劉拯浩 朱亮

摘要：目前，氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，新的安全風(fēng)險(xiǎn)也相伴而生，對(duì)消防救援隊(duì)伍滅火處置工作而言，可借鑒的火災(zāi)事故案例極少，且消防救援人員對(duì)此類火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的了解較少。通過(guò)分析氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的主要火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及各車型特有風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，制定了對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的處置戰(zhàn)法及流程，以期為消防救援人員處置此類火災(zāi)事故提供參考。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池；安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)；處置流程；滅火救援

1 氫燃料電池汽車介紹

氫燃料電池汽車的最大特點(diǎn)是其能量轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)60%～70%。由于燃料電池的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程本質(zhì)上可以看作是電解水的逆反應(yīng)，在反應(yīng)的過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)，所以它是一種較為理想的環(huán)保型汽車。

1.1? 氫燃料電池汽車的識(shí)別

目前的氫燃料電池汽車類別按其用途可分為乘用車、客運(yùn)車、貨運(yùn)車等類型。燃料電池汽車在車輛整體造型與傳統(tǒng)燃油車差別不大，其辨識(shí)主要通過(guò)車牌和車輛外部標(biāo)識(shí)進(jìn)行區(qū)分。

車輛號(hào)牌識(shí)別，新能源汽車號(hào)牌分為小型新能源汽車號(hào)牌和大型新能源汽車號(hào)牌，分別為漸變綠色和黃綠雙拼色。在車輛號(hào)牌無(wú)損壞的情況下，可通過(guò)國(guó)家電動(dòng)汽車號(hào)牌的規(guī)則來(lái)識(shí)別車輛是否為燃料電池汽車。

車輛外觀標(biāo)識(shí)識(shí)別，可通過(guò)觀察車身，尤其是檢查車尾部和車身側(cè)面是否有氫燃料汽車標(biāo)識(shí)，如氫燃料汽車的英文縮寫“FCEV”和“氫燃料汽車”字樣等，來(lái)確定是否為燃料電池汽車。

1.2? 氫燃料電池汽車的工作原理

氫燃料電池汽車主要是以氫燃料電池為動(dòng)力系統(tǒng)的汽車，一般由燃料電池反應(yīng)堆、高壓儲(chǔ)氫罐、蓄電裝置、電機(jī)、電控系統(tǒng)等組成[1]，通過(guò)高壓儲(chǔ)氫罐與空氣壓縮機(jī)提供氫氣和氧氣來(lái)源，進(jìn)入燃料電池反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流，將產(chǎn)生的電流經(jīng)變頻器升壓轉(zhuǎn)變后流入汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而使汽車運(yùn)行。當(dāng)汽車制動(dòng)或減速時(shí)，由于汽車需要的電能有限，多余的電能會(huì)通過(guò)燃料電池進(jìn)入汽車的蓄電系統(tǒng)，達(dá)到電能的儲(chǔ)存回收，從而為汽車提供輔助動(dòng)力。

1.3? 氫燃料電池汽車的主要結(jié)構(gòu)組成

相比于鋰離子電池汽車的動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及電機(jī)、電控系統(tǒng)，氫燃料電池汽車在由氫燃料電池系統(tǒng)和高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)提供動(dòng)力的同時(shí)[2]，也兼具了鋰離子電池汽車的動(dòng)力電池系統(tǒng)，作為輔助及備用動(dòng)力[3]。

1.3.1? 氫燃料電池系統(tǒng)

氫燃料電池系統(tǒng)作為該類型汽車的動(dòng)力源，更像是一個(gè)發(fā)電裝置，理論上如果能源源不斷地提供氫氣，汽車的動(dòng)力就會(huì)一直存在。其工作原理為將氫氣送到氫能源汽車的動(dòng)力系統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)的陽(yáng)極板表面，經(jīng)過(guò)催化劑的催化作用，使得氫分解成氫離子和電子，氫離子（質(zhì)子H+）通過(guò)質(zhì)子交換膜（PEM）[4]，到達(dá)燃料電池陰極板（正極），而電子不能直接穿過(guò)質(zhì)子交換膜[5]，電子只能通過(guò)外部電路而到達(dá)燃料電池陰極板，從而產(chǎn)生電流[1，6]。電子到達(dá)燃料電池陰極板后，與氧氣和氫離子反應(yīng)結(jié)合生成水[5]。

