氢燃料电池汽车的氢泄漏检测概述

2023-06-01北京航天试验技术研究所何田田

军民两用技术与产品 2023年3期

北京航天试验技术研究所何田田张天

在石化能源不断耗竭的今天，氢作为一种可再生的清洁能量载体，广受世人青睐。世界范围内正以前所未有的速度和力度加快对氢能的研发，氢燃料汽车是氢能产业突出的应用之一。由于氢的理化特性，在使用时必须重视对氢气泄漏的检测。据统计，氢泄漏事故占加氢站事故总数的70%。因此，氢泄漏检测无疑是保障氢燃料电池汽车安全和提高氢利用率的关键技术之一。

一、氢燃料电池汽车全球技术法规中的氢监测要求

氢燃料电池汽车全球技术法规是全球氢燃料电池汽车各部分性能考核的准则，它详细介绍了氢燃料电池汽车各关键系统（加氢系统、储氢系统、供氢系统、燃料电池系统、电驱动和动力管理系统）的组成、功能和应注意的安全问题。GTR13规定了FCEV的安全要求，包括在使用中和碰撞后车辆外壳中允许的氢气浓度水平以及在某些正常操作模式下车辆排气中允许的氢气排放水平的规范[1]，封闭空间碰撞试验后的测试结果，采用传感器来测量氢气或氦气的积聚或氧气的减少，以此评估潜在的氢（或氦）泄漏，车辆排放尾气的氢气浓度水平应不超过8%（体积分数），运行期间3s内的氢气浓度不超过4%（体积分数）。

为了将GTR13纳入国家法规，美国国家可再生能源实验室（NREL）的传感器实验室和欧盟委员会联合研究中心（JRC）评估了GTR13中规定的关于氢气监测要求的合理性，进行了用于监测FCEV碰撞试验中氢/氦的传感器测试及碰撞试验后燃料系统完整性验证。

二、车载氢/氦传感器性能评估测试

1.传感器的选择与安装

在各种氢传感器类型中，热导传感器满足GTR13定义的验证氢安全合规性的要求。氢气的导热系数比其他气体的导热系数都高，热导传感器利用氢气导热系数高的特性来检测和监测空气或其他介质中的氢。而且，热导传感器不会受到干扰物的显著影响，NREL传感器测试实验室在氢安全传感器评估方面的经验，最终确定应用传感器型号HLS-440P进行测试[2]。

在每次碰撞测试中放置多个传感器以产生一些统计性数据。具体而言，每次碰撞测试准备5个传感器，3个安装在车辆中，另外2个备用，3次碰撞为一组。在碰撞测试期间，传感器由12V电池供电，采用2个可移动的控制器局域网络模块接口，将传感器连接到数据采集器上，数据采集器可在车辆外部执行监控，车辆还装有加速度计，可输出记录并提供振动和冲击数据。加速度计安装在车辆的不同位置，包括一个与传感器安装支架相邻的位置和一个直接连接到支架顶部的位置。加速度计数据“X”分量与传感器轴一致，而“Y”和“Z”分量与主传感器轴相切，通过在设施现场进行的短时间暴露于氦气（如冲击测试）来验证传感器存活率。

2.传感器的测试及结果

按照试验条件进行碰撞测试，包括正面碰撞、侧面碰撞移动变形屏障试验、侧面碰撞刚性杆试验、侧面碰撞试验测试、后冲击试验、整体传感器性能测试。正面碰撞、侧面碰撞移动变形屏障试验、侧面碰撞刚性杆试验、整体传感器性能的结果均与理论结果一致，侧面碰撞试验测试、后冲击试验中发现传感器会受到环境温度和湿度变化的影响，但都在可接受的范围内，如图1所示。

图1 侧面碰撞测试的图示

实验室评估证实，所选传感器与FCEV碰撞测试兼容，适用于氦气和氢气。传感器的检测限和线性范围符合碰撞测试要求，FCEV碰撞试验期间的传感器利用率应包括在所有车辆舱室中的测试。未来传感器应与当前数据采集系统兼容，以便将多个节点正确地处理到单个控制器局域网络输入中。此外，传感器还应包括与高压存储系统相关的组件周围的测试，以及检测车辆底部周围的压力释放后的气体浓度测试。

3.用于验证FCEV尾气排放的分析法

NREL和JRC传感器实验室针对GTR13的氢气监测要求进行验证，传感器技术符合GTR要求。在碰撞试验后验证燃料系统完整性，开发了用于分析FCEV尾气分析仪，研制了标准配置的热导传感器模型，以及用于监测和记录传感器信号的软件，同时开发了一种产生具有明确定义的组成和持续时间的气体脉冲方法。气体脉冲方法是将样品环注入已知浓度的测试气体，采用气相色谱仪或其他分析仪分析，样品环由2个独立的气流组成，一条路径用测试气体吹扫样品环路，第二条路径连续地将背景气体流到分析仪或传感器，激活电磁阀背景气流在到达传感器之前通过样品环，测试气体脉冲持续时间由样品环体积除以背景气体流速的比率设定。利用气体脉冲方法可表征传感器对瞬态气体脉冲和成分的性能，气体脉冲方法应注意的是传感器测量范围，测量气体暴露时间小于1s的传感器响应能力，以及背景气体对传感器响应的影响等。

