受限空间燃料电池车辆氢气泄漏与燃爆研究现状*

林俣洁，凌晓东,2，姜 雪,2，慕云涛,2，于安峰

(1. 中石化安全工程研究院有限公司化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266104 2. 中石化国家石化项目风险评估技术中心有限公司，山东青岛 266071)

0 前言

燃料电池车辆(Fuel Cell Vehicles，FCV)是通过电力驱动的，其电力由车载燃料电池装置以高纯度氢气或含氢燃料重整得到的高含氢重整气为燃料产生。燃料电池车辆优点众多，如发动机燃烧效率高、运行平稳无噪声、运行零排放或低排放等，发展燃料电池车辆是实现双碳目标的重要途径。然而，燃料电池车辆装载高压储氢罐，因氢气爆炸极限宽、点火能低、热值高、燃烧速度快及爆炸超压高等特点，一旦发生泄漏极易引发燃爆事故甚至链式灾害[1]。尤其当燃料电池车辆停靠在以隧道和车库为代表的受限空间时，受限空间增加泄漏扩散及燃爆事故复杂性的同时也带来更为严重的安全隐患。国内外针对燃料电池车辆在如隧道和车库等受限空间下的泄漏扩散、射流燃烧、气云爆炸等开展了一系列研究，本文将就现有研究和国内外相关标准展开介绍。

1 燃料电池车辆氢气泄漏及燃爆技术现状

1.1 氢气泄漏扩散

国内外针对封闭空间内氢气泄漏扩散开展了大量研究。Worster等[2]从受限空间大小和气体射流状态出发，提出Filling box和Fading up box 2种扩散模式。Filling box适用于较小的封闭空间的浓度累积。此时卷吸极大地影响射流，氢气在封闭空间形成可燃层后向下扩散，达到爆炸极限较快。而如图1所示，Fading up box扩散模型的射流到达空间顶部后沿顶端壁面扩散，上下层气体存在浓度差。根据流体动力学原理，泄漏的氢气在浮力作用下会向天花板聚集，而对受限空间(如停车场)而言，氢气可能与墙壁形成撞击射流，令氢气贴着墙壁垂直上升[3]。

图1 Fading up box扩散模式示意[2]

进一步考虑通风条件，Prasad[4]发现强制通风能够减小封闭空间氢气浓度，减小燃爆风险从而达到显著的风险管控效果。Pitts等[5]在小型车库开展试验，研究显示氢气在车辆底部泄漏时易积聚，从而造成更严重的后果。Choi等[6]模拟了通风条件下车库中氢气的扩散过程。Hussein等[7]模拟了通风条件下地下车库中的燃料电池车泄漏角度对氢气积聚的影响，当泄漏角度为垂直向下时可燃气体区域会包围车身，而泄漏角度与地面呈一定角度时则可燃气体区域会远离车身方便人员逃生，即泄漏角度对事故后果影响明显。Lowesmith[8]提出了考虑通风条件的氢气在天花板附近积聚的模型。

郑津洋等[9]针对高压氢在车辆内泄漏扩散的特点，研究了不同泄漏位置和环境因素下，障碍物对氢气泄漏扩散和分布的影响。赵明斌等[10]使用实验和模拟相结合的手段，通过缩尺寸实验研究理顺了轻质气体在半封闭空间的扩散过程，气体首先从泄漏处向上扩散至顶壁，再沿着壁面向四周发展。随后，气体在顶部附近逐渐囤积，浓度稳步上升。当泄漏停止后模型中的浓度很快下降至初始浓度。并进一步使用机器学习算法定位了地下车库泄漏车辆，验证了使用FLACS对燃料电池车辆在车库中的虚喷管参数计算、高压射流模拟以及爆炸过程模拟的准确性。

需要说明的是，出于实验安全性考虑，实际研究中进行泄漏扩散实验时常使用氦气替代氢气。氦气物理性质与氢气相近且不易燃爆，经过实验验证两种气体扩散结果差异不大，因此目前学术界普遍使用氦气替代氢气开展扩散实验[10]。

