摘要：氫能源是一種清潔二次能源，相比于傳統(tǒng)的化石燃料能源，具有用途廣泛、無污染、低成本、儲(chǔ)量大、可再生等特點(diǎn)，代表著世界能源發(fā)展的趨勢(shì)。通過分析HFCV電動(dòng)汽車特有的高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)，掌握HFCV電動(dòng)汽車特有的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，為消防人員處置此類火災(zāi)事故提供參考。

關(guān)鍵詞：氫氣；氫能源；HFCV電動(dòng)汽車；高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)；CFRP基體

中圖分類號(hào)：D631.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-1227（2024）06-0001-04

HFCV是Hydrogen Fuel Cell Vehicles的簡(jiǎn)稱，是以氫能源為動(dòng)力的電動(dòng)汽車。目前，以氫能源為代表的清潔能源也在汽車上逐步開始應(yīng)用，HFCV電動(dòng)汽車具有清潔無污染、噪聲小、成本低等特點(diǎn)，其燃料電池系統(tǒng)通過氫氣與氧氣反應(yīng)結(jié)合生成水，不會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)及環(huán)境污染物質(zhì)，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生傳統(tǒng)汽車內(nèi)燃機(jī)容易產(chǎn)生的噪聲，它的主要驅(qū)動(dòng)燃料是氫氣，通過燃料電池里的回收裝置，可以對(duì)未反應(yīng)完的氫氣進(jìn)行回收并繼續(xù)參與反應(yīng)，從而確保了相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)而言更高的工作效率。

由于HFCV電動(dòng)汽車正處于起步發(fā)展階段，結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)燃油汽車有很大不同，因此帶來了新的汽車火災(zāi)事故風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，使得消防救援人員面臨了新的挑戰(zhàn)。相對(duì)于燃油汽車，HFCV電動(dòng)汽車的主要風(fēng)險(xiǎn)來源于它所儲(chǔ)存的氫燃料，與燃油汽車火災(zāi)不同，HFCV電動(dòng)汽車由于它的高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)特點(diǎn)，還會(huì)出現(xiàn)噴射火、物理爆燃、化學(xué)爆燃等情況，而與之相關(guān)的可借鑒的火災(zāi)事故案例相對(duì)較少，且消防救援人員對(duì)相關(guān)事故風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的了解也較為薄弱。

1 HFCV電動(dòng)汽車工作原理及儲(chǔ)氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 HFCV電動(dòng)汽車工作原理

HFCV電動(dòng)汽車是一種結(jié)合氫燃料電池系統(tǒng)的電動(dòng)汽車。由氫氣和氧氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，為電池充電和電機(jī)運(yùn)行提供電力。氫燃料電池汽車一般由儲(chǔ)氫罐、燃料電池反應(yīng)堆、動(dòng)力電池、電控系統(tǒng)、電機(jī)等組成。儲(chǔ)氫罐向燃料電池反應(yīng)堆提供燃料氫，氫在燃料電池反應(yīng)堆中與氧氣進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電，燃料電池反應(yīng)堆的單體結(jié)構(gòu)包括膜電極、質(zhì)子交換膜以及雙極板，氫電極為陽(yáng)極，氧電極為陰極，見圖1。然后供電機(jī)使用，在電控系統(tǒng)的指揮下由電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)。當(dāng)汽車制動(dòng)或減速時(shí)，回收的能量可以儲(chǔ)存在動(dòng)力電池中，用來輔助驅(qū)動(dòng)車輪。其基本構(gòu)造見圖2。

1.2 車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

車載高壓儲(chǔ)氫裝置是HFCV的關(guān)鍵部件，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20～25MPa之間，大多不超過35MPa，儲(chǔ)氫質(zhì)量密度約為3%wt，極少數(shù)為70MPa，儲(chǔ)氫質(zhì)量密度約為5.5%wt，材料為金屬纖維纏繞儲(chǔ)氫瓶。

