北京航天試驗(yàn)技術(shù)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(nèi)正以前所未有的速度和力度加快對(duì)氫能的研發(fā)，氫燃料汽車是氫能產(chǎn)業(yè)突出的應(yīng)用之一。由于氫的理化特性，在使用時(shí)必須重視對(duì)氫氣泄漏的檢測(cè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，氫泄漏事故占加氫站事故總數(shù)的70%。因此，氫泄漏檢測(cè)無疑是保障氫燃料電池汽車安全和提高氫利用率的關(guān)鍵技術(shù)之一。

一、氫燃料電池汽車全球技術(shù)法規(guī)中的氫監(jiān)測(cè)要求

氫燃料電池汽車全球技術(shù)法規(guī)是全球氫燃料電池汽車各部分性能考核的準(zhǔn)則，它詳細(xì)介紹了氫燃料電池汽車各關(guān)鍵系統(tǒng)（加氫系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、供氫系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、電驅(qū)動(dòng)和動(dòng)力管理系統(tǒng)）的組成、功能和應(yīng)注意的安全問題。GTR13規(guī)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(guī)范[1]，封閉空間碰撞試驗(yàn)后的測(cè)試結(jié)果，采用傳感器來測(cè)量氫氣或氦氣的積聚或氧氣的減少，以此評(píng)估潛在的氫（或氦）泄漏，車輛排放尾氣的氫氣濃度水平應(yīng)不超過8%（體積分?jǐn)?shù)），運(yùn)行期間3s內(nèi)的氫氣濃度不超過4%（體積分?jǐn)?shù)）。

為了將GTR13納入國家法規(guī)，美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的傳感器實(shí)驗(yàn)室和歐盟委員會(huì)聯(lián)合研究中心（JRC）評(píng)估了GTR13中規(guī)定的關(guān)于氫氣監(jiān)測(cè)要求的合理性，進(jìn)行了用于監(jiān)測(cè)FCEV碰撞試驗(yàn)中氫/氦的傳感器測(cè)試及碰撞試驗(yàn)后燃料系統(tǒng)完整性驗(yàn)證。

二、車載氫/氦傳感器性能評(píng)估測(cè)試

1.傳感器的選擇與安裝

在各種氫傳感器類型中，熱導(dǎo)傳感器滿足GTR13定義的驗(yàn)證氫安全合規(guī)性的要求。氫氣的導(dǎo)熱系數(shù)比其他氣體的導(dǎo)熱系數(shù)都高，熱導(dǎo)傳感器利用氫氣導(dǎo)熱系數(shù)高的特性來檢測(cè)和監(jiān)測(cè)空氣或其他介質(zhì)中的氫。而且，熱導(dǎo)傳感器不會(huì)受到干擾物的顯著影響，NREL傳感器測(cè)試實(shí)驗(yàn)室在氫安全傳感器評(píng)估方面的經(jīng)驗(yàn)，最終確定應(yīng)用傳感器型號(hào)HLS-440P進(jìn)行測(cè)試[2]。

在每次碰撞測(cè)試中放置多個(gè)傳感器以產(chǎn)生一些統(tǒng)計(jì)性數(shù)據(jù)。具體而言，每次碰撞測(cè)試準(zhǔn)備5個(gè)傳感器，3個(gè)安裝在車輛中，另外2個(gè)備用，3次碰撞為一組。在碰撞測(cè)試期間，傳感器由12V電池供電，采用2個(gè)可移動(dòng)的控制器局域網(wǎng)絡(luò)模塊接口，將傳感器連接到數(shù)據(jù)采集器上，數(shù)據(jù)采集器可在車輛外部執(zhí)行監(jiān)控，車輛還裝有加速度計(jì)，可輸出記錄并提供振動(dòng)和沖擊數(shù)據(jù)。加速度計(jì)安裝在車輛的不同位置，包括一個(gè)與傳感器安裝支架相鄰的位置和一個(gè)直接連接到支架頂部的位置。加速度計(jì)數(shù)據(jù)“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(shè)施現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的短時(shí)間暴露于氦氣（如沖擊測(cè)試）來驗(yàn)證傳感器存活率。

