受限空間內(nèi)燃料電池汽車氫泄漏安全保障研究

歐陽云瀚 裴馮來 李海洋

(上海機動車檢測認證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805)

0 前言

燃料電池汽車因其零污染排放、續(xù)航里程長、燃料加注時間短等優(yōu)點受到廣泛的關(guān)注。目前，燃料電池汽車的發(fā)展主要受到成本與使用壽命等因素的限制[1]。對于燃料電池汽車總體成本較高的問題，隨著質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)在制備過程中鉑金搭載量不斷降低，燃料電池汽車的成本問題正在得到控制。隨著燃料電池堆設(shè)計制造技術(shù)水平的提高和PEMFC的運行控制策略的優(yōu)化，PEMFC的使用壽命得到了大幅改善，燃料電池堆的使用壽命也得到了大幅提升[2]。

除了成本與使用壽命問題，氫安全問題也是限制燃料電池汽車發(fā)展的重要因素之一。由于氫氣本身具有易燃、易爆、易擴散的特性，極易在制氫、存儲、運輸、加氫等過程中發(fā)生燃燒、爆炸，產(chǎn)生超高壓破壞建筑，造成人員窒息等安全事故[3-4]。因此，保障氫安全問題是燃料電池汽車大規(guī)模普及和推廣運營的基礎(chǔ)。目前，關(guān)于氫安全問題的科研主要集中在氫氣的擴散與泄漏特性、燃燒與爆炸、產(chǎn)生超高壓現(xiàn)象的分析等[5]。這些研究多以某一固定場景為前提，展開試驗或模擬仿真，對氫氣的某一具體特性展開深入的建模分析。但是，針對實際應(yīng)用場景(包括車輛自身、停放環(huán)境、人機配置等)的氫泄漏安全保障綜合分析卻未有涉及。

本文基于國內(nèi)外相關(guān)法規(guī)、技術(shù)標準與文獻研究，對受限空間內(nèi)的燃料電池汽車氫泄漏安全保障問題進行系統(tǒng)梳理，為保障燃料電池汽車在受限空間內(nèi)停放的氫泄漏安全問題提供一定的指導建議。

1 技術(shù)標準與研究現(xiàn)狀

1.1 相關(guān)技術(shù)標準

目前，涉及氫泄漏的相關(guān)法規(guī)標準較多，由于本文著重考慮停放在受限空間內(nèi)的燃料電池汽車氫泄漏安全問題，故只對相關(guān)性較高的氫泄漏法規(guī)標準進行梳理與解讀。在《示范運行氫燃料電池電動汽車技術(shù)規(guī)范》(GB/T 29123—2012)與《氫燃料電池電動汽車示范運行配套設(shè)施規(guī)范》(GB/T 29124—2012)中，存在燃料電池汽車停放要求的規(guī)定。燃料電池汽車的停放要求被劃分為長期停放與日常停放2種：①對長期停放的車輛，規(guī)定要求將儲氫瓶壓力釋放至最低值，并定期檢查；②對日常停放的車輛，規(guī)定要求將車輛放在專門設(shè)計的停車場或指定地點，并須保證氫燃料系統(tǒng)無故障、無泄漏[6-7]。上述規(guī)定使得目前的燃料電池汽車還無法進入常規(guī)的室內(nèi)停車場。氫燃料系統(tǒng)的“無泄漏”要求可以理解為氫氣的泄漏程度非常小，但實際上氫燃料系統(tǒng)無法做到真正的“無泄漏”。目前，該規(guī)定并未給出具體數(shù)值。針對氫泄漏數(shù)值要求的問題，《燃料電池電動汽車密閉空間內(nèi)氫泄漏及氫排放試驗方法和安全要求》(T/CSAE 123—2019)規(guī)定：燃料電池汽車在無機械通風的密閉空間(每小時空氣體積交換率不大于0.03)內(nèi)停放8 h，車輛周圍的氫泄漏體積百分比最大不得超過1%；在有機械通風的密閉空間(每小時空氣體積交換率不大于6.00)內(nèi)，在任意時刻燃料電池汽車須滿足車輛周圍的氫泄露體積百分比不得大于1%[8]。

