林俁潔，凌曉東,2，姜 雪,2，慕云濤,2，于安峰

(1. 中石化安全工程研究院有限公司化學品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266104 2. 中石化國家石化項目風險評估技術中心有限公司，山東青島 266071)

0 前言

燃料電池車輛(Fuel Cell Vehicles，F(xiàn)CV)是通過電力驅動的，其電力由車載燃料電池裝置以高純度氫氣或含氫燃料重整得到的高含氫重整氣為燃料產(chǎn)生。燃料電池車輛優(yōu)點眾多，如發(fā)動機燃燒效率高、運行平穩(wěn)無噪聲、運行零排放或低排放等，發(fā)展燃料電池車輛是實現(xiàn)雙碳目標的重要途徑。然而，燃料電池車輛裝載高壓儲氫罐，因氫氣爆炸極限寬、點火能低、熱值高、燃燒速度快及爆炸超壓高等特點，一旦發(fā)生泄漏極易引發(fā)燃爆事故甚至鏈式災害[1]。尤其當燃料電池車輛?？吭谝运淼篮蛙噹鞛榇淼氖芟蘅臻g時，受限空間增加泄漏擴散及燃爆事故復雜性的同時也帶來更為嚴重的安全隱患。國內外針對燃料電池車輛在如隧道和車庫等受限空間下的泄漏擴散、射流燃燒、氣云爆炸等開展了一系列研究，本文將就現(xiàn)有研究和國內外相關標準展開介紹。

1 燃料電池車輛氫氣泄漏及燃爆技術現(xiàn)狀

1.1 氫氣泄漏擴散

國內外針對封閉空間內氫氣泄漏擴散開展了大量研究。Worster等[2]從受限空間大小和氣體射流狀態(tài)出發(fā)，提出Filling box和Fading up box 2種擴散模式。Filling box適用于較小的封閉空間的濃度累積。此時卷吸極大地影響射流，氫氣在封閉空間形成可燃層后向下擴散，達到爆炸極限較快。而如圖1所示，F(xiàn)ading up box擴散模型的射流到達空間頂部后沿頂端壁面擴散，上下層氣體存在濃度差。根據(jù)流體動力學原理，泄漏的氫氣在浮力作用下會向天花板聚集，而對受限空間(如停車場)而言，氫氣可能與墻壁形成撞擊射流，令氫氣貼著墻壁垂直上升[3]。

圖1 Fading up box擴散模式示意[2]

進一步考慮通風條件，Prasad[4]發(fā)現(xiàn)強制通風能夠減小封閉空間氫氣濃度，減小燃爆風險從而達到顯著的風險管控效果。Pitts等[5]在小型車庫開展試驗，研究顯示氫氣在車輛底部泄漏時易積聚，從而造成更嚴重的后果。Choi等[6]模擬了通風條件下車庫中氫氣的擴散過程。Hussein等[7]模擬了通風條件下地下車庫中的燃料電池車泄漏角度對氫氣積聚的影響，當泄漏角度為垂直向下時可燃氣體區(qū)域會包圍車身，而泄漏角度與地面呈一定角度時則可燃氣體區(qū)域會遠離車身方便人員逃生，即泄漏角度對事故后果影響明顯。Lowesmith[8]提出了考慮通風條件的氫氣在天花板附近積聚的模型。

鄭津洋等[9]針對高壓氫在車輛內泄漏擴散的特點，研究了不同泄漏位置和環(huán)境因素下，障礙物對氫氣泄漏擴散和分布的影響。趙明斌等[10]使用實驗和模擬相結合的手段，通過縮尺寸實驗研究理順了輕質氣體在半封閉空間的擴散過程，氣體首先從泄漏處向上擴散至頂壁，再沿著壁面向四周發(fā)展。隨后，氣體在頂部附近逐漸囤積，濃度穩(wěn)步上升。當泄漏停止后模型中的濃度很快下降至初始濃度。并進一步使用機器學習算法定位了地下車庫泄漏車輛，驗證了使用FLACS對燃料電池車輛在車庫中的虛噴管參數(shù)計算、高壓射流模擬以及爆炸過程模擬的準確性。

需要說明的是，出于實驗安全性考慮，實際研究中進行泄漏擴散實驗時常使用氦氣替代氫氣。氦氣物理性質與氫氣相近且不易燃爆，經(jīng)過實驗驗證兩種氣體擴散結果差異不大，因此目前學術界普遍使用氦氣替代氫氣開展擴散實驗[10]。

