再现燃料电池电动汽车的氢罐爆炸：一项实验研究（IV储氢气瓶安全性研究）
摘要：
随着通过《巴黎协定》（2015 年）做出的全球范围内减少碳排放的决定，对氢燃料汽车的需求一直在增加。虽然氢气不是有毒气体，但它具有广泛的可燃范围（4%至 75%），并且可能由于静电而爆炸。因此，迫切需要进行氢气安全研究。 在本研究中，通过对燃料电池电动汽车（FCEV）的下部施加火焰来引发爆炸。在车辆安装的三个压缩氢气储存罐中，有两个没有氢气燃料，一个装满了 700 巴的压缩气态氢气，并强制停用其温度激活的压力释放装置。侧向超压传感器按距离在主要方向上安装，以测量车辆爆炸产生的侧向超压。安装了一个 10 米长的防护屏障，在其上测量反射过压、位移和加速度，以检查在发生事故时爆炸损伤的衰减效果。车辆在点火后大约 11 分钟爆炸，产生了冲击波、火球和碎片。实验结果表明，防护屏障几乎可以完全阻挡爆炸期间产生的爆炸压力、烟雾和散射。通过 Probit 函数分析，根据峰值超压、峰值脉冲和散射推导出事故发生的概率。本研究的结果可用于为消防员制定标准操作程序（SOP），作为设置初始操作位置和推导安全分隔距离的基础数据。
一、介绍：
通过《巴黎协定》（2015 年），国际社会已同意减少温室气体排放，以降低气候变化的风险和影响。该协议的主要内容包括将全球平均气温的上升幅度保持在远低于工业化前水平 2 摄氏度以下，并努力将温度上升限制在工业化前水平 1.5 摄氏度以下[1]。为实施此国际条约，韩国共和国已决定到 2030 年将碳排放量比 2018 年减少 40%，并旨在到 2050 年通过将净碳排放量减少到零来实现碳中和，截至 2021 年 8 月，韩国已在枢纽城市、附近城市和高速公路沿线建造了加氢站。此外，还积极建造了多能源加气站，在现有的内燃机车辆内部加气站安装了加氢站[2]。
氢气具有广泛的可燃范围（4-75%），并且可能由于静电而爆炸。其在空气中的火焰温度可上升至 2045 摄氏度，当发生喷射火时[3]。与氢气气体设施相关的事故分为喷射释放、喷射火和爆炸。如果在泄漏后立即点火，则会发生喷射火，而泄漏后的延迟点火会导致蒸气云爆炸（VCE）[4]。当液态氢罐被加热并爆炸时，会发生沸腾液体膨胀蒸气爆炸（BLEVE）[5]。爆炸迅速释放能量，并伴有冲击波、碎片、碎屑、热通量、噪音等。根据传播速度，爆炸可分为爆炸（传播速度：1000——3500 米/秒）或爆燃（传播速度：0.1——10 米/秒）[6]。爆燃的传播速度比爆炸慢，因为在爆燃的情况下，压力面以低于声速的速度移动，反应面稍后移动。氢气罐爆炸对应于爆炸[7]。
氢气不是有毒气体，在泄漏时对人体无害。然而，由于其低点火能量和广泛的可燃极限，始终存在爆炸的风险。因此，在应对事故时需要谨慎。此外，由于大多数设施中以高压气体的形式储存和使用氢气，事故会以喷射的形式快速释放高压氢气，形成可燃区[8]。它限制了事故发生时的消防活动范围，并是设立危险区域和事故响应区域的主要障碍。
对加氢站[9,10]、氢气屋（燃料电池室）[11,12]、隧道[13]和氢电动汽车[14]的氢气安全进行了研究。一些研究已经开展，以找出氢气储存罐的热降解机制，以便验证复合材料在暴露于火灾时的阻力性能[15-18]。通过额外的火灾测试在不填充氢气的情况下确定机制[19,20]。根据关于氢和燃料电池车辆的全球技术法规（联合国 GTR 第 13 号）对发生在氢罐下部的池火事故的事故场景进行了氢燃料电池汽车火灾的实验[21,22]。一些研究是为了探索在火灾暴露下复合高压氢气储存罐的热性能，以降低储罐破裂的风险[23]，并改进热性能[24]。特别是，昆德里亚科夫研究了隧道中氢气罐破裂的爆炸波和火球演变，发现化学能对爆炸波强度有很大的贡献[25]。扎洛什进行了实验，探索来自 35 兆帕氢气罐破裂的超压，表明距离罐 1.9 米处的最大超压约为 300 千帕。还发现安装在车辆下方的氢气罐产生的爆炸波小于独立罐的爆炸波，因为车身减少了压力传播[26,27]。莫尔科夫分析了扎洛什的实验数据，提出了适当的分析模型来预测不同距离罐的峰值超压。