《氫燃料電池汽車安全指南》(2019版)同樣也提出了對燃料電池車輛停放的要求：加滿氫氣的燃料電池汽車必須停放在露天場地，并且周圍環(huán)境通風良好[9]。車輛進入室內(nèi)場地須滿足密閉空間的試驗要求：在密閉空間的整車試驗過程中，必須保證在任意時刻的氫泄漏體積百分比不超過1%。此外，該指南規(guī)定，在車輛進出密閉空間時，其運行模式必須為純電動(電池)模式。若要滿足此條件約束，車輛在進入密閉空間時，車載氫燃料系統(tǒng)需要保持關(guān)閉狀態(tài)。但是，以目前的燃料電池汽車發(fā)展趨勢來看，越來越多的燃料電池汽車以全功率模式運行，即車輛在進出密閉空間時，燃料電池發(fā)動機仍處于工作狀態(tài)，所以不可能只開啟純電動模式進出密閉空間。在由聯(lián)合國世界車輛法規(guī)協(xié)調(diào)論壇(UN/WP.29)負責制訂發(fā)布的全球統(tǒng)一汽車技術(shù)法規(guī)《氫和燃料電池車輛全球技術(shù)法規(guī)》(GTR 13)中，車輛在進出密閉空間時，氫燃料系統(tǒng)允許處于工作狀態(tài)[10]。考慮到車輛氫燃料系統(tǒng)在運行時，氫氣排放量遠大于氫燃料系統(tǒng)正常的泄漏量，此規(guī)定對車輛在運行過程中的氫氣排放量作出限制：車輛在進出密閉空間時，應(yīng)保證在任意連續(xù)3 s內(nèi)的平均氫氣排放體積百分比不超過4%，任意1 s內(nèi)的氫氣排放體積百分比不超過8%。相關(guān)氫泄漏安全要求的標準匯總?cè)绫?所示。

表1 燃料電池汽車氫泄漏安全要求

1.2 研究現(xiàn)狀

關(guān)于氫泄漏的研究，目前國內(nèi)外研究主要分為2個方向：①研究氫氣的泄漏特性，包括高壓氫氣泄漏的濃度衰退特性研究[11]、氫氣的擴散與分布狀態(tài)研究[12]、在不同壓力與泄漏孔徑下的氫泄漏濃度分布與可燃概率經(jīng)驗公式研究[13]、在密閉空間內(nèi)發(fā)生氫泄漏不能及時排出造成壓力峰值現(xiàn)象研究[14]等。此類研究更偏重于分析氫氣在不同條件狀態(tài)下的泄漏特性。②研究環(huán)境場景設(shè)置對氫泄漏的影響，分析不同的場景布置與氫泄漏風險大小的關(guān)系。

具有代表性的研究是李云浩等[15]的研究：長方體車庫內(nèi)發(fā)生氫泄漏時的氫濃度分布；可燃性區(qū)域內(nèi)氫氣體積分數(shù)與車庫結(jié)構(gòu)(橫梁及其間距)、自然通風、通風口面積的關(guān)系。該研究試驗結(jié)果表明：在無通風狀態(tài)下，橫梁的存在會明顯增加車庫內(nèi)的可燃性區(qū)域，不利于氫氣的擴散；在自然通風狀態(tài)下，車庫內(nèi)的可燃區(qū)域明顯降低，證明了通風口的存在對氫氣的擴散非常重要。但是，上述研究并未給出通風口應(yīng)如何設(shè)置的建議。

HAJJI Y等[16]研究了棱柱型住宅車庫的屋頂頂角對氫氣濃度梯度和分層的影響。表2比對了屋頂頂角從180°變化到90°時的氫氣摩爾分數(shù)變化情況。最終的試驗結(jié)果表明，氫氣的摩爾分數(shù)分布明顯受到車庫頂角的影響。如圖1所示，氫氣的分布可以劃分為3層：第1層為通風非常強烈的上部區(qū)域，表征車庫上部區(qū)域的氫分層；第2層中間層為通風不太強烈的區(qū)域，其厚度較小；第3層為靠近地面的具有較低通風強度的分層。在不同地面高度下的氫氣摩爾分數(shù)數(shù)值如表2所示。當屋頂頂角為120°時，棱柱腔中的氫氣分層在4個典型角度中表現(xiàn)最弱，這意味著棱柱型住宅車庫可以選擇120°作為最佳屋頂頂角。

