受限空间内燃料电池汽车氢泄漏安全保障研究

欧阳云瀚 裴冯来 李海洋

(上海机动车检测认证技术研究中心有限公司，上海 201805)

0 前言

燃料电池汽车因其零污染排放、续航里程长、燃料加注时间短等优点受到广泛的关注。目前，燃料电池汽车的发展主要受到成本与使用寿命等因素的限制[1]。对于燃料电池汽车总体成本较高的问题，随着质子交换膜燃料电池(PEMFC)在制备过程中铂金搭载量不断降低，燃料电池汽车的成本问题正在得到控制。随着燃料电池堆设计制造技术水平的提高和PEMFC的运行控制策略的优化，PEMFC的使用寿命得到了大幅改善，燃料电池堆的使用寿命也得到了大幅提升[2]。

除了成本与使用寿命问题，氢安全问题也是限制燃料电池汽车发展的重要因素之一。由于氢气本身具有易燃、易爆、易扩散的特性，极易在制氢、存储、运输、加氢等过程中发生燃烧、爆炸，产生超高压破坏建筑，造成人员窒息等安全事故[3-4]。因此，保障氢安全问题是燃料电池汽车大规模普及和推广运营的基础。目前，关于氢安全问题的科研主要集中在氢气的扩散与泄漏特性、燃烧与爆炸、产生超高压现象的分析等[5]。这些研究多以某一固定场景为前提，展开试验或模拟仿真，对氢气的某一具体特性展开深入的建模分析。但是，针对实际应用场景(包括车辆自身、停放环境、人机配置等)的氢泄漏安全保障综合分析却未有涉及。

本文基于国内外相关法规、技术标准与文献研究，对受限空间内的燃料电池汽车氢泄漏安全保障问题进行系统梳理，为保障燃料电池汽车在受限空间内停放的氢泄漏安全问题提供一定的指导建议。

1 技术标准与研究现状

1.1 相关技术标准

目前，涉及氢泄漏的相关法规标准较多，由于本文着重考虑停放在受限空间内的燃料电池汽车氢泄漏安全问题，故只对相关性较高的氢泄漏法规标准进行梳理与解读。在《示范运行氢燃料电池电动汽车技术规范》(GB/T 29123—2012)与《氢燃料电池电动汽车示范运行配套设施规范》(GB/T 29124—2012)中，存在燃料电池汽车停放要求的规定。燃料电池汽车的停放要求被划分为长期停放与日常停放2种：①对长期停放的车辆，规定要求将储氢瓶压力释放至最低值，并定期检查；②对日常停放的车辆，规定要求将车辆放在专门设计的停车场或指定地点，并须保证氢燃料系统无故障、无泄漏[6-7]。上述规定使得目前的燃料电池汽车还无法进入常规的室内停车场。氢燃料系统的“无泄漏”要求可以理解为氢气的泄漏程度非常小，但实际上氢燃料系统无法做到真正的“无泄漏”。目前，该规定并未给出具体数值。针对氢泄漏数值要求的问题，《燃料电池电动汽车密闭空间内氢泄漏及氢排放试验方法和安全要求》(T/CSAE 123—2019)规定：燃料电池汽车在无机械通风的密闭空间(每小时空气体积交换率不大于0.03)内停放8 h，车辆周围的氢泄漏体积百分比最大不得超过1%；在有机械通风的密闭空间(每小时空气体积交换率不大于6.00)内，在任意时刻燃料电池汽车须满足车辆周围的氢泄露体积百分比不得大于1%[8]。

《氢燃料电池汽车安全指南》(2019版)同样也提出了对燃料电池车辆停放的要求：加满氢气的燃料电池汽车必须停放在露天场地，并且周围环境通风良好[9]。车辆进入室内场地须满足密闭空间的试验要求：在密闭空间的整车试验过程中，必须保证在任意时刻的氢泄漏体积百分比不超过1%。此外，该指南规定，在车辆进出密闭空间时，其运行模式必须为纯电动(电池)模式。若要满足此条件约束，车辆在进入密闭空间时，车载氢燃料系统需要保持关闭状态。但是，以目前的燃料电池汽车发展趋势来看，越来越多的燃料电池汽车以全功率模式运行，即车辆在进出密闭空间时，燃料电池发动机仍处于工作状态，所以不可能只开启纯电动模式进出密闭空间。在由联合国世界车辆法规协调论坛(UN/WP.29)负责制订发布的全球统一汽车技术法规《氢和燃料电池车辆全球技术法规》(GTR 13)中，车辆在进出密闭空间时，氢燃料系统允许处于工作状态[10]。考虑到车辆氢燃料系统在运行时，氢气排放量远大于氢燃料系统正常的泄漏量，此规定对车辆在运行过程中的氢气排放量作出限制：车辆在进出密闭空间时，应保证在任意连续3 s内的平均氢气排放体积百分比不超过4%，任意1 s内的氢气排放体积百分比不超过8%。相关氢泄漏安全要求的标准汇总如表1所示。