1.3.2? 高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)

現(xiàn)有的儲(chǔ)氫方式有金屬氫化物儲(chǔ)氫、高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫三種。其中，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫由于其經(jīng)濟(jì)性好且技術(shù)簡(jiǎn)易、成熟，成為目前最常見的儲(chǔ)氫方式。國(guó)內(nèi)的車載儲(chǔ)氫基本為氣態(tài)儲(chǔ)氫，通常情況下在20～35MPa之間，且最大均不超過(guò)35MPa[7]，為金屬纖維纏繞儲(chǔ)氫瓶（Ⅲ型），由高壓儲(chǔ)氫氣瓶、緊急排空口、減壓閥、電磁閥、手動(dòng)排空閥組成，儲(chǔ)氫質(zhì)量密度在3%wt左右。

1.3.3? 蓄電系統(tǒng)

在汽車起步的工況下，完全由車載蓄電系統(tǒng)作為輔助動(dòng)力源提供動(dòng)力；當(dāng)氫燃料汽車在上坡、提速等工況工作時(shí)，蓄電系統(tǒng)可以作為輔助動(dòng)力投入使用；并且在氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)能夠滿足汽車動(dòng)力需求時(shí)，及時(shí)回收氫燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的多余能量并進(jìn)行存儲(chǔ)。目前，車載蓄電系統(tǒng)主要以使用鋰離子電池為主，氫能源汽車車載電池結(jié)構(gòu)與純電動(dòng)汽車鋰電池結(jié)構(gòu)相同。

2 氫燃料電池汽車安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

2.1? 主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

氫燃料電池汽車具有雙風(fēng)險(xiǎn)，既具有與純電乘用車類似的帶電設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)，也有因使用氫氣產(chǎn)生的高壓、易燃易爆特殊風(fēng)險(xiǎn)。

帶電設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。高壓電擊、電池系統(tǒng)燃燒產(chǎn)生的煙毒、高壓電路及設(shè)備進(jìn)水和破拆、多種物質(zhì)疊加燃燒等風(fēng)險(xiǎn)。

高壓氣瓶的風(fēng)險(xiǎn)。壓縮氫氣瓶壓力有35MPa和70MPa兩種，在超壓情況下，若氣瓶受到火焰烘烤和緊急泄放裝置和罐體發(fā)生故障，會(huì)導(dǎo)致罐內(nèi)超壓，會(huì)發(fā)生氣瓶瓶頭高速旋轉(zhuǎn)崩出或者高壓氣瓶爆裂解體的風(fēng)險(xiǎn)；氣瓶瓶頭閥高速旋轉(zhuǎn)崩出時(shí)，危害角度范圍大，可能波及瓶頭閥向外120°的扇形區(qū)域，波及范圍廣、危害距離遠(yuǎn)。

氫氣泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。在交通事故等發(fā)生碰撞時(shí)，有從高壓氫罐和氫氣管路中泄漏氫，導(dǎo)致起火、爆炸的危險(xiǎn)性，氫氣爆炸極限范圍為4%至75%且點(diǎn)火能量極低。

噴射火焰的風(fēng)險(xiǎn)。高壓氫罐和供氫管線從外部受熱到一定溫度以上時(shí)，會(huì)導(dǎo)致安全閥會(huì)啟動(dòng)或管線爆裂，高壓的氣體被放出，易產(chǎn)生噴射火，火焰距離長(zhǎng)、溫度高，且氫氣在白天燃燒時(shí)，其火焰的可見長(zhǎng)度僅為30%，具有高溫灼傷的風(fēng)險(xiǎn)。

相互影響的風(fēng)險(xiǎn)。常見氫燃料電池車輛高壓氫氣瓶和動(dòng)力電池往往集中布置，發(fā)生火災(zāi)時(shí)易相互影響，導(dǎo)致災(zāi)情進(jìn)一步擴(kuò)大。