固態(tài)儲(chǔ)氫、高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫是目前已知的三種常見儲(chǔ)氫方式。其中，固態(tài)儲(chǔ)氫主要是利用金屬氫化物進(jìn)行儲(chǔ)存，可以實(shí)現(xiàn)吸氫和放氫的可逆過程，但技術(shù)方面尚不成熟，主要原因?yàn)楹线m的金屬氫化物尚在研究中[1]；低溫液態(tài)儲(chǔ)氫在加速性能、儲(chǔ)氫密度、最高車速和續(xù)行里程等方面都要優(yōu)于高壓儲(chǔ)氫，但因?yàn)樾枰獙?duì)氫氣進(jìn)行低溫液化處理工藝，所以經(jīng)濟(jì)性較差；相較于上述兩種，國(guó)內(nèi)的氫燃料電池車輛大多使用高壓儲(chǔ)氫方式，因?yàn)榧夹g(shù)較為成熟且相對(duì)簡(jiǎn)易，儲(chǔ)存成本也低，能夠滿足HFCV電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性需求。

2 HFCV電動(dòng)汽車儲(chǔ)氫系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

氫氣屬易燃?xì)怏w，火災(zāi)危險(xiǎn)分級(jí)為甲類，空氣中的氫氣濃度爆炸極限為4.0%～75.6%，同時(shí)具有點(diǎn)火能量低、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、爆炸?qiáng)度大等特點(diǎn)。高壓儲(chǔ)存的氫氣會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)致金屬材料的延性和塑性損減、疲勞裂紋擴(kuò)展速率加劇以及氫致滯后斷裂的氫脆現(xiàn)象，高壓氫氣所產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)造成毛發(fā)狀裂縫、微細(xì)穿孔等多種破壞形式，從而導(dǎo)致高壓氫泄漏擴(kuò)散，當(dāng)高壓氫氣從泄放口泄漏后，遇點(diǎn)火源就會(huì)造成射流燃燒及氣云燃爆。因此，應(yīng)對(duì)處置此類事故是HFCV電動(dòng)汽車和加氫/儲(chǔ)氫站規(guī)?；l(fā)展亟須解決的難題。

2.1 高壓氫泄漏擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)

2.1.1 氫脆現(xiàn)象造成儲(chǔ)氫系統(tǒng)管道發(fā)生泄漏

氫氣是最小的分子，具有很強(qiáng)的滲透性，高溫高壓的氫能夠滲透溶解進(jìn)金屬管道內(nèi)部，形成新的氫分子，在金屬內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，如氫與鋼中的碳結(jié)合，使鋼脫碳，或使鋼中的硫化物與氧化物還原。部分設(shè)備中原本就含有氫，在高壓的作用下，對(duì)管道進(jìn)行破壞，也可以是使用后由介質(zhì)中吸收進(jìn)入，在高壓作用下氫氣能滲透到金屬設(shè)備的碳素中而引起金屬管道及儲(chǔ)存設(shè)備的“氫脆”破壞，使儲(chǔ)存設(shè)備和傳輸管道的塑性和強(qiáng)度急劇下降，從而導(dǎo)致設(shè)備損壞引發(fā)氫氣泄漏[2]。

當(dāng)氫氣泄漏壓力過大時(shí)，氫氣從管口或縫隙處高速噴出的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生靜電，流速越快靜電的產(chǎn)生就越強(qiáng)，爆燃現(xiàn)象就會(huì)在靜電荷達(dá)到一定數(shù)值時(shí)產(chǎn)生。此外，氫氣的帶電性致使氫氣儲(chǔ)罐的出口處及輸氣管道處易發(fā)生靜電積聚，從而產(chǎn)生放電現(xiàn)象，這會(huì)成為氫氣火災(zāi)爆炸事故的引火源，當(dāng)儲(chǔ)罐及輸氣管道的接地裝置發(fā)生故障時(shí)，極易引發(fā)火災(zāi)及燃爆事故。

2.1.2 高壓儲(chǔ)氫氣瓶瓶身CFRP基體軟化導(dǎo)致氫泄漏

根據(jù)火災(zāi)場(chǎng)景下車載儲(chǔ)氫裝置熱損傷模擬實(shí)驗(yàn)，當(dāng)HFCV電動(dòng)汽車其他部位起火誘發(fā)車輛火災(zāi)，通常在30min以后汽車客廂部位溫度最高可達(dá)900℃[3-4]，加之HFCV電動(dòng)汽車形成的局部密閉空間不易散熱，使得著火部位能在周圍空間產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱輻射。雖然，火焰未直接觸及高壓儲(chǔ)氫裝置，但由于高壓氣瓶所處局部空間溫度迅速升高，導(dǎo)致高壓儲(chǔ)氫氣瓶瓶身CFRP基體在高溫氧化環(huán)境中受熱輻射損傷，基體軟化失效，失去密封作用，從而造成儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)的氫氣泄漏。

