歐陽(yáng)云瀚 裴馮來(lái) 李海洋

(上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)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(xù)航里程長(zhǎng)、燃料加注時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注。目前，燃料電池汽車的發(fā)展主要受到成本與使用壽命等因素的限制[1]。對(duì)于燃料電池汽車總體成本較高的問(wèn)題，隨著質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)在制備過(guò)程中鉑金搭載量不斷降低，燃料電池汽車的成本問(wèn)題正在得到控制。隨著燃料電池堆設(shè)計(jì)制造技術(shù)水平的提高和PEMFC的運(yùn)行控制策略的優(yōu)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(wèn)題，氫安全問(wèn)題也是限制燃料電池汽車發(fā)展的重要因素之一。由于氫氣本身具有易燃、易爆、易擴(kuò)散的特性，極易在制氫、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、加氫等過(guò)程中發(fā)生燃燒、爆炸，產(chǎn)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(wèn)題是燃料電池汽車大規(guī)模普及和推廣運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)。目前，關(guān)于氫安全問(wèn)題的科研主要集中在氫氣的擴(kuò)散與泄漏特性、燃燒與爆炸、產(chǎn)生超高壓現(xiàn)象的分析等[5]。這些研究多以某一固定場(chǎng)景為前提，展開(kāi)試驗(yàn)或模擬仿真，對(duì)氫氣的某一具體特性展開(kāi)深入的建模分析。但是，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景(包括車輛自身、停放環(huán)境、人機(jī)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(guó)內(nèi)外相關(guān)法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與文獻(xiàn)研究，對(duì)受限空間內(nèi)的燃料電池汽車氫泄漏安全保障問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)梳理，為保障燃料電池汽車在受限空間內(nèi)停放的氫泄漏安全問(wèn)題提供一定的指導(dǎo)建議。

1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與研究現(xiàn)狀

1.1 相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

目前，涉及氫泄漏的相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)較多，由于本文著重考慮停放在受限空間內(nèi)的燃料電池汽車氫泄漏安全問(wèn)題，故只對(duì)相關(guān)性較高的氫泄漏法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行梳理與解讀。在《示范運(yùn)行氫燃料電池電動(dòng)汽車技術(shù)規(guī)范》(GB/T 29123—2012)與《氫燃料電池電動(dòng)汽車示范運(yùn)行配套設(shè)施規(guī)范》(GB/T 29124—2012)中，存在燃料電池汽車停放要求的規(guī)定。燃料電池汽車的停放要求被劃分為長(zhǎng)期停放與日常停放2種：①對(duì)長(zhǎng)期停放的車輛，規(guī)定要求將儲(chǔ)氫瓶壓力釋放至最低值，并定期檢查；②對(duì)日常停放的車輛，規(guī)定要求將車輛放在專門設(shè)計(jì)的停車場(chǎng)或指定地點(diǎn)，并須保證氫燃料系統(tǒng)無(wú)故障、無(wú)泄漏[6-7]。上述規(guī)定使得目前的燃料電池汽車還無(wú)法進(jìn)入常規(guī)的室內(nèi)停車場(chǎng)。氫燃料系統(tǒng)的“無(wú)泄漏”要求可以理解為氫氣的泄漏程度非常小，但實(shí)際上氫燃料系統(tǒng)無(wú)法做到真正的“無(wú)泄漏”。目前，該規(guī)定并未給出具體數(shù)值。針對(duì)氫泄漏數(shù)值要求的問(wèn)題，《燃料電池電動(dòng)汽車密閉空間內(nèi)氫泄漏及氫排放試驗(yàn)方法和安全要求》(T/CSAE 123—2019)規(guī)定：燃料電池汽車在無(wú)機(jī)械通風(fēng)的密閉空間(每小時(shí)空氣體積交換率不大于0.03)內(nèi)停放8 h，車輛周圍的氫泄漏體積百分比最大不得超過(guò)1%；在有機(jī)械通風(fēng)的密閉空間(每小時(shí)空氣體積交換率不大于6.00)內(nèi)，在任意時(shí)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(duì)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(chǎng)地，并且周圍環(huán)境通風(fēng)良好[9]。車輛進(jìn)入室內(nèi)場(chǎng)地須滿足密閉空間的試驗(yàn)要求：在密閉空間的整車試驗(yàn)過(guò)程中，必須保證在任意時(shí)刻的氫泄漏體積百分比不超過(guò)1%。此外，該指南規(guī)定，在車輛進(jìn)出密閉空間時(shí)，其運(yùn)行模式必須為純電動(dòng)(電池)模式。若要滿足此條件約束，車輛在進(jìn)入密閉空間時(shí)，車載氫燃料系統(tǒng)需要保持關(guān)閉狀態(tài)。但是，以目前的燃料電池汽車發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，越來(lái)越多的燃料電池汽車以全功率模式運(yùn)行，即車輛在進(jìn)出密閉空間時(shí)，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)仍處于工作狀態(tài)，所以不可能只開(kāi)啟純電動(dòng)模式進(jìn)出密閉空間。在由聯(lián)合國(guó)世界車輛法規(guī)協(xié)調(diào)論壇(UN/WP.29)負(fù)責(zé)制訂發(fā)布的全球統(tǒng)一汽車技術(shù)法規(guī)《氫和燃料電池車輛全球技術(shù)法規(guī)》(GTR 13)中，車輛在進(jìn)出密閉空間時(shí)，氫燃料系統(tǒng)允許處于工作狀態(tài)[10]?？紤]到車輛氫燃料系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，氫氣排放量遠(yuǎn)大于氫燃料系統(tǒng)正常的泄漏量，此規(guī)定對(duì)車輛在運(yùn)行過(guò)程中的氫氣排放量作出限制：車輛在進(jìn)出密閉空間時(shí)，應(yīng)保證在任意連續(xù)3 s內(nèi)的平均氫氣排放體積百分比不超過(guò)4%，任意1 s內(nèi)的氫氣排放體積百分比不超過(guò)8%。相關(guān)氫泄漏安全要求的標(biāo)準(zhǔn)匯總?cè)绫?所示。

