受限空間內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、續航里程長、燃料加注時間短等優點受到廣泛的關注。目前，燃料電池汽車的發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。隨著燃料電池堆設計制造技術水平的提高和PEMFC的運行控制策略的優化，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、加氫等過程中發生燃燒、爆炸，產生超高壓破壞建筑，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模普及和推廣運營的基礎。目前，關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、產生超高壓現象的分析等[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，針對實際應用場景(包括車輛自身、停放環境、人機配置等)的氫泄漏安全保障綜合分析卻未有涉及。

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

1 技術標準與研究現狀

1.1 相關技術標準

目前，涉及氫泄漏的相關法規標準較多，由于本文著重考慮停放在受限空間內的燃料電池汽車氫泄漏安全問題，故只對相關性較高的氫泄漏法規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規范》(GB/T 29123—2012)與《氫燃料電池電動汽車示范運行配套設施規范》(GB/T 29124—2012)中，存在燃料電池汽車停放要求的規定。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，規定要求將車輛放在專門設計的停車場或指定地點，并須保證氫燃料系統無故障、無泄漏[6-7]。上述規定使得目前的燃料電池汽車還無法進入常規的室內停車場。氫燃料系統的“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無法做到真正的“無泄漏”。目前，該規定并未給出具體數值。針對氫泄漏數值要求的問題，《燃料電池電動汽車密閉空間內氫泄漏及氫排放試驗方法和安全要求》(T/CSAE 123—2019)規定：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，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，并且周圍環境通風良好[9]。車輛進入室內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，車載氫燃料系統需要保持關閉狀態。但是，以目前的燃料電池汽車發展趨勢來看，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，燃料電池發動機仍處于工作狀態，所以不可能只開啟純電動模式進出密閉空間。在由聯合國世界車輛法規協調論壇(UN/WP.29)負責制訂發布的全球統一汽車技術法規《氫和燃料電池車輛全球技術法規》(GTR 13)中，車輛在進出密閉空間時，氫燃料系統允許處于工作狀態[10]?？紤]到車輛氫燃料系統在運行時，氫氣排放量遠大于氫燃料系統正常的泄漏量，此規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，應保證在任意連續3 s內的平均氫氣排放體積百分比不超過4%，任意1 s內的氫氣排放體積百分比不超過8%。相關氫泄漏安全要求的標準匯總如表1所示。

表1 燃料電池汽車氫泄漏安全要求

1.2 研究現狀

關于氫泄漏的研究，目前國內外研究主要分為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驗公式研究[13]、在密閉空間內發生氫泄漏不能及時排出造成壓力峰值現象研究[14]等。此類研究更偏重于分析氫氣在不同條件狀態下的泄漏特性。②研究環境場景設置對氫泄漏的影響，分析不同的場景布置與氫泄漏風險大小的關系。

具有代表性的研究是李云浩等[15]的研究：長方體車庫內發生氫泄漏時的氫濃度分布；可燃性區域內氫氣體積分數與車庫結構(橫梁及其間距)、自然通風、通風口面積的關系。該研究試驗結果表明：在無通風狀態下，橫梁的存在會明顯增加車庫內的可燃性區域，不利于氫氣的擴散；在自然通風狀態下，車庫內的可燃區域明顯降低，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如何設置的建議。

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°時的氫氣摩爾分數變化情況。最終的試驗結果表明，氫氣的摩爾分數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域，表征車庫上部區域的氫分層；第2層中間層為通風不太強烈的區域，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數值如表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 車庫內不同頂角下的氫氣分布云圖

表2 車庫內不同地面高度和屋頂頂角下的氫氣分布

在后續的研究中，HAJJI Y等[17]繼續研究了通風狀態與降低氫泄漏風險的關系。除了驗證通風口設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、大小和數量展開了研究。如圖2所示，試驗結果表明，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。研究結果建議：通風口形狀設置為方形為最佳，應避免圓形、三角形或其他復雜幾何形狀。此外，研究結果還表明：當通風口置于車庫的頂部，并且相對于射流軸線呈對稱結構時，可以達到最佳的通風狀態。具體文獻研究結論匯總如表3所示。