圖1 車庫內(nèi)不同頂角下的氫氣分布云圖

表2 車庫內(nèi)不同地面高度和屋頂頂角下的氫氣分布

在后續(xù)的研究中，HAJJI Y等[17]繼續(xù)研究了通風狀態(tài)與降低氫泄漏風險的關(guān)系。除了驗證通風口設(shè)置高度較高時有助于氫氣的擴散排出之外，還對通風口的位置、形式、大小和數(shù)量展開了研究。如圖2所示，試驗結(jié)果表明，在相同的位置、相同的通風面積下，不同形狀的通風口設(shè)置對氫氣濃度的分布存在影響。簡單的幾何形狀(矩形或正方形)更適用于排出低氣體密度的氫氣。研究結(jié)果建議：通風口形狀設(shè)置為方形為最佳，應(yīng)避免圓形、三角形或其他復雜幾何形狀。此外，研究結(jié)果還表明：當通風口置于車庫的頂部，并且相對于射流軸線呈對稱結(jié)構(gòu)時，可以達到最佳的通風狀態(tài)。具體文獻研究結(jié)論匯總?cè)绫?所示。

圖2 車庫內(nèi)不同形狀通風口的氫氣分布曲線

表3 車庫內(nèi)通風狀態(tài)研究的代表性文獻

2 氫泄漏安全保障分析

通過上述國內(nèi)外相關(guān)標準與典型文獻的研究，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外技術(shù)標準主要對車輛進行約束，相關(guān)文獻集中于研究氫泄漏后的場景條件對氫氣擴散的影響。具體涉及到車輛氫泄漏程度、排放程度的約束，以及場景設(shè)置(包含建筑結(jié)構(gòu)與通風條件等)等方面內(nèi)容。如圖3所示，為了更全面地對氫泄漏安全保障問題進行梳理，本文結(jié)合實際應(yīng)用對受限空間內(nèi)的氫泄漏安全保障問題劃分為以下3個方面。

圖3 氫泄漏安全保障框架

(1)車輛要求：依據(jù)車輛運動狀態(tài)具體分為2種情況。車輛在受限空間內(nèi)靜止時，主要對車輛的氫泄漏數(shù)值進行約束；車輛進出密閉空間過程中，主要以氫排放數(shù)值約束為主。

(2)場景設(shè)置：場景設(shè)置包括通風口設(shè)置、車輛停放周圍環(huán)境條件的設(shè)置及建筑結(jié)構(gòu)約束。

(3)泄漏措施設(shè)置：為了更為系統(tǒng)地保障氫泄漏安全問題，本研究提出氫泄漏后的措施設(shè)置要求，分為人員安排和基礎(chǔ)設(shè)施要求。

2.1 車輛要求

對車輛提出要求主要是為了從源頭解決氫泄漏危害，具體約束項包含車輛靜止停放狀態(tài)下的氫泄漏數(shù)值與車輛運行狀態(tài)下的氫排放數(shù)值。

在氫泄漏數(shù)值要求方面，現(xiàn)有國家標準要求的氫體積分數(shù)最大閾值為1%[8,10]?？紤]到在實際應(yīng)用過程中氫氣探測器布置、氫氣分布不均勻所造成的測量誤差等問題，同時結(jié)合《石油化工可燃和有毒氣體檢測報警設(shè)計標準》(GB/T 50493—2019)，建議車輛在靜止時的氫泄漏數(shù)值應(yīng)控制在氫氣可燃極限的下限(即4%)25%以內(nèi)，即最大允許值為1%。具體數(shù)值可根據(jù)實際情況靈活調(diào)整。該范圍設(shè)置要求既不違背現(xiàn)有相關(guān)標準，同時又結(jié)合實際應(yīng)用特點，形成較為科學的約束條件。

目前，在氫排放數(shù)值方面還沒有明確的國家標準進行約束。本研究建議燃料電池汽車首先應(yīng)完善車輛自身的探測系統(tǒng)，實時監(jiān)測車輛周圍氫濃度分布狀態(tài)。根據(jù)探測系統(tǒng)監(jiān)測到的不同氫體積分數(shù)，設(shè)置不同的預(yù)警級別，并設(shè)置相應(yīng)的整車控制策略，在必要時切斷氣體供應(yīng)，發(fā)出警報以保障車輛的運行安全。本研究在氫排放數(shù)值方面暫不作明確約束。在車輛進出密閉空間時，本研究建議參考《氫和燃料電池車輛全球技術(shù)法規(guī)》(GTR 13)，對氫排放數(shù)值進行約束。

