，泄露的氫氣體積雖然更多，但是根據(jù)泄露情況的不同，泄漏后天然氣攜帶的能量大約為泄漏氫氣1.11-2.48倍，下圖模擬的是氫氣和天然氣泄漏時(shí)體積和能量對(duì)比：

擴(kuò)散性：具有很高的擴(kuò)散系數(shù)和浮力，泄漏時(shí)可迅速降低濃度

氫與汽油、丙烷和天然氣相比，氫氣具有更大的浮力（快速上升）和更大的擴(kuò)散性（橫向移動(dòng)）。氫氣的密度僅為空氣的7%，而天然氣的密度是空氣的55%。所以即使在沒有風(fēng)或不通風(fēng)的情況下，它們也會(huì)向上升，而且氫氣會(huì)上升的更快一些。但丙烷和汽油氣都比空氣重，所以它們會(huì)停留在地面，擴(kuò)散的很慢。氫的擴(kuò)散系數(shù)是天然氣的3.8倍、丙烷的6.1倍、汽油氣的12倍。這么高的擴(kuò)散系數(shù)表明，即使在通風(fēng)不暢的環(huán)境下，泄漏的氫氣也將會(huì)很快上升并向各個(gè)方向快速擴(kuò)散，迅速降低濃度。

在戶外，氫的快速擴(kuò)散對(duì)安全是有利的。但在相對(duì)密閉的環(huán)境中，這如果氫氣的泄漏量很小，氫氣會(huì)快速與空氣混合，保持在爆炸極限濃度以下；如果氫氣的泄漏量很大，快速擴(kuò)散會(huì)使得混合氣濃度很容易達(dá)到爆炸極限，不利于安全。

爆炸性：爆炸極限范圍寬，但爆炸能很低且不產(chǎn)生濃煙和灰霾

在空氣中，氫的爆炸范圍很寬，而且點(diǎn)火能不高。氫氣的爆炸極限范圍（體積分?jǐn)?shù)）是4%-75.6%，最小點(diǎn)火能僅為0.02mJ。而其他燃料的爆炸極限范圍則要窄得多，點(diǎn)火能也要高得多。一般來說，氫氣爆炸要達(dá)到兩個(gè)條件，除了要滿足氫氣的爆炸極限，還要施加靜電、明火或混合空氣溫度達(dá)到527oC及以上。氫氣爆燃的條件是有先后順序的，首先要滿足濃度，然后再滿足點(diǎn)燃條件。如果已經(jīng)有點(diǎn)燃條件，那么氫氣只會(huì)排出多少就燃燒多少，不會(huì)爆燃，就像煤氣灶燃燒燃?xì)庖粯印?br/>
從爆炸上限（UEL）考慮，在泄漏量比較大的情況下，天然氣的濃度超過15%，或者汽油氣的濃度超過7.8%，的確要比氫氣的濃度超過75%要容易的多。但在實(shí)踐中經(jīng)常發(fā)生的情況是，一般通過限制最大可能的燃料流量或者增加空氣流通量盡量使燃料混合物的濃度低于爆炸下限（LEL）。所以爆炸下限比爆炸極限范圍更好地表示燃料空氣混合物的著火趨勢(shì)。而氫氣的爆炸下限是汽油氣的4倍、丙烷的1.8倍，只是略低于天然氣。

在特定條件下（爆炸下限附近，燃料濃度為4%-5%），引爆氫氣/空氣混合物所需要的能量與點(diǎn)燃天然氣/空氣混合物所需的能量基本相同。這是由于：氫氣的最小點(diǎn)火能是在濃度為25%-30%的情況下得到的，在較高或較低的體積分?jǐn)?shù)情況下，引爆氫氣所需的點(diǎn)火能會(huì)迅速增加。

如果發(fā)生爆炸，氫氣的爆炸能量是常見燃?xì)庵凶畹偷模貏e就單位體積爆炸能而言，氫氣爆炸能僅為汽油氣的1/22。在工程上，一般通過安裝探測(cè)器警報(bào)與排風(fēng)扇來共同控制氫氣濃度保持在4%的爆炸下限以下，并且探測(cè)器的靈敏度設(shè)置遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于爆炸下限，只有安全保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)重大問題，才會(huì)造成氫氣大量泄露，而出現(xiàn)這種情況的概率是很小的。

