潜用燃料电池氢泄漏分析及检测技术

张 伟，刘义军，张 涛

(1.中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064;2.中国人民解放军63878部队，陕西 渭南 714000)

0 引言

不依赖空气推进系统(AIP)是指潜艇在水下不依赖外界的空气也能提供推进动力和其他动力的能源系统。常规潜艇的AIP系统主要利用自身携带的氧气(通常为液氧)，为热机或电化学发电装置提供燃烧条件，完成能量转换，提供水下航行所需的推进动力。国内外多年的探索和实践证明，AIP系统能行之有效地提高常规潜艇的作战范围、潜航时间和隐蔽性，引领着新一代常规潜艇的发展方向。

国外常规潜艇的AIP系统主要分为热机系统和电化学系统两类。其中热机系统主要包括闭式循环柴油机 (CCD/AIP)、斯特林发动机 (SE/AIP)、闭式循环汽轮机 (MESMA/AIP);电化学系统主要是燃料电池AIP系统 (FC/AIP)。目前国外技术较为成熟、已进入实用阶段，且能够大幅提高常规潜艇水下作战能力的AIP系统主要是燃料电池AIP(FC/AIP)系统和斯特林发动机AIP(SE/AIP)系统。但与SE/AIP相比，FC/AIP系统的优势更明显，发展潜力更大。常规潜艇采用燃料电池AIP系统后，向海水辐射的热能及红外特征变小，系统基本不向艇外排放废物，尾流特征极小，声特征远低于常规柴电动力或热气机动力，能安静运行，具有优异的“隐身”作战能力。鉴于此，燃料电池AIP潜艇将成为继传统的柴油机潜艇之后的新型常规潜艇。

由于燃料电池系统使用氢作为燃料，而氢是穿透性极强的气体，特别容易泄漏。在生产、储存、运输、使用全过程中，泄漏可达10% ～20%［9］。此外，由于氢/空气混合物燃烧体积比范围大，着火能量低，容易爆炸等，故而在常规潜艇密闭狭小空间内装备燃料电池，必须对氢的泄漏进行分析和在线监测。

图1 潜用燃料电池系统组成［6］Fig.1 Composition of submarine fuel cell AIP

1 氢的安全性特性分析和对策

1.1 安全特性分析

1)氢的泄漏性和扩散性

氢气的分子量为2，具有极强的扩散性，比液体燃料和其他燃料更容易从小孔中泄露。表1列出了氢气和丙烷、天然气 (主要成分为甲烷)的泄漏和扩散特性。

表1 氢气和丙烷、天然气的泄漏率对比Tab.1 Leakage probability contrast of H2，C3H8，CH4

从表1可以看出，在层流情况下，氢气的泄漏率比天然气高26%，但低于丙烷。而在湍流情况下，氢气的泄漏率远远高于甲烷和丙烷。目前燃料电池系统的工作压力都较高，如高压气罐储氢时压力在30 MPa左右，金属储氢容器的压力也在6 MPa以上。如果储氢容器发生泄漏，必然是湍流形式，其泄漏速率将非常惊人，短时间就会造成潜艇舱内氢浓度急剧升高。

在扩散性方面，氢气更远远高于甲烷和丙烷。同等条件下，氢气的密度仅为空气7%，与甲烷和丙烷比具有更大的浮力和扩散性。在开放空间内，氢气的快速扩散性对安全性有利，但在潜艇舱内的密闭空间，扩散性好会导致整个舱室的浓度达到着火点，在有火源情况下易发生火灾和爆炸事故。

2)氢对金属性能的破坏

储氢容器和管路长期处于高压氢气环境下，会因氢脆现象导致结构材料的性能破坏而发生滞后断裂。目前氢气导致金属性能破坏主要有氢脆、氢腐蚀、形成氢化物、白点、氢泡、显微穿孔等。

氢对金属性能的破坏机理［2］，主要是氢以分子形式先进入金属表面 (物理吸附)，再以原子形式进入外表面 (化学吸附)，然后迁移至内表面 (溶解过程)，最后氢原子或氢离子溶解在金属的晶格间隙或晶界 (扩散过程)。

