氫燃料電池汽車的氫泄漏檢測概述

北京航天試驗技術研究所 何田田 張 天

在石化能源不斷耗竭的今天，氫作為一種可再生的清潔能量載體，廣受世人青睞。世界范圍內正以前所未有的速度和力度加快對氫能的研發，氫燃料汽車是氫能產業突出的應用之一。由于氫的理化特性，在使用時必須重視對氫氣泄漏的檢測。據統計，氫泄漏事故占加氫站事故總數的70%。因此，氫泄漏檢測無疑是保障氫燃料電池汽車安全和提高氫利用率的關鍵技術之一。

一、氫燃料電池汽車全球技術法規中的氫監測要求

氫燃料電池汽車全球技術法規是全球氫燃料電池汽車各部分性能考核的準則，它詳細介紹了氫燃料電池汽車各關鍵系統（加氫系統、儲氫系統、供氫系統、燃料電池系統、電驅動和動力管理系統）的組成、功能和應注意的安全問題。GTR13規定了FCEV的安全要求，包括在使用中和碰撞后車輛外殼中允許的氫氣濃度水平以及在某些正常操作模式下車輛排氣中允許的氫氣排放水平的規范[1]，封閉空間碰撞試驗后的測試結果，采用傳感器來測量氫氣或氦氣的積聚或氧氣的減少，以此評估潛在的氫（或氦）泄漏，車輛排放尾氣的氫氣濃度水平應不超過8%（體積分數），運行期間3s內的氫氣濃度不超過4%（體積分數）。

為了將GTR13納入國家法規，美國國家可再生能源實驗室（NREL）的傳感器實驗室和歐盟委員會聯合研究中心（JRC）評估了GTR13中規定的關于氫氣監測要求的合理性，進行了用于監測FCEV碰撞試驗中氫/氦的傳感器測試及碰撞試驗后燃料系統完整性驗證。

二、車載氫/氦傳感器性能評估測試

1.傳感器的選擇與安裝

在各種氫傳感器類型中，熱導傳感器滿足GTR13定義的驗證氫安全合規性的要求。氫氣的導熱系數比其他氣體的導熱系數都高，熱導傳感器利用氫氣導熱系數高的特性來檢測和監測空氣或其他介質中的氫。而且，熱導傳感器不會受到干擾物的顯著影響，NREL傳感器測試實驗室在氫安全傳感器評估方面的經驗，最終確定應用傳感器型號HLS-440P進行測試[2]。

在每次碰撞測試中放置多個傳感器以產生一些統計性數據。具體而言，每次碰撞測試準備5個傳感器，3個安裝在車輛中，另外2個備用，3次碰撞為一組。在碰撞測試期間，傳感器由12V電池供電，采用2個可移動的控制器局域網絡模塊接口，將傳感器連接到數據采集器上，數據采集器可在車輛外部執行監控，車輛還裝有加速度計，可輸出記錄并提供振動和沖擊數據。加速度計安裝在車輛的不同位置，包括一個與傳感器安裝支架相鄰的位置和一個直接連接到支架頂部的位置。加速度計數據“X”分量與傳感器軸一致，而“Y”和“Z”分量與主傳感器軸相切，通過在設施現場進行的短時間暴露于氦氣（如沖擊測試）來驗證傳感器存活率。

2.傳感器的測試及結果

按照試驗條件進行碰撞測試，包括正面碰撞、側面碰撞移動變形屏障試驗、側面碰撞剛性桿試驗、側面碰撞試驗測試、后沖擊試驗、整體傳感器性能測試。正面碰撞、側面碰撞移動變形屏障試驗、側面碰撞剛性桿試驗、整體傳感器性能的結果均與理論結果一致，側面碰撞試驗測試、后沖擊試驗中發現傳感器會受到環境溫度和濕度變化的影響，但都在可接受的范圍內，如圖1所示。

圖1 側面碰撞測試的圖示

實驗室評估證實，所選傳感器與FCEV碰撞測試兼容，適用于氦氣和氫氣。傳感器的檢測限和線性范圍符合碰撞測試要求，FCEV碰撞試驗期間的傳感器利用率應包括在所有車輛艙室中的測試。未來傳感器應與當前數據采集系統兼容，以便將多個節點正確地處理到單個控制器局域網絡輸入中。此外，傳感器還應包括與高壓存儲系統相關的組件周圍的測試，以及檢測車輛底部周圍的壓力釋放后的氣體濃度測試。

3.用于驗證FCEV尾氣排放的分析法

NREL和JRC傳感器實驗室針對GTR13的氫氣監測要求進行驗證，傳感器技術符合GTR要求。在碰撞試驗后驗證燃料系統完整性，開發了用于分析FCEV尾氣分析儀，研制了標準配置的熱導傳感器模型，以及用于監測和記錄傳感器信號的軟件，同時開發了一種產生具有明確定義的組成和持續時間的氣體脈沖方法。氣體脈沖方法是將樣品環注入已知濃度的測試氣體，采用氣相色譜儀或其他分析儀分析，樣品環由2個獨立的氣流組成，一條路徑用測試氣體吹掃樣品環路，第二條路徑連續地將背景氣體流到分析儀或傳感器，激活電磁閥背景氣流在到達傳感器之前通過樣品環，測試氣體脈沖持續時間由樣品環體積除以背景氣體流速的比率設定。利用氣體脈沖方法可表征傳感器對瞬態氣體脈沖和成分的性能，氣體脈沖方法應注意的是傳感器測量范圍，測量氣體暴露時間小于1s的傳感器響應能力，以及背景氣體對傳感器響應的影響等。