氫氣火焰幾乎是看不到的，因?yàn)樵诳梢姽夥秶鷥?nèi)，燃燒的氫氣放出的能量很少。因此接近氫氣火焰的人可能會(huì)不知道火焰的存在，從而增加了危險(xiǎn)。但這也有有利的一面，由于氫火焰的輻射能力較低，所以附近的物體（包括人）不容易通過輻射熱傳遞而被點(diǎn)燃。相反，汽油火焰的蔓延一方面可以通過液體汽油的流動(dòng)，另一方面也可以通過汽油火焰的輻射。因此，汽油比氫氣更容易發(fā)生二次著火。而且汽油燃燒產(chǎn)生的濃煙和灰霾會(huì)造成對(duì)人的額外傷害，而氫氣燃燒只會(huì)產(chǎn)生水蒸氣。

氫氣的儲(chǔ)運(yùn)安全嗎？——以氣氫拖車運(yùn)輸為主，從充裝到儲(chǔ)運(yùn)安全措施完善

儲(chǔ)氫的方式主要分為：低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫和儲(chǔ)氫材料三種。氫的質(zhì)量能量密度很高，大約是汽油的3倍，但體積能量極低，常溫常壓下比汽油低4個(gè)數(shù)量級(jí)。較為現(xiàn)實(shí)的做法是在生產(chǎn)廠將制得的氫氣壓縮或液化后進(jìn)行運(yùn)輸和儲(chǔ)存。

運(yùn)氫的方式主要分為：氣氫拖車運(yùn)輸（tubetrailer）、氣氫管道運(yùn)輸（pipeline）和液氫罐車運(yùn)輸（liquidtruck）。

拖車運(yùn)輸適用于將制氫廠的氫氣輸送到距離不太遠(yuǎn)而同時(shí)需用氫氣量不很大的用戶，前期投資不高；而管道運(yùn)輸前期投入高，適用于大規(guī)模的輸送；液氫罐車的運(yùn)輸能力強(qiáng)但仍存在技術(shù)難點(diǎn)。因而從現(xiàn)階段加氫站對(duì)運(yùn)輸距離（<500km，200km為宜）和運(yùn)輸規(guī)模（10噸/天）的需求來看，氫氣最佳的運(yùn)輸方式仍是氣氫拖車。

我國(guó)常用的高壓管式拖車一般裝8根高壓儲(chǔ)氣管。其中高壓儲(chǔ)氣管直徑0.6m、長(zhǎng)11m、工作壓力35MPa、工作溫度為-40~60°C、單只鋼瓶水容積為2.25m3，重量2730kg。這種車總重26030kg，裝氫氣300kg以上，輸送氫氣的效率只有1.1%，未來更高壓力的存儲(chǔ)會(huì)提升載氫能力。

氣氫拖車系統(tǒng)的運(yùn)行過程如下：空載氣氫拖車在集中制氫廠加氫到滿載，然后車輛行駛到加氫站，直接卸下車上管狀儲(chǔ)存容器作為加氫站的存貯設(shè)備，同時(shí)拾起原本位于加氫站的“空載”管狀容器，運(yùn)回集中生產(chǎn)廠開始新一輪的加載。

從氫氣的充裝階段看，為了將常溫下將7kPa的氫氣多步壓縮至35MPa甚至更高專供氫氣長(zhǎng)管車充裝，整個(gè)氫氣充裝工藝十分復(fù)雜，包括壓縮機(jī)、罐裝系統(tǒng)等各環(huán)節(jié)都有相應(yīng)的安全措施：

氫氣壓縮機(jī)的安全保障：氫氣壓縮機(jī)采用可編程控制器進(jìn)行集中控制，控制系統(tǒng)還設(shè)置有各種自動(dòng)保護(hù)功能和故障報(bào)警及故障信息顯示功能，可以監(jiān)控壓縮機(jī)各處壓力，一旦壓力超出規(guī)定范圍，壓縮機(jī)連鎖自動(dòng)停機(jī)以保證安全。

