燃料电池车辆前舱氢泄漏安全研究

李青曼刘峰王鹤天施俊胡淇超梁晓燕 AI汽车制造业 2025-11-03

当燃料电池乘用车车辆发生氢泄漏时，由于其涉氢空间较小，氢气聚集后易达到爆燃体积浓度。为评估燃料电池乘用车的氢泄漏安全性，本文针对某燃料电池MPV车型进行了前舱的氢泄漏试验，采集了测点的氢浓度，并建立了CFD氢泄漏仿真模型。结果表明，采用CFD稳态仿真的氢浓度结果与试验一致，且随着氢泄漏量的增大，无法完全逸散而累积在空间内的氢气越多。空间内的最大氢气浓度与氢泄漏量呈线性关系，可推断针对本文的MPV车型，其前舱内的安全极限泄漏量约11L/min，否则其前舱内累积的氢浓度会有爆燃风险。分析还得到前舱内氢浓度主要分布于2/3以上的高度内，在此布置逸散口的效果更好。以上分析结果可以为燃料电池车辆的爆燃防控设计提供参考。

0 前言

21世纪，氢能进入快速发展阶段，以氢气作为能源载体的燃料电池车近几年，加速了从科研到商业化的转变。目前，燃料电池在重卡、轻卡物流车、叉车等商用车领域的应用有较快的增长。随着氢能产业链的完善、基础建设的发展及成本的下降等，未来燃料电池也可能在乘用车推广应用，目前上海曾尝试投放燃料电池网约车，多家车企也曾推出过燃料电池乘用车样车。

在燃料电池车市场应用推广的同时，氢的安全使用不可忽视。氢气的密度小，易扩散，在储存和使用时容易泄漏。同时，氢气点燃后燃烧速度快，能量大，易产生爆炸事故，氢气的爆炸体积浓度范围很宽，为4%vol～75%vol，也有一些文章对车载用氢的安全控制方面开展了研究。由于目前燃料电池的应用车型是以重卡、客车等商用车为主，有不少文章针对商用车等大型车辆进行了氢气的泄漏和扩散研究，提出了一定的氢安全设计指导。但相比于大型车辆，乘用车的空间较小，涉氢部件空间占比较大，其前舱、乘员舱底部、行李箱空间都有分布，若发生氢气的泄漏，在狭小空间内容易发生聚集使氢气达到爆燃浓度。故燃料电池车用车的涉氢空间需要有更好的氢气疏散设计。

本文以某燃料电池MPV为研究对象，对其前舱空间内的泄漏疏散安全性开展试验及仿真研究。

1 氢泄漏试验

以某MPV车型为试验对象，测试氢气在空间内泄漏后的聚集浓度状态。此车型的燃料电池系统位于前舱，系统的大部分氢气管路均位于前舱底部或者后方，泄漏点易发生在管路接口处，故本试验选在前舱底部管路聚集处设置氢泄漏点，泄漏口直径为4mm，调节设备压力使排氢流量达到0.6L/min，模拟实际中的泄漏状态。

氢气的密度比空气小，在1个标准大气压下,氢气的密度为0.0899g/L，泄漏的氢气会向空间的上方逸散并聚集，故选择在前舱空间上方布置氢浓度传感器，可以测试到空间中最大的氢气浓度，传感器布点如图1所示。从排氢开始的时刻，用浓度传感器实时记录测试点的氢浓度变化，采样时间间隔为1s。

图1 前舱氢浓度传感器布点示意

各测点的浓度变化如图2所示，排氢约20s后，各个测试点的氢浓度快速达到峰值，在随后的300s内存在波动，但平均值基本不变，可认为舱内的浓度分布达到平衡。其中测试点3和4的浓度基本相同，平均浓度约0.6%vol，测试点2的平均浓度约0.5%vol，测试点1平均浓度约0.3%vol。

图2 氢浓度传感器采集数据

2 仿真建模

本文根据以上试验对象和测试条件建立氢气浓度分布CFD仿真模型，通过仿真进行试验对标，校正模型仿真准确性，为车辆氢安全评估及设计提供指导。

2.1 几何模型

如3图所示，燃料电池系统位于前舱空间内，空间坐标的X轴平行于车辆行驶方向，X轴负向为车辆行驶方向，Y轴平行于车身左右方向，Z轴为竖直方向。

图3 前舱及燃料电池系统几何模型

建模时需要对几何数模进行处理。提取前舱的内部壁面作为包络边界，省略前舱内的一些小型零件，比如线束、传感器等。燃料电池系统中结构复杂的零件需要进行简化处理，使表面平滑，这样便于后续网格的划分。