2.傳感器的測(cè)試及結(jié)果

按照試驗(yàn)條件進(jìn)行碰撞測(cè)試，包括正面碰撞、側(cè)面碰撞移動(dòng)變形屏障試驗(yàn)、側(cè)面碰撞剛性桿試驗(yàn)、側(cè)面碰撞試驗(yàn)測(cè)試、后沖擊試驗(yàn)、整體傳感器性能測(cè)試。正面碰撞、側(cè)面碰撞移動(dòng)變形屏障試驗(yàn)、側(cè)面碰撞剛性桿試驗(yàn)、整體傳感器性能的結(jié)果均與理論結(jié)果一致，側(cè)面碰撞試驗(yàn)測(cè)試、后沖擊試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)傳感器會(huì)受到環(huán)境溫度和濕度變化的影響，但都在可接受的范圍內(nèi)，如圖1所示。

圖1 側(cè)面碰撞測(cè)試的圖示

實(shí)驗(yàn)室評(píng)估證實(shí)，所選傳感器與FCEV碰撞測(cè)試兼容，適用于氦氣和氫氣。傳感器的檢測(cè)限和線性范圍符合碰撞測(cè)試要求，F(xiàn)CEV碰撞試驗(yàn)期間的傳感器利用率應(yīng)包括在所有車輛艙室中的測(cè)試。未來傳感器應(yīng)與當(dāng)前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兼容，以便將多個(gè)節(jié)點(diǎn)正確地處理到單個(gè)控制器局域網(wǎng)絡(luò)輸入中。此外，傳感器還應(yīng)包括與高壓存儲(chǔ)系統(tǒng)相關(guān)的組件周圍的測(cè)試，以及檢測(cè)車輛底部周圍的壓力釋放后的氣體濃度測(cè)試。

3.用于驗(yàn)證FCEV尾氣排放的分析法

NREL和JRC傳感器實(shí)驗(yàn)室針對(duì)GTR13的氫氣監(jiān)測(cè)要求進(jìn)行驗(yàn)證，傳感器技術(shù)符合GTR要求。在碰撞試驗(yàn)后驗(yàn)證燃料系統(tǒng)完整性，開發(fā)了用于分析FCEV尾氣分析儀，研制了標(biāo)準(zhǔn)配置的熱導(dǎo)傳感器模型，以及用于監(jiān)測(cè)和記錄傳感器信號(hào)的軟件，同時(shí)開發(fā)了一種產(chǎn)生具有明確定義的組成和持續(xù)時(shí)間的氣體脈沖方法。氣體脈沖方法是將樣品環(huán)注入已知濃度的測(cè)試氣體，采用氣相色譜儀或其他分析儀分析，樣品環(huán)由2個(gè)獨(dú)立的氣流組成，一條路徑用測(cè)試氣體吹掃樣品環(huán)路，第二條路徑連續(xù)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(dá)傳感器之前通過樣品環(huán)，測(cè)試氣體脈沖持續(xù)時(shí)間由樣品環(huán)體積除以背景氣體流速的比率設(shè)定。利用氣體脈沖方法可表征傳感器對(duì)瞬態(tài)氣體脈沖和成分的性能，氣體脈沖方法應(yīng)注意的是傳感器測(cè)量范圍，測(cè)量氣體暴露時(shí)間小于1s的傳感器響應(yīng)能力，以及背景氣體對(duì)傳感器響應(yīng)的影響等。

三、FCEV泄漏檢測(cè)方法

1.泄漏檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及方法

國際電工委員會(huì)IEC 62282標(biāo)準(zhǔn)中，提到了2種基于空氣的氫泄漏檢測(cè)方法：壓力衰減方法和流量測(cè)量方法.國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 22734中描述了氫氣組件連接和管道接頭的其他泄漏試驗(yàn)，包括氣泡試驗(yàn)和示蹤氣體泄漏檢測(cè)。歐洲標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量方法，規(guī)定泄漏率為零，包括氨泄漏檢測(cè)、壓力衰減、氣泡測(cè)試、示蹤氣體等。ISO 20485中僅規(guī)定了示蹤氣體泄漏檢測(cè)方法。

示蹤氣體泄漏檢測(cè)方法是較為成熟的，在許多工業(yè)應(yīng)用中得到了廣泛應(yīng)用，通常被認(rèn)為是最敏感的泄漏測(cè)試方法。示蹤氣體泄漏檢測(cè)在燃料電池電動(dòng)汽車行業(yè)也得到了很好的應(yīng)用。