圖2 車庫內不同形狀通風口的氫氣分布曲線

表3 車庫內通風狀態研究的代表性文獻

2 氫泄漏安全保障分析

通過上述國內外相關標準與典型文獻的研究，發現國內外技術標準主要對車輛進行約束，相關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，以及場景設置(包含建筑結構與通風條件等)等方面內容。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，本文結合實際應用對受限空間內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：依據車輛運動狀態具體分為2種情況。車輛在受限空間內靜止時，主要對車輛的氫泄漏數值進行約束；車輛進出密閉空間過程中，主要以氫排放數值約束為主。

(2)場景設置：場景設置包括通風口設置、車輛停放周圍環境條件的設置及建筑結構約束。

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

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下的氫泄漏數值與車輛運行狀態下的氫排放數值。

在氫泄漏數值要求方面，現有國家標準要求的氫體積分數最大閾值為1%[8,10]?？紤]到在實際應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，同時結合《石油化工可燃和有毒氣體檢測報警設計標準》(GB/T 50493—2019)，建議車輛在靜止時的氫泄漏數值應控制在氫氣可燃極限的下限(即4%)25%以內，即最大允許值為1%。具體數值可根據實際情況靈活調整。該范圍設置要求既不違背現有相關標準，同時又結合實際應用特點，形成較為科學的約束條件。

目前，在氫排放數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完善車輛自身的探測系統，實時監測車輛周圍氫濃度分布狀態。根據探測系統監測到的不同氫體積分數，設置不同的預警級別，并設置相應的整車控制策略，在必要時切斷氣體供應，發出警報以保障車輛的運行安全。本研究在氫排放數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法規》(GTR 13)，對氫排放數值進行約束。

2.2 場景設置

對停放場景的設置要求包括通風口設置、環境條件設置及建筑結構的約束?？紤]到燃料電池汽車進入市場較晚，現有的很多車輛停放場所僅適用于停放燃油車與純電動車，主要建筑結構、環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域。

對具備較大改造能力或可以重新規劃的停車場所，本研究建議設置專門的燃料電池汽車停放區域。區域內應擁有較好的通風條件，并且通風口位置盡量設置在高處，通風口形狀的設置應避免復雜化，多個通風口的設置應具有對稱性。在環境設置方面，車輛停放區域須避免較大的太陽輻射與較高的環境溫度，停放通道應保持通暢，周圍遠離危險源。在建筑結構方面，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，還應在車輛上方區域按間隔要求布置氫氣探測器，并確保儀器的監測能力可以覆蓋整個燃料電池汽車的停放區域。

2.3 氫泄漏應對措施

燃料電池汽車停放區域必須具備相應的應急設施，并配備相應的應急處理人員，在發生氫泄漏后必須保證能夠在第一時間內發現并及時處理。氫泄漏應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”主要指必備的基礎設施要求。

(1)人員安排。人員安排的具體措施須根據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，氫氣可通過基礎通風口排出。當氫氣泄漏引起警報，氫氣尚處于擴散狀態未發生燃燒時，應急處理人員應及時尋找并切斷泄漏源，將停車場所內所有人員疏散至上風口。當應急設備啟動后，應急處理人員應負責對氫泄漏區域進行強通風處理。在疏散人群后，應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。當泄漏區域已經出現氣體燃燒時，應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，應急處理人員應佩戴呼吸器，穿防靜電服裝進入現場，并防止外露皮膚被火焰燒傷[8]。

(2)基礎設施。本研究建議應急設備須配備有氫氣泄漏探測系統、聯動排氣裝置、氣體加濕設備、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生時，探測系統可以檢測到信號，并聯動應急設備開啟強通風模式。

3 結語

本文對燃料電池汽車在受限空間內的氫泄漏安全保障這一目標展開了研究。在研讀現有法規標準與文獻研究的基礎上，結合實際應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、場景設置及應對氫泄漏措施3個方面的約束。結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保障燃料電池汽車氫泄漏的安全建議。

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