针对氢对金属性能的破坏，国内开发了一系列抗氢钢材，如21/4Cr－1Mo钢，用以制造储氢管路［8］。此外，还出现了采用复合材料制造的高压储氢容器［5］。

3)氢的可燃性

在空气中，氢的燃烧范围较宽，同时着火能较低。表2列出了氢气和丙烷、天然气 (主要成分为甲烷)、汽油气的燃烧特性。

表2 氢气和丙烷、天然气、汽油气的燃烧性能对比Tab.2 Combustion features contrast of H2，C3H8，CH4，gasoline gaseous

与丙烷、天然气、汽油气等可燃性气体相比，氢气的燃烧范围在4% ～75%，具有最宽的燃烧范围，同时其着火能最低。

4)氢在密闭空间的爆炸性

如果在开放空间，由于氢的迅速扩散特性，氢气即使发生燃烧，也由于燃烧速度较低而不会发生爆炸。但在潜艇舱内的密闭空间内，燃烧速度将会快速增加，继而发生爆炸。

表3列出了氢气和丙烷、天然气 (主要成分为甲烷)、汽油气的爆炸特性。

表3 氢气和丙烷、天然气、汽油气的爆炸性能对比Tab.3 Explosion features contrast of H2，C3H8，CH4，gasoline gaseous

从表3可知，氢气的燃烧速度是天然气和汽油气的7倍，所需的爆炸能量也最低。氢气的爆炸特性可概括为:氢气最不易形成可爆炸气雾，但一旦达到爆炸下限，却最容易发生爆燃和爆炸。

1.2 安全对策

由于氢气泄漏后具有较强的扩散性，在密闭空间内其着火范围较宽，爆炸需要的能力较低等危险特性，预防氢泄漏引起燃烧和爆炸的最优安全对策是对密闭空间内的氢气泄露和扩散特性进行研究，并在氢气浓度达到危险下限前进行准确监测和报警［1］。这牵涉到氢泄漏扩散分析方法和氢泄漏在线监测系统。

2 密闭空间氢泄漏扩散分析方法

针对气体的泄漏和扩散特性研究，国外开展了大量的研究工作，提出了许多泄漏和扩散模型，目前得到大规模应用的模型主要有高斯模型、箱板模型及三维CFD计算模型［3］。其中高斯模型主要适用于轻气体或与空气密度相当的气体的扩散;箱板模型适用于密度比空气大的气体泄漏扩散分析，如高密度燃气或气溶胶的泄漏事故;三维有限元计算模型模型适用于连续源泄漏及有限时间的泄漏，以及密度较大的气体在复杂地形条件下的泄漏。

上述气体泄漏和扩散模型主要适用于在开阔空间，考虑气象条件和地形条件下的泄漏扩散。而对于密闭空间下的氢泄漏扩散分析，可采用工程热力学的气体流动理论，将氢气管路的泄漏点附近的气体流动简化为为工程热力学中的喷管计算［4］。

2.1 泄漏量计算

对高压氢气通过裂缝或漏孔向外泄漏，因为流速较高，时间较短，可视为绝热过程，应用喷管理论，其质量流量Q计算公式如下:

式中:r为泄漏孔径;Cd为泄漏系数，通常取1［5］;k为绝热系数，氢气为1.4;p1为输氢管道内压力;p2为环境压力;v1为输氢管道内气体比容。

泄漏处的气体实际流速与气体的流动状态有关，即氢管道压力比与临界压力比pcr的比值。

对于氢气来说，其k=1.4，临界压力比pcr=0.528，如果按环境压力100 kPa换算，工作压力200 kPa(0.2 MPa)以上的储氢容器泄漏过程必然为声速。

按储氢容器内部压力p1=6 MPa，泄漏孔径r=2 mm，温度T1=300 K，按式(3)计算，Q=0.0019806 kg/s。

2.2 扩散速率计算

对于氢气在密闭空间内的泄漏和扩散，由于氢气的扩散能力极强，如果在通风设施不开启的情况下，从泄漏口射流出来的氢气在空间内迅速散开，较短时间内将会缩小局部浓度差异，除了泄漏口轴线周围的射流情况外，密闭空间各处氢气浓度差异不大。