1.2 氢气射流燃烧

国内外研究人员对高压容器、加氢站等氢气射流燃烧开展了微观与宏观尺度的大量实验与模拟研究[11,12]。针对隧道内燃料电池车辆安全，国内外研究人员与机构就氢气泄漏、火灾、爆燃、爆轰等开展了实验和模拟。2017年美国桑迪亚国家实验室发布的报告《Hydrogen Fuel Cell Electric Vehicle Tunnel Safety Study》[13]总结了氢燃料电池车辆在隧道内的安全要求、风险分析方法和模拟方法等。其中使用事件序列图(ESD)开展风险评估，研究对象包括氢燃料电池车辆在隧道内意外事故、火灾事故、氢气泄漏、压力容器泄压、氢气引燃、立即引燃与延迟引燃的区别等；模拟内容包括氢气射流燃烧时的流体动力学模拟方法、结构传热、有无通风时的隧道传热情况等。该报告指出，氢燃料不会产生除车辆碰撞危险外的额外危险。桑迪亚国家实验室的另一篇报告《Hydrogen Fuel Cell Vehicles in Tunnels》介绍了氢燃料电池车辆的风险隐患，并总结了隧道内氢燃料电池车辆的实验研究、模拟研究以及风险分析手段。其中实验研究包括高压氢气泄漏实时点燃、大尺度氢气爆燃爆轰、隧道中氢燃料电池车辆氢气泄漏、HyTunnel研究计划、隧道顶棚受限空间氢气爆燃爆轰、全尺度隧道内燃料电池车辆火灾实验、拥挤空间混合气体点燃后蒸气云爆炸；其中模拟研究场景包括氢燃料电池车辆安全问题、隧道内氢燃料电池爆炸风险、隧道内氢爆燃CFD模拟、隧道内氢燃料电池车辆泄漏、海底隧道氢泄漏和燃烧、隧道氢喷射火，和汽车应用中气体泄漏、扩散与燃烧；其中风险分析包括隧道内氢燃料电池车辆风险分析、隧道内氢燃料电池汽车爆炸风险分析、隧道内替代燃料车的火灾和爆炸风险。上述2个报告较为系统地为隧道内燃料电池车辆研究提供了指导。

除此之外，Tamura[15]选取停车场氢燃料电池车辆与传统燃油车辆混停、轮船运输氢燃料电池车辆两种受限空间场景，研究了火灾蔓延传播及对周边的影响。孙金华、段强领、王昌建等国内学者[16-18]研究了受限空间内，不同尺寸管道内氢/空气混合物的燃爆特性，并模拟了高压氢气泄漏在不同场景下的演化行为。赵明斌等[10]根据前人文献数据，使用CFD软件FLACS基于虚喷管假设模拟了高压射流、喷射火与爆炸。建立了车库的几何模型，模拟了不同泄漏方向的内部与外部的泄漏演化情况，研究发现当泄漏方向为竖直向下时，氢气将在车底积聚进而引发爆炸。相反，当泄漏方向竖直向上时，只会形成稳定的射流火焰而不会引发爆炸。此外，当在燃料电池车内部发生爆炸时，事故影响区域仅在车厢内和车周边较近的区域。

1.3 氢气气云爆炸

除了上述燃爆方面的研究外，Houf WG[19]等结合仓库这一受限空间下氢燃料叉车的实验数据与数值模拟结果，提出自然通风和安装泄压板两个降低氢气爆炸超压的措施。为了量化氢气气云爆炸，前人使用不同的特征参数描述受限空间的超压特征。Hirano[20]忽略点火源位置和超压产生机理，结合实验数据分析得出了受限空间可燃气体爆炸最大压力计算模型。进一步，Molkov和Bragin[21]整理现有研究成果，修正现有公式得到了低强度的氢泄爆最大压力计算公式。然而上述模型会高估较大的受限空间内的氢泄爆压力。Bauwens和Chao等[22,23]开展受限空间可燃气体爆炸实验，认为瞬时压力峰值从外部二次爆炸产生的压力峰值、火焰前锋接近壁面的压力峰值和障碍物阻碍火焰传播的压力峰值中产生。针对氢气，Bauwens等[24]开展大量实验，基于氢/空气混合气体的Lewis数修正了受限空间爆炸冲击的计算公式。但该模型需要的参数多，且只适用于贫燃料阶段，因此应用存在局限性。此外，前人使用TNT炸药当量表征受限空间下氢气爆炸。在明确受限空间尺寸、爆炸位置和TNT炸药当量后，可以计算爆炸压力持续时间和最大爆炸压力。然而该方法是一种简化的计算方法，不能体现氢气浓度的差异，且会高估受限空间内的气云爆炸压力。另外，陈晔等[25]总结了上述方法对受限空间氢气爆炸的适用性并开展了FLACS模拟，对计算受限空间内氢气爆炸压力提出针对性建议。