表1 燃料電池汽車氫泄漏安全要求

1.2 研究現(xiàn)狀

關(guān)于氫泄漏的研究，目前國(guó)內(nèi)外研究主要分為2個(gè)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(kuò)散與分布狀態(tài)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(jīng)驗(yàn)公式研究[13]、在密閉空間內(nèi)發(fā)生氫泄漏不能及時(shí)排出造成壓力峰值現(xiàn)象研究[14]等。此類研究更偏重于分析氫氣在不同條件狀態(tài)下的泄漏特性。②研究環(huán)境場(chǎng)景設(shè)置對(duì)氫泄漏的影響，分析不同的場(chǎng)景布置與氫泄漏風(fēng)險(xiǎn)大小的關(guān)系。

具有代表性的研究是李云浩等[15]的研究：長(zhǎng)方體車庫(kù)內(nèi)發(fā)生氫泄漏時(shí)的氫濃度分布；可燃性區(qū)域內(nèi)氫氣體積分?jǐn)?shù)與車庫(kù)結(jié)構(gòu)(橫梁及其間距)、自然通風(fēng)、通風(fēng)口面積的關(guān)系。該研究試驗(yàn)結(jié)果表明：在無(wú)通風(fēng)狀態(tài)下，橫梁的存在會(huì)明顯增加車庫(kù)內(nèi)的可燃性區(qū)域，不利于氫氣的擴(kuò)散；在自然通風(fēng)狀態(tài)下，車庫(kù)內(nèi)的可燃區(qū)域明顯降低，證明了通風(fēng)口的存在對(duì)氫氣的擴(kuò)散非常重要。但是，上述研究并未給出通風(fēng)口應(yīng)如何設(shè)置的建議。

HAJJI Y等[16]研究了棱柱型住宅車庫(kù)的屋頂頂角對(duì)氫氣濃度梯度和分層的影響。表2比對(duì)了屋頂頂角從180°變化到90°時(shí)的氫氣摩爾分?jǐn)?shù)變化情況。最終的試驗(yàn)結(jié)果表明，氫氣的摩爾分?jǐn)?shù)分布明顯受到車庫(kù)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(fēng)非常強(qiáng)烈的上部區(qū)域，表征車庫(kù)上部區(qū)域的氫分層；第2層中間層為通風(fēng)不太強(qiáng)烈的區(qū)域，其厚度較小；第3層為靠近地面的具有較低通風(fēng)強(qiáng)度的分層。在不同地面高度下的氫氣摩爾分?jǐn)?shù)數(shù)值如表2所示。當(dāng)屋頂頂角為120°時(shí)，棱柱腔中的氫氣分層在4個(gè)典型角度中表現(xiàn)最弱，這意味著棱柱型住宅車庫(kù)可以選擇120°作為最佳屋頂頂角。