氫氣充裝系統(tǒng)的安全保障：（1）超壓保護(hù)：在氫氣充裝排上設(shè)置氫氣超壓泄壓安全閥，避免氫氣充裝系統(tǒng)發(fā)生超壓事故。（2）回流保護(hù)：在氫氣充裝排上設(shè)置氫氣回流閥，氫氣回流利用，減少排放大氣的氫氣量，既利于安全，也減少了浪費(fèi)。（3）放空保護(hù)：在充裝排上設(shè)置氫氣放空管道，在氫氣壓縮機(jī)開、停車時(shí)，進(jìn)行放空，既利于氫氣系統(tǒng)的提純，又避免形成爆炸性的混合氣體，保證了生產(chǎn)系統(tǒng)的安全。

除此之外，氫氣充裝地點(diǎn)都配有氮?dú)鉁缁鹣到y(tǒng)等消防措施，在氫氣容易泄漏的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域都設(shè)置有氫氣檢漏報(bào)警裝置，保障整個(gè)氫氣充裝站的生產(chǎn)設(shè)備及人身安全。

從氫氣的運(yùn)輸過程來說，主要依靠氣氫長(zhǎng)管拖車。長(zhǎng)管拖車總體結(jié)構(gòu)分行走機(jī)構(gòu)、大容積鋼質(zhì)無縫鋼瓶（即氣瓶）及其連接裝置三部分。氣氫長(zhǎng)管拖車裝載的壓縮氫氣工作壓力高，使用時(shí)需經(jīng)常來往于城市道路及建筑密集地帶，安全問題非常重要，有諸多安全設(shè)置：

氣瓶質(zhì)量：氣瓶作為長(zhǎng)管拖車的主要承壓部件，其質(zhì)量與長(zhǎng)管拖車的安全性能密切相關(guān)。因此氣瓶?jī)?nèi)外表面均經(jīng)過噴丸處理，并用內(nèi)窺攝像系統(tǒng)逐只進(jìn)行內(nèi)部全面檢查，確保內(nèi)部質(zhì)量。氣瓶成形及水壓試驗(yàn)后逐只進(jìn)行磁粉檢測(cè)，確保不得有任何裂紋狀缺陷存在，且氣瓶的兩端螺紋均經(jīng)磁粉檢測(cè),確保連接螺紋質(zhì)量可靠。

爆破片裝置：爆破片裝在氣瓶的兩端，較安全閥體積小、重量輕，但密封十分可靠，同時(shí)其泄放面積較同體積的安全閥泄放面積要大得多。

壓力表：氣瓶充卸氣管路上設(shè)置壓力表一塊，量程取1.5-3倍的工作壓力，精度1.5級(jí)。壓力表采用防震型，其前端設(shè)置壓力表閥，便于更換拆卸。

溫度計(jì)：考慮到工作環(huán)境溫度及充氣時(shí)氣體溫度升高、卸氣時(shí)氣體溫度降低等因素影響，溫度計(jì)測(cè)量范圍應(yīng)覆蓋最低和最高工作溫度，測(cè)量范圍應(yīng)取-40-80。溫度計(jì)多采用雙金屬型，讀數(shù)方便，堅(jiān)固耐用，且采用防護(hù)套管與介質(zhì)隔開，易于更換拆卸。

安全聯(lián)鎖裝置：裝卸氣過程中，即操作倉門打開狀態(tài)，嚴(yán)禁拖車啟動(dòng)運(yùn)行，否則會(huì)造成裝卸軟管等連接部位拉斷、氣體泄漏等嚴(yán)重事故。

導(dǎo)靜電裝置：長(zhǎng)管拖車尾部設(shè)置導(dǎo)靜電接地帶，操作倉管路上設(shè)置導(dǎo)靜電片，可隨時(shí)導(dǎo)出運(yùn)行時(shí)及充卸氣時(shí)積聚的靜電荷，不至于突然放電而產(chǎn)生電火花。

