潛用燃料電池氫泄漏分析及檢測技術

張 偉，劉義軍，張 濤

(1.中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064;2.中國人民解放軍63878部隊，陜西 渭南 714000)

0 引言

不依賴空氣推進系統(AIP)是指潛艇在水下不依賴外界的空氣也能提供推進動力和其他動力的能源系統。常規潛艇的AIP系統主要利用自身攜帶的氧氣(通常為液氧)，為熱機或電化學發電裝置提供燃燒條件，完成能量轉換，提供水下航行所需的推進動力。國內外多年的探索和實踐證明，AIP系統能行之有效地提高常規潛艇的作戰范圍、潛航時間和隱蔽性，引領著新一代常規潛艇的發展方向。

國外常規潛艇的AIP系統主要分為熱機系統和電化學系統兩類。其中熱機系統主要包括閉式循環柴油機 (CCD/AIP)、斯特林發動機 (SE/AIP)、閉式循環汽輪機 (MESMA/AIP);電化學系統主要是燃料電池AIP系統 (FC/AIP)。目前國外技術較為成熟、已進入實用階段，且能夠大幅提高常規潛艇水下作戰能力的AIP系統主要是燃料電池AIP(FC/AIP)系統和斯特林發動機AIP(SE/AIP)系統。但與SE/AIP相比，FC/AIP系統的優勢更明顯，發展潛力更大。常規潛艇采用燃料電池AIP系統后，向海水輻射的熱能及紅外特征變小，系統基本不向艇外排放廢物，尾流特征極小，聲特征遠低于常規柴電動力或熱氣機動力，能安靜運行，具有優異的“隱身”作戰能力。鑒于此，燃料電池AIP潛艇將成為繼傳統的柴油機潛艇之后的新型常規潛艇。

由于燃料電池系統使用氫作為燃料，而氫是穿透性極強的氣體，特別容易泄漏。在生產、儲存、運輸、使用全過程中，泄漏可達10% ～20%［9］。此外，由于氫/空氣混合物燃燒體積比范圍大，著火能量低，容易爆炸等，故而在常規潛艇密閉狹小空間內裝備燃料電池，必須對氫的泄漏進行分析和在線監測。

圖1 潛用燃料電池系統組成［6］Fig.1 Composition of submarine fuel cell AIP

1 氫的安全性特性分析和對策

1.1 安全特性分析

1)氫的泄漏性和擴散性

氫氣的分子量為2，具有極強的擴散性，比液體燃料和其他燃料更容易從小孔中泄露。表1列出了氫氣和丙烷、天然氣 (主要成分為甲烷)的泄漏和擴散特性。

表1 氫氣和丙烷、天然氣的泄漏率對比Tab.1 Leakage probability contrast of H2，C3H8，CH4

從表1可以看出，在層流情況下，氫氣的泄漏率比天然氣高26%，但低于丙烷。而在湍流情況下，氫氣的泄漏率遠遠高于甲烷和丙烷。目前燃料電池系統的工作壓力都較高，如高壓氣罐儲氫時壓力在30 MPa左右，金屬儲氫容器的壓力也在6 MPa以上。如果儲氫容器發生泄漏，必然是湍流形式，其泄漏速率將非常驚人，短時間就會造成潛艇艙內氫濃度急劇升高。

在擴散性方面，氫氣更遠遠高于甲烷和丙烷。同等條件下，氫氣的密度僅為空氣7%，與甲烷和丙烷比具有更大的浮力和擴散性。在開放空間內，氫氣的快速擴散性對安全性有利，但在潛艇艙內的密閉空間，擴散性好會導致整個艙室的濃度達到著火點，在有火源情況下易發生火災和爆炸事故。

2)氫對金屬性能的破壞

儲氫容器和管路長期處于高壓氫氣環境下，會因氫脆現象導致結構材料的性能破壞而發生滯后斷裂。目前氫氣導致金屬性能破壞主要有氫脆、氫腐蝕、形成氫化物、白點、氫泡、顯微穿孔等。

氫對金屬性能的破壞機理［2］，主要是氫以分子形式先進入金屬表面 (物理吸附)，再以原子形式進入外表面 (化學吸附)，然后遷移至內表面 (溶解過程)，最后氫原子或氫離子溶解在金屬的晶格間隙或晶界 (擴散過程)。

