吳 迪，文 醉Wu Di，Wen Zui

基于通風(fēng)安全的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)氫泄漏量評(píng)價(jià)研究

吳 迪，文 醉
Wu Di，Wen Zui

（中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心（天津）有限公司，天津 300300）

基于通風(fēng)理論分析影響燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)通風(fēng)量的各個(gè)因素；通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證、合理計(jì)算以及針對(duì)不同車(chē)型的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間大小假設(shè)，結(jié)合GB 3836.14─2014《爆炸性環(huán)境第14部分場(chǎng)所分類(lèi)爆炸性氣體環(huán)境》對(duì)艙內(nèi)空間危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分，得到燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)氫氣最大釋放速率的計(jì)算方法，可用于指導(dǎo)燃料電池汽車(chē)氫安全設(shè)計(jì)。

通風(fēng)措施；氫氣泄漏率；釋放等級(jí)；危險(xiǎn)區(qū)域

0 引 言

氫燃料電池汽車(chē)具有高效率和零排放優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是新能源汽車(chē)的終極方案，具有廣闊的發(fā)展前景。近年來(lái)，我國(guó)燃料電池客車(chē)在很多地區(qū)開(kāi)始商業(yè)示范運(yùn)營(yíng)，其各種性能指標(biāo)基本達(dá)到運(yùn)營(yíng)要求，并且開(kāi)始邁向大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化階段。由于氫燃料電池中氫氣的易揮發(fā)、易燃、易爆及氫脆等特性，使氫燃料電池汽車(chē)的安全性備受關(guān)注。確保用氫安全，需控制氫泄漏量和排氫濃度，需考慮使用材料、元器件防爆性能，做好氫氣濃度監(jiān)控等。

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作中會(huì)出現(xiàn)少量氫氣泄漏，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)艙作為一個(gè)封閉或半封閉空間，存在安全隱患；因此，除了在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)安裝氫氣濃度探測(cè)器外，還應(yīng)該確保氫氣外漏時(shí)不會(huì)出現(xiàn)艙內(nèi)氫氣聚集，避免局部氫氣濃度升高產(chǎn)生爆燃風(fēng)險(xiǎn)[1]。

分析燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的通風(fēng)效果，評(píng)價(jià)在一定氫氣釋放流量下，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的通風(fēng)量是否滿(mǎn)足氫安全要求，是否需要增加通風(fēng)措施，以及在特定通風(fēng)條件下，是否需要進(jìn)一步限制氫氣釋放流量。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)通風(fēng)效果分析

1.1 艙內(nèi)通風(fēng)質(zhì)量影響因素

通常乘用車(chē)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)艙體積小于1 m3，空間形狀不規(guī)則且狹小，空氣流動(dòng)時(shí)容易產(chǎn)生較大阻力而造成通風(fēng)不良，氫氣密度小，容易在空間上方聚集，容易出現(xiàn)局部氫氣濃度過(guò)高。商用車(chē)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部空間較大、形狀規(guī)則且多為方形，空氣流動(dòng)相對(duì)較好，如客車(chē)常將其置于車(chē)輛尾部或頂部，貨車(chē)常置于車(chē)頭與貨廂之間，其排風(fēng)多置于頂部或側(cè)上方，艙內(nèi)也會(huì)布置其他車(chē)用部件，一定程度上會(huì)阻礙空氣流動(dòng)。

此外，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)熱源的數(shù)量和發(fā)熱量也會(huì)影響氫氣擴(kuò)散。當(dāng)艙內(nèi)存在熱源時(shí)，艙內(nèi)空氣被加熱，空氣壓力降低而被排擠出殼體、艙體，這時(shí)外界空氣進(jìn)入殼體，在殼體內(nèi)達(dá)到熱平衡，如圖1所示[2]。

根據(jù)熱平衡原理得到消除內(nèi)部熱量所需的自然通風(fēng)量為[3]

式中：為通風(fēng)量，m3/s；為發(fā)熱量，kJ/s；為空氣的質(zhì)量比熱，取值1.01 kJ/(kg′℃)；p為排風(fēng)溫度，℃；j為進(jìn)風(fēng)溫度，℃。