表1 燃料电池汽车氢泄漏安全要求

1.2 研究现状

关于氢泄漏的研究，目前国内外研究主要分为2个方向：①研究氢气的泄漏特性，包括高压氢气泄漏的浓度衰退特性研究[11]、氢气的扩散与分布状态研究[12]、在不同压力与泄漏孔径下的氢泄漏浓度分布与可燃概率经验公式研究[13]、在密闭空间内发生氢泄漏不能及时排出造成压力峰值现象研究[14]等。此类研究更偏重于分析氢气在不同条件状态下的泄漏特性。②研究环境场景设置对氢泄漏的影响，分析不同的场景布置与氢泄漏风险大小的关系。

具有代表性的研究是李云浩等[15]的研究：长方体车库内发生氢泄漏时的氢浓度分布；可燃性区域内氢气体积分数与车库结构(横梁及其间距)、自然通风、通风口面积的关系。该研究试验结果表明：在无通风状态下，横梁的存在会明显增加车库内的可燃性区域，不利于氢气的扩散；在自然通风状态下，车库内的可燃区域明显降低，证明了通风口的存在对氢气的扩散非常重要。但是，上述研究并未给出通风口应如何设置的建议。

HAJJI Y等[16]研究了棱柱型住宅车库的屋顶顶角对氢气浓度梯度和分层的影响。表2比对了屋顶顶角从180°变化到90°时的氢气摩尔分数变化情况。最终的试验结果表明，氢气的摩尔分数分布明显受到车库顶角的影响。如图1所示，氢气的分布可以划分为3层：第1层为通风非常强烈的上部区域，表征车库上部区域的氢分层；第2层中间层为通风不太强烈的区域，其厚度较小；第3层为靠近地面的具有较低通风强度的分层。在不同地面高度下的氢气摩尔分数数值如表2所示。当屋顶顶角为120°时，棱柱腔中的氢气分层在4个典型角度中表现最弱，这意味着棱柱型住宅车库可以选择120°作为最佳屋顶顶角。

图1 车库内不同顶角下的氢气分布云图

表2 车库内不同地面高度和屋顶顶角下的氢气分布

在后续的研究中，HAJJI Y等[17]继续研究了通风状态与降低氢泄漏风险的关系。除了验证通风口设置高度较高时有助于氢气的扩散排出之外，还对通风口的位置、形式、大小和数量展开了研究。如图2所示，试验结果表明，在相同的位置、相同的通风面积下，不同形状的通风口设置对氢气浓度的分布存在影响。简单的几何形状(矩形或正方形)更适用于排出低气体密度的氢气。研究结果建议：通风口形状设置为方形为最佳，应避免圆形、三角形或其他复杂几何形状。此外，研究结果还表明：当通风口置于车库的顶部，并且相对于射流轴线呈对称结构时，可以达到最佳的通风状态。具体文献研究结论汇总如表3所示。

图2 车库内不同形状通风口的氢气分布曲线

表3 车库内通风状态研究的代表性文献

2 氢泄漏安全保障分析

通过上述国内外相关标准与典型文献的研究，发现国内外技术标准主要对车辆进行约束，相关文献集中于研究氢泄漏后的场景条件对氢气扩散的影响。具体涉及到车辆氢泄漏程度、排放程度的约束，以及场景设置(包含建筑结构与通风条件等)等方面内容。如图3所示，为了更全面地对氢泄漏安全保障问题进行梳理，本文结合实际应用对受限空间内的氢泄漏安全保障问题划分为以下3个方面。

图3 氢泄漏安全保障框架

(1)车辆要求：依据车辆运动状态具体分为2种情况。车辆在受限空间内静止时，主要对车辆的氢泄漏数值进行约束；车辆进出密闭空间过程中，主要以氢排放数值约束为主。

(2)场景设置：场景设置包括通风口设置、车辆停放周围环境条件的设置及建筑结构约束。

(3)泄漏措施设置：为了更为系统地保障氢泄漏安全问题，本研究提出氢泄漏后的措施设置要求，分为人员安排和基础设施要求。

2.1 车辆要求

对车辆提出要求主要是为了从源头解决氢泄漏危害，具体约束项包含车辆静止停放状态下的氢泄漏数值与车辆运行状态下的氢排放数值。

在氢泄漏数值要求方面，现有国家标准要求的氢体积分数最大阈值为1%[8,10]。考虑到在实际应用过程中氢气探测器布置、氢气分布不均匀所造成的测量误差等问题，同时结合《石油化工可燃和有毒气体检测报警设计标准》(GB/T 50493—2019)，建议车辆在静止时的氢泄漏数值应控制在氢气可燃极限的下限(即4%)25%以内，即最大允许值为1%。具体数值可根据实际情况灵活调整。该范围设置要求既不违背现有相关标准，同时又结合实际应用特点，形成较为科学的约束条件。

