氫能源列車的風險評估

姜博耀

摘要：目前，化石燃料已經提供了世界86%的能源，預計未來石油需求將會增加，同時，二氧化碳（CO2）的排放導致溫室效應，因此，開發一種只需低成本基礎設施同時碳排放低的新型機車，以此來減少對環境的影響。根據科學報告，氫能源，作為一種新型能源，是電力等能源的載體。但使用氫燃料電池驅動的列車可能會發生事故，因此，對密閉空間氫氣火災和爆炸的危險性進行評估具有重要意義。

Abstract： At present， fossil fuels have provided 86% of the world's energy. It is expected that oil demand will increase in the future. At the same time， carbon dioxide （CO2） emissions will cause a greenhouse effect. Therefore， it is necessary to develop a new locomotive with low-cost infrastructure and low carbon emissions to reduce the impact on the environment. According to the scientific report， hydrogen energy， as a new type of energy， is a carrier of energy such as electricity. However， trains driven by hydrogen fuel cells may have an accident， so it is important to evaluate the risk of hydrogen fires and explosions in confined spaces.

關鍵詞：氫能源列車;氫燃料電池;風險評估

Key words： hydrogen energy train;hydrogen fuel cell;risk assessment

中圖分類號：TM911.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）18-0052-02

0? 引言

為了調查XQG45-600P機車用于商業運營是否安全，作者進行了一項關于鐵路車輛安全問題的研究，并調查了氫儲存和供應的潛在風險。

2013年，中國首次推出氫能源調車機車（Chen W.， 2013）。本案例之所以選擇機車，是因為機車的設計師提供了XQG45-600P的詳細參數。本案例研究概述了XQG45-600P及其安全性。本章通過風險評估，考察XQG45-600P在防止氫氣爆炸的能力上是否足夠安全。根據Chen（2013）的研究，調車機車是用于在編組場調車。XQG45-600P的框架是基于一種傳統的內燃機車（Chen W.， 2013）。

1? 氫能源調車機車結構

試驗氫能源調車機車與普通鐵路機車一樣，由機械和電氣兩部分組成。具體組成部分見表1。

根據表1所示，整個系統包括供氫系統（儲氫罐、PEMFC電板、管道）和動力系統（電池組、牽引逆變器、永磁同步電動機）。列車啟動時，9個35MPa碳纖維鋼瓶中的氫通過管道和壓力調節閥供給燃料電池氫氣（Chen W.， 2013）。質子交換膜燃料電池將氫轉化為水，產生電能，從而為牽引式逆變器發電。運行狀態下的PEMFC和電池組的溫度高達80°C（Chen W .，2013）。牽引逆變器將直流電（DC）轉換為三相交流電（AC），以供給牽引電機。該機車的驅動系統由四個主要的子系統組成，即質子交換膜燃料電池（PEMFC）、冷卻子系統、氫氣瓶列陣和牽引電機，如圖1所示。

從圖1可以看出，燃料電池動力調車機車最大的部件是氫氣瓶列陣。儲氫裝置由9個35兆帕的碳纖維鋼瓶組成，能夠儲存約23千克壓縮氫氣（Chen W.， 2013）。Chen（2013）還提到，每個氫氣瓶工作壓力為50MPa。當壓力超過80MPa時，高壓安全閥（HPSV）會釋放氫氣以避免氫氣爆炸（Chen W.， 2013）。因此，如果HPSV無法工作，氫氣的超壓可能會導致氫氣瓶破裂，增加氫氣泄漏的可能性。車輛頂部有兩個通風機和一個通風口 PEMFC模塊頂部安裝了氫探測器，主要用于檢測機車內部的氫氣泄漏。筆者對目前元器件布置的安全性進行了評估，如表2所示。

