基于通風安全的燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)氫泄漏量評價研究

吳 迪，文 醉Wu Di，Wen Zui

基于通風安全的燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)氫泄漏量評價研究

吳 迪，文 醉
Wu Di，Wen Zui

（中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300）

基于通風理論分析影響燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)通風量的各個因素；通過試驗驗證、合理計算以及針對不同車型的燃料電池發(fā)動機艙空間大小假設(shè)，結(jié)合GB 3836.14─2014《爆炸性環(huán)境第14部分場所分類爆炸性氣體環(huán)境》對艙內(nèi)空間危險區(qū)域進行劃分，得到燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)氫氣最大釋放速率的計算方法，可用于指導(dǎo)燃料電池汽車氫安全設(shè)計。

通風措施；氫氣泄漏率；釋放等級；危險區(qū)域

0 引 言

氫燃料電池汽車具有高效率和零排放優(yōu)點，被認為是新能源汽車的終極方案，具有廣闊的發(fā)展前景。近年來，我國燃料電池客車在很多地區(qū)開始商業(yè)示范運營，其各種性能指標基本達到運營要求，并且開始邁向大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化階段。由于氫燃料電池中氫氣的易揮發(fā)、易燃、易爆及氫脆等特性，使氫燃料電池汽車的安全性備受關(guān)注。確保用氫安全，需控制氫泄漏量和排氫濃度，需考慮使用材料、元器件防爆性能，做好氫氣濃度監(jiān)控等。

燃料電池發(fā)動機正常工作中會出現(xiàn)少量氫氣泄漏，此時發(fā)動機艙作為一個封閉或半封閉空間，存在安全隱患；因此，除了在發(fā)動機艙內(nèi)安裝氫氣濃度探測器外，還應(yīng)該確保氫氣外漏時不會出現(xiàn)艙內(nèi)氫氣聚集，避免局部氫氣濃度升高產(chǎn)生爆燃風險[1]。

分析燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)的通風效果，評價在一定氫氣釋放流量下，發(fā)動機艙內(nèi)的通風量是否滿足氫安全要求，是否需要增加通風措施，以及在特定通風條件下，是否需要進一步限制氫氣釋放流量。

1 發(fā)動機艙內(nèi)通風效果分析

1.1 艙內(nèi)通風質(zhì)量影響因素

通常乘用車燃料電池發(fā)動機艙體積小于1 m3，空間形狀不規(guī)則且狹小，空氣流動時容易產(chǎn)生較大阻力而造成通風不良，氫氣密度小，容易在空間上方聚集，容易出現(xiàn)局部氫氣濃度過高。商用車燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)部空間較大、形狀規(guī)則且多為方形，空氣流動相對較好，如客車常將其置于車輛尾部或頂部，貨車常置于車頭與貨廂之間，其排風多置于頂部或側(cè)上方，艙內(nèi)也會布置其他車用部件，一定程度上會阻礙空氣流動。

此外，燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)熱源的數(shù)量和發(fā)熱量也會影響氫氣擴散。當艙內(nèi)存在熱源時，艙內(nèi)空氣被加熱，空氣壓力降低而被排擠出殼體、艙體，這時外界空氣進入殼體，在殼體內(nèi)達到熱平衡，如圖1所示[2]。

根據(jù)熱平衡原理得到消除內(nèi)部熱量所需的自然通風量為[3]

式中：為通風量，m3/s；為發(fā)熱量，kJ/s；為空氣的質(zhì)量比熱，取值1.01 kJ/(kg′℃)；p為排風溫度，℃；j為進風溫度，℃。

由式（1）可知，在相同的艙內(nèi)空間下，熱源發(fā)熱量會影響通風效果，較大的發(fā)熱量增強了艙內(nèi)空氣流動，總體通風效果與艙內(nèi)空間大小和結(jié)構(gòu)有關(guān)。在燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)，電堆等多個電器部件會產(chǎn)生熱量，實際評估艙內(nèi)通風量時不應(yīng)忽略這些熱量所造成的影響。

圖1 艙內(nèi)空氣流動示意圖

1.2 艙內(nèi)空間危險區(qū)域劃分

在GB 3836.14─2014《爆炸性環(huán)境第14部分場所分類爆炸性氣體環(huán)境》中，根據(jù)爆炸性氣體環(huán)境出現(xiàn)的頻次和持續(xù)時間將危險場所分為0區(qū)（爆炸性氣體環(huán)境連續(xù)出現(xiàn)或頻繁出現(xiàn)或長時間存在）、1區(qū)（在正常運行時，可能偶爾出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境）、2區(qū)（在正常運行時，不可能出現(xiàn)爆炸性氣體或者即使出現(xiàn)僅是短時間存在）。燃料電池發(fā)動機正常運行時，在排放口處可能會出現(xiàn)易燃氣體危險區(qū)域，所以將此區(qū)域定義為1區(qū)；在燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)空間要求為2區(qū)，即中級通風，并要求通風良好時，可視情況采取監(jiān)控、強制通風措施或通過系統(tǒng)自動切斷氫源等其他有效措施預(yù)防或解除危險，如當探測到區(qū)域內(nèi)的氫氣濃度達到25%LEL（Lower Explosion Limited，爆炸下限）時，應(yīng)采取應(yīng)急措施稀釋氫氣濃度。燃料電池艙內(nèi)垂直范圍危險區(qū)域如圖2所示。

