基于通風安全的燃料電池發動機艙內氫泄漏量評價研究

吳 迪，文 醉Wu Di，Wen Zui

基于通風安全的燃料電池發動機艙內氫泄漏量評價研究

吳 迪，文 醉
Wu Di，Wen Zui

（中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300）

基于通風理論分析影響燃料電池發動機艙內通風量的各個因素；通過試驗驗證、合理計算以及針對不同車型的燃料電池發動機艙空間大小假設，結合GB 3836.14─2014《爆炸性環境第14部分場所分類爆炸性氣體環境》對艙內空間危險區域進行劃分，得到燃料電池發動機艙內氫氣最大釋放速率的計算方法，可用于指導燃料電池汽車氫安全設計。

通風措施；氫氣泄漏率；釋放等級；危險區域

0 引 言

氫燃料電池汽車具有高效率和零排放優點，被認為是新能源汽車的終極方案，具有廣闊的發展前景。近年來，我國燃料電池客車在很多地區開始商業示范運營，其各種性能指標基本達到運營要求，并且開始邁向大規模產業化階段。由于氫燃料電池中氫氣的易揮發、易燃、易爆及氫脆等特性，使氫燃料電池汽車的安全性備受關注。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，做好氫氣濃度監控等。

燃料電池發動機正常工作中會出現少量氫氣泄漏，此時發動機艙作為一個封閉或半封閉空間，存在安全隱患；因此，除了在發動機艙內安裝氫氣濃度探測器外，還應該確保氫氣外漏時不會出現艙內氫氣聚集，避免局部氫氣濃度升高產生爆燃風險[1]。

分析燃料電池發動機艙內的通風效果，評價在一定氫氣釋放流量下，發動機艙內的通風量是否滿足氫安全要求，是否需要增加通風措施，以及在特定通風條件下，是否需要進一步限制氫氣釋放流量。

1 發動機艙內通風效果分析

1.1 艙內通風質量影響因素

通常乘用車燃料電池發動機艙體積小于1 m3，空間形狀不規則且狹小，空氣流動時容易產生較大阻力而造成通風不良，氫氣密度小，容易在空間上方聚集，容易出現局部氫氣濃度過高。商用車燃料電池發動機艙內部空間較大、形狀規則且多為方形，空氣流動相對較好，如客車常將其置于車輛尾部或頂部，貨車常置于車頭與貨廂之間，其排風多置于頂部或側上方，艙內也會布置其他車用部件，一定程度上會阻礙空氣流動。

此外，燃料電池發動機艙內熱源的數量和發熱量也會影響氫氣擴散。當艙內存在熱源時，艙內空氣被加熱，空氣壓力降低而被排擠出殼體、艙體，這時外界空氣進入殼體，在殼體內達到熱平衡，如圖1所示[2]。

根據熱平衡原理得到消除內部熱量所需的自然通風量為[3]

式中：為通風量，m3/s；為發熱量，kJ/s；為空氣的質量比熱，取值1.01 kJ/(kg′℃)；p為排風溫度，℃；j為進風溫度，℃。

由式（1）可知，在相同的艙內空間下，熱源發熱量會影響通風效果，較大的發熱量增強了艙內空氣流動，總體通風效果與艙內空間大小和結構有關。在燃料電池發動機艙內，電堆等多個電器部件會產生熱量，實際評估艙內通風量時不應忽略這些熱量所造成的影響。

圖1 艙內空氣流動示意圖

1.2 艙內空間危險區域劃分

在GB 3836.14─2014《爆炸性環境第14部分場所分類爆炸性氣體環境》中，根據爆炸性氣體環境出現的頻次和持續時間將危險場所分為0區（爆炸性氣體環境連續出現或頻繁出現或長時間存在）、1區（在正常運行時，可能偶爾出現爆炸性氣體環境）、2區（在正常運行時，不可能出現爆炸性氣體或者即使出現僅是短時間存在）。燃料電池發動機正常運行時，在排放口處可能會出現易燃氣體危險區域，所以將此區域定義為1區；在燃料電池發動機艙內空間要求為2區，即中級通風，并要求通風良好時，可視情況采取監控、強制通風措施或通過系統自動切斷氫源等其他有效措施預防或解除危險，如當探測到區域內的氫氣濃度達到25%LEL（Lower Explosion Limited，爆炸下限）時，應采取應急措施稀釋氫氣濃度。燃料電池艙內垂直范圍危險區域如圖2所示。