圖1 車庫(kù)內(nèi)不同頂角下的氫氣分布云圖

表2 車庫(kù)內(nèi)不同地面高度和屋頂頂角下的氫氣分布

在后續(xù)的研究中，HAJJI Y等[17]繼續(xù)研究了通風(fēng)狀態(tài)與降低氫泄漏風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系。除了驗(yàn)證通風(fēng)口設(shè)置高度較高時(shí)有助于氫氣的擴(kuò)散排出之外，還對(duì)通風(fēng)口的位置、形式、大小和數(shù)量展開(kāi)了研究。如圖2所示，試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的位置、相同的通風(fēng)面積下，不同形狀的通風(fēng)口設(shè)置對(duì)氫氣濃度的分布存在影響。簡(jiǎn)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(jié)果建議：通風(fēng)口形狀設(shè)置為方形為最佳，應(yīng)避免圓形、三角形或其他復(fù)雜幾何形狀。此外，研究結(jié)果還表明：當(dāng)通風(fēng)口置于車庫(kù)的頂部，并且相對(duì)于射流軸線呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)時(shí)，可以達(dá)到最佳的通風(fēng)狀態(tài)。具體文獻(xiàn)研究結(jié)論匯總?cè)绫?所示。

圖2 車庫(kù)內(nèi)不同形狀通風(fēng)口的氫氣分布曲線

表3 車庫(kù)內(nèi)通風(fēng)狀態(tài)研究的代表性文獻(xiàn)

2 氫泄漏安全保障分析

通過(guò)上述國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與典型文獻(xiàn)的研究，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要對(duì)車輛進(jìn)行約束，相關(guān)文獻(xiàn)集中于研究氫泄漏后的場(chǎng)景條件對(duì)氫氣擴(kuò)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(chǎng)景設(shè)置(包含建筑結(jié)構(gòu)與通風(fēng)條件等)等方面內(nèi)容。如圖3所示，為了更全面地對(duì)氫泄漏安全保障問(wèn)題進(jìn)行梳理，本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用對(duì)受限空間內(nèi)的氫泄漏安全保障問(wèn)題劃分為以下3個(gè)方面。

圖3 氫泄漏安全保障框架

(1)車輛要求：依據(jù)車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具體分為2種情況。車輛在受限空間內(nèi)靜止時(shí)，主要對(duì)車輛的氫泄漏數(shù)值進(jìn)行約束；車輛進(jìn)出密閉空間過(guò)程中，主要以氫排放數(shù)值約束為主。

(2)場(chǎng)景設(shè)置：場(chǎng)景設(shè)置包括通風(fēng)口設(shè)置、車輛停放周圍環(huán)境條件的設(shè)置及建筑結(jié)構(gòu)約束。

(3)泄漏措施設(shè)置：為了更為系統(tǒng)地保障氫泄漏安全問(wèn)題，本研究提出氫泄漏后的措施設(shè)置要求，分為人員安排和基礎(chǔ)設(shè)施要求。

2.1 車輛要求

對(duì)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(xiàng)包含車輛靜止停放狀態(tài)下的氫泄漏數(shù)值與車輛運(yùn)行狀態(tài)下的氫排放數(shù)值。

在氫泄漏數(shù)值要求方面，現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的氫體積分?jǐn)?shù)最大閾值為1%[8,10]?？紤]到在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中氫氣探測(cè)器布置、氫氣分布不均勻所造成的測(cè)量誤差等問(wèn)題，同時(shí)結(jié)合《石油化工可燃和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50493—2019)，建議車輛在靜止時(shí)的氫泄漏數(shù)值應(yīng)控制在氫氣可燃極限的下限(即4%)25%以內(nèi)，即最大允許值為1%。具體數(shù)值可根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整。該范圍設(shè)置要求既不違背現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)又結(jié)合實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)，形成較為科學(xué)的約束條件。

目前，在氫排放數(shù)值方面還沒(méi)有明確的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行約束。本研究建議燃料電池汽車首先應(yīng)完善車輛自身的探測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛周圍氫濃度分布狀態(tài)。根據(jù)探測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的不同氫體積分?jǐn)?shù)，設(shè)置不同的預(yù)警級(jí)別，并設(shè)置相應(yīng)的整車控制策略，在必要時(shí)切斷氣體供應(yīng)，發(fā)出警報(bào)以保障車輛的運(yùn)行安全。本研究在氫排放數(shù)值方面暫不作明確約束。在車輛進(jìn)出密閉空間時(shí)，本研究建議參考《氫和燃料電池車輛全球技術(shù)法規(guī)》(GTR 13)，對(duì)氫排放數(shù)值進(jìn)行約束。

2.2 場(chǎng)景設(shè)置

對(duì)停放場(chǎng)景的設(shè)置要求包括通風(fēng)口設(shè)置、環(huán)境條件設(shè)置及建筑結(jié)構(gòu)的約束?？紤]到燃料電池汽車進(jìn)入市場(chǎng)較晚，現(xiàn)有的很多車輛停放場(chǎng)所僅適用于停放燃油車與純電動(dòng)車，主要建筑結(jié)構(gòu)、環(huán)境特點(diǎn)已無(wú)法作出較大的改變，因此，本研究建議此類停車場(chǎng)所應(yīng)盡可能選取擁有較好通風(fēng)條件的位置，劃分為專門用于停放燃料電池汽車的區(qū)域。