針對氫對金屬性能的破壞，國內開發了一系列抗氫鋼材，如21/4Cr－1Mo鋼，用以制造儲氫管路［8］。此外，還出現了采用復合材料制造的高壓儲氫容器［5］。

3)氫的可燃性

在空氣中，氫的燃燒范圍較寬，同時著火能較低。表2列出了氫氣和丙烷、天然氣 (主要成分為甲烷)、汽油氣的燃燒特性。

表2 氫氣和丙烷、天然氣、汽油氣的燃燒性能對比Tab.2 Combustion features contrast of H2，C3H8，CH4，gasoline gaseous

與丙烷、天然氣、汽油氣等可燃性氣體相比，氫氣的燃燒范圍在4% ～75%，具有最寬的燃燒范圍，同時其著火能最低。

4)氫在密閉空間的爆炸性

如果在開放空間，由于氫的迅速擴散特性，氫氣即使發生燃燒，也由于燃燒速度較低而不會發生爆炸。但在潛艇艙內的密閉空間內，燃燒速度將會快速增加，繼而發生爆炸。

表3列出了氫氣和丙烷、天然氣 (主要成分為甲烷)、汽油氣的爆炸特性。

表3 氫氣和丙烷、天然氣、汽油氣的爆炸性能對比Tab.3 Explosion features contrast of H2，C3H8，CH4，gasoline gaseous

從表3可知，氫氣的燃燒速度是天然氣和汽油氣的7倍，所需的爆炸能量也最低。氫氣的爆炸特性可概括為:氫氣最不易形成可爆炸氣霧，但一旦達到爆炸下限，卻最容易發生爆燃和爆炸。

1.2 安全對策

由于氫氣泄漏后具有較強的擴散性，在密閉空間內其著火范圍較寬，爆炸需要的能力較低等危險特性，預防氫泄漏引起燃燒和爆炸的最優安全對策是對密閉空間內的氫氣泄露和擴散特性進行研究，并在氫氣濃度達到危險下限前進行準確監測和報警［1］。這牽涉到氫泄漏擴散分析方法和氫泄漏在線監測系統。

2 密閉空間氫泄漏擴散分析方法

針對氣體的泄漏和擴散特性研究，國外開展了大量的研究工作，提出了許多泄漏和擴散模型，目前得到大規模應用的模型主要有高斯模型、箱板模型及三維CFD計算模型［3］。其中高斯模型主要適用于輕氣體或與空氣密度相當的氣體的擴散;箱板模型適用于密度比空氣大的氣體泄漏擴散分析，如高密度燃氣或氣溶膠的泄漏事故;三維有限元計算模型模型適用于連續源泄漏及有限時間的泄漏，以及密度較大的氣體在復雜地形條件下的泄漏。

上述氣體泄漏和擴散模型主要適用于在開闊空間，考慮氣象條件和地形條件下的泄漏擴散。而對于密閉空間下的氫泄漏擴散分析，可采用工程熱力學的氣體流動理論，將氫氣管路的泄漏點附近的氣體流動簡化為為工程熱力學中的噴管計算［4］。

2.1 泄漏量計算

對高壓氫氣通過裂縫或漏孔向外泄漏，因為流速較高，時間較短，可視為絕熱過程，應用噴管理論，其質量流量Q計算公式如下:

式中:r為泄漏孔徑;Cd為泄漏系數，通常取1［5］;k為絕熱系數，氫氣為1.4;p1為輸氫管道內壓力;p2為環境壓力;v1為輸氫管道內氣體比容。

泄漏處的氣體實際流速與氣體的流動狀態有關，即氫管道壓力比與臨界壓力比pcr的比值。

對于氫氣來說，其k=1.4，臨界壓力比pcr=0.528，如果按環境壓力100 kPa換算，工作壓力200 kPa(0.2 MPa)以上的儲氫容器泄漏過程必然為聲速。

按儲氫容器內部壓力p1=6 MPa，泄漏孔徑r=2 mm，溫度T1=300 K，按式(3)計算，Q=0.0019806 kg/s。

2.2 擴散速率計算

對于氫氣在密閉空間內的泄漏和擴散，由于氫氣的擴散能力極強，如果在通風設施不開啟的情況下，從泄漏口射流出來的氫氣在空間內迅速散開，較短時間內將會縮小局部濃度差異，除了泄漏口軸線周圍的射流情況外，密閉空間各處氫氣濃度差異不大。

密閉空間內氫氣擴散達到可燃濃度下限的時間t計算公式如下:

式中:r為艙容系數，考慮艙室內設備所占容積導致氫氣無法擴散的系數，通常取0.5;V為艙室容積;d為氫氣的著火下限，通常取4%;Q為氫氣泄漏的體積流量;ρ為氫氣的密度，常溫下約70kg/m3。

