燃料电池城市客车氢气泄漏扩散研究

胡中强，邓亚东，李景利，冉 渊

(1.武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070； 2.中通汽车工业集团有限责任公司，山东 聊城 252000)

燃料电池汽车凭借其零排放、加氢时间短、续驶里程长等优点逐渐成为企业与科研机构的研发热点[1]。城市客车由于布置空间充足、配套设施易于建设，以及可观的燃料电池汽车补贴，使得国内各大客车厂家都加大了对燃料电池客车的研发力度[2]。但是，氢气的扩散系数大，爆燃的体积范围广，而现在的储氢技术很难完全避免氢气的泄漏扩散，因此氢气的存储与应用仍存在一定的危险性[3-4]。

由于氢气泄漏试验危险性高，现在主要利用物理性质相近的惰性气体代替氢气进行试验，或者直接采用数值模拟计算方法对氢气的泄漏扩散进行研究[5-6]。但以往的研究主要涉及开放环境或大型室内空间，对于客车氢气瓶舱这种狭小半开放区域内的氢气泄漏扩散情况研究甚少。因此，笔者采用数值模拟对燃料电池城市客车氢气瓶舱内氢气泄漏扩散的规律进行了分析，相关结论可以为燃料电池客车氢安全设计以及氢安全监测提供一定的参考。

1 数值模拟

1.1 物理模型

考虑客车的布置空间与外观造型等问题，目前大部分燃料电池客车均把氢气瓶舱布置在车辆顶部[7]，如图1所示。该燃料电池客车，其顶部氢气瓶舱布置于空调前方，提取出来的氢气瓶舱的三维模型如图2所示。模型坐标系与车辆坐标系保持一致：X轴平行于地面指向车辆前方，Z轴竖直向上，Y轴指向驾驶员的左侧。设距离进风口最近的氢气瓶轴线与氢气瓶舱Y方向对称面的交点作为坐标原点。

图1 燃料电池客车外形图

图2 氢气瓶舱简化模型

氢气瓶舱主体尺寸为1 910 mm×2 350 mm×280 mm，内置4个直径为370 mm，长1 800 mm的标准140 L氢气瓶。氢气瓶舱前后共开设4个380 mm×180 mm的进出风口，假设距进风口最近的氢气瓶瓶口处发生泄漏，泄漏孔直径为8 mm。

1.2 网格划分

为了提高网格划分的效率，采用四面体网格对计算域进行划分。由于氢气泄漏口直径较小，泄漏口附近氢气处于高速射流状态，因此需要对泄漏口处网格进行一定的加密处理，以此来提高网格质量和计算精度。网格总体尺寸为20 mm，对泄漏口处的网格进行加密，加密尺寸分别为2 mm、0.4 mm，最终网格划分情况如图3所示，网格数量约400万。

图3 氢气瓶舱网格划分示意图

1.3 计算系数设置

对车辆在静止与正常行驶两种工况下的氢气泄漏扩散情况进行计算，计算域边界如图2所示。

选用FLUENT软件的组分传输模块及realizablek-ε湍流模型对客车顶部氢气瓶舱内氢气的扩散进行计算[8]并做如下假设：

(1)泄漏口直径保持不变，氢气以恒定速率释放，且假设为理想气体；

(2)氢气泄漏过程中不与外界发生化学反应；

(3)氢气瓶舱的壁面等温绝热且光滑。

车辆静止时，计算域中氢气瓶泄漏口边界设定为质量入口，泄漏速度取2 g/s[9]，氢气组分浓度设置为1，即认为泄漏口为纯氢气泄漏；氢气瓶舱的进出风口均设置为压力出口，出口压力为1个大气压，氢气组分浓度设置为0，即认为初始条件下氢气瓶舱内无微量泄漏的氢气；其他壁面均设置为无滑移壁面；压力、温度、空气密度和空气粘度均采用温度为25 ℃时的参数。计算中考虑重力的影响，重力加速度为9.8 m/s2。

车辆正常行驶时，根据如图4所示的中国典型城市公交循环工况[10]，取该工况的平均车速15.9 km/h作为匀速工况的速度条件，计算域中氢气瓶舱的进风口设置为速度入口(v=15.9 km/h)，其余边界条件与静止工况一致。边界条件的具体设置如表1所示。

图4 中国典型城市公交循环工况

表1 边界条件设置

计算域边界边界类型边界参数泄漏口质量入口2 g/s进风口静止:压力出口匀速工况:速度入口静止:大气压力匀速工况:15.9 km/h出风口压力出口大气压力氢气瓶舱外壁无滑移壁面/氢气瓶瓶身无滑移壁面/

2 仿真结果分析

为了对空间内氢气泄漏扩散后的分布情况进行更有效直观的分析，X方向选取4个过氢气瓶轴线的面以及最外侧两个等面积截面；Y方向选取整个模型的对称面、通风口的对称面以及最外侧两个等面积截面；Z方向选取过4个氢气瓶轴线的面作为特征面，即选取x=200、x=0、x=-430、x=-860、x=-1290、x=-1490；y=-1 000、y=-500、y=0、y=500、y=1 000；z=0(单位mm)这几个面作为特征面进行分析。

2.1 静止工况

由于氢气的爆炸范围为4%～75%(体积分数)，因此在氢气体积分数云图中只显示4%～75%的部分，可以更直观地表示出氢气瓶舱内的危险区域分布。

图5 静止工况下氢气浓度分布云图

图5为静止工况下氢气瓶舱内各特征面上氢气浓度(4%～75%)的分布图。由图5可以看出，整个氢气瓶舱内大部分区域的氢气浓度都处于爆炸范围之内。氢气泄漏后泄漏口处形成锥形的高浓度区域(图5(c)中注明区域)，局部氢气浓度已经超过75%的氢气爆炸范围。

