氫燃料電池汽車(chē)的氫泄漏檢測(cè)概述

北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所 何田田 張 天

在石化能源不斷耗竭的今天，氫作為一種可再生的清潔能量載體，廣受世人青睞。世界范圍內(nèi)正以前所未有的速度和力度加快對(duì)氫能的研發(fā)，氫燃料汽車(chē)是氫能產(chǎn)業(yè)突出的應(yīng)用之一。由于氫的理化特性，在使用時(shí)必須重視對(duì)氫氣泄漏的檢測(cè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，氫泄漏事故占加氫站事故總數(shù)的70%。因此，氫泄漏檢測(cè)無(wú)疑是保障氫燃料電池汽車(chē)安全和提高氫利用率的關(guān)鍵技術(shù)之一。

一、氫燃料電池汽車(chē)全球技術(shù)法規(guī)中的氫監(jiān)測(cè)要求

氫燃料電池汽車(chē)全球技術(shù)法規(guī)是全球氫燃料電池汽車(chē)各部分性能考核的準(zhǔn)則，它詳細(xì)介紹了氫燃料電池汽車(chē)各關(guān)鍵系統(tǒng)（加氫系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、供氫系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、電驅(qū)動(dòng)和動(dòng)力管理系統(tǒng)）的組成、功能和應(yīng)注意的安全問(wèn)題。GTR13規(guī)定了FCEV的安全要求，包括在使用中和碰撞后車(chē)輛外殼中允許的氫氣濃度水平以及在某些正常操作模式下車(chē)輛排氣中允許的氫氣排放水平的規(guī)范[1]，封閉空間碰撞試驗(yàn)后的測(cè)試結(jié)果，采用傳感器來(lái)測(cè)量氫氣或氦氣的積聚或氧氣的減少，以此評(píng)估潛在的氫（或氦）泄漏，車(chē)輛排放尾氣的氫氣濃度水平應(yīng)不超過(guò)8%（體積分?jǐn)?shù)），運(yùn)行期間3s內(nèi)的氫氣濃度不超過(guò)4%（體積分?jǐn)?shù)）。

為了將GTR13納入國(guó)家法規(guī)，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的傳感器實(shí)驗(yàn)室和歐盟委員會(huì)聯(lián)合研究中心（JRC）評(píng)估了GTR13中規(guī)定的關(guān)于氫氣監(jiān)測(cè)要求的合理性，進(jìn)行了用于監(jiān)測(cè)FCEV碰撞試驗(yàn)中氫/氦的傳感器測(cè)試及碰撞試驗(yàn)后燃料系統(tǒng)完整性驗(yàn)證。

二、車(chē)載氫/氦傳感器性能評(píng)估測(cè)試

1.傳感器的選擇與安裝

在各種氫傳感器類(lèi)型中，熱導(dǎo)傳感器滿足GTR13定義的驗(yàn)證氫安全合規(guī)性的要求。氫氣的導(dǎo)熱系數(shù)比其他氣體的導(dǎo)熱系數(shù)都高，熱導(dǎo)傳感器利用氫氣導(dǎo)熱系數(shù)高的特性來(lái)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)空氣或其他介質(zhì)中的氫。而且，熱導(dǎo)傳感器不會(huì)受到干擾物的顯著影響，NREL傳感器測(cè)試實(shí)驗(yàn)室在氫安全傳感器評(píng)估方面的經(jīng)驗(yàn)，最終確定應(yīng)用傳感器型號(hào)HLS-440P進(jìn)行測(cè)試[2]。