對于一個長10 m，直徑6 m的圓柱形艙段，按式(4)并且將氫氣泄漏流量按2.1節中的算例取值，達到燃燒下限的時間t=200 s，即在該艙室內，儲存壓力6 MPa的儲氫容器，如發生2 mm的孔徑泄漏，則約在200 s左右即可達到燃燒下限。

3 氫泄漏點快速定位技術

根據以上分析可知，氫氣泄漏具有高流速和高擴散性的特點，在密閉空間內將快速達到燃燒下限，所以應對氫氣泄漏的最有效辦法是安裝高效的氫濃度在線監測系統，并具備對泄漏點的快速定位能力。而其關鍵技術是泄漏源的定位技術。

3.1 氫傳感器選型

氫敏傳感器指對氫氣的存在及量值具有響應與檢出功能，并能將響應轉換成輸出信號的元器件或裝置。

目前，氫敏傳感器主要有電化學氫敏傳感器、半導體氫敏傳感器、光學氫敏傳感器等。其中電化學氫敏傳感器存在受其他氣體和環境影響較大、存在交叉敏感性 (對其他氣體敏感)、壽命較短等缺點，不適合在船舶的密閉艙室內應用，而半導體氫敏傳感器和光學氫敏傳感器比較適合于船舶上的密封空間。

3.2 基于無線信號衰減特性的氫泄漏點定位技術

對于氫泄漏點的定位，較常用的辦法是通過將傳感器的安裝位置和其標識碼(ID)進行人工列表或標圖來實現，這種方法定位較準確，但是測點較多時工作量較大，且更換傳感器時需要同步修改安裝圖或對應表。

在此，引入無線信號衰減特性(RSSI)定位方法，該方法是通過設置多個接收節點，根據每個接收節點收到的信號強度和預先知道的發射信號強度來計算傳播損耗，再利用理論或經驗公式將傳播損耗映射為距離以計算出信號發射點的距離或位置。

目前常采用節點信號衰減對數模型如下式［7］:

式中:PL(d)為距離d的信號衰減功率;PL(d0)為參考距離d0的功率;n為路徑損耗指數，表示路徑損耗隨距離增長的速率。

圖2 測點分布示意圖Fig.2 Diagram of measurement point

定義Xi為2個基站中的參考點，Rt1和Rt2分別為SB1和SB2接收到參考點Xt的信號強度，在2個基站之間設定X1，X2，…XN作為參考點 (見圖2)，R11，R12，R21，R22，…，RN1，RN2分別為 SB1，SB2接收到參考點X1，X2，…XN的信號強度，D為2個基站的間距。根據式(5)則有

由此可得出任一個測點處相對2個基站的信號強度比值

在實際定位時，假設待測點為Xu，根據測得的信號強度Ru1和Ru2可求出

式中:Ru與Rt之間最小的差值Dt所對應的Xu的坐標即為參考點Xt的坐標，從而實現了氫泄漏點的定位。

4 結語

本文根據潛艇用燃料電池需要在密閉空間內使用和存儲氫氣的實際情況，在分析氫氣擴散和泄漏特性的基礎上，對氫氣在密閉空間內的泄漏和擴散特性進行數學分析和計算，指出氫氣在密閉空間內使用具有快速泄漏并在短時間內達到危險濃度的特點，提出了安全性對策及一種基于無線信號衰減特(RSSI)的氫泄漏點經驗定位算法。

［1］秦國軍，胡蔦慶，袁杰紅.氫泄漏檢測技術［M］.北京:國防工業出版社，2011.QIN Guo-jun，HU Niao-qing，YUAN Jie-hong.Technique of hydrogen leakage's check［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2011.

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［3］顧安忠，魯雪生.液化天然氣技術手冊［M］.北京:機械工業出版社，2010.GU An-zhong，LU Xue-sheng.Technical handbook of LNG［M］.Beijing:China Machine Press，2011.

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［7］王福豹，史龍，任豐原.無線傳感器網絡中的自身定位系統和算法［J］.軟件學報，2005，16(5):857 －868.WANG Fu-bao，SHI Long，REN Feng-yuan.Self-localization systems and algorithms for wireless sensor networks［J］.Joural of Software，2005，16(5):857 －868.

［8］仇恩滄.抗氫鋼材的新發展［J］.石油化工設備技術，1995，16(3):1 －7.QIU En-cang.New development of anti－ hydrogen steel［J］.Petrochemical Equipment Technique，1995，16(3):1－7.

［9］GB4962－2008氫氣使用安全技術規程［S］.GB4962－2008 Technical safety regulation for gaseous hydrogen use［S］.