除此以外，氣氫長(zhǎng)管拖車的裝卸操作有標(biāo)準(zhǔn)的操作歷程，只要工作人員按照標(biāo)準(zhǔn)操作可以有效保障裝卸安全。并且根據(jù)上海危險(xiǎn)氣體運(yùn)輸法規(guī)規(guī)定在氣溫大于30oC時(shí)，僅能在夜間運(yùn)輸，這也降低了氣氫長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸?shù)奈ｋU(xiǎn)性。

因此，通過長(zhǎng)管拖車儲(chǔ)運(yùn)氫氣盡管存在危險(xiǎn)特征，但可通過合理方式降低風(fēng)險(xiǎn)，以保障氫氣充裝、運(yùn)輸過程中的安全性。

燃料電池車輛安全嗎？——設(shè)計(jì)完備提供全方位防護(hù)，實(shí)際運(yùn)行安全有效

由于氫氣不同的物化特性，如何應(yīng)用于燃料電池車中依然可以保證安全。我們從車載供氫系統(tǒng)的安全性和車輛的安全性兩個(gè)角度進(jìn)行全面的介紹。

車載供氫系統(tǒng)：技術(shù)設(shè)計(jì)與材料選用雙管齊下，實(shí)現(xiàn)用氫安全多重保障

車載供氫系統(tǒng)是燃料電池汽車的重要組成部分，功能主要是為燃料電池系統(tǒng)提供穩(wěn)定壓力的氫氣，而其安全措施主要從預(yù)防與監(jiān)控兩方面著手。一方面通過完整的安全輔助裝置實(shí)施良好的預(yù)防，另一方面通過合理的布置各類傳感器形成完善的監(jiān)控，通力合作維護(hù)了車載供氫系統(tǒng)的安全性。

從技術(shù)設(shè)計(jì)的角度說，車載供氫系統(tǒng)主要由高壓儲(chǔ)氫瓶、加注口、單向閥、安全閥、溢流閥、減壓閥、電磁閥、熱溶栓、壓力和溫度傳感器以及氫管路等零部件組成。其不僅應(yīng)具備過溫保護(hù)、低壓報(bào)警、過壓保護(hù)、過流保護(hù)等功能，還考慮到了碰撞安全、氫氣泄漏的控制等。

過溫保護(hù)：燃料電池車的高壓儲(chǔ)氫罐上一般會(huì)安裝溫度傳感器用來檢測(cè)氣罐內(nèi)氣體溫度，由這些傳感器將氣罐內(nèi)氣體的溫度信號(hào)發(fā)送到駕駛室儀表盤上，通過氣體溫度的變化來判斷外界是否有異常情況發(fā)生。

低壓報(bào)警：儲(chǔ)氫罐上安裝的壓力傳感器主要用于判斷氣罐中剩余氫氣量，以保證車輛的正常行駛，當(dāng)壓力低于某值時(shí)可以提示駕駛員加注氫氣。其次，駕駛員可根據(jù)儀表盤上的壓力讀數(shù)判斷氫氣罐是否有泄漏發(fā)生。

起火防護(hù)：當(dāng)車身處于起火環(huán)境中，溫度傳感器和壓力傳感器會(huì)檢測(cè)到儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)氣體溫度和壓力的異常并切斷氫氣供應(yīng)。同時(shí)，為防止儲(chǔ)氫瓶因高溫高壓爆炸，瓶閥上安裝了易熔栓。以豐田的Mirai為例，其易熔栓在110℃的溫度下易熔栓會(huì)熔解，氫氣可以以每分鐘不超過118NL的速度逐漸排出，在60分鐘內(nèi)排空。

過壓保護(hù)：當(dāng)氣罐中氫氣壓力超過設(shè)定值時(shí)，能通過氣罐安全閥自動(dòng)泄壓，例如瓶體溫度由于某種原因突然升高造成氣罐內(nèi)氣體壓力上升，當(dāng)壓力超過安全閥設(shè)定值時(shí)，安全閥自動(dòng)泄壓，保證氣罐在安全的工作壓力范圍之內(nèi)。并且減壓閥可以將氫氣的壓力調(diào)節(jié)到電池所需要的范圍，當(dāng)出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)針閥可以將氫氣瓶中的殘余氫氣安全放空。