三、FCEV泄漏检测方法

1.泄漏检测标准及方法

国际电工委员会IEC 62282标准中，提到了2种基于空气的氢泄漏检测方法：压力衰减方法和流量测量方法.国际标准ISO 22734中描述了氢气组件连接和管道接头的其他泄漏试验，包括气泡试验和示踪气体泄漏检测。欧洲标准EN 1779列出了7种基于空气和特定示踪气体的加压部件定量积分测量方法，规定泄漏率为零，包括氨泄漏检测、压力衰减、气泡测试、示踪气体等。ISO 20485中仅规定了示踪气体泄漏检测方法。

示踪气体泄漏检测方法是较为成熟的，在许多工业应用中得到了广泛应用，通常被认为是最敏感的泄漏测试方法。示踪气体泄漏检测在燃料电池电动汽车行业也得到了很好的应用。

美国能源部燃料电池技术办公室资助先进技术材料公司研发了用于汽车质子交换膜（PEM）燃料电池应用的一套物理和化学传感器，基于燃料重整器/PEM电池堆组件的板载控制，开发了氢安全和堆叠传感器，后续将商业化[4]。

欧盟委员会联合研究中心建立了可用于测试和验证各种氢传感器技术性能的设施，包括氢传感器使用的环境条件（温度、湿度和压力）测试、动态响应测试、疲劳测试、对目标气体的敏感性测试、与其他气体的交叉敏感性（反应和恢复时间）以及传感器的寿命。

日本研究了通过听觉检查氢燃料电池汽车氢气泄漏的方法，包括选择安全的氦气为氢气泄漏声替代气体，记录交通噪声，让消声室中的氢泄漏替代气体泄漏，同时再现记录的交通声音，重现氢气在交通噪声环境中从车辆泄漏的状态。该方法将用于氢泄漏的替代气体的流速转换为用于区分氢气流速的阈值。

该方法研究了选择氦气作为氢气替代气体的符合性，包括氦气对氢气的再现程度，车辆的氢气泄漏声对氢泄漏方向、距离和高度的依赖性进行测试。此外，研究了氢气流速作为区分城市地区两条车道交叉口噪音74 dB以下的氢气泄漏声音的阈值。研究结果获得了以下发现：一是在约74dB的交通噪声环境中，当接近距离氢气泄漏车辆中心10m的距离时，首次听到氢气泄漏声音的氢气泄漏量小于328 NL/min为0.95cm管道。二是由于来自车辆下部的氢泄漏声音具有取决于管道形状的方向性，所以最好在车辆周围行走时识别最大可听方向上的声音。此外，氢气泄漏声音取决于高度，在1.5m的高度最容易听到。三是当听到远离车辆的声音时，来自车辆下部的氢气泄漏声音变得更难以听到，但当靠近车辆时，由于衍射也会变得更难听到。

2.氢泄漏的安全防护

氢燃料电池汽车中应安装多个氢气传感器，传感器应考虑冗余设计并将各传感器布置在车辆内时氢气容易聚集的位置，氢传感器的报警阈值可以分段设置，以确保安全。同时装有碰撞传感器，当泄漏的氢气浓度超过阈值，或发生距离的碰撞，燃料电池系统会立即关闭燃气阀门并自动停机；当FCEV停运后，尤其是停驻在地下车库不受人们注意之处的情况下，氢燃料缓慢泄漏进入车辆排气系统。逸出的氢气也有可能会聚集在车体底下的，需要通过氢气泄漏传感器系统来进行检测和预防[6]。

日本汽车研究所通过对车厢的泄漏测试进行了一些不同的研究，以确定氢气泄漏检测传感器安装位置和阈值警报值，以响应日本道路运输车辆法。日本的道路运输车辆法要求在可能发生氢气积聚的区域安装氢传感器，氢气浓度监的报警设定值为4%（体积分数）[5]。

GB15322-2003《可燃气体探测器》中规定“仅有一个报警设定值的探测器，其报警设定值应在1%LEL～25%LEL范围”，LEL是指被测气体的爆炸下限。氢气在空气中的爆炸范围为 4%～75%（体积分数），氢气的爆炸下限为 0.18%（体积分数），因此氢气浓度监测报警系统的报警设定值应在0.04%～1%（体积分数）。GB40061《液氢贮存和运输技术要求》、GB50516-2010《加氢站技术规范》中都规定了将氢浓度监测报警系统的报警设定值规定为0.4%（体积分数）。

此外，所有燃料电池制造商在设计泄漏监控系统时应包含系统连锁功能，测量气体逸出量，输入数据，记录氢气逸出量并应有安全裕度，再将测量结果传输到控制系统，系统进行通风，以避免爆炸性混合物。