尽管最近制造的大多数商用 FCEV 都安装了 70 兆帕的储存罐，但Tamura 等人进行的研究只是对 70 兆帕储罐爆炸的危害进行的实验工作观察。此外，令人惊讶的是，没有对装有 70 兆帕储存罐的 FCEV 的爆炸危害进行实验观察。
本研究采用了氢汽车底部发生池火并加热 70 兆帕压缩氢气储存罐的事故场景，增加了罐内的温度和压力。一般来说，TPRD 设计用于在发生火灾时释放内部氢气气体；然而，对于本研究的实验，选择了 TPRD 不工作的最坏情况场景，以得出由压力和碎片引起的爆炸的损害范围。实验结果提供了 70 兆帕氢气汽车爆炸的危害，导致用于定量风险分析（QRA）的意外强度。它还提供了标准操作程序（SOP）和环保车辆（ISO 17268[34]、SAE J2600[35]、EU 406[36]、GB T26779[37]）安全相关技术标准中的分离距离的信息。
好的，以下是这段文字的翻译：
二、实验
实验设置
如图 1 所示，在一个室外场地进行了一项实验。实验中使用的氢燃料汽车包括三个压缩氢气储存罐；汽车前部的两个储存罐完全排出氢气以使其变为空的，以避免发生爆炸。车辆后部的储存罐被充电至 700 巴（2.1 千克）的氢气，移除 TPRD 并密封，以创造一个人为的爆炸环境。所有内部材料和车辆的轮胎都被移除，以减少实验中产生的有害气体，并且车辆的轮高被调整以匹配其带有轮胎的高度（图 1（b））。
图1 试验布局
FCEV 中位于车辆中下部分的燃料电池将储存在罐中的氢气的化学能转化为电能，以驱动发动机。氢气从氢气罐沿着管道进入燃料电池，燃料电池产生的电能通向发动机。根据驾驶条件，燃料电池产生的一部分电能存储在罐顶部的电池中。氢燃料汽车还配备有 TPRD、泄压阀（RV）、氢气探测器和氢气供应关闭装置[38]。
在本实验中使用的 FCEV 是前轮驱动（FWD）运动型多用途车（SUV）。氢气罐为 4 型，其内壳采用聚酰胺衬里以在 700 巴的高压下储存氢气，外壳由塑料衬里和碳纤维制成。三个相同大小的压缩氢气储存罐放置在车辆后部的下部，完全充电时的总氢气容量为 6.3 千克。为防止紧急情况下发生爆炸，每个氢气罐都安装了一个 TPRD；其设计方式是在温度达到 110 摄氏度或更高时打破玻璃灯泡，将高压氢气向外释放，方向与驾驶员座位相反。
图 2：事故场景重现所用设备的图像。 或者
在氢燃料汽车下方放置了正庚烷燃烧器，以模拟类似实际车辆火灾的环境，如图 2 所示。正庚烷被设计为通过 24 个喷嘴以 1.8 升/分钟的速度喷洒，在其上方安装了一个电动点火器。实验期间提供的总热量约为 172,000 千卡，在氢气容器爆炸后停止向燃烧器供应正庚烷。
按照钢板防火墙（KGS FP217 [39]）的安装标准安装了防护屏障。基础由钢筋混凝土制成，在其上方，钢板（高度：2 米，宽度：10 米，厚度：4.5 毫米）与锚栓连接。反射压力变送器（3 个，H：1.2 米）、位移变送器（1 个，H：1.8 米）和加速度计（1 个，H：1.8 米）安装在防护屏障上（图 4）。
在本研究中，最重要的测量目标是压力，其布置如图 3 所示。入射压力变送器放置在已移除 TPRD 并用塞子封闭的氢气罐的东、西、南、北方向。入射压力变送器在车辆东侧距离 3、5、10 和 15 米处（4 个），在车辆西侧距离 3 和 5 米处（2 个），在车辆南侧距离后方 3、5、10 和 15 米处（4 个），在车辆北侧距离前方 3 和 5 米处（2 个）。防护屏障安装在距离车辆西侧 5 米处，入射压力变送器（3 个）也安装在屏障后面的一定距离处（1、3、5 米）。燃料箱和供应系统距离氢燃料汽车 15 米，实验人员在距离 50 米的控制室进行测试。
图3 试验设备布置
测量设备的规格列在表 1 中。使用数据记录器，通过来自测量设备的电气信号，以每秒 100 万个数据的速率接收数据，测量设备包括 15 个侧向超压变送器、3 个反射压力变送器、1 个加速度计和 1 个位移量表。