過流保護(hù)：溢流閥在系統(tǒng)正常工作時(shí)，閥門關(guān)閉。只有儲(chǔ)氫容器或管道流量異常增大，超過規(guī)定的極限（系統(tǒng)壓力超過調(diào)定壓力）時(shí)開啟溢流閥，進(jìn)行過流保護(hù)，使系統(tǒng)壓力不再增加（通常溢流閥的調(diào)定壓力比系統(tǒng)最高工作壓力高10%~20%）。

氫氣泄露控制：氣罐電磁閥通常與手動(dòng)截止閥聯(lián)合作用，當(dāng)電磁閥能正常工作時(shí)，手動(dòng)截止閥處于常開狀態(tài)，這時(shí)電磁閥由直流電源驅(qū)動(dòng)，無電源時(shí)處于常閉狀態(tài)，主要起開關(guān)氣瓶的作用，與氫氣泄露報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，當(dāng)泄漏氫氣濃度達(dá)到保護(hù)值能自動(dòng)關(guān)閉，從而達(dá)到切斷氫源的目的。當(dāng)氣罐電磁閥失效時(shí)利用手動(dòng)截止閥切斷氫源，雙重保障有效避免和控制氫氣泄漏。單向閥在加氣口或供氫管路出現(xiàn)損壞情況下防止氣體向外泄漏并提高加氣口的使用壽命。

過濾防護(hù)：加氣口具有顆粒過濾功能，與未遮蔽的電氣接頭、電氣開關(guān)和其他點(diǎn)火源保持至少200mm的距離。管路電磁閥在給氣罐充氣時(shí)，可有效防止氣體進(jìn)入電池。過濾閥可防止管路中的雜質(zhì)進(jìn)入燃料電池，以免損壞電池。

在零部件制造方面，用于儲(chǔ)存氫氣的氫瓶和系統(tǒng)管路由于氫脆等原因?qū)ζ湟筝^高，因此選擇合適的材料以及保護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)儲(chǔ)氫系統(tǒng)的安全至關(guān)重要。

儲(chǔ)氫瓶材料選擇：現(xiàn)在美國(guó)Quantum公司、豐田Mirai等都采用鋁合金內(nèi)膽碳纖維纏繞的高壓儲(chǔ)氫瓶，因其重量輕，單位重量?jī)?chǔ)氫密度高，很好解決了氫脆問題并降低了成本，在燃料電池項(xiàng)目中得到了很好的應(yīng)用。Mirai的儲(chǔ)氫罐由三層結(jié)構(gòu)組成，最內(nèi)層材料是高強(qiáng)度聚合物，中層是強(qiáng)化碳纖維和高強(qiáng)度聚合物的混合材料，外層是玻璃纖維和高強(qiáng)度聚合物的混合材料，總厚度25mm。其強(qiáng)度達(dá)到了以往40mm厚度的水平。靜止?fàn)顟B(tài)下不會(huì)由罐壁泄露氫氣。

碳纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶還具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）金屬材料的疲勞破壞通常是沒有明顯預(yù)兆的突發(fā)性破壞，而復(fù)合材料中的增強(qiáng)物與基體的結(jié)合既能有效地傳載負(fù)荷，能阻止裂紋的擴(kuò)展，提高了氣瓶的斷裂韌性；2）復(fù)合材料中的大量增強(qiáng)纖維使得材料過載而少數(shù)纖維斷裂時(shí)，載荷會(huì)迅速重新分配到未破壞的纖維上；3）復(fù)合材料氣瓶在受到撞擊或高速?zèng)_擊發(fā)生破壞時(shí)不會(huì)產(chǎn)生具有危險(xiǎn)性的碎片，從而減少對(duì)人員的傷害；4）無需特殊處理就能滿足耐腐蝕的要求。