在每次碰撞測(cè)試中放置多個(gè)傳感器以產(chǎn)生一些統(tǒng)計(jì)性數(shù)據(jù)。具體而言，每次碰撞測(cè)試準(zhǔn)備5個(gè)傳感器，3個(gè)安裝在車(chē)輛中，另外2個(gè)備用，3次碰撞為一組。在碰撞測(cè)試期間，傳感器由12V電池供電，采用2個(gè)可移動(dòng)的控制器局域網(wǎng)絡(luò)模塊接口，將傳感器連接到數(shù)據(jù)采集器上，數(shù)據(jù)采集器可在車(chē)輛外部執(zhí)行監(jiān)控，車(chē)輛還裝有加速度計(jì)，可輸出記錄并提供振動(dòng)和沖擊數(shù)據(jù)。加速度計(jì)安裝在車(chē)輛的不同位置，包括一個(gè)與傳感器安裝支架相鄰的位置和一個(gè)直接連接到支架頂部的位置。加速度計(jì)數(shù)據(jù)“X”分量與傳感器軸一致，而“Y”和“Z”分量與主傳感器軸相切，通過(guò)在設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的短時(shí)間暴露于氦氣（如沖擊測(cè)試）來(lái)驗(yàn)證傳感器存活率。

2.傳感器的測(cè)試及結(jié)果

按照試驗(yàn)條件進(jìn)行碰撞測(cè)試，包括正面碰撞、側(cè)面碰撞移動(dòng)變形屏障試驗(yàn)、側(cè)面碰撞剛性桿試驗(yàn)、側(cè)面碰撞試驗(yàn)測(cè)試、后沖擊試驗(yàn)、整體傳感器性能測(cè)試。正面碰撞、側(cè)面碰撞移動(dòng)變形屏障試驗(yàn)、側(cè)面碰撞剛性桿試驗(yàn)、整體傳感器性能的結(jié)果均與理論結(jié)果一致，側(cè)面碰撞試驗(yàn)測(cè)試、后沖擊試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)傳感器會(huì)受到環(huán)境溫度和濕度變化的影響，但都在可接受的范圍內(nèi)，如圖1所示。

圖1 側(cè)面碰撞測(cè)試的圖示

實(shí)驗(yàn)室評(píng)估證實(shí)，所選傳感器與FCEV碰撞測(cè)試兼容，適用于氦氣和氫氣。傳感器的檢測(cè)限和線性范圍符合碰撞測(cè)試要求，F(xiàn)CEV碰撞試驗(yàn)期間的傳感器利用率應(yīng)包括在所有車(chē)輛艙室中的測(cè)試。未來(lái)傳感器應(yīng)與當(dāng)前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兼容，以便將多個(gè)節(jié)點(diǎn)正確地處理到單個(gè)控制器局域網(wǎng)絡(luò)輸入中。此外，傳感器還應(yīng)包括與高壓存儲(chǔ)系統(tǒng)相關(guān)的組件周?chē)臏y(cè)試，以及檢測(cè)車(chē)輛底部周?chē)膲毫︶尫藕蟮臍怏w濃度測(cè)試。

3.用于驗(yàn)證FCEV尾氣排放的分析法

NREL和JRC傳感器實(shí)驗(yàn)室針對(duì)GTR13的氫氣監(jiān)測(cè)要求進(jìn)行驗(yàn)證，傳感器技術(shù)符合GTR要求。在碰撞試驗(yàn)后驗(yàn)證燃料系統(tǒng)完整性，開(kāi)發(fā)了用于分析FCEV尾氣分析儀，研制了標(biāo)準(zhǔn)配置的熱導(dǎo)傳感器模型，以及用于監(jiān)測(cè)和記錄傳感器信號(hào)的軟件，同時(shí)開(kāi)發(fā)了一種產(chǎn)生具有明確定義的組成和持續(xù)時(shí)間的氣體脈沖方法。氣體脈沖方法是將樣品環(huán)注入已知濃度的測(cè)試氣體，采用氣相色譜儀或其他分析儀分析，樣品環(huán)由2個(gè)獨(dú)立的氣流組成，一條路徑用測(cè)試氣體吹掃樣品環(huán)路，第二條路徑連續(xù)地將背景氣體流到分析儀或傳感器，激活電磁閥背景氣流在到達(dá)傳感器之前通過(guò)樣品環(huán)，測(cè)試氣體脈沖持續(xù)時(shí)間由樣品環(huán)體積除以背景氣體流速的比率設(shè)定。利用氣體脈沖方法可表征傳感器對(duì)瞬態(tài)氣體脈沖和成分的性能，氣體脈沖方法應(yīng)注意的是傳感器測(cè)量范圍，測(cè)量氣體暴露時(shí)間小于1s的傳感器響應(yīng)能力，以及背景氣體對(duì)傳感器響應(yīng)的影響等。