图4 设备照片
如图 5 所示，总共安装了 5 个热电偶（K 型）在驾驶员座椅、乘客座椅、装满氢气的氢气容器底部（距容器底部 0.1 米，2 个）和氢气罐上方的电池表面上。每个都设置为每秒钟接收 5 个数据。
图5 热电偶位置
爆炸测试结果
从氢容器底部开始的火焰随着时间蔓延并覆盖了整个氢燃料汽车。氢气罐在实验开始后 11 分 12 秒发生爆炸，产生了爆炸波、火球、碎片、碎片和蘑菇云。爆炸后燃烧器停止，但火灾仍持续了一段时间；因此，由消防车扑灭（图 6）。发动机罩被打开以帮助扑灭大火（图 7）。
由于氢容器爆炸产生的压力波，车辆后部从地面抬起约 1.5 米。车辆前部（在驾驶员座椅前方）倾斜 15°，车辆后部向东移动约 2 米。汽车所有门的外部金属板飞走，发动机罩随着爆炸打开和关闭。车内所有可燃材料都被烧毁，玻璃部件熔化、流动和破裂。车辆周围的地板以及防护屏障被火球烧焦。此外，防火墙的南部比北部有更大程度的烟灰。碎片损坏了防护屏障，但没有穿透它，只有少数例外（图 7（d））。防护屏障被爆炸燃烧的程度如图 7 所示，表明车辆后部的屏障比车辆前部有更大程度的烟灰。
图7 爆炸前后车辆对比
在 9-173 千帕的范围内进行测量，如图 8 所示。反射过压的最大过压在该范围内进行测量，为 106-198 千帕。障碍物的加速度测量值为 290 克，位移为 108.05 毫米。
最高的最大过压（173 千帕）在氢气车以西 3 米处测量，其次是在车以西 5 米处的第二高过压（136 千帕）。在防护屏障的西侧，测量到的最大过压降低到 5-12 千帕的范围。东部和南部的最大过压在 9-81 千帕的范围内测量，每个距离的水平相似，北部的最大过压大约是西部的 15%和东部和北部的 30%。防护屏障北侧的反射过压测量值是中心和南侧的一半（图 9）。
图8 测量布置图
图 9 和 10 显示了爆炸后 0.05 秒侧压和反射过压的压力（千帕）和脉冲（帕s）的变化。脉冲可以通过对压力变化图进行积分获得，通常，当最大过压较高时，脉冲的值也较高。
图12 温度改变时间
与在 3 米西部（W3）和 3 米南部（S3）距离处的脉冲相比，在 5 米西部（W5）和 5 米南部（S5）距离处的脉冲似乎较低。位于氢气车以西 3 米处的侧向压力变送器（W3）在爆炸期间与氢气车的碎片发生碰撞，因此仅在该位置非常短的时间内测量到最大过压，此后不再测量到压力。相应地，脉冲得出的值较低，如果没有碰撞，本来会显示出最高值。位于氢气车以西 3 米处的侧向压力变送器（W3）也没有正确测量，因为在爆炸期间与车辆部件发生碰撞。在防护屏障处测量到的反射过压如图 11 所示。在屏障的中心（墙 2）和后部（墙 3）附近的位置测量到了类似的过压。在车辆前部附近的位置（墙 1），测量到的反射过压大约是车辆中心和后部附近位置的 50%。
车辆以西 5 米处的侧向压力变送器（W5）在大约 0.013 秒时测量到 136 千帕，在大约 0.006 秒后测量到 78 千帕。这可能是由防护屏障反射的压力波引起的，该压力波在测量中再次出现。在比较西部和南部距离爆炸源 3 米和 5 米处的测量值时，西部的最大过压大约是南部的两倍。然而，西部屏障后面的最大压力在 5e12 千帕的范围内，明显低于东部。
图 12 显示了热电偶随时间的温度变化。安装在氢气罐底部的热电偶在开始时显示出类似的温度趋势，高于驾驶员和乘客座椅测量的温度。然后，点火后 200 秒，闪燃现象出现，温度迅速上升，座椅的温度迅速升高，超过了罐底测量的温度。氢气罐顶部的电池温度稳定上升到约 800°C。
图 13 散射距离和碎片及残骸的重量。
实验结束后，对碎片和残骸的散射距离和重量进行了测量，如图 13 所示。氢气罐由碳纤维和树脂组成。当暴露在火中时，固定纤维的树脂会分解和燃烧，导致罐的强度丧失。由于东风，氢气罐西部下部的物理强度比东部下部下降得更快，