圖2 燃料電池艙內(nèi)垂直范圍危險區(qū)域示意圖

2 氫泄漏量限值評定

2.1 艙內(nèi)最大氫氣泄漏量

為了確保氫氣濃度始終在可控范圍內(nèi)，要求燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)不出現(xiàn)局部氫氣濃度過高的情況，即保證發(fā)動機艙內(nèi)空間劃分為2區(qū)，至少為中級通風，該等級能夠控制濃度；雖然釋放源正在釋放中，但區(qū)域界線穩(wěn)定，在釋放源停止釋放后，爆炸性環(huán)境持續(xù)存在時間不會過長[4]。

稀釋給定的可燃性物質(zhì)達到低于爆炸下限規(guī)定濃度的新鮮空氣的最小通風速率，即允許的最小通風量為

式中：（d/d）min為新鮮空氣的最小體積流速，m3/s；（d/d）max為最大氫氣泄漏量，m3/s；為環(huán)境溫度；LELm為爆炸下限值，取值0.003 328 kg/ m3；為適用于爆炸下限的安全系數(shù)，其典型值=0.25（連續(xù)級釋放和1級釋放），=0.5（2級釋放）；為爆炸性氣體環(huán)境有效稀釋程度，即通風效率系數(shù)，理想狀態(tài)下=1，典型值=10，空氣流動受阻礙時=5，考慮氫氣的特點取=10。

為了滿足中級通風要求，結(jié)合式（1），得到最大氫氣泄漏量為

2.2 最大氫氣泄漏量的影響因素

由式（3）可知，評估燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)允許的最大氫氣泄漏量，需要計算或測量諸多參數(shù)，其中，可選擇連續(xù)級釋放或1級釋放的典型值，即=0.25；應(yīng)考慮不同車型的燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)空間的特點，乘用車可選擇嚴苛的空氣流動受阻的典型值，即=10，商用車取值為5～10；、、LELm為常數(shù)定值；因此，直接影響因素為艙內(nèi)發(fā)熱量、排風溫度p、進風溫度j，這些因素均與艙內(nèi)空間達到熱平衡時的通風量有關(guān)。當進風溫度不變、艙內(nèi)發(fā)熱量一定時，可以通過改善燃料電池發(fā)動機艙的通風環(huán)境降低排風溫度，提高通風量；當艙內(nèi)通風環(huán)境受限時，可以進一步研究艙內(nèi)各部件產(chǎn)生的總熱量與排風溫度之間的關(guān)系，評估艙內(nèi)通風量是否滿足允許最大氫氣泄漏量的要求。

以某燃料電池客車為例，其燃料電池發(fā)動機艙布置于客車后側(cè)，燃料電池發(fā)動機的額定功率為30 kW，艙內(nèi)主要的發(fā)熱部件包括燃料電池發(fā)動機、冷卻水管路、排氣管路、空壓機、氫泵、電流轉(zhuǎn)換器以及整車控制器等，當燃料電池發(fā)動機在額定功率下運行時，進風溫度j（大氣溫度）約為27℃，其排風出口分布于燃料電池發(fā)動機艙的車身兩側(cè)上方，排風出口溫度p約為38℃，通過假設(shè)和簡化計算得到總發(fā)熱量約為35 W，選取通風效率系數(shù)=6，根據(jù)式（3）計算得到允許的燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)最大氫氣泄漏量為223 mL/min。

3 結(jié)束語

分析燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)空間大小分布及內(nèi)部 發(fā)熱量對通風質(zhì)量產(chǎn)生的影響，并基于GB 3836.14─2014中對危險區(qū)域等級的定義將燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)各區(qū)域進行劃分，為保證艙內(nèi)氫安全，燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)的安全通風水平應(yīng)為中級通風。

提出燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)允許的最大氫氣泄漏量計算公式，以及主要影響參數(shù)為艙內(nèi)發(fā)熱量和進、出口排風溫度，并分析這些參數(shù)與艙內(nèi)通風量之間的關(guān)系，有助于評價燃料電池艙內(nèi)的氫安全風險，以及為艙內(nèi)空間設(shè)計和優(yōu)化提供幫助。

[1]中華人民共和國工業(yè)和信息化部. 燃料電池電動汽車安全要求：GB/T 24549─2020 [S]. 北京：中國標準出版社，2020.

[2]楊婉. 通風與空調(diào)工程[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[3]苗青. 室內(nèi)強熱源對空氣環(huán)境影響及對策研究[D]. 上海：同濟大學，2008.

[4]中國電器工業(yè)協(xié)會. 爆炸性環(huán)境第14部分場所分類爆炸性氣體環(huán)境：GB 3836.14—2014 [S]. 北京：中國標準出版社，2015.

2020-10-28

國家重點研發(fā)計劃“新能源汽車”重點專項：國際與國內(nèi)先進燃料電池動力系統(tǒng)對比測試及可靠性（2018YFB0105603）。

U469.72+2:TM912.9

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10.14175/j.issn.1002-4581.2021.02.007

1002-4581（2021）02-0022-03