由式（1）可知，在相同的艙內(nèi)空間下，熱源發(fā)熱量會(huì)影響通風(fēng)效果，較大的發(fā)熱量增強(qiáng)了艙內(nèi)空氣流動(dòng)，總體通風(fēng)效果與艙內(nèi)空間大小和結(jié)構(gòu)有關(guān)。在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，電堆等多個(gè)電器部件會(huì)產(chǎn)生熱量，實(shí)際評(píng)估艙內(nèi)通風(fēng)量時(shí)不應(yīng)忽略這些熱量所造成的影響。

圖1 艙內(nèi)空氣流動(dòng)示意圖

1.2 艙內(nèi)空間危險(xiǎn)區(qū)域劃分

在GB 3836.14─2014《爆炸性環(huán)境第14部分場(chǎng)所分類(lèi)爆炸性氣體環(huán)境》中，根據(jù)爆炸性氣體環(huán)境出現(xiàn)的頻次和持續(xù)時(shí)間將危險(xiǎn)場(chǎng)所分為0區(qū)（爆炸性氣體環(huán)境連續(xù)出現(xiàn)或頻繁出現(xiàn)或長(zhǎng)時(shí)間存在）、1區(qū)（在正常運(yùn)行時(shí)，可能偶爾出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境）、2區(qū)（在正常運(yùn)行時(shí)，不可能出現(xiàn)爆炸性氣體或者即使出現(xiàn)僅是短時(shí)間存在）。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，在排放口處可能會(huì)出現(xiàn)易燃?xì)怏w危險(xiǎn)區(qū)域，所以將此區(qū)域定義為1區(qū)；在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空間要求為2區(qū)，即中級(jí)通風(fēng)，并要求通風(fēng)良好時(shí)，可視情況采取監(jiān)控、強(qiáng)制通風(fēng)措施或通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)切斷氫源等其他有效措施預(yù)防或解除危險(xiǎn)，如當(dāng)探測(cè)到區(qū)域內(nèi)的氫氣濃度達(dá)到25%LEL（Lower Explosion Limited，爆炸下限）時(shí)，應(yīng)采取應(yīng)急措施稀釋氫氣濃度。燃料電池艙內(nèi)垂直范圍危險(xiǎn)區(qū)域如圖2所示。

圖2 燃料電池艙內(nèi)垂直范圍危險(xiǎn)區(qū)域示意圖

2 氫泄漏量限值評(píng)定

2.1 艙內(nèi)最大氫氣泄漏量

為了確保氫氣濃度始終在可控范圍內(nèi)，要求燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)不出現(xiàn)局部氫氣濃度過(guò)高的情況，即保證發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空間劃分為2區(qū)，至少為中級(jí)通風(fēng)，該等級(jí)能夠控制濃度；雖然釋放源正在釋放中，但區(qū)域界線穩(wěn)定，在釋放源停止釋放后，爆炸性環(huán)境持續(xù)存在時(shí)間不會(huì)過(guò)長(zhǎng)[4]。

稀釋給定的可燃性物質(zhì)達(dá)到低于爆炸下限規(guī)定濃度的新鮮空氣的最小通風(fēng)速率，即允許的最小通風(fēng)量為

式中：（d/d）min為新鮮空氣的最小體積流速，m3/s；（d/d）max為最大氫氣泄漏量，m3/s；為環(huán)境溫度；LELm為爆炸下限值，取值0.003 328 kg/ m3；為適用于爆炸下限的安全系數(shù)，其典型值=0.25（連續(xù)級(jí)釋放和1級(jí)釋放），=0.5（2級(jí)釋放）；為爆炸性氣體環(huán)境有效稀釋程度，即通風(fēng)效率系數(shù)，理想狀態(tài)下=1，典型值=10，空氣流動(dòng)受阻礙時(shí)=5，考慮氫氣的特點(diǎn)取=10。