目前，在氢排放数值方面还没有明确的国家标准进行约束。本研究建议燃料电池汽车首先应完善车辆自身的探测系统，实时监测车辆周围氢浓度分布状态。根据探测系统监测到的不同氢体积分数，设置不同的预警级别，并设置相应的整车控制策略，在必要时切断气体供应，发出警报以保障车辆的运行安全。本研究在氢排放数值方面暂不作明确约束。在车辆进出密闭空间时，本研究建议参考《氢和燃料电池车辆全球技术法规》(GTR 13)，对氢排放数值进行约束。

2.2 场景设置

对停放场景的设置要求包括通风口设置、环境条件设置及建筑结构的约束。考虑到燃料电池汽车进入市场较晚，现有的很多车辆停放场所仅适用于停放燃油车与纯电动车，主要建筑结构、环境特点已无法作出较大的改变，因此，本研究建议此类停车场所应尽可能选取拥有较好通风条件的位置，划分为专门用于停放燃料电池汽车的区域。

对具备较大改造能力或可以重新规划的停车场所，本研究建议设置专门的燃料电池汽车停放区域。区域内应拥有较好的通风条件，并且通风口位置尽量设置在高处，通风口形状的设置应避免复杂化，多个通风口的设置应具有对称性。在环境设置方面，车辆停放区域须避免较大的太阳辐射与较高的环境温度，停放通道应保持通畅，周围远离危险源。在建筑结构方面，建筑屋顶须保证平整，避免横梁等障碍物或建筑死角的存在，以确保氢气意外泄漏时不易聚集。同时，还应在车辆上方区域按间隔要求布置氢气探测器，并确保仪器的监测能力可以覆盖整个燃料电池汽车的停放区域。

2.3 氢泄漏应对措施

燃料电池汽车停放区域必须具备相应的应急设施，并配备相应的应急处理人员，在发生氢泄漏后必须保证能够在第一时间内发现并及时处理。氢泄漏应对措施的要求主要分为“人”与“机”2个方面，“人”主要是指人员的要求，包括处理氢泄漏措施的人员安排，“机”主要指必备的基础设施要求。

(1)人员安排。人员安排的具体措施须根据氢气的泄漏程度进行分级处理。当氢气泄漏轻微扩散但未引起警报时，氢气可通过基础通风口排出。当氢气泄漏引起警报，氢气尚处于扩散状态未发生燃烧时，应急处理人员应及时寻找并切断泄漏源，将停车场所内所有人员疏散至上风口。当应急设备启动后，应急处理人员应负责对氢泄漏区域进行强通风处理。在疏散人群后，应急处理人员可采用对气体加湿稀释的方法，减少爆炸性混合气体的形成。当泄漏区域已经出现气体燃烧时，应急处理人员要及时对周围的可燃物浇注冷却水，以避免火势扩散。由于氢气在燃烧时不易被察觉，应急处理人员应佩戴呼吸器，穿防静电服装进入现场，并防止外露皮肤被火焰烧伤[8]。

(2)基础设施。本研究建议应急设备须配备有氢气泄漏探测系统、联动排气装置、气体加湿设备、防爆工具等。日常存在的部分泄露氢气主要通过通风口排出。当氢气大量泄漏的极端情况发生时，探测系统可以检测到信号，并联动应急设备开启强通风模式。

3 结语

本文对燃料电池汽车在受限空间内的氢泄漏安全保障这一目标展开了研究。在研读现有法规标准与文献研究的基础上，结合实际应用场景建立了氢泄漏安全保障框架。氢泄漏安全保障问题共涉及燃料电池汽车、场景设置及应对氢泄漏措施3个方面的约束。结合本文提出的氢泄漏安全保障框架，给出了如何在受限空间内保障燃料电池汽车氢泄漏的安全建议。

这些建议既符合现有的法规技术标准与文献研究成果，同时结合了实际应用场景，可为未来燃料电池汽车停放于室内停车场时的氢泄漏安全保障问题提供一定的参考。