圖2 燃料電池艙內垂直范圍危險區域示意圖

2 氫泄漏量限值評定

2.1 艙內最大氫氣泄漏量

為了確保氫氣濃度始終在可控范圍內，要求燃料電池發動機艙內不出現局部氫氣濃度過高的情況，即保證發動機艙內空間劃分為2區，至少為中級通風，該等級能夠控制濃度；雖然釋放源正在釋放中，但區域界線穩定，在釋放源停止釋放后，爆炸性環境持續存在時間不會過長[4]。

稀釋給定的可燃性物質達到低于爆炸下限規定濃度的新鮮空氣的最小通風速率，即允許的最小通風量為

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，其典型值=0.25（連續級釋放和1級釋放），=0.5（2級釋放）；為爆炸性氣體環境有效稀釋程度，即通風效率系數，理想狀態下=1，典型值=10，空氣流動受阻礙時=5，考慮氫氣的特點取=10。

為了滿足中級通風要求，結合式（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，評估燃料電池發動機艙內允許的最大氫氣泄漏量，需要計算或測量諸多參數，其中，可選擇連續級釋放或1級釋放的典型值，即=0.25；應考慮不同車型的燃料電池發動機艙內空間的特點，乘用車可選擇嚴苛的空氣流動受阻的典型值，即=10，商用車取值為5～10；、、LELm為常數定值；因此，直接影響因素為艙內發熱量、排風溫度p、進風溫度j，這些因素均與艙內空間達到熱平衡時的通風量有關。當進風溫度不變、艙內發熱量一定時，可以通過改善燃料電池發動機艙的通風環境降低排風溫度，提高通風量；當艙內通風環境受限時，可以進一步研究艙內各部件產生的總熱量與排風溫度之間的關系，評估艙內通風量是否滿足允許最大氫氣泄漏量的要求。

以某燃料電池客車為例，其燃料電池發動機艙布置于客車后側，燃料電池發動機的額定功率為30 kW，艙內主要的發熱部件包括燃料電池發動機、冷卻水管路、排氣管路、空壓機、氫泵、電流轉換器以及整車控制器等，當燃料電池發動機在額定功率下運行時，進風溫度j（大氣溫度）約為27℃，其排風出口分布于燃料電池發動機艙的車身兩側上方，排風出口溫度p約為38℃，通過假設和簡化計算得到總發熱量約為35 W，選取通風效率系數=6，根據式（3）計算得到允許的燃料電池發動機艙內最大氫氣泄漏量為223 mL/min。

3 結束語

分析燃料電池發動機艙內空間大小分布及內部 發熱量對通風質量產生的影響，并基于GB 3836.14─2014中對危險區域等級的定義將燃料電池發動機艙內各區域進行劃分，為保證艙內氫安全，燃料電池發動機艙內的安全通風水平應為中級通風。

提出燃料電池發動機艙內允許的最大氫氣泄漏量計算公式，以及主要影響參數為艙內發熱量和進、出口排風溫度，并分析這些參數與艙內通風量之間的關系，有助于評價燃料電池艙內的氫安全風險，以及為艙內空間設計和優化提供幫助。

[1]中華人民共和國工業和信息化部. 燃料電池電動汽車安全要求：GB/T 24549─2020 [S]. 北京：中國標準出版社，2020.

[2]楊婉. 通風與空調工程[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2005.

[3]苗青. 室內強熱源對空氣環境影響及對策研究[D]. 上海：同濟大學，2008.

[4]中國電器工業協會. 爆炸性環境第14部分場所分類爆炸性氣體環境：GB 3836.14—2014 [S]. 北京：中國標準出版社，2015.

2020-10-28

國家重點研發計劃“新能源汽車”重點專項：國際與國內先進燃料電池動力系統對比測試及可靠性（2018YFB0105603）。

U469.72+2:TM912.9

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.02.007

1002-4581（2021）02-0022-03