為了滿(mǎn)足中級(jí)通風(fēng)要求，結(jié)合式（1），得到最大氫氣泄漏量為

2.2 最大氫氣泄漏量的影響因素

由式（3）可知，評(píng)估燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)允許的最大氫氣泄漏量，需要計(jì)算或測(cè)量諸多參數(shù)，其中，可選擇連續(xù)級(jí)釋放或1級(jí)釋放的典型值，即=0.25；應(yīng)考慮不同車(chē)型的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空間的特點(diǎn)，乘用車(chē)可選擇嚴(yán)苛的空氣流動(dòng)受阻的典型值，即=10，商用車(chē)取值為5～10；、、LELm為常數(shù)定值；因此，直接影響因素為艙內(nèi)發(fā)熱量、排風(fēng)溫度p、進(jìn)風(fēng)溫度j，這些因素均與艙內(nèi)空間達(dá)到熱平衡時(shí)的通風(fēng)量有關(guān)。當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度不變、艙內(nèi)發(fā)熱量一定時(shí)，可以通過(guò)改善燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)艙的通風(fēng)環(huán)境降低排風(fēng)溫度，提高通風(fēng)量；當(dāng)艙內(nèi)通風(fēng)環(huán)境受限時(shí)，可以進(jìn)一步研究艙內(nèi)各部件產(chǎn)生的總熱量與排風(fēng)溫度之間的關(guān)系，評(píng)估艙內(nèi)通風(fēng)量是否滿(mǎn)足允許最大氫氣泄漏量的要求。

以某燃料電池客車(chē)為例，其燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置于客車(chē)后側(cè)，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率為30 kW，艙內(nèi)主要的發(fā)熱部件包括燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、冷卻水管路、排氣管路、空壓機(jī)、氫泵、電流轉(zhuǎn)換器以及整車(chē)控制器等，當(dāng)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在額定功率下運(yùn)行時(shí)，進(jìn)風(fēng)溫度j（大氣溫度）約為27℃，其排風(fēng)出口分布于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)艙的車(chē)身兩側(cè)上方，排風(fēng)出口溫度p約為38℃，通過(guò)假設(shè)和簡(jiǎn)化計(jì)算得到總發(fā)熱量約為35 W，選取通風(fēng)效率系數(shù)=6，根據(jù)式（3）計(jì)算得到允許的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)最大氫氣泄漏量為223 mL/min。

3 結(jié)束語(yǔ)

分析燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空間大小分布及內(nèi)部 發(fā)熱量對(duì)通風(fēng)質(zhì)量產(chǎn)生的影響，并基于GB 3836.14─2014中對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域等級(jí)的定義將燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)各區(qū)域進(jìn)行劃分，為保證艙內(nèi)氫安全，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的安全通風(fēng)水平應(yīng)為中級(jí)通風(fēng)。

提出燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)允許的最大氫氣泄漏量計(jì)算公式，以及主要影響參數(shù)為艙內(nèi)發(fā)熱量和進(jìn)、出口排風(fēng)溫度，并分析這些參數(shù)與艙內(nèi)通風(fēng)量之間的關(guān)系，有助于評(píng)價(jià)燃料電池艙內(nèi)的氫安全風(fēng)險(xiǎn)，以及為艙內(nèi)空間設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供幫助。

[1]中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部. 燃料電池電動(dòng)汽車(chē)安全要求：GB/T 24549─2020 [S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2020.

[2]楊婉. 通風(fēng)與空調(diào)工程[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

[3]苗青. 室內(nèi)強(qiáng)熱源對(duì)空氣環(huán)境影響及對(duì)策研究[D]. 上海：同濟(jì)大學(xué)，2008.

[4]中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì). 爆炸性環(huán)境第14部分場(chǎng)所分類(lèi)爆炸性氣體環(huán)境：GB 3836.14—2014 [S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

2020-10-28

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“新能源汽車(chē)”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)：國(guó)際與國(guó)內(nèi)先進(jìn)燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)比測(cè)試及可靠性（2018YFB0105603）。

U469.72+2:TM912.9

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.02.007

1002-4581（2021）02-0022-03