2.1.2 燃料電池的安全性分析
相對(duì)于鋰離子電池模塊，燃料電池系統(tǒng)（PEMFC system）的安全性評(píng)價(jià)有很大不同。PEMFC的安全性評(píng)價(jià)主要是針對(duì)PEMFC電堆和儲(chǔ)氫系統(tǒng)這兩個(gè)部分，而且都與氫氣直接相關(guān)。
PEMFC電堆的安全性：PEMFC電堆是很多單電池按照壓濾機(jī)方式組裝起來(lái)的，電堆只是氫氣和氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，它本身并不儲(chǔ)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(gè)方面，一個(gè)是電池組的保護(hù)，需要在檢測(cè)到電壓和溫度異常之后，可以在極短時(shí)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(duì)其FC-EV的綜合測(cè)試結(jié)果表明，即使在工作狀態(tài)下對(duì)電堆進(jìn)行穿刺短路，都不會(huì)引起電堆火災(zāi)和爆炸發(fā)生，這主要是因?yàn)殡姸褍?nèi)部氫氣的量并不大，而且氫氣/空氣可以迅速被切斷。針對(duì)電堆本身來(lái)說(shuō)，氫氣的泄漏點(diǎn)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(dāng)前的氫氣傳感器技術(shù)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(shí)間內(nèi)切斷氫氣氣路，從而避免氫氣在動(dòng)力艙的積累。
儲(chǔ)氫系統(tǒng)的安全性：PEMFC系統(tǒng)最大的安全隱患在于儲(chǔ)氫罐。目前FC-EV普遍采用的是玻璃纖維/碳纖維增強(qiáng)超高壓鋁瓶?jī)?chǔ)氫，壓力可以高達(dá)700 bar。氫氣儲(chǔ)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(huì)泄漏以及泄漏后可能引起的爆炸問(wèn)題。
對(duì)于儲(chǔ)氫罐而言，最大的安全隱患是當(dāng)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(chǔ)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(guān)鍵安全性考核因素。
目前廣泛使用的700 bar高壓鋁瓶，國(guó)際上已經(jīng)有數(shù)千次的加壓/減壓測(cè)試記錄，應(yīng)該說(shuō)在抗應(yīng)力疲勞方面是過(guò)關(guān)的，儲(chǔ)氫瓶在滿載條件甚至下還進(jìn)行過(guò)步槍射擊實(shí)驗(yàn)。為了避免外力損傷，國(guó)際幾大汽車公司普遍選擇將儲(chǔ)氫罐放置在后排座椅下面或者后背這個(gè)汽車上相對(duì)比較安全的部位。
一般氣罐旁邊、駕駛室和動(dòng)力艙都安裝了氫氣傳感器在線檢測(cè)氫氣濃度，儲(chǔ)氫罐還安裝了應(yīng)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(yīng)力疲勞導(dǎo)致儲(chǔ)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(wèn)題。通常，氫氣泄露積累到爆炸下限濃度需要數(shù)秒的時(shí)間，在氫氣傳感器的警報(bào)下乘客有一定的逃離時(shí)間。氫氣的特點(diǎn)是非常輕泄漏之后迅速上升，只要通風(fēng)良好在開闊的馬路上一般不會(huì)發(fā)生爆炸危險(xiǎn)。
筆者這里要指出的是，人們對(duì)于氫氣的安全性問(wèn)題存在一定的認(rèn)識(shí)誤區(qū)。日本研究試驗(yàn)結(jié)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(shí)汽油車下方漏油著火，而氫氣則是迅速?zèng)_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(shì)正旺最終燒得只剩車架（如上圖所示）。
德國(guó)BMW、Daimler-Benz和中國(guó)汽研中心等國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)也都做過(guò)氫燃料電池的碰撞、泡水、跌落實(shí)驗(yàn)，儲(chǔ)氫罐的碰撞和灼燒試驗(yàn)以及燃料電池汽車整車的碰撞試驗(yàn)，均未出現(xiàn)重大安全問(wèn)題。但是筆者這里仍然要強(qiáng)調(diào)的是，不管是鋰電純電動(dòng)汽車還是燃料電池汽車，安全性問(wèn)題的綜合評(píng)估要在量產(chǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行大規(guī)模的測(cè)試和數(shù)據(jù)采集，才可能有更加深入的認(rèn)識(shí)。
大型鋰離子動(dòng)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?zhǔn)椒艧岙a(chǎn)氣化學(xué)反應(yīng)，也就是說(shuō)留給BMS的控制時(shí)間極其短暫。而燃料電池系統(tǒng)的安全隱患則來(lái)自氫氣。本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，PEMFC電堆的安全問(wèn)題主要是物理過(guò)程（氫氣泄露與控制），而鋰電動(dòng)力電池則是化學(xué)過(guò)程（鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）。
實(shí)事求是而言，不管是燃料電池系統(tǒng)還是鋰離子動(dòng)力電池，發(fā)生安全性事故的后果都是極其嚴(yán)重的。但是如果僅僅從系統(tǒng)控制的角度而言，筆者個(gè)人認(rèn)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(dòng)力電池相對(duì)而言更容易控制。