三、FCEV泄漏檢測(cè)方法

1.泄漏檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及方法

國(guó)際電工委員會(huì)IEC 62282標(biāo)準(zhǔn)中，提到了2種基于空氣的氫泄漏檢測(cè)方法：壓力衰減方法和流量測(cè)量方法.國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 22734中描述了氫氣組件連接和管道接頭的其他泄漏試驗(yàn)，包括氣泡試驗(yàn)和示蹤氣體泄漏檢測(cè)。歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1779列出了7種基于空氣和特定示蹤氣體的加壓部件定量積分測(cè)量方法，規(guī)定泄漏率為零，包括氨泄漏檢測(cè)、壓力衰減、氣泡測(cè)試、示蹤氣體等。ISO 20485中僅規(guī)定了示蹤氣體泄漏檢測(cè)方法。

示蹤氣體泄漏檢測(cè)方法是較為成熟的，在許多工業(yè)應(yīng)用中得到了廣泛應(yīng)用，通常被認(rèn)為是最敏感的泄漏測(cè)試方法。示蹤氣體泄漏檢測(cè)在燃料電池電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)也得到了很好的應(yīng)用。

美國(guó)能源部燃料電池技術(shù)辦公室資助先進(jìn)技術(shù)材料公司研發(fā)了用于汽車(chē)質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池應(yīng)用的一套物理和化學(xué)傳感器，基于燃料重整器/PEM電池堆組件的板載控制，開(kāi)發(fā)了氫安全和堆疊傳感器，后續(xù)將商業(yè)化[4]。

歐盟委員會(huì)聯(lián)合研究中心建立了可用于測(cè)試和驗(yàn)證各種氫傳感器技術(shù)性能的設(shè)施，包括氫傳感器使用的環(huán)境條件（溫度、濕度和壓力）測(cè)試、動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試、疲勞測(cè)試、對(duì)目標(biāo)氣體的敏感性測(cè)試、與其他氣體的交叉敏感性（反應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間）以及傳感器的壽命。

日本研究了通過(guò)聽(tīng)覺(jué)檢查氫燃料電池汽車(chē)氫氣泄漏的方法，包括選擇安全的氦氣為氫氣泄漏聲替代氣體，記錄交通噪聲，讓消聲室中的氫泄漏替代氣體泄漏，同時(shí)再現(xiàn)記錄的交通聲音，重現(xiàn)氫氣在交通噪聲環(huán)境中從車(chē)輛泄漏的狀態(tài)。該方法將用于氫泄漏的替代氣體的流速轉(zhuǎn)換為用于區(qū)分氫氣流速的閾值。

該方法研究了選擇氦氣作為氫氣替代氣體的符合性，包括氦氣對(duì)氫氣的再現(xiàn)程度，車(chē)輛的氫氣泄漏聲對(duì)氫泄漏方向、距離和高度的依賴性進(jìn)行測(cè)試。此外，研究了氫氣流速作為區(qū)分城市地區(qū)兩條車(chē)道交叉口噪音74 dB以下的氫氣泄漏聲音的閾值。研究結(jié)果獲得了以下發(fā)現(xiàn)：一是在約74dB的交通噪聲環(huán)境中，當(dāng)接近距離氫氣泄漏車(chē)輛中心10m的距離時(shí)，首次聽(tīng)到氫氣泄漏聲音的氫氣泄漏量小于328 NL/min為0.95cm管道。二是由于來(lái)自車(chē)輛下部的氫泄漏聲音具有取決于管道形狀的方向性，所以最好在車(chē)輛周?chē)凶邥r(shí)識(shí)別最大可聽(tīng)方向上的聲音。此外，氫氣泄漏聲音取決于高度，在1.5m的高度最容易聽(tīng)到。三是當(dāng)聽(tīng)到遠(yuǎn)離車(chē)輛的聲音時(shí)，來(lái)自車(chē)輛下部的氫氣泄漏聲音變得更難以聽(tīng)到，但當(dāng)靠近車(chē)輛時(shí)，由于衍射也會(huì)變得更難聽(tīng)到。