三、FCEV泄漏檢測方法

1.泄漏檢測標準及方法

國際電工委員會IEC 62282標準中，提到了2種基于空氣的氫泄漏檢測方法：壓力衰減方法和流量測量方法.國際標準ISO 22734中描述了氫氣組件連接和管道接頭的其他泄漏試驗，包括氣泡試驗和示蹤氣體泄漏檢測。歐洲標準EN 1779列出了7種基于空氣和特定示蹤氣體的加壓部件定量積分測量方法，規定泄漏率為零，包括氨泄漏檢測、壓力衰減、氣泡測試、示蹤氣體等。ISO 20485中僅規定了示蹤氣體泄漏檢測方法。

示蹤氣體泄漏檢測方法是較為成熟的，在許多工業應用中得到了廣泛應用，通常被認為是最敏感的泄漏測試方法。示蹤氣體泄漏檢測在燃料電池電動汽車行業也得到了很好的應用。

美國能源部燃料電池技術辦公室資助先進技術材料公司研發了用于汽車質子交換膜（PEM）燃料電池應用的一套物理和化學傳感器，基于燃料重整器/PEM電池堆組件的板載控制，開發了氫安全和堆疊傳感器，后續將商業化[4]。

歐盟委員會聯合研究中心建立了可用于測試和驗證各種氫傳感器技術性能的設施，包括氫傳感器使用的環境條件（溫度、濕度和壓力）測試、動態響應測試、疲勞測試、對目標氣體的敏感性測試、與其他氣體的交叉敏感性（反應和恢復時間）以及傳感器的壽命。

日本研究了通過聽覺檢查氫燃料電池汽車氫氣泄漏的方法，包括選擇安全的氦氣為氫氣泄漏聲替代氣體，記錄交通噪聲，讓消聲室中的氫泄漏替代氣體泄漏，同時再現記錄的交通聲音，重現氫氣在交通噪聲環境中從車輛泄漏的狀態。該方法將用于氫泄漏的替代氣體的流速轉換為用于區分氫氣流速的閾值。

該方法研究了選擇氦氣作為氫氣替代氣體的符合性，包括氦氣對氫氣的再現程度，車輛的氫氣泄漏聲對氫泄漏方向、距離和高度的依賴性進行測試。此外，研究了氫氣流速作為區分城市地區兩條車道交叉口噪音74 dB以下的氫氣泄漏聲音的閾值。研究結果獲得了以下發現：一是在約74dB的交通噪聲環境中，當接近距離氫氣泄漏車輛中心10m的距離時，首次聽到氫氣泄漏聲音的氫氣泄漏量小于328 NL/min為0.95cm管道。二是由于來自車輛下部的氫泄漏聲音具有取決于管道形狀的方向性，所以最好在車輛周圍行走時識別最大可聽方向上的聲音。此外，氫氣泄漏聲音取決于高度，在1.5m的高度最容易聽到。三是當聽到遠離車輛的聲音時，來自車輛下部的氫氣泄漏聲音變得更難以聽到，但當靠近車輛時，由于衍射也會變得更難聽到。

2.氫泄漏的安全防護

氫燃料電池汽車中應安裝多個氫氣傳感器，傳感器應考慮冗余設計并將各傳感器布置在車輛內時氫氣容易聚集的位置，氫傳感器的報警閾值可以分段設置，以確保安全。同時裝有碰撞傳感器，當泄漏的氫氣濃度超過閾值，或發生距離的碰撞，燃料電池系統會立即關閉燃氣閥門并自動停機；當FCEV停運后，尤其是停駐在地下車庫不受人們注意之處的情況下，氫燃料緩慢泄漏進入車輛排氣系統。逸出的氫氣也有可能會聚集在車體底下的，需要通過氫氣泄漏傳感器系統來進行檢測和預防[6]。

日本汽車研究所通過對車廂的泄漏測試進行了一些不同的研究，以確定氫氣泄漏檢測傳感器安裝位置和閾值警報值，以響應日本道路運輸車輛法。日本的道路運輸車輛法要求在可能發生氫氣積聚的區域安裝氫傳感器，氫氣濃度監的報警設定值為4%（體積分數）[5]。

GB15322-2003《可燃氣體探測器》中規定“僅有一個報警設定值的探測器，其報警設定值應在1%LEL～25%LEL范圍”，LEL是指被測氣體的爆炸下限。氫氣在空氣中的爆炸范圍為 4%～75%（體積分數），氫氣的爆炸下限為 0.18%（體積分數），因此氫氣濃度監測報警系統的報警設定值應在0.04%～1%（體積分數）。GB40061《液氫貯存和運輸技術要求》、GB50516-2010《加氫站技術規范》中都規定了將氫濃度監測報警系統的報警設定值規定為0.4%（體積分數）。

此外，所有燃料電池制造商在設計泄漏監控系統時應包含系統連鎖功能，測量氣體逸出量，輸入數據，記錄氫氣逸出量并應有安全裕度，再將測量結果傳輸到控制系統，系統進行通風，以避免爆炸性混合物。

四、結論

氫泄漏檢測是保障氫安全和提高氫利用率的關鍵技術之一，美國、日本等國家都積極研究氫燃料電池汽車氫氣泄漏檢測方法，如壓力衰減法、示蹤氣體泄漏檢測方法，我國的氫燃料電池汽車技術還在起步階段，可開發用于氫燃料電池汽車的熱導傳感器，并且把握氫能產業持續升溫的發展機遇，加快標準制定，推進技術落地。