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文章背景
近年来，氢能在能源、电力、交通领域逐渐规模化应用，同时面临严峻的安全性考验。由于氢气分子量小、能量密度高，一旦泄漏并聚集到燃烧或爆炸浓度范围，极易引发安全事故。在众多严重程度不同的安全事故中，氢气泄漏通常涉及失效传导机制的某一环节。根据美国能源部 (DOE) 支持建立的H2Tools氢安全数据库统计，在上报的220例涉氢事故中，有83例与氢泄漏直接相关，占总事故数的37.73%。实际上，在其他类型的事故中，氢泄漏也可能是事故的诱因、潜在后果或中间环节。因此，氢泄漏带来的安全风险亟需得到重视。
图1. 氢安全事件统计数据。
基于氢燃料电池客车场景的氢泄漏模拟
本研究基于某款氢燃料电池客车，针对氢气泄漏及扩散过程进行了仿真分析。当前的客车设计由于行李舱需求和限高要求，通常将氢气瓶置于乘员舱底部，并在四周设置围板保护。这种设计在保持客车原有结构的同时，也使氢系统更多地处于受限空间内，仅通过围板上的少量通风口进行排气。
氢系统失效形式中，管路接头的泄漏被列为首要考虑。这是因为相比其他部件 (如钢管、阀门、氢瓶)，管路与接头的连接质量更难控制，也更容易因非专业操作导致失效。对于客车常用的卡套式接头，其失效原因通常包括钢管或卡套表面存在污染或缺陷、行驶过程中的振动冲击、拧紧扭矩不足或扭矩衰减等。当失效发生时，氢气从卡套和钢管之间的密封副泄漏，并形成沿钢管方向的射流。
本研究考虑了氢燃料电池客车系统中的四个氢瓶瓶阀、两个三通汇流接头和一个四通分流接头，共13个管路接头及8个阀门连接作为潜在泄漏出口。基于实验数据标定，计算流体力学 (CFD) 模拟采用分离式求解器 (基于压力) 和二阶逆风离散方法。压力-速度耦合使用SIMPLEC算法，并结合具有隐式时间形式、浮力效应和标准壁函数的可实现k-ε湍流模型。
图2. 氢泄漏模拟场景及卡套式接头结构，接头截面上用红色和蓝色标注了密封副。
基于模拟结果，提取了空间顶部不同位置的氢气浓度变化规律 (时间分布)，这是当前传感器常用的安装位置。模拟显示，不同泄漏点与检测点的扩散特性差异显著，导致无法选出一个适用于所有情况且具备最短扩散响应时间的传感器安装点。以氢气开始释放到混合气浓度达到1%的时间作为氢泄漏响应时间指标，研究发现扩散特性受以下因素影响：
泄漏点的位置：氢气在浓度梯度和流体动量驱动下扩散，氢气浓度上升速度与泄漏点到检测点的距离密切相关。
射流方向：射流方向决定氢气云到达空间顶部时的初始位置。垂直射流通常直接上升，而水平射流可能会沿壁面扩散，导致扩散模式差异。
障碍物效应：尽管氢气可绕过障碍物流动，但由于障碍物表面的边界层效应，流动速度降低，影响障碍物后方的浓度分布。
图3. 部分氢泄漏模拟结果云图、不同位置的响应时间以及氢气浓度时变曲线。
氢泄漏传感器位置的量化风险评估
传感器安装位置的评估不能仅依赖检出时间，还需结合泄漏概率和风险模型综合考虑。由于涉氢事故的历史数据较少，传统频率统计方法难以获得一致性估计。本研究通过贝叶斯统计方法，将石化行业数据作为“先验”分布，并结合有限的涉氢数据进行更新，生成“后验”分布，作为泄漏频率预测依据。
基于此，构造了风险评估函数ADDI (平均检测延迟指数，Average Detection Delay Index)。ADDI综合评估了系统发生泄漏时，空间内任意点对泄漏的响应速度。对于单一传感器，ADDI的最小值点即为最佳安装位置；对于多传感器布置，则需优化其组合以最小化总ADDI。
在研究的车载场景中，对9个候选点位计算了ADDI及其组合，结果表明，当传感器数量增加至3个时，ADDI总和的改善不再显著，表明边际效应的存在。进一步研究还表明，加入近场传感器可显著降低ADDI。当在卡套接头处增加4个近场传感器时，系统的ADDI总和甚至优于3个普通传感器的方案。
图4. 使用普通传感器 (左图) 和普通传感器与近场传感器联用 (右图) 的ADDI随传感器数量变化规律。
图5. 用普通传感器 (左图) 和普通传感器与近场传感器联用 (右图) 的最优传感器位置组合。
总结
本研究基于CFD模拟分析了燃料电池客车储氢舱内氢气泄漏行为，归纳了影响扩散规律和响应时间的三大因素。通过结合贝叶斯估计和风险模型，提出了量化评估指标ADDI，用于优化传感器布置方案。研究结果显示，结合普通和近场传感器的多传感器设计方案能够显著提升检测性能，为氢气泄漏风险管理提供了新的思路。
原文出自Hydrogen 期刊：https://www.mdpi.com/2673-4141/5/4/52
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/hydrogen
本文撰稿人
邓欣涛 博士研究生
清华大学
致谢：国家重点研发计划资助，课题名称：车载氢系统泄漏多维联合检测及在线监测技术，课题编号：2021YFB2501504
Hydrogen 期刊介绍
主编： Prof. Dr. Thomas Klassen, University of the Federal Armed Forces Hamburg, Germany
期刊专注于发表氢科学与技术的化学、物理和工程进展相关的原创文章。期刊主题涵盖：氢气的生成和生产；储氢；氢应用；氢运输、分配和基础设施；氢的性质；氢安全；氢化合物；氢相关反应；氢同位素；氢相；原子和分子氢；氢能技术的环境方面和影响。
2023 CiteScore：3.6
Time to First Decision：14.8 Days
Acceptance to Publication：3.6 Days
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