2.2 高壓儲(chǔ)氫氣瓶氫氣泄放產(chǎn)生氫射流火的風(fēng)險(xiǎn)

TPRD閥是高壓儲(chǔ)氫氣瓶的重要組成部分，安裝位置為氣瓶瓶頭，形式為嵌入式安裝，當(dāng)氣瓶被火焰侵襲，達(dá)到裝置激活溫度（109℃+/-5℃）時(shí)[5]，該裝置動(dòng)作，將高壓氫氣排放到外部；TPRD閥無法人為手動(dòng)關(guān)閉，TPRD管路的大氣端安裝有蓋子，當(dāng)有氫氣釋放有壓力時(shí)該蓋子可以自動(dòng)打開，在儲(chǔ)氫裝置達(dá)到承壓極限或激活溫度（110℃）前，熱熔材料激活TPRD閥，閥門動(dòng)作釋放內(nèi)部壓力，從而防止氣瓶爆裂[3，6]。當(dāng)TPRD閥激活后，氫氣在泄放口噴出，遇火源產(chǎn)生高速射流火焰。以4.2mm泄放口徑的TPRD閥為例，35MPa儲(chǔ)氫氣瓶的射流火焰長(zhǎng)度可達(dá)5.2m，而當(dāng)氫氣在白天燃燒時(shí)，只能看到射流火焰總長(zhǎng)度的30%，其波及范圍通常為TPRD閥向外120°的扇形區(qū)域，波及范圍廣，危害距離遠(yuǎn)。

2.3 高壓氣瓶爆裂產(chǎn)生氫氣爆燃的風(fēng)險(xiǎn)

當(dāng)TPRD閥損壞無法在設(shè)定的溫度范圍動(dòng)作時(shí)，會(huì)造成高壓儲(chǔ)氫氣瓶的壓力無法泄放，高壓儲(chǔ)氫裝置在外部高溫火源的作用下，內(nèi)部壓力持續(xù)升高，當(dāng)超過設(shè)定壓力的20%時(shí)，氣瓶發(fā)生瓶體破裂失效，產(chǎn)生物理爆炸，大量氫氣在一定空間內(nèi)短時(shí)間聚集，遇到點(diǎn)火能量，進(jìn)而誘發(fā)更為猛烈的化學(xué)爆燃。

3 HFCV電動(dòng)汽車儲(chǔ)氫系統(tǒng)消防安全對(duì)策分析

目前，國(guó)內(nèi)的HFCV電動(dòng)汽車主要分為客運(yùn)車、貨運(yùn)車及小型乘用車三類，其高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)的位置也有所不同，客運(yùn)車的儲(chǔ)氫系統(tǒng)通常分為車頂布置和車底布置兩種，車底布置的位置通常在車廂底部動(dòng)力電池包后部；貨運(yùn)車的儲(chǔ)氫系統(tǒng)布置通常相對(duì)集中，通常在車頭后部且大多與車載動(dòng)力電池集中布置；小型乘用車的儲(chǔ)氫系統(tǒng)通常布置在車輛的中后部后備箱部位，相比于上述兩種，更易形成有限密閉空間，爆燃風(fēng)險(xiǎn)大。消防救援人員在進(jìn)行到場(chǎng)處置時(shí)，需針對(duì)不同車輛類型及儲(chǔ)氫系統(tǒng)的具體位置進(jìn)行研判，而后根據(jù)其具體位置，采取相應(yīng)的處置措施。