2 受限空间燃料电池车辆相关标准规范

在对受限空间燃料电池车辆氢气泄漏的扩散、射流燃烧和气云爆炸等典型事故进行广泛研究的基础上，国内外机构总结现有工程应用经验，结合相关机理研究，提出了一系列燃料电池车辆相关标准与技术规范。美国National Fire Protection Association Standard 502 (NFPA 502)《Standard for Road Tunnels, Bridges, and Other Limited Access Highways》给出了隧道、桥梁和其他限制通行公路的建筑要求、防火要求、防火措施等。美国桑迪亚国家实验室等机构以此为依据开展了隧道内燃料电池车辆的研究。中国汽车工业协会和中国汽车动力电池产业创新联盟燃料电池分会提出《氢燃料电池汽车安全指南(2019版)》，从燃料电池汽车整车通用安全、车载氢系统安全、燃料电池堆及系统安全、燃料电池汽车操作、维护及基础设施安全4个专题提出了安全建议，给出氢气泄漏应急处理措施及氢气释放的相关要求。GB/T 24549—2020《燃料电池电动汽车 安全要求》给出氢气泄漏时车内、车外在开放与封闭空间内的氢气浓度标准，并给出密封空间内氢气泄漏试验程序。GB/T 26990—2011《燃料电池电动汽车 车载氢系统 技术条件》给出了氢气泄漏警告阈值及氢气排放的原则。另外，GTR#13(Global Technical Regulation No. 13)中凝练地总结、评估了氢气燃料电池车辆的安全隐患，列出了欧盟、日本、加拿大、韩国、中国、ISO、SAE、CSA、ECE等的燃料电池车辆相关标准，相关标准内容涵盖广，涉及完整性、安全管理、测试手段、氢气要求和氢气燃料电池车辆的特殊安全问题(如氢的性质、高压储氢、低温、高压电)等方面，为燃料电池车辆的生产制造、安全运行提供了重要参考。

3 受限空间燃料电池车辆安全措施研究现状

目前，在燃料电池车辆安全方面的研究大多聚焦在开放空间，提出了加强车载储氢装置安全监测与传感器布局优化、加强氢气泄漏预警、加强驾驶人员安全培训等安全措施[26]，而针对受限空间燃料电池车辆安全的研究比较有限。近年来，国内外专家学者开展了受限空间燃料电池车辆的安全机理研究，提出了该方面标准与安全指南。本文从中总结受限空间内燃料电池车辆的安全措施，将其归纳为防止氢气积聚(减小气体浓度)与防静电(规避点火源)两方面，具体包括以下内容：

a) 燃料电池车辆如需停放在室内场地，需要满足整车密封空间测试要求，并对室内停车场而言，最高处应布置氢气泄漏探测系统和联动排气装置，以防止车库内氢气积聚。

b) 停车场地应保证通风良好、车道畅通，并远离加油站、加气站、热源、潮湿、可燃设施及可燃物质堆放区域、有腐蚀气体以及灰尘较大处。并应避免车辆或移动物体对车辆造成撞击或挤压。

c) 车库使用灯具、排风机电机以及氢检测传感器均使用防爆型。

d) 车库内严禁使用电源插座、接触器、继电器以及机械开关等可以引起电弧的用电装置，严禁进行电焊、砂轮磨削等可以引起火花、电弧的操作。

e) 存放期间车辆加氢口必须盖上盖帽，防止雨水及灰尘侵入，确保加氢口舱门处于锁闭状态。

f) 专用停车场应排水、通风良好。建议车辆操作人员进入地下停车场或其他相对封闭的通用性场所前关闭燃料电池系统，以纯电模式进入，离开后再打开燃料系统的混动模式。