2? 氫氣儲存方式與風險

眾所周知，氫可以以不同的方式儲存，如氣態氫、液氫和金屬氫化物，大多數氫燃料鐵路車輛使用在儲存在氫氣瓶中的壓縮氫，例如BNSF的燃料電池調車機車（Hess K S， 2008）和NE的實驗軌道車（Taketo F， 2006）。在XQG45-600P中，35MPa高壓氫氣瓶中有9個安裝在機車本體內，氫氣瓶陣列安裝在機車中部。同時，PEMFC、電池組和逆變器安裝在氫氣瓶陣列旁邊。根據筆者的理解，上述XQG45-600P的布置是為了減小對機車重心的影響。然而，在安全方面，XQG45-600P氫氣瓶陣列布局可能會導致嚴重的事故，這是因為氫氣可能會聚集主隔間等限制區域，從而增加爆炸的可能，尤其是當泄漏的氫氣接近電氣設備時。同時，氫氣燃燒會形成向上的火焰，燃燒機車的內部設施，如氫氣瓶列陣上方的通風機或安裝在PEMFC上的鋰離子電池。由于目前氫氣瓶安裝位置在車輛中部，可能會導致發生這種事故的風險增加。例如，在儲存裝置中，如果氫氣瓶陣列底部氫氣著火，火焰會向上燃燒所有的氫氣瓶。此外，持續的大火可能會損壞周圍的設施，比如PEMFC和電池組。由于PEMFC在工作階段需要使用氫來發電，所以，如果火焰蔓延到PEMFC，可能會導致另一次爆炸或更大的火災事故。因此，作者建議采用車頂線性存儲方式，比如使用擺放在車輛頂部的1X9列陣，而不是使用當前XQG45-600P采用的3×3列陣。氫氣瓶的頂部線性儲存是比較理想的，因為它允許泄漏的氫氣向上擴散。此外，沿著車頂線性擺放氫氣瓶可以使脫軌和碰撞等事故造成損害的可能性降到最低（Hess，2010）。XQG45-600P采用35mpa氫氣瓶。

如Rodionov（2010）所述，儲氫供應系統由氫氣瓶、管道、高壓安全閥（HPSV）、減壓閥和壓力調節閥組成。每個組件的功能如表3所示。

根據Kesheng（2014）所說，如果火災發生在氫氣瓶上，熱量會傳到消防設備，消防設備會在溫度過高時（600°C）釋放氫氣。Kesheng（2014）提到，如果火災發生在圖2中的紅色區域，熱量將緩慢傳遞到消防設備處。

在這種情況下，消防設備可能會達不到足夠的熱量，從而不能及時釋放氫氣。同時，氫燃料箱表面可能因過熱而破裂（800°C）（Kesheng，2014）。泄漏的高壓氫氣和瓶內發生的火災會引起嚴重的爆炸（損壞探測面積為30米）。

通過對上述對氫氣儲存系統的研究，筆者對儲氫系統的潛在風險評估如表4所示。

3? 事故分析

如果釋放的氫氣在一個開放的區域被點燃，氫氣會形成向上的火焰，不會對機車造成任何可見的損壞。這是好的，因為燃燒時機車附近的溫度不會過熱，機車的部件也不會損壞。如果受影響區域的氫濃度相對較低，即使在開放環境中發生火災，氫氣也不會爆炸。然而，如果在短時間內發生大量的氫氣溢散，則會由于氫氣濃度高而引起爆炸。特別是在封閉的空間，例如在隧道中，氫氣的密度可以超過18.3%，由于氫氣不能自由逃逸，所以會在封閉空間的頂部聚集。如果發生火災，這可能會導致嚴重的爆炸。

4? 結論

使用環保的氫燃料列車可以減少鐵路對石油燃料的依賴。然而，作為一種新型的交通工具，大多數氫能源驅動的列車沒有投入商業使用。因此，在現代鐵路市場上，需要對氫能源列車的風險進行評估。

作者推薦在車頂線性擺放1X9氫氣瓶，而不是使用當前XQG45-600P采用的3X3氫氣瓶列陣。這是由于在泄漏的情況下氫氣會向上消散，所以采用頂部流線式貯存方式更為可取。 作者推薦直接在通風口下方安裝質子交換膜燃料電池。在這種組件布局中，由于氫氣的浮力，燃料電池泄露出的氫氣將直接進入通風出口排放到外界。否則，釋放的氫氣可能會堆積在機車XQG45-600P的密閉區域。

參考文獻：

[1]Rodionov， A. （2011）. Risk assessment of hydrogen explosion for private car with hydrogen-driven engine. International journal of hydrogen energy， pp. 2398-2406.

[2]A Hoffrichter， P. F. （2014， 3 15）. Performance evaluation of the hydrogen-powered prototype locomotive ‘Hydrogen Pioneer. Journal of Power Sources， pp. 120-127.

[3]Abdel-Aal， H. （2005）. a new approach to utilize hydrogen as a safe fuel. international journal of hydrogen energy.

[4]Chen， W. （2013）. System integration of Chinas first PEMFC locomotive.

[5]Department of Energy. （2009）. Fuel Cells for Transportation. U.S.： Department of Energy.