儲(chǔ)氫罐保護(hù)：在儲(chǔ)氫罐本身足夠堅(jiān)固的前提下，還需要給高壓儲(chǔ)氫罐的足夠強(qiáng)度的固定支架和鋼帶，以保證在碰撞過程中，高壓儲(chǔ)氫罐的動(dòng)態(tài)位移不會(huì)太大，避免造成連接管路的斷裂、變形和氫氣的大量泄漏。一般儲(chǔ)氫罐保護(hù)系統(tǒng)采用整體式設(shè)計(jì)，整個(gè)框架通過3根橫梁和2根縱梁將兩個(gè)氫氣罐集成到一個(gè)框架總成。縱梁截面為“Π”形，由幾塊板材拼焊而成，中部設(shè)計(jì)出兩個(gè)圓弧形凹槽，可以對(duì)氫氣罐進(jìn)行有效的固定和保護(hù)。

氫系統(tǒng)管路：由于系統(tǒng)高壓段壓力已達(dá)35MPa，同時(shí)在氫加注過程可能出現(xiàn)壓力沖高過程，因此在氫系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)中也必須進(jìn)行合適的選材。氫管路中大多采用316不銹鋼材質(zhì)的管路，有研究表明316不銹鋼在85℃，45MPa氫氣中的拉伸性能、低應(yīng)變速率拉伸性能、疲勞性能和勞裂紋擴(kuò)展性能與在惰性氣體和空氣中結(jié)果相似，即316不銹鋼在室溫下具有較好的抗氫脆性能。

燃?xì)夤茉O(shè)計(jì)：燃?xì)夤芘懦鰵錃獾姆较蚴琼樠榆嚨撞康那昂蠓较颍梢员Ｗo(hù)車艙內(nèi)不會(huì)被火焰殃及。這并不是新的設(shè)計(jì)，早在天然氣車產(chǎn)生之初，便通過嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)而產(chǎn)生的安全設(shè)計(jì)規(guī)范，已經(jīng)應(yīng)用很長(zhǎng)時(shí)間，安全可靠。

燃料電池整車：嚴(yán)格的性能測(cè)試與密切的氫氣監(jiān)控體系確保車輛運(yùn)行安全

多樣化的安全性測(cè)試能確保燃料電池汽車出廠時(shí)的安全性和一致性。除了保證車載氫氣系統(tǒng)安全性之外，相關(guān)的安全性檢測(cè)在燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)的開發(fā)方面也顯得尤為重要。在燃料電池汽車出廠之前就要做多次安全性測(cè)試。

氫氣泄露檢測(cè)：由于氫氣是一種低密度的氣體，檢查泄露最常規(guī)的方法就是液體檢測(cè)，其方法與測(cè)試輪胎漏氣部位的原理差不多。常規(guī)的檢查方法就是向供氫系統(tǒng)通入氮?dú)饣蚝獾榷栊詺怏w，這種氣體密度小，而且活躍性低。之后進(jìn)行水體氣泡檢測(cè)以及皂泡實(shí)驗(yàn)，對(duì)所有連接點(diǎn)進(jìn)行有效測(cè)試。水體測(cè)驗(yàn)成本不高，實(shí)際效果也不錯(cuò)。靈敏度較高的檢測(cè)方法有超聲波、鹵素火焰法以及氦質(zhì)譜泄漏檢測(cè)儀等，但是成本較高，而且測(cè)試過程中比較復(fù)雜，更多的是應(yīng)用在高級(jí)車輛中。

系統(tǒng)振動(dòng)檢測(cè)：為了考察車載氫氣系統(tǒng)的可靠性，以防燃料電池汽車在經(jīng)歷劇烈振動(dòng)之后產(chǎn)生漏氣現(xiàn)象。儲(chǔ)氫瓶與燃料電池電堆都要進(jìn)行一個(gè)整體的振動(dòng)檢測(cè)，統(tǒng)稱為系統(tǒng)振動(dòng)檢測(cè)。其具體檢測(cè)方式是在垂直方向采用8g（重力加速度）加速度，水平方向施加2g加速度進(jìn)行振動(dòng)檢驗(yàn)，在持續(xù)經(jīng)過指定的振動(dòng)時(shí)間后，再檢查整個(gè)系統(tǒng)的氣密性。