2.2 网格模型

采用多面体网格进行划分，对泄漏口出口处的网格进行加密。计算域内生成网格约185万个。生成的网格如图4所示。

图4 网格剖面示意

2.3 仿真条件

采用CFD软件进行氢气泄漏扩散的模拟分析，设置条件如下：

（1）采用多组分模型，设置氢气与空气混合气体。

（2）氢气泄漏时为射流状态，气体急速膨胀，属于可压缩流动，气体密度变换遵循理想气体状态方程。

（3）湍流模型采用适合计算复杂射流和混合流的Realizable k-ε模型。

（4）考虑重力影响，方向沿Z轴竖直向下，参考密度为空气密度1.29g/L。

（5）泄漏口处设置质量流量入口条件，泄漏方向竖直向上。

（6）由于试验时传感器布线使前舱盖有缝隙，故舱盖边缘设置为大气边界，表压为0Pa。

（7）前舱下方非密闭区域，与外界连通，设置为大气边界，表压为0Pa。

（8）初始状态下计算域内仅有空气。

（9）在仿真模型中，设置与试验对应的4个测试点，对氢气的浓度进行监测，浓度的单位为%vol。

（10）采用稳态进行计算，迭代至1000步，4个测试点的氢浓度数据开始稳定，认为计算达到收敛。

3 模拟结果

3.1 测试点氢浓度验证

计算达到稳定后，测试点3位置的浓度最高，接近0.55%vol，其余3个测试点浓度基本相同接近0.5%vol。测试点3与泄漏点处的距离最近，故浓度分布最高，与其余几个测点存在浓度梯度。除测试点1外，其余3个测点的浓度与仿真值基本相同。另外，以上仿真采用稳态求解，虽不体现浓度随时间波动变化特点，但对于稳态平均浓度的预测有一定准确度，可对氢安全的设计提供参考，如图5所示。

图5 测点氢浓度仿真收敛曲线

3.2 氢气浓度分布

泄漏初期，氢气来不及向外界逸出，空间内氢气泄漏量大于逸出量，从而使空间内的氢气积累，浓度升高；当泄漏量与逸出量达到平衡，空间中的氢气浓度也达到稳定不再上升。由于半开放空间内的氢浓度在泄漏一段时间后不再随时间变化，故本文可采用稳态计算的方法得到最终的浓度分布图。如图6所示，从浓度体积分布云图中可以看出，稳定状态下，正对泄漏口上方的区域浓度最大，与周围存在浓度差，沿竖直方向分布。空间内的氢气浓度有明显的分层现象，氢气聚集在空间的顶部，整体浓度较高，氢气向顶部四周扩散，充满舱内的上层空间。当氢气扩散至顶部与外界的缝隙出，可逸散至外界，而空间底部氢气浓度很低，氢气基本不会从底部的开放空间内逸出。

图6 前舱氢浓度分布云图

3.3 氢浓度安全极限评估

在当前流量下，空间内的氢浓度最大约0.55%vol，氢的燃烧爆炸体积浓度范围在4%vol～75%vol之间，若舱内的氢气泄漏流量更大，则有可能使空间内的氢气体积浓度达到危险范围，采用以上计算方法仿真了不同氢气泄漏流量下的浓度分布，见表1。

随着泄漏量的增大，空间内累积的氢气增多，最大氢浓度也逐渐接近爆燃区间。如图7所示，可以看出泄漏量与舱内最大浓度呈线性关系，可以推测当舱内泄漏量约11.5NL/min时，最大浓度可达到4%vol。虽然此时空间内的累积的氢气仅1g，却足以使空间的氢浓度达到爆燃危险区间。

图7 最大氢浓度与泄漏流量的关系曲线

如图8所示，通过仿真云图可以统计氢浓度在空间高度方向上的分布状态。由图9可看出，在各个氢泄漏量下的浓度分布具有相同的特点。前舱空间总高约0.85m，0.3m以下基本没有氢气；0.3～0.6m内，氢气浓度明显上升；0.6m以上氢气浓度达到最大且基本不变。故前舱1/3以下高度基本没有氢气，氢气基本集中在2/3以上高度的空间内。乘用车前舱空间为半开放空间，一般发动机下方、进气格栅等有开口与外界大气相通，仅假设上方盖板处有少量缝隙开口。故前舱主要开口位置均集中于下方，而氢气易在空间上方集中导致难以从前舱的开口空间处疏散出去。随着泄漏量的增大，空间内的氢浓度很容易进入爆燃范围。