對(duì)具備較大改造能力或可以重新規(guī)劃的停車場(chǎng)所，本研究建議設(shè)置專門的燃料電池汽車停放區(qū)域。區(qū)域內(nèi)應(yīng)擁有較好的通風(fēng)條件，并且通風(fēng)口位置盡量設(shè)置在高處，通風(fēng)口形狀的設(shè)置應(yīng)避免復(fù)雜化，多個(gè)通風(fēng)口的設(shè)置應(yīng)具有對(duì)稱性。在環(huán)境設(shè)置方面，車輛停放區(qū)域須避免較大的太陽(yáng)輻射與較高的環(huán)境溫度，停放通道應(yīng)保持通暢，周圍遠(yuǎn)離危險(xiǎn)源。在建筑結(jié)構(gòu)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(shí)不易聚集。同時(shí)，還應(yīng)在車輛上方區(qū)域按間隔要求布置氫氣探測(cè)器，并確保儀器的監(jiān)測(cè)能力可以覆蓋整個(gè)燃料電池汽車的停放區(qū)域。

2.3 氫泄漏應(yīng)對(duì)措施

燃料電池汽車停放區(qū)域必須具備相應(yīng)的應(yīng)急設(shè)施，并配備相應(yīng)的應(yīng)急處理人員，在發(fā)生氫泄漏后必須保證能夠在第一時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)并及時(shí)處理。氫泄漏應(yīng)對(duì)措施的要求主要分為“人”與“機(jī)”2個(gè)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(jī)”主要指必備的基礎(chǔ)設(shè)施要求。

(1)人員安排。人員安排的具體措施須根據(jù)氫氣的泄漏程度進(jìn)行分級(jí)處理。當(dāng)氫氣泄漏輕微擴(kuò)散但未引起警報(bào)時(shí)，氫氣可通過(guò)基礎(chǔ)通風(fēng)口排出。當(dāng)氫氣泄漏引起警報(bào)，氫氣尚處于擴(kuò)散狀態(tài)未發(fā)生燃燒時(shí)，應(yīng)急處理人員應(yīng)及時(shí)尋找并切斷泄漏源，將停車場(chǎng)所內(nèi)所有人員疏散至上風(fēng)口。當(dāng)應(yīng)急設(shè)備啟動(dòng)后，應(yīng)急處理人員應(yīng)負(fù)責(zé)對(duì)氫泄漏區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)通風(fēng)處理。在疏散人群后，應(yīng)急處理人員可采用對(duì)氣體加濕稀釋的方法，減少爆炸性混合氣體的形成。當(dāng)泄漏區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)氣體燃燒時(shí)，應(yīng)急處理人員要及時(shí)對(duì)周圍的可燃物澆注冷卻水，以避免火勢(shì)擴(kuò)散。由于氫氣在燃燒時(shí)不易被察覺(jué)，應(yīng)急處理人員應(yīng)佩戴呼吸器，穿防靜電服裝進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，并防止外露皮膚被火焰燒傷[8]。

(2)基礎(chǔ)設(shè)施。本研究建議應(yīng)急設(shè)備須配備有氫氣泄漏探測(cè)系統(tǒng)、聯(lián)動(dòng)排氣裝置、氣體加濕設(shè)備、防爆工具等。日常存在的部分泄露氫氣主要通過(guò)通風(fēng)口排出。當(dāng)氫氣大量泄漏的極端情況發(fā)生時(shí)，探測(cè)系統(tǒng)可以檢測(cè)到信號(hào)，并聯(lián)動(dòng)應(yīng)急設(shè)備開(kāi)啟強(qiáng)通風(fēng)模式。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)燃料電池汽車在受限空間內(nèi)的氫泄漏安全保障這一目標(biāo)展開(kāi)了研究。在研讀現(xiàn)有法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)與文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景建立了氫泄漏安全保障框架。氫泄漏安全保障問(wèn)題共涉及燃料電池汽車、場(chǎng)景設(shè)置及應(yīng)對(duì)氫泄漏措施3個(gè)方面的約束。結(jié)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(nèi)保障燃料電池汽車氫泄漏的安全建議。

這些建議既符合現(xiàn)有的法規(guī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與文獻(xiàn)研究成果，同時(shí)結(jié)合了實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，可為未來(lái)燃料電池汽車停放于室內(nèi)停車場(chǎng)時(shí)的氫泄漏安全保障問(wèn)題提供一定的參考。