追尾碰撞安全以及防追尾檢測(cè)：如何預(yù)防并保證燃料電池汽車在發(fā)生追尾碰撞時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致其氫氣的泄漏、控制系統(tǒng)的失效以及電路起火，這些都是必須考慮的安全性問題。目前國(guó)內(nèi)還沒有系統(tǒng)的碰撞安全性能評(píng)價(jià)體系，不過結(jié)合國(guó)內(nèi)外廠商所做試驗(yàn)和相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，一般燃料電池車輛要接受正面碰撞、偏置碰撞、側(cè)面碰撞和追尾碰撞等多方面檢測(cè)，然后對(duì)碰撞后的氫氣泄漏率、電解液溢出量、儲(chǔ)氫瓶位移等都需進(jìn)行評(píng)價(jià)，保證燃料汽車在各類碰撞情況下的安全性和進(jìn)一步的車身布置改進(jìn)。

2010年世博燃料電池車輛安全檢測(cè)實(shí)踐（氫氣超標(biāo)情況監(jiān)測(cè)）：早在2010年，上汽集團(tuán)在世博會(huì)期間就對(duì)于世博示范運(yùn)行的燃料電池汽車進(jìn)行過安全檢測(cè)實(shí)踐。檢測(cè)車輛140余輛，其中包括觀光車100輛、轎車42輛和大巴車6輛。檢測(cè)范圍包括供氫系統(tǒng)氫安全、車內(nèi)氫安全、零部件和管路氫安全、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)氫安全等多個(gè)方面。具體方式是將傳感器分布在被檢測(cè)車輛的各個(gè)部位，在車輛入庫出庫時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的檢測(cè)，得出氫氣超標(biāo)情況。結(jié)果顯示燃料電池車輛在實(shí)際運(yùn)行中，整體安全性很高，氫氣超標(biāo)情況多由于當(dāng)時(shí)車體特性所致，不影響整車安全。

以某類轎車和大巴車為例，檢測(cè)結(jié)果顯示，轎車和大巴車分別共檢測(cè)了3468次和1119次，其中轎車共超標(biāo)62次，超標(biāo)率約為1.79%，大巴車共超標(biāo)16次，超標(biāo)率約為1.43%。

氫氣超標(biāo)多發(fā)生在加注口和車輪輪罩及前輪機(jī)罩邊緣處。（1）加注口特性影響：入庫時(shí)車輛剛加滿氫氣，加注口因本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致會(huì)有少量氫氣短時(shí)間內(nèi)聚集，從而導(dǎo)致此時(shí)此處檢測(cè)的氫氣超標(biāo)，是正常現(xiàn)象，不影響整車安全。（2）前艙外邊緣超標(biāo)：在入庫檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)了多次前艙氫超標(biāo)，經(jīng)分析驗(yàn)證此處氫氣來源于12V鉛酸蓄電池氫氣的釋放。因檢測(cè)溫度為35°C以上，此種現(xiàn)象較為明顯。但是也不影響整車安全。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果見下圖：其中以A、B、C、D、E、F、G、H分別表示轎車的各個(gè)位置。A：車周圍；B：車輪輪罩；C：前輪機(jī)罩邊緣；D：行李箱；E：乘員艙；F：手動(dòng)排空管；G：排空管；H：加注口。

密切的監(jiān)控體系確保燃料電池車在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的安全性：根據(jù)不同的要求，在燃料電池車上對(duì)氫氣傳感器類型、數(shù)量以及布置的位置均有一定的要求。燃料電池車氫氣傳感器核心感應(yīng)元件都使用鉑金制造，穩(wěn)定性高。一般來說，出于對(duì)安全性能考慮，燃料電池車總共要求安裝4個(gè)氫氣傳感器，而所有傳感器信號(hào)需直接傳送到儀表盤的醒目位置，及時(shí)通知駕駛員。

由于氫氣傳感器的測(cè)量原理不同，造成了其測(cè)量靈敏度及測(cè)量范圍的差別，主要有半導(dǎo)體式、催化燃燒式、電化學(xué)式以及光化學(xué)式等。根據(jù)各種傳感器的量程不同，又可以分為低量程傳感器和高量程傳感器。從靈敏度上看，低量程的反應(yīng)比較快，并且在低濃度時(shí)反應(yīng)比較明顯。一般傳感器的反應(yīng)時(shí)間都在1s左右。傳感器可以等效于兩個(gè)電阻，一個(gè)是可變電阻，另一個(gè)為固定電阻。可變電阻隨著氫氣濃度、濕度和溫度的變化而變化，其中氫氣濃度和濕度對(duì)它的影響比較大。傳感器的可變電阻隨著濃度變大而變小（即信號(hào)端的輸出電壓也變大）。