2.2 場景設(shè)置

對停放場景的設(shè)置要求包括通風口設(shè)置、環(huán)境條件設(shè)置及建筑結(jié)構(gòu)的約束。考慮到燃料電池汽車進入市場較晚，現(xiàn)有的很多車輛停放場所僅適用于停放燃油車與純電動車，主要建筑結(jié)構(gòu)、環(huán)境特點已無法作出較大的改變，因此，本研究建議此類停車場所應(yīng)盡可能選取擁有較好通風條件的位置，劃分為專門用于停放燃料電池汽車的區(qū)域。

對具備較大改造能力或可以重新規(guī)劃的停車場所，本研究建議設(shè)置專門的燃料電池汽車停放區(qū)域。區(qū)域內(nèi)應(yīng)擁有較好的通風條件，并且通風口位置盡量設(shè)置在高處，通風口形狀的設(shè)置應(yīng)避免復雜化，多個通風口的設(shè)置應(yīng)具有對稱性。在環(huán)境設(shè)置方面，車輛停放區(qū)域須避免較大的太陽輻射與較高的環(huán)境溫度，停放通道應(yīng)保持通暢，周圍遠離危險源。在建筑結(jié)構(gòu)方面，建筑屋頂須保證平整，避免橫梁等障礙物或建筑死角的存在，以確保氫氣意外泄漏時不易聚集。同時，還應(yīng)在車輛上方區(qū)域按間隔要求布置氫氣探測器，并確保儀器的監(jiān)測能力可以覆蓋整個燃料電池汽車的停放區(qū)域。

2.3 氫泄漏應(yīng)對措施

燃料電池汽車停放區(qū)域必須具備相應(yīng)的應(yīng)急設(shè)施，并配備相應(yīng)的應(yīng)急處理人員，在發(fā)生氫泄漏后必須保證能夠在第一時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)并及時處理。氫泄漏應(yīng)對措施的要求主要分為“人”與“機”2個方面，“人”主要是指人員的要求，包括處理氫泄漏措施的人員安排，“機”主要指必備的基礎(chǔ)設(shè)施要求。

(1)人員安排。人員安排的具體措施須根據(jù)氫氣的泄漏程度進行分級處理。當氫氣泄漏輕微擴散但未引起警報時，氫氣可通過基礎(chǔ)通風口排出。當氫氣泄漏引起警報，氫氣尚處于擴散狀態(tài)未發(fā)生燃燒時，應(yīng)急處理人員應(yīng)及時尋找并切斷泄漏源，將停車場所內(nèi)所有人員疏散至上風口。當應(yīng)急設(shè)備啟動后，應(yīng)急處理人員應(yīng)負責對氫泄漏區(qū)域進行強通風處理。在疏散人群后，應(yīng)急處理人員可采用對氣體加濕稀釋的方法，減少爆炸性混合氣體的形成。當泄漏區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)氣體燃燒時，應(yīng)急處理人員要及時對周圍的可燃物澆注冷卻水，以避免火勢擴散。由于氫氣在燃燒時不易被察覺，應(yīng)急處理人員應(yīng)佩戴呼吸器，穿防靜電服裝進入現(xiàn)場，并防止外露皮膚被火焰燒傷[8]。

(2)基礎(chǔ)設(shè)施。本研究建議應(yīng)急設(shè)備須配備有氫氣泄漏探測系統(tǒng)、聯(lián)動排氣裝置、氣體加濕設(shè)備、防爆工具等。日常存在的部分泄露氫氣主要通過通風口排出。當氫氣大量泄漏的極端情況發(fā)生時，探測系統(tǒng)可以檢測到信號，并聯(lián)動應(yīng)急設(shè)備開啟強通風模式。

3 結(jié)語

本文對燃料電池汽車在受限空間內(nèi)的氫泄漏安全保障這一目標展開了研究。在研讀現(xiàn)有法規(guī)標準與文獻研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際應(yīng)用場景建立了氫泄漏安全保障框架。氫泄漏安全保障問題共涉及燃料電池汽車、場景設(shè)置及應(yīng)對氫泄漏措施3個方面的約束。結(jié)合本文提出的氫泄漏安全保障框架，給出了如何在受限空間內(nèi)保障燃料電池汽車氫泄漏的安全建議。

這些建議既符合現(xiàn)有的法規(guī)技術(shù)標準與文獻研究成果，同時結(jié)合了實際應(yīng)用場景，可為未來燃料電池汽車停放于室內(nèi)停車場時的氫泄漏安全保障問題提供一定的參考。