無論哪種類型HFCV電動(dòng)汽車的事故處置，安全管控區(qū)域設(shè)置是前提，消防處置人員在到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后要先做好相應(yīng)的安全管控及人員疏散，根據(jù)獨(dú)立儲(chǔ)罐破裂危害距離測(cè)試[3，5，7]，不同壓力類型儲(chǔ)罐破裂時(shí)對(duì)人體的危害距離，主要分為致死距離、受傷距離、無害距離，目前國(guó)內(nèi)常見的儲(chǔ)氫氣瓶大多不超過35MPa，極少數(shù)為70MPa，單瓶容量最大不超過400L，因此，根據(jù)目前國(guó)內(nèi)氣瓶的容量測(cè)算安全距離，得出安全管控距離可以控制在120～180m之間。

根據(jù)HFCV電動(dòng)汽車事故處置安全管控示意圖，見圖3。該圖將事故現(xiàn)場(chǎng)分為警戒區(qū)、安全管控區(qū)、易受傷區(qū)、致死區(qū)四個(gè)區(qū)域。警戒區(qū)：距離車輛事故現(xiàn)場(chǎng)大于180m，該區(qū)域人員為保障人員、公安、醫(yī)護(hù)等其他聯(lián)動(dòng)單位人員，圍觀群眾必須控制在警戒區(qū)之外，該區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)性較低。安全管控區(qū)：距離車輛事故現(xiàn)場(chǎng)大于120m，該區(qū)域人員主要為消防救援人員，包括現(xiàn)場(chǎng)指揮員、安全員、處置小組人員，并在該區(qū)域同時(shí)設(shè)置裝備集結(jié)點(diǎn)、消防車輛?？奎c(diǎn)、緊急救助區(qū)，該區(qū)域安全風(fēng)險(xiǎn)中等。易受傷區(qū)：距離車輛事故現(xiàn)場(chǎng)大于10m，該區(qū)域人員不可長(zhǎng)時(shí)間停留，以橫向車頂布置的儲(chǔ)氫氣瓶為例，通常面向車頭設(shè)施水炮架設(shè)區(qū)域，人員應(yīng)在架設(shè)水炮完畢后第一時(shí)間撤離到安全管控區(qū)；同時(shí)，及時(shí)搭建疏散救人通道，注意避開兩側(cè)的氣瓶泄爆口方向及其延伸區(qū)，該區(qū)域安全風(fēng)險(xiǎn)較高。致死區(qū)：距離車輛事故現(xiàn)場(chǎng)小于等于10m，該區(qū)域人員禁止停留，存在致死風(fēng)險(xiǎn)，該區(qū)域安全風(fēng)險(xiǎn)高。

綜合第二大點(diǎn)描述，HFCV電動(dòng)汽車儲(chǔ)氫系統(tǒng)存在的氫氣泄漏、氫氣泄放產(chǎn)生射流火以及高壓氫氣瓶爆裂的風(fēng)險(xiǎn)，HFCV電動(dòng)汽車發(fā)生事故時(shí)，可能會(huì)發(fā)生高速物理打擊、化學(xué)爆燃、物理爆炸、氫射流火焰等風(fēng)險(xiǎn)。因此，在消防處置過程中，抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)做好安全管控之后，消防員在面臨此類情況時(shí)給予以下幾種安全對(duì)策：

3.1 化學(xué)爆燃的安全對(duì)策

盡管氫氣作為逃逸性氣體，很難大量聚集，但氫氣在地下停車場(chǎng)、地下車庫(kù)、高速公路隧道、客混船等封閉、密閉區(qū)域內(nèi)釋放時(shí)，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，同樣，由于小型乘用車高壓氫氣瓶放置區(qū)空間相對(duì)密閉，當(dāng)氫氣泄漏時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間的大量聚集，加之氫氣本身的特性爆炸范圍很寬，產(chǎn)生化學(xué)爆燃。

消防處置人員選擇安全的行車路線，從上風(fēng)方向抵近事故現(xiàn)場(chǎng)，嚴(yán)禁穿過泄漏形成具有爆炸危險(xiǎn)的氣體云，在距離事故車輛120m外停車，避開高壓氫氣瓶瓶頭扇形區(qū)域設(shè)置事故處置陣地；利用高壓霧狀水稀釋驅(qū)散現(xiàn)場(chǎng)泄漏氣體，在事故車輛上風(fēng)方向適當(dāng)距離處設(shè)置水炮陣地，利用高壓霧狀水，對(duì)泄漏氣體進(jìn)行驅(qū)散稀釋，嚴(yán)禁使用直流水，以防產(chǎn)生靜電引燃泄漏氣體，待高壓氫氣自行排空后進(jìn)行處置。