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

歐盟委員會(huì)聯(lián)合研究中心建立了可用于測(cè)試和驗(yàn)證各種氫傳感器技術(shù)性能的設(shè)施，包括氫傳感器使用的環(huán)境條件（溫度、濕度和壓力）測(cè)試、動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試、疲勞測(cè)試、對(duì)目標(biāo)氣體的敏感性測(cè)試、與其他氣體的交叉敏感性（反應(yīng)和恢復(fù)時(shí)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(shí)再現(xiàn)記錄的交通聲音，重現(xiàn)氫氣在交通噪聲環(huán)境中從車輛泄漏的狀態(tài)。該方法將用于氫泄漏的替代氣體的流速轉(zhuǎn)換為用于區(qū)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(duì)氫氣的再現(xiàn)程度，車輛的氫氣泄漏聲對(duì)氫泄漏方向、距離和高度的依賴性進(jìn)行測(cè)試。此外，研究了氫氣流速作為區(qū)分城市地區(qū)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(jié)果獲得了以下發(fā)現(xiàn)：一是在約74dB的交通噪聲環(huán)境中，當(dāng)接近距離氫氣泄漏車輛中心10m的距離時(shí)，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(shí)識(shí)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(dāng)聽到遠(yuǎn)離車輛的聲音時(shí)，來自車輛下部的氫氣泄漏聲音變得更難以聽到，但當(dāng)靠近車輛時(shí)，由于衍射也會(huì)變得更難聽到。

2.氫泄漏的安全防護(hù)

氫燃料電池汽車中應(yīng)安裝多個(gè)氫氣傳感器，傳感器應(yīng)考慮冗余設(shè)計(jì)并將各傳感器布置在車輛內(nèi)時(shí)氫氣容易聚集的位置，氫傳感器的報(bào)警閾值可以分段設(shè)置，以確保安全。同時(shí)裝有碰撞傳感器，當(dāng)泄漏的氫氣濃度超過閾值，或發(fā)生距離的碰撞，燃料電池系統(tǒng)會(huì)立即關(guān)閉燃?xì)忾y門并自動(dòng)停機(jī)；當(dāng)FCEV停運(yùn)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(jìn)入車輛排氣系統(tǒng)。逸出的氫氣也有可能會(huì)聚集在車體底下的，需要通過氫氣泄漏傳感器系統(tǒng)來進(jìn)行檢測(cè)和預(yù)防[6]。

日本汽車研究所通過對(duì)車廂的泄漏測(cè)試進(jìn)行了一些不同的研究，以確定氫氣泄漏檢測(cè)傳感器安裝位置和閾值警報(bào)值，以響應(yīng)日本道路運(yùn)輸車輛法。日本的道路運(yùn)輸車輛法要求在可能發(fā)生氫氣積聚的區(qū)域安裝氫傳感器，氫氣濃度監(jiān)的報(bào)警設(shè)定值為4%（體積分?jǐn)?shù)）[5]。

GB15322-2003《可燃?xì)怏w探測(cè)器》中規(guī)定“僅有一個(gè)報(bào)警設(shè)定值的探測(cè)器，其報(bào)警設(shè)定值應(yīng)在1%LEL～25%LEL范圍”，LEL是指被測(cè)氣體的爆炸下限。氫氣在空氣中的爆炸范圍為 4%～75%（體積分?jǐn)?shù)），氫氣的爆炸下限為 0.18%（體積分?jǐn)?shù)），因此氫氣濃度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的報(bào)警設(shè)定值應(yīng)在0.04%～1%（體積分?jǐn)?shù)）。GB40061《液氫貯存和運(yùn)輸技術(shù)要求》、GB50516-2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》中都規(guī)定了將氫濃度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的報(bào)警設(shè)定值規(guī)定為0.4%（體積分?jǐn)?shù)）。

此外，所有燃料電池制造商在設(shè)計(jì)泄漏監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)應(yīng)包含系統(tǒng)連鎖功能，測(cè)量氣體逸出量，輸入數(shù)據(jù)，記錄氫氣逸出量并應(yīng)有安全裕度，再將測(cè)量結(jié)果傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)，以避免爆炸性混合物。

四、結(jié)論

氫泄漏檢測(cè)是保障氫安全和提高氫利用率的關(guān)鍵技術(shù)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(cè)方法，如壓力衰減法、示蹤氣體泄漏檢測(cè)方法，我國的氫燃料電池汽車技術(shù)還在起步階段，可開發(fā)用于氫燃料電池汽車的熱導(dǎo)傳感器，并且把握氫能產(chǎn)業(yè)持續(xù)升溫的發(fā)展機(jī)遇，加快標(biāo)準(zhǔn)制定，推進(jìn)技術(shù)落地。