特殊環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。氫氣在地下停車場(chǎng)、 地下車庫(kù)、高速公路隧道、客運(yùn)船等封閉/密閉區(qū)域內(nèi)釋放時(shí)，會(huì)取代大氣中的氧氣，會(huì)造成被困人員因缺氧而導(dǎo)致窒息的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，在封閉/密閉區(qū)域內(nèi)，氫氣泄漏現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情轉(zhuǎn)化成爆炸、火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)較高。

2.2? 不同車型安全風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)

2.2.1? 氫燃料電池客運(yùn)車

以某氫能源汽車公司生產(chǎn)的氫燃料電池客運(yùn)車為例，以下部件需要重點(diǎn)關(guān)注：

客運(yùn)車氫燃料電池系統(tǒng)。一般采用尾置式的布置方式，也有采取頂置式布置的車型，但目前國(guó)內(nèi)較為少見，存在高壓電擊的風(fēng)險(xiǎn)。

車載氫系統(tǒng)。由于車型不同，車載高壓氫氣瓶的所在位置也存在差異，通常有頂置式、底置式、后置式等。因此，在滅火救援時(shí)，易出現(xiàn)對(duì)其儲(chǔ)氫罐的位置誤判導(dǎo)致進(jìn)攻路線錯(cuò)誤，從而被噴射火焰灼傷的風(fēng)險(xiǎn)。

高壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)。主要有分布式驅(qū)動(dòng)和集中驅(qū)動(dòng)兩種典型的方式。

其他高壓部件。車輛轉(zhuǎn)向機(jī)、空壓機(jī)、冷卻水泵、交直流轉(zhuǎn)化器、燃料電池升壓轉(zhuǎn)化器、橙色高壓線纜等高壓部件根據(jù)車輛機(jī)構(gòu)不同一般位于車輛尾部、底盤兩側(cè)和車頭位置，主要存在觸電、多種物質(zhì)疊的燃燒風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2? 氫燃料電池乘用車

氫燃料電池乘用車具備與客運(yùn)車相同的風(fēng)險(xiǎn)。除此之外，氫燃料電池乘用車高壓氫儲(chǔ)罐一般位于車輛底部，同輔助電池集中布置，發(fā)生火災(zāi)事故后相互影響的風(fēng)險(xiǎn)更大，處置難度更高；受車身結(jié)構(gòu)影響，氫燃料電池乘用車動(dòng)力電池包的安裝位置、充電電路及控制系統(tǒng)比客運(yùn)車和貨運(yùn)車更復(fù)雜，處置難度更大。

2.2.3? 氫燃料電池貨運(yùn)車

氫燃料電池貨運(yùn)車的系統(tǒng)設(shè)備布置相對(duì)集中，幾乎全部在牽引車頭部位，一旦發(fā)生事故極易產(chǎn)生連環(huán)爆炸現(xiàn)象。例如，多合一控制器、高壓配電盒、空調(diào)壓縮機(jī)、加熱設(shè)備等高壓部件大都集成在駕駛室下部區(qū)域且集中布置，使得駕乘人員的風(fēng)險(xiǎn)增加。這些部位堅(jiān)決不得盲目打水和破拆。同時(shí)，剎車片在大型火災(zāi)中容易發(fā)熱起火，剎車片起火會(huì)引燃輪胎，輪胎一旦著火容易直接炙烤電池包，加速熱失控風(fēng)險(xiǎn)。

3 事故處置戰(zhàn)法及流程

3.1? 基本災(zāi)情

氫燃料電池客運(yùn)車發(fā)生追尾、撞擊、碰擦、墜落等道路交通事故引發(fā)火災(zāi)，現(xiàn)以動(dòng)力電池包破損著火、高壓氫氣瓶泄漏著火，并且車內(nèi)有人員被困為例。

