基于通风安全的燃料电池发动机舱内氢泄漏量评价研究

2021-05-07醉WuDiWenZui

北京汽车 2021年2期

吴迪，文醉Wu Di，Wen Zui

吴迪，文醉
Wu Di，Wen Zui

（中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300）

基于通风理论分析影响燃料电池发动机舱内通风量的各个因素；通过试验验证、合理计算以及针对不同车型的燃料电池发动机舱空间大小假设，结合GB 3836.14─2014《爆炸性环境第14部分场所分类爆炸性气体环境》对舱内空间危险区域进行划分，得到燃料电池发动机舱内氢气最大释放速率的计算方法，可用于指导燃料电池汽车氢安全设计。

通风措施；氢气泄漏率；释放等级；危险区域

0 引言

氢燃料电池汽车具有高效率和零排放优点，被认为是新能源汽车的终极方案，具有广阔的发展前景。近年来，我国燃料电池客车在很多地区开始商业示范运营，其各种性能指标基本达到运营要求，并且开始迈向大规模产业化阶段。由于氢燃料电池中氢气的易挥发、易燃、易爆及氢脆等特性，使氢燃料电池汽车的安全性备受关注。确保用氢安全，需控制氢泄漏量和排氢浓度，需考虑使用材料、元器件防爆性能，做好氢气浓度监控等。

燃料电池发动机正常工作中会出现少量氢气泄漏，此时发动机舱作为一个封闭或半封闭空间，存在安全隐患；因此，除了在发动机舱内安装氢气浓度探测器外，还应该确保氢气外漏时不会出现舱内氢气聚集，避免局部氢气浓度升高产生爆燃风险[1]。

分析燃料电池发动机舱内的通风效果，评价在一定氢气释放流量下，发动机舱内的通风量是否满足氢安全要求，是否需要增加通风措施，以及在特定通风条件下，是否需要进一步限制氢气释放流量。

1 发动机舱内通风效果分析

1.1 舱内通风质量影响因素

通常乘用车燃料电池发动机舱体积小于1 m3，空间形状不规则且狭小，空气流动时容易产生较大阻力而造成通风不良，氢气密度小，容易在空间上方聚集，容易出现局部氢气浓度过高。商用车燃料电池发动机舱内部空间较大、形状规则且多为方形，空气流动相对较好，如客车常将其置于车辆尾部或顶部，货车常置于车头与货厢之间，其排风多置于顶部或侧上方，舱内也会布置其他车用部件，一定程度上会阻碍空气流动。

此外，燃料电池发动机舱内热源的数量和发热量也会影响氢气扩散。当舱内存在热源时，舱内空气被加热，空气压力降低而被排挤出壳体、舱体，这时外界空气进入壳体，在壳体内达到热平衡，如图1所示[2]。

根据热平衡原理得到消除内部热量所需的自然通风量为[3]

式中：为通风量，m3/s；为发热量，kJ/s；为空气的质量比热，取值1.01 kJ/(kg´℃)；p为排风温度，℃；j为进风温度，℃。

由式（1）可知，在相同的舱内空间下，热源发热量会影响通风效果，较大的发热量增强了舱内空气流动，总体通风效果与舱内空间大小和结构有关。在燃料电池发动机舱内，电堆等多个电器部件会产生热量，实际评估舱内通风量时不应忽略这些热量所造成的影响。

图1 舱内空气流动示意图

1.2 舱内空间危险区域划分

在GB 3836.14─2014《爆炸性环境第14部分场所分类爆炸性气体环境》中，根据爆炸性气体环境出现的频次和持续时间将危险场所分为0区（爆炸性气体环境连续出现或频繁出现或长时间存在）、1区（在正常运行时，可能偶尔出现爆炸性气体环境）、2区（在正常运行时，不可能出现爆炸性气体或者即使出现仅是短时间存在）。燃料电池发动机正常运行时，在排放口处可能会出现易燃气体危险区域，所以将此区域定义为1区；在燃料电池发动机舱内空间要求为2区，即中级通风，并要求通风良好时，可视情况采取监控、强制通风措施或通过系统自动切断氢源等其他有效措施预防或解除危险，如当探测到区域内的氢气浓度达到25%LEL（Lower Explosion Limited，爆炸下限）时，应采取应急措施稀释氢气浓度。燃料电池舱内垂直范围危险区域如图2所示。

图2 燃料电池舱内垂直范围危险区域示意图

2 氢泄漏量限值评定

2.1 舱内最大氢气泄漏量

为了确保氢气浓度始终在可控范围内，要求燃料电池发动机舱内不出现局部氢气浓度过高的情况，即保证发动机舱内空间划分为2区，至少为中级通风，该等级能够控制浓度；虽然释放源正在释放中，但区域界线稳定，在释放源停止释放后，爆炸性环境持续存在时间不会过长[4]。

稀释给定的可燃性物质达到低于爆炸下限规定浓度的新鲜空气的最小通风速率，即允许的最小通风量为

式中：（d/d）min为新鲜空气的最小体积流速，m3/s；（d/d）max为最大氢气泄漏量，m3/s；为环境温度；LELm为爆炸下限值，取值0.003 328 kg/ m3；为适用于爆炸下限的安全系数，其典型值=0.25（连续级释放和1级释放），=0.5（2级释放）；为爆炸性气体环境有效稀释程度，即通风效率系数，理想状态下=1，典型值=10，空气流动受阻碍时=5，考虑氢气的特点取=10。

为了满足中级通风要求，结合式（1），得到最大氢气泄漏量为

2.2 最大氢气泄漏量的影响因素

由式（3）可知，评估燃料电池发动机舱内允许的最大氢气泄漏量，需要计算或测量诸多参数，其中，可选择连续级释放或1级释放的典型值，即=0.25；应考虑不同车型的燃料电池发动机舱内空间的特点，乘用车可选择严苛的空气流动受阻的典型值，即=10，商用车取值为5～10；、、LELm为常数定值；因此，直接影响因素为舱内发热量、排风温度p、进风温度j，这些因素均与舱内空间达到热平衡时的通风量有关。当进风温度不变、舱内发热量一定时，可以通过改善燃料电池发动机舱的通风环境降低排风温度，提高通风量；当舱内通风环境受限时，可以进一步研究舱内各部件产生的总热量与排风温度之间的关系，评估舱内通风量是否满足允许最大氢气泄漏量的要求。

以某燃料电池客车为例，其燃料电池发动机舱布置于客车后侧，燃料电池发动机的额定功率为30 kW，舱内主要的发热部件包括燃料电池发动机、冷却水管路、排气管路、空压机、氢泵、电流转换器以及整车控制器等，当燃料电池发动机在额定功率下运行时，进风温度j（大气温度）约为27℃，其排风出口分布于燃料电池发动机舱的车身两侧上方，排风出口温度p约为38℃，通过假设和简化计算得到总发热量约为35 W，选取通风效率系数=6，根据式（3）计算得到允许的燃料电池发动机舱内最大氢气泄漏量为223 mL/min。