2.1.2 燃料電池的安全性分析

相對于鋰離子電池模塊，燃料電池系統(tǒng)（PEMFC system）的安全性評價有很大不同。PEMFC的安全性評價主要是針對PEMFC電堆和儲氫系統(tǒng)這兩個部分，而且都與氫氣直接相關。

PEMFC電堆的安全性：PEMFC電堆是很多單電池按照壓濾機方式組裝起來的，電堆只是氫氣和氧氣發(fā)生電化學反應的場所，它本身并不儲存能量，這是跟常規(guī)二次電池是很不一樣的。PEMFC電堆的安全控制主要有兩個方面，一個是電池組的保護，需要在檢測到電壓和溫度異常之后，可以在極短時間內(nèi)切斷氫氣和空氣的供給，從而避免事故的發(fā)生。

另外一方面是氫氣的監(jiān)控，這是主要的安全隱患。Toyota和Daimler-Benz對其FC-EV的綜合測試結果表明，即使在工作狀態(tài)下對電堆進行穿刺短路，都不會引起電堆火災和爆炸發(fā)生，這主要是因為電堆內(nèi)部氫氣的量并不大，而且氫氣/空氣可以迅速被切斷。針對電堆本身來說，氫氣的泄漏點主要有兩處，一處是在氫氣供給接口，另外一處是MEA的層疊間隙處。當前的氫氣傳感器技術不論是在靈敏度還是可靠性方面都已經(jīng)非常成熟，可以保證控制系統(tǒng)在極短時間內(nèi)切斷氫氣氣路，從而避免氫氣在動力艙的積累。

儲氫系統(tǒng)的安全性：PEMFC系統(tǒng)最大的安全隱患在于儲氫罐。目前FC-EV普遍采用的是玻璃纖維/碳纖維增強超高壓鋁瓶儲氫，壓力可以高達700 bar。氫氣儲存量取決于鋁瓶的容積和數(shù)量，目前幾大汽車公司的FC-EV普遍裝載5-10Kg的氫氣，可以滿足450-700Km的續(xù)航里程。一般而言，氫氣的爆炸體積范圍在13-59%。那么就需要分析在何種情況下氫氣會泄漏以及泄漏后可能引起的爆炸問題。

對于儲氫罐而言，最大的安全隱患是當氣瓶在外力作用下發(fā)生破損而引發(fā)的氫氣泄露。電堆自身或與車身金屬件之間的碰撞摩擦可能產(chǎn)生火花而引爆泄漏的氫氣。因此，如何避免儲氫罐不因外力而受到破損，以及破損以后如何避免氫氣爆炸，是FC-EV的最關鍵安全性考核因素。

目前廣泛使用的700 bar高壓鋁瓶，國際上已經(jīng)有數(shù)千次的加壓/減壓測試記錄，應該說在抗應力疲勞方面是過關的，儲氫瓶在滿載條件甚至下還進行過步槍射擊實驗。為了避免外力損傷，國際幾大汽車公司普遍選擇將儲氫罐放置在后排座椅下面或者后背這個汽車上相對比較安全的部位。

一般氣罐旁邊、駕駛室和動力艙都安裝了氫氣傳感器在線檢測氫氣濃度，儲氫罐還安裝了應急排放閥，以降低破損以后氫氣的積累。一般而言，燃料電池汽車只有在遭受重大交通事故或者應力疲勞導致儲氫瓶破損氫氣泄漏的情況下，才有可能引發(fā)諸如爆炸這樣的重大安全問題。通常，氫氣泄露積累到爆炸下限濃度需要數(shù)秒的時間，在氫氣傳感器的警報下乘客有一定的逃離時間。氫氣的特點是非常輕泄漏之后迅速上升，只要通風良好在開闊的馬路上一般不會發(fā)生爆炸危險。

筆者這里要指出的是，人們對于氫氣的安全性問題存在一定的認識誤區(qū)。日本研究試驗結果表明，在汽油車和氫燃料電池汽車分別創(chuàng)造燃料泄露和著火條件下，3秒時汽油車下方漏油著火，而氫氣則是迅速沖高在汽車上方著火。一分半鐘以后燃料電池汽車的明火已經(jīng)熄滅，而汽油車火勢正旺最終燒得只剩車架（如上圖所示）。

德國BMW、Daimler-Benz和中國汽研中心等國內(nèi)外很多研究機構也都做過氫燃料電池的碰撞、泡水、跌落實驗，儲氫罐的碰撞和灼燒試驗以及燃料電池汽車整車的碰撞試驗，均未出現(xiàn)重大安全問題。但是筆者這里仍然要強調(diào)的是，不管是鋰電純電動汽車還是燃料電池汽車，安全性問題的綜合評估要在量產(chǎn)的基礎上進行大規(guī)模的測試和數(shù)據(jù)采集，才可能有更加深入的認識。

大型鋰離子動力電池的BMS安全監(jiān)控主要是依據(jù)電芯溫度和電壓/電流的變化，從我們上面的討論可以看到，鋰電池內(nèi)部的熱失控都是鏈式放熱產(chǎn)氣化學反應，也就是說留給BMS的控制時間極其短暫。而燃料電池系統(tǒng)的安全隱患則來自氫氣。本質上來說，PEMFC電堆的安全問題主要是物理過程（氫氣泄露與控制），而鋰電動力電池則是化學過程（鏈式反應）。

實事求是而言，不管是燃料電池系統(tǒng)還是鋰離子動力電池，發(fā)生安全性事故的后果都是極其嚴重的。但是如果僅僅從系統(tǒng)控制的角度而言，筆者個人認為，燃料電池在安全性影響因素的可控性方面要比鋰離子動力電池相對而言更容易控制。