3.2 物理爆炸的安全對(duì)策

高壓氣瓶外部發(fā)生火災(zāi)且氣瓶的TPRD裝置損壞失效時(shí)，高壓儲(chǔ)氫裝置在瓶外燃燒火焰的炙烤下，氣瓶?jī)?nèi)部的壓力會(huì)持續(xù)升高，從而導(dǎo)致瓶體破裂失效產(chǎn)生物理爆炸。此時(shí)消防處置人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，應(yīng)按照化學(xué)爆燃情況做好相應(yīng)的安全管控后，在事故車輛上風(fēng)方向較近位置，設(shè)置自擺炮陣地對(duì)受炙烤的高壓氣瓶進(jìn)行滅火冷卻，防止超壓爆炸。

3.3 氫射流火及高速物流打擊的安全對(duì)策

當(dāng)消防處置人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，高壓氣瓶TPRD安全爆破片動(dòng)作，氫氣從氣瓶中噴出，在儲(chǔ)氫氣瓶放置區(qū)兩側(cè)位置產(chǎn)生氫氣射流火時(shí)，應(yīng)該及時(shí)根據(jù)儲(chǔ)氫壓力測(cè)算噴射距離，設(shè)置滅火救援進(jìn)攻路線，合理計(jì)算氫氣的泄爆距離，隨后在安全距離下開花水射流滅火的同時(shí)，鋪設(shè)水幕水帶稀釋驅(qū)散泄漏氣體，防止氫氣短時(shí)間聚集，如有人員被困，在進(jìn)行稀釋驅(qū)散保護(hù)后，可以派處置人員避開氣瓶泄爆面接近車輛進(jìn)行人員疏散。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，HFCV電動(dòng)汽車的生產(chǎn)與應(yīng)用日益廣泛，本文從HFCV電動(dòng)汽車的工作原理、儲(chǔ)氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)入手，總結(jié)分析了該類汽車特有的儲(chǔ)氫系統(tǒng)的相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，進(jìn)而提出了針對(duì)性的消防安全對(duì)策，旨在為消防救援人員處理類似火災(zāi)提供參考，同時(shí)，隨著HFCV電動(dòng)汽車儲(chǔ)氫系統(tǒng)的不斷更新，對(duì)于HFCV電動(dòng)汽車火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與處置戰(zhàn)法也要不斷完善。

參考文獻(xiàn)

[1]欒榮.FCV電動(dòng)汽車的火災(zāi)危險(xiǎn)性[J].水上消防，2021（2）：

29-33.

[2]徐鐘平，周敏莉，虞利強(qiáng)，等.燃料電池汽車及氫能源的發(fā)展現(xiàn)狀與安全對(duì)策[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2010，29（11）：1019-1021.

[3]李貝，王雪瑩，金鑫，等.火災(zāi)場(chǎng)景下碳纖維復(fù)合高壓儲(chǔ)氫裝置熱損傷特征研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2022，43（6）：398-404.

[4]馮屹，杜建波，劉桂彬.燃料電池汽車的氫存儲(chǔ)及道路安全評(píng)估[J].上海汽車，2007（9）：6-9.

[5]Leonard E.Klebanoff，Sean A.M.Caughlan，Robert T.Madsen，elt.Comparative study of a hybrid research vessel utilizing batteries or hydrogen fuel cells[J].International journal of hydrogen energy，2021，46（76）：38051-38072.

[6]段冶.電動(dòng)汽車火災(zāi)危險(xiǎn)性及滅火救援技術(shù)研究[C]//中國(guó)消防協(xié)會(huì)學(xué)術(shù)工作委員會(huì)消防科技論文集（2022），2022：489-491.

[7]Yongliang Xie，Na Lv，Yan Huang，elt.Comparative analysis on temperature characteristics of hydrogen-powered and traditional fossil-fueled vehicle fires in

the tunnel under longitudinal ventilations[J]International

journal of hydrogen energy，2022，47（57）：24107-24118.