1.2 氫氣射流燃燒

國內外研究人員對高壓容器、加氫站等氫氣射流燃燒開展了微觀與宏觀尺度的大量實驗與模擬研究[11,12]。針對隧道內燃料電池車輛安全，國內外研究人員與機構就氫氣泄漏、火災、爆燃、爆轟等開展了實驗和模擬。2017年美國桑迪亞國家實驗室發(fā)布的報告《Hydrogen Fuel Cell Electric Vehicle Tunnel Safety Study》[13]總結了氫燃料電池車輛在隧道內的安全要求、風險分析方法和模擬方法等。其中使用事件序列圖(ESD)開展風險評估，研究對象包括氫燃料電池車輛在隧道內意外事故、火災事故、氫氣泄漏、壓力容器泄壓、氫氣引燃、立即引燃與延遲引燃的區(qū)別等；模擬內容包括氫氣射流燃燒時的流體動力學模擬方法、結構傳熱、有無通風時的隧道傳熱情況等。該報告指出，氫燃料不會產(chǎn)生除車輛碰撞危險外的額外危險。桑迪亞國家實驗室的另一篇報告《Hydrogen Fuel Cell Vehicles in Tunnels》介紹了氫燃料電池車輛的風險隱患，并總結了隧道內氫燃料電池車輛的實驗研究、模擬研究以及風險分析手段。其中實驗研究包括高壓氫氣泄漏實時點燃、大尺度氫氣爆燃爆轟、隧道中氫燃料電池車輛氫氣泄漏、HyTunnel研究計劃、隧道頂棚受限空間氫氣爆燃爆轟、全尺度隧道內燃料電池車輛火災實驗、擁擠空間混合氣體點燃后蒸氣云爆炸；其中模擬研究場景包括氫燃料電池車輛安全問題、隧道內氫燃料電池爆炸風險、隧道內氫爆燃CFD模擬、隧道內氫燃料電池車輛泄漏、海底隧道氫泄漏和燃燒、隧道氫噴射火，和汽車應用中氣體泄漏、擴散與燃燒；其中風險分析包括隧道內氫燃料電池車輛風險分析、隧道內氫燃料電池汽車爆炸風險分析、隧道內替代燃料車的火災和爆炸風險。上述2個報告較為系統(tǒng)地為隧道內燃料電池車輛研究提供了指導。

除此之外，Tamura[15]選取停車場氫燃料電池車輛與傳統(tǒng)燃油車輛混停、輪船運輸氫燃料電池車輛兩種受限空間場景，研究了火災蔓延傳播及對周邊的影響。孫金華、段強領、王昌建等國內學者[16-18]研究了受限空間內，不同尺寸管道內氫/空氣混合物的燃爆特性，并模擬了高壓氫氣泄漏在不同場景下的演化行為。趙明斌等[10]根據(jù)前人文獻數(shù)據(jù)，使用CFD軟件FLACS基于虛噴管假設模擬了高壓射流、噴射火與爆炸。建立了車庫的幾何模型，模擬了不同泄漏方向的內部與外部的泄漏演化情況，研究發(fā)現(xiàn)當泄漏方向為豎直向下時，氫氣將在車底積聚進而引發(fā)爆炸。相反，當泄漏方向豎直向上時，只會形成穩(wěn)定的射流火焰而不會引發(fā)爆炸。此外，當在燃料電池車內部發(fā)生爆炸時，事故影響區(qū)域僅在車廂內和車周邊較近的區(qū)域。

1.3 氫氣氣云爆炸

除了上述燃爆方面的研究外，Houf WG[19]等結合倉庫這一受限空間下氫燃料叉車的實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結果，提出自然通風和安裝泄壓板兩個降低氫氣爆炸超壓的措施。為了量化氫氣氣云爆炸，前人使用不同的特征參數(shù)描述受限空間的超壓特征。Hirano[20]忽略點火源位置和超壓產(chǎn)生機理，結合實驗數(shù)據(jù)分析得出了受限空間可燃氣體爆炸最大壓力計算模型。進一步，Molkov和Bragin[21]整理現(xiàn)有研究成果，修正現(xiàn)有公式得到了低強度的氫泄爆最大壓力計算公式。然而上述模型會高估較大的受限空間內的氫泄爆壓力。Bauwens和Chao等[22,23]開展受限空間可燃氣體爆炸實驗，認為瞬時壓力峰值從外部二次爆炸產(chǎn)生的壓力峰值、火焰前鋒接近壁面的壓力峰值和障礙物阻礙火焰?zhèn)鞑サ膲毫Ψ逯抵挟a(chǎn)生。針對氫氣，Bauwens等[24]開展大量實驗，基于氫/空氣混合氣體的Lewis數(shù)修正了受限空間爆炸沖擊的計算公式。但該模型需要的參數(shù)多，且只適用于貧燃料階段，因此應用存在局限性。此外，前人使用TNT炸藥當量表征受限空間下氫氣爆炸。在明確受限空間尺寸、爆炸位置和TNT炸藥當量后，可以計算爆炸壓力持續(xù)時間和最大爆炸壓力。然而該方法是一種簡化的計算方法，不能體現(xiàn)氫氣濃度的差異，且會高估受限空間內的氣云爆炸壓力。另外，陳曄等[25]總結了上述方法對受限空間氫氣爆炸的適用性并開展了FLACS模擬，對計算受限空間內氫氣爆炸壓力提出針對性建議。