2.氫泄漏的安全防護(hù)

氫燃料電池汽車(chē)中應(yīng)安裝多個(gè)氫氣傳感器，傳感器應(yīng)考慮冗余設(shè)計(jì)并將各傳感器布置在車(chē)輛內(nèi)時(shí)氫氣容易聚集的位置，氫傳感器的報(bào)警閾值可以分段設(shè)置，以確保安全。同時(shí)裝有碰撞傳感器，當(dāng)泄漏的氫氣濃度超過(guò)閾值，或發(fā)生距離的碰撞，燃料電池系統(tǒng)會(huì)立即關(guān)閉燃?xì)忾y門(mén)并自動(dòng)停機(jī)；當(dāng)FCEV停運(yùn)后，尤其是停駐在地下車(chē)庫(kù)不受人們注意之處的情況下，氫燃料緩慢泄漏進(jìn)入車(chē)輛排氣系統(tǒng)。逸出的氫氣也有可能會(huì)聚集在車(chē)體底下的，需要通過(guò)氫氣泄漏傳感器系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)和預(yù)防[6]。

日本汽車(chē)研究所通過(guò)對(duì)車(chē)廂的泄漏測(cè)試進(jìn)行了一些不同的研究，以確定氫氣泄漏檢測(cè)傳感器安裝位置和閾值警報(bào)值，以響應(yīng)日本道路運(yùn)輸車(chē)輛法。日本的道路運(yùn)輸車(chē)輛法要求在可能發(fā)生氫氣積聚的區(qū)域安裝氫傳感器，氫氣濃度監(jiān)的報(bào)警設(shè)定值為4%（體積分?jǐn)?shù)）[5]。

GB15322-2003《可燃?xì)怏w探測(cè)器》中規(guī)定“僅有一個(gè)報(bào)警設(shè)定值的探測(cè)器，其報(bào)警設(shè)定值應(yīng)在1%LEL～25%LEL范圍”，LEL是指被測(cè)氣體的爆炸下限。氫氣在空氣中的爆炸范圍為 4%～75%（體積分?jǐn)?shù)），氫氣的爆炸下限為 0.18%（體積分?jǐn)?shù)），因此氫氣濃度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的報(bào)警設(shè)定值應(yīng)在0.04%～1%（體積分?jǐn)?shù)）。GB40061《液氫貯存和運(yùn)輸技術(shù)要求》、GB50516-2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》中都規(guī)定了將氫濃度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的報(bào)警設(shè)定值規(guī)定為0.4%（體積分?jǐn)?shù)）。

此外，所有燃料電池制造商在設(shè)計(jì)泄漏監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)應(yīng)包含系統(tǒng)連鎖功能，測(cè)量氣體逸出量，輸入數(shù)據(jù)，記錄氫氣逸出量并應(yīng)有安全裕度，再將測(cè)量結(jié)果傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)，以避免爆炸性混合物。

四、結(jié)論

氫泄漏檢測(cè)是保障氫安全和提高氫利用率的關(guān)鍵技術(shù)之一，美國(guó)、日本等國(guó)家都積極研究氫燃料電池汽車(chē)氫氣泄漏檢測(cè)方法，如壓力衰減法、示蹤氣體泄漏檢測(cè)方法，我國(guó)的氫燃料電池汽車(chē)技術(shù)還在起步階段，可開(kāi)發(fā)用于氫燃料電池汽車(chē)的熱導(dǎo)傳感器，并且把握氫能產(chǎn)業(yè)持續(xù)升溫的發(fā)展機(jī)遇，加快標(biāo)準(zhǔn)制定，推進(jìn)技術(shù)落地。