由于氢气具有良好的扩散性，因此氢气在离开泄漏口一段距离后，浓度迅速下降，在接触氢气瓶舱壁面后迅速向四周扩散，在整个氢气瓶舱内形成较为均匀的分布情况。

随着泄漏扩散的进行，由于氢气密度小于空气密度，氢气有明显的向上扩散趋势，因此整个氢气瓶舱上部区域的氢气浓度要略大于下部区域，形成分层现象。

氢气泄漏最终达到稳态后，氢气在泄漏口处的顶角附近发生明显的聚集，形成高浓度区域，浓度达到50%以上。同时氢气瓶舱内的大部分区域氢气浓度在30%～50%之间。而氢气瓶舱前后进出风口处的氢气浓度较低，约在0%～10%范围内，小部分区域低于4%的爆炸极限。

在车辆长时间静止不动时，若氢气瓶舱内发生氢气泄漏，氢气瓶舱易发生爆炸燃烧，需要做好氢气浓度的实时监测与远程报警工作。

2.2 匀速工况

当车辆以15.9 km/h行驶时，设氢气瓶舱前的进风口以15.9 km/h沿X负方向进风，可以得到此时氢气泄漏的扩散情况。

图6为匀速工况下氢气瓶舱内各特征面上氢气浓度(4%～75%)的分布图。由图6可知，由于进风口的气流加强了氢气瓶舱内氢气的扩散，氢气在泄漏扩散达到稳态后，只有泄漏口附近氢气浓度仍保持在50%以上，其他部分的氢气浓度均有大幅度降低。其中氢气瓶舱内靠近泄漏口一侧的氢气浓度大约保持在30%以下，而氢气瓶舱内远离泄漏口约3/4的区域氢气浓度已经下降到4%以下，低于氢气的爆炸浓度，没有被点燃的危险。

图6 行驶工况下氢气浓度分布云图

由图5和图6可知，无论车辆处于静止还是匀速行驶状态，氢气瓶舱内氢气浓度最高的区域均为图7所示监测线附近的区域，因此，可在该位置设置氢安全监测点。静止与匀速工况下，监测线上的氢气浓度分布如图8所示。

图7 氢气浓度监测点示意图

图8 不同工况监测线氢气浓度分布

对比发现，通风情况下监测线上的氢气浓度较静止时平均下降约20%，且随着与泄漏口距离的增大，氢气浓度的下降更为明显。由上述分析可知，当车辆处于行驶状态时，由氢气瓶舱进气口进入的空气对氢气瓶舱内泄漏氢气的扩散可以起到很大的促进作用，使氢气瓶舱内大部分区域的氢气浓度下降到爆炸水平之下，大大降低了氢气泄漏后产生爆燃的可能性。但是氢气泄漏口一侧仍有一定区域的氢气浓度在可燃范围之内。

3 匀速工况下进气角度对氢气扩散的影响

根据进风口进入氢气瓶舱的空气迹线图(图9)可知，当进风口沿X负方向进风时，新进入的空气只有很少部分可到达氢气瓶舱两侧的区域，很难对泄漏源处的扩散情况产生直接影响，而这部分区域正是氢气最容易发生聚集的区域，因此氢气瓶舱的进风口存在一定的改进空间。

图9 进风口空气流动迹线图

为改进氢气瓶舱的通风效果，在氢气瓶舱进风口处设置不同进气角度(0°～60°，进气格栅角度过大会影响进气效率)的进气格栅，如图10所示，对进入氢气瓶舱的气流进行导流。经过数值模拟，得到进气格栅进气角度α为15°、30°、45°、60°时氢气泄漏后氢气瓶舱内的氢气浓度分布情况。

图10 氢气瓶舱进气格栅示意图

在图7相同位置设置若干监测点，对不同进气角度下监测线上的氢气浓度进行监测，得到不同进气角度下监测线上氢气浓度分布情况如图11所示。

图11 不同进气角度监测线氢气浓度分布

从图11可知，监测线上的氢气浓度随着与泄漏口距离的增大而呈现出减小的趋势。加装进气格栅后，各个进气角度下，监测线上的氢气浓度均低于30%。其中，采用30°进气格栅时，监测线上的氢气浓度最高约为15%，且当与泄漏口的距离超过0.7 m后，氢气浓度下降至接近于4%的氢气爆炸极限，氢气扩散情况最好。综上考虑，当进气格栅角度为30°时，氢气瓶舱内氢气的可燃区域体积处于理论最低状态，发生爆燃的概率最低。

在氢气瓶舱4个顶角以及分析中设置的监测线处布置若干氢气浓度传感器，可以对氢气瓶舱内的氢气浓度形成有效的监控。同时，在通风口采用30°进气格栅，可以有效提高氢气扩散效率，提高该燃料电池客车的氢安全性。

4 结论

氢气瓶舱顶部边角处是氢气扩散后易形成高浓度聚集的区域，可以适当在易发生氢气泄漏的瓶口两侧顶部边角处布置氢气监测传感器，对氢气瓶舱内的氢气浓度进行预警。

当车辆正常行驶时，氢气瓶舱的通风系统会大幅度促进氢气泄漏后的扩散情况，使氢气瓶舱内大部分区域的氢气浓度都低于爆炸极限。同时，选择合适的通风口进气角度，可以进一步提高氢气的扩散效率，提高燃料电池客车的行车安全。