3.2? 力量編成

按照首戰(zhàn)四車模式，不低于表1力量編成。

3.3? 處置戰(zhàn)法

封閉道路，以事故車輛為中心劃定120m處置區(qū)，上風(fēng)或側(cè)上風(fēng)方向站位，第一時(shí)間選擇合適路徑抵近事故車輛通過(guò)車門、窗、應(yīng)急天窗等疏散救助被困人員；待動(dòng)力電池全部過(guò)火、無(wú)高壓且高壓氫氣瓶燃燒結(jié)束時(shí)，在距離事故車輛25m處設(shè)置滅火陣地，利用滅火機(jī)器人或移動(dòng)炮、自擺炮進(jìn)行滅火冷卻稀釋。所有路徑及陣地選擇注意避開高壓氫氣瓶瓶頭閥、泄放管朝向120°區(qū)域范圍和氫氣燃燒火焰朝向范圍。

3.4? 處置流程

偵察研判。現(xiàn)場(chǎng)主要偵察高壓氫氣瓶的類型、壓力、容量、位置及瓶頭朝向；動(dòng)力電池種類、電壓、容量和位置；檢查燃料電池堆、氫氣管線、高壓帶電設(shè)備及高壓線束走向、氫氣泄漏位置；被困人員數(shù)量、位置等情況。

疏散救人。堅(jiān)持救人第一，優(yōu)先疏散救助被困人員，貫徹電動(dòng)汽車“非必要不破拆、破拆必先評(píng)估”的原則，優(yōu)先考慮以門窗為主突破面，利用車輛自身的門窗、應(yīng)急門、應(yīng)急窗、逃生窗，快速實(shí)施人員疏散，人員大量被困可考慮破拆車輛中部立柱（避開高壓電纜線束）加大人員救助速度，其他部位不得任意破拆。

滅火冷卻。在人員疏散完畢后，研判滅火時(shí)機(jī)，同時(shí)具備以下兩個(gè)條件：一是確認(rèn)動(dòng)力電池包全部過(guò)火或車輛整體全部過(guò)火時(shí)，高壓電池包模組串并聯(lián)熔斷器已斷開，單個(gè)模組電壓在安全值，不存在高壓電擊風(fēng)險(xiǎn)。二是高壓氫氣瓶泄漏燃燒完畢。在距離事故車輛25m外適當(dāng)位置設(shè)置水炮陣地對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行滅火冷卻，控制動(dòng)力電池包的火勢(shì)向周邊蔓延，待明火熄滅后可對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行冷卻降溫，并做好監(jiān)護(hù)防止復(fù)燃。

降溫保護(hù)。對(duì)高壓氫氣瓶組進(jìn)行降溫保護(hù)，防止未泄露的高壓氫氣瓶受火焰烘烤溫度、壓力增高導(dǎo)致氫氣瓶安全閥動(dòng)作，從而形成氫氣噴射火。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度的逐漸加快，氫能源汽車的數(shù)量及類型也會(huì)不斷增加。同時(shí)，值得注意的是，目前大部分城市投入生產(chǎn)及使用的氫能源汽車因?yàn)檫€沒有國(guó)標(biāo)、行標(biāo)，只有企標(biāo)，不同企業(yè)、不同批次、不同品牌，有不同的結(jié)構(gòu)布置和安全等級(jí)，所以處置時(shí)要高度警惕，不能完全照搬照抄，消防救援人員在未來(lái)工作中還需要結(jié)合更多新的氫能源車型及實(shí)際案例，將相應(yīng)的處置戰(zhàn)法及流程加以完善和細(xì)化。

參考文獻(xiàn)

[1]張志新，王春鵬，鄭水英，等.燃料電池汽車高壓供氫組合閥研究綜述[J].裝備制造技術(shù)，2019（11）：1-6.

[2]孫振東，劉桂彬，李希浩，等.基于氫燃料電池汽車碰撞安全性的研究[J].北京汽車，2009（2）：27-30.

[3]舒紅，鄭軍，胡明輝，等.基于模型預(yù)測(cè)控制的混合動(dòng)力汽車下坡再生制動(dòng)策略[J].汽車工程，2013，35（9）：775-780.

[4]李鵬程.質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)仿真與控制[D].淄博：山東理工大學(xué)，2021.

[5]余阿東.汽車節(jié)能環(huán)保新技術(shù)研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2016（12）：1-2.

[6]蔣偉.“超越”系列燃料電池轎車電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)研制[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2008.

[7]吳兵，陳沛，冷宏祥，等.車載供氫系統(tǒng)[J].上海汽車，2007（9）：9-11.