以豐田Mirai的氫氣傳感器的布置位置為例：

1）一般傳感器的報(bào)警值根據(jù)不同的位置和警戒等級(jí)，都設(shè)置都再2.5%的氫氣爆炸下限LEL到12.5%LEL之間。報(bào)警系統(tǒng)自帶蜂鳴器，泄漏傳感器處于常供電狀態(tài)，在不開車的情況下如果測(cè)到氫氣泄漏，蜂鳴器可以發(fā)出報(bào)警聲音。

2）一般警報(bào)裝置有兩套，且獨(dú)立供電且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)不工作的可能性很低，應(yīng)該低于客機(jī)操作電傳系統(tǒng)及其備份同時(shí)壞掉的概率。

在車輛發(fā)生碰撞的情況下，整車控制系統(tǒng)能通過車上安裝的碰撞傳感器信號(hào)將氫氣供應(yīng)系統(tǒng)切斷，一般配備在動(dòng)力控制單元（PCU）上。這一點(diǎn)與傳統(tǒng)汽車在發(fā)生碰撞情況下自動(dòng)切斷油路系統(tǒng)一樣。

與鋰電池車輛相比，燃料電池車的安全性也處于上風(fēng)。近年來，鋰電池車輛事故常有發(fā)生，其最大的安全隱患就是產(chǎn)生自燃或者火災(zāi)，而形成原因是多方面的，電池內(nèi)部短路或者鋰電池在外界干擾下溫度上升，容易產(chǎn)生氣體狀鋰離子聚合物，其中包含了容易燃燒的鋰離子氣體和氧氣，當(dāng)聚合物的濃度達(dá)到臨界點(diǎn)或者溫度達(dá)到臨界點(diǎn)，就會(huì)形成自燃。一旦鋰離子聚合物燃燒，將不斷發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，產(chǎn)生新的氣體狀鋰離子聚合物，從而加劇燃燒的劇烈程度。

鋰電池起火迅猛。通過研究發(fā)現(xiàn)，用單體鋰電池做穿刺實(shí)驗(yàn)，電池在穿刺后即刻劇烈發(fā)熱并冒出大量的濃煙，并在1秒鐘后出現(xiàn)自燃，在5秒鐘時(shí)因?yàn)閯×胰紵霈F(xiàn)爆炸的情況。

鋰電池火災(zāi)特性復(fù)雜。鋰電池的燃燒是鋰離子聚合物，而鋰離子聚合物屬于金屬和氣體的混合可燃物質(zhì)，其火災(zāi)特點(diǎn)非常復(fù)雜，傳統(tǒng)的滅火劑不能對(duì)其產(chǎn)生撲滅效果。

鋰電池起火有流動(dòng)性。由于鋰離子聚合物具有流動(dòng)性，會(huì)充斥在電池箱的箱體內(nèi)，起火點(diǎn)不確定，可不能被定向來進(jìn)行撲滅。

相比之下，由于氫氣爆炸要求濃度高，在爆炸前一般就已經(jīng)開始燃燒，反而很難爆炸。而且氫氣重量輕，溢出系統(tǒng)的氫氣著火后會(huì)迅速向上升起，反而一定程度上保護(hù)了車身和乘客。同時(shí)，現(xiàn)在車用儲(chǔ)氫裝置采用的鋁合金內(nèi)膽碳纖維纏繞的儲(chǔ)氫瓶安全系數(shù)很高，在80km/h速度多角度碰撞測(cè)試中都可以做到毫發(fā)無損。但鋰電池在有安全措施的保護(hù)下，在常見的普通碰撞條件下也容易發(fā)生著火事故，側(cè)面反映了其安全性上天然的劣勢(shì)。