密闭空间内氢气扩散达到可燃浓度下限的时间t计算公式如下:

式中:r为舱容系数，考虑舱室内设备所占容积导致氢气无法扩散的系数，通常取0.5;V为舱室容积;d为氢气的着火下限，通常取4%;Q为氢气泄漏的体积流量;ρ为氢气的密度，常温下约70kg/m3。

对于一个长10 m，直径6 m的圆柱形舱段，按式(4)并且将氢气泄漏流量按2.1节中的算例取值，达到燃烧下限的时间t=200 s，即在该舱室内，储存压力6 MPa的储氢容器，如发生2 mm的孔径泄漏，则约在200 s左右即可达到燃烧下限。

3 氢泄漏点快速定位技术

根据以上分析可知，氢气泄漏具有高流速和高扩散性的特点，在密闭空间内将快速达到燃烧下限，所以应对氢气泄漏的最有效办法是安装高效的氢浓度在线监测系统，并具备对泄漏点的快速定位能力。而其关键技术是泄漏源的定位技术。

3.1 氢传感器选型

氢敏传感器指对氢气的存在及量值具有响应与检出功能，并能将响应转换成输出信号的元器件或装置。

目前，氢敏传感器主要有电化学氢敏传感器、半导体氢敏传感器、光学氢敏传感器等。其中电化学氢敏传感器存在受其他气体和环境影响较大、存在交叉敏感性 (对其他气体敏感)、寿命较短等缺点，不适合在船舶的密闭舱室内应用，而半导体氢敏传感器和光学氢敏传感器比较适合于船舶上的密封空间。

3.2 基于无线信号衰减特性的氢泄漏点定位技术

对于氢泄漏点的定位，较常用的办法是通过将传感器的安装位置和其标识码(ID)进行人工列表或标图来实现，这种方法定位较准确，但是测点较多时工作量较大，且更换传感器时需要同步修改安装图或对应表。

在此，引入无线信号衰减特性(RSSI)定位方法，该方法是通过设置多个接收节点，根据每个接收节点收到的信号强度和预先知道的发射信号强度来计算传播损耗，再利用理论或经验公式将传播损耗映射为距离以计算出信号发射点的距离或位置。

目前常采用节点信号衰减对数模型如下式［7］:

式中:PL(d)为距离d的信号衰减功率;PL(d0)为参考距离d0的功率;n为路径损耗指数，表示路径损耗随距离增长的速率。

图2 测点分布示意图Fig.2 Diagram of measurement point

定义Xi为2个基站中的参考点，Rt1和Rt2分别为SB1和SB2接收到参考点Xt的信号强度，在2个基站之间设定X1，X2，…XN作为参考点 (见图2)，R11，R12，R21，R22，…，RN1，RN2分别为 SB1，SB2接收到参考点X1，X2，…XN的信号强度，D为2个基站的间距。根据式(5)则有

由此可得出任一个测点处相对2个基站的信号强度比值

在实际定位时，假设待测点为Xu，根据测得的信号强度Ru1和Ru2可求出

式中:Ru与Rt之间最小的差值Dt所对应的Xu的坐标即为参考点Xt的坐标，从而实现了氢泄漏点的定位。

4 结语

本文根据潜艇用燃料电池需要在密闭空间内使用和存储氢气的实际情况，在分析氢气扩散和泄漏特性的基础上，对氢气在密闭空间内的泄漏和扩散特性进行数学分析和计算，指出氢气在密闭空间内使用具有快速泄漏并在短时间内达到危险浓度的特点，提出了安全性对策及一种基于无线信号衰减特(RSSI)的氢泄漏点经验定位算法。

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［6］KRUMMRICH S.Fuel cell AIP-today and tomorrow［J］.Naval forces issue 2011－SUBCON2011，2011，32:117－119.

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［9］GB4962－2008氢气使用安全技术规程［S］.GB4962－2008 Technical safety regulation for gaseous hydrogen use［S］.