2 受限空間燃料電池車輛相關標準規(guī)范

在對受限空間燃料電池車輛氫氣泄漏的擴散、射流燃燒和氣云爆炸等典型事故進行廣泛研究的基礎上，國內外機構總結現(xiàn)有工程應用經(jīng)驗，結合相關機理研究，提出了一系列燃料電池車輛相關標準與技術規(guī)范。美國National Fire Protection Association Standard 502 (NFPA 502)《Standard for Road Tunnels, Bridges, and Other Limited Access Highways》給出了隧道、橋梁和其他限制通行公路的建筑要求、防火要求、防火措施等。美國桑迪亞國家實驗室等機構以此為依據(jù)開展了隧道內燃料電池車輛的研究。中國汽車工業(yè)協(xié)會和中國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟燃料電池分會提出《氫燃料電池汽車安全指南(2019版)》，從燃料電池汽車整車通用安全、車載氫系統(tǒng)安全、燃料電池堆及系統(tǒng)安全、燃料電池汽車操作、維護及基礎設施安全4個專題提出了安全建議，給出氫氣泄漏應急處理措施及氫氣釋放的相關要求。GB/T 24549—2020《燃料電池電動汽車 安全要求》給出氫氣泄漏時車內、車外在開放與封閉空間內的氫氣濃度標準，并給出密封空間內氫氣泄漏試驗程序。GB/T 26990—2011《燃料電池電動汽車 車載氫系統(tǒng) 技術條件》給出了氫氣泄漏警告閾值及氫氣排放的原則。另外，GTR#13(Global Technical Regulation No. 13)中凝練地總結、評估了氫氣燃料電池車輛的安全隱患，列出了歐盟、日本、加拿大、韓國、中國、ISO、SAE、CSA、ECE等的燃料電池車輛相關標準，相關標準內容涵蓋廣，涉及完整性、安全管理、測試手段、氫氣要求和氫氣燃料電池車輛的特殊安全問題(如氫的性質、高壓儲氫、低溫、高壓電)等方面，為燃料電池車輛的生產(chǎn)制造、安全運行提供了重要參考。

3 受限空間燃料電池車輛安全措施研究現(xiàn)狀

目前，在燃料電池車輛安全方面的研究大多聚焦在開放空間，提出了加強車載儲氫裝置安全監(jiān)測與傳感器布局優(yōu)化、加強氫氣泄漏預警、加強駕駛人員安全培訓等安全措施[26]，而針對受限空間燃料電池車輛安全的研究比較有限。近年來，國內外專家學者開展了受限空間燃料電池車輛的安全機理研究，提出了該方面標準與安全指南。本文從中總結受限空間內燃料電池車輛的安全措施，將其歸納為防止氫氣積聚(減小氣體濃度)與防靜電(規(guī)避點火源)兩方面，具體包括以下內容：

a) 燃料電池車輛如需停放在室內場地，需要滿足整車密封空間測試要求，并對室內停車場而言，最高處應布置氫氣泄漏探測系統(tǒng)和聯(lián)動排氣裝置，以防止車庫內氫氣積聚。

b) 停車場地應保證通風良好、車道暢通，并遠離加油站、加氣站、熱源、潮濕、可燃設施及可燃物質堆放區(qū)域、有腐蝕氣體以及灰塵較大處。并應避免車輛或移動物體對車輛造成撞擊或擠壓。

c) 車庫使用燈具、排風機電機以及氫檢測傳感器均使用防爆型。

d) 車庫內嚴禁使用電源插座、接觸器、繼電器以及機械開關等可以引起電弧的用電裝置，嚴禁進行電焊、砂輪磨削等可以引起火花、電弧的操作。

e) 存放期間車輛加氫口必須蓋上蓋帽，防止雨水及灰塵侵入，確保加氫口艙門處于鎖閉狀態(tài)。

f) 專用停車場應排水、通風良好。建議車輛操作人員進入地下停車場或其他相對封閉的通用性場所前關閉燃料電池系統(tǒng)，以純電模式進入，離開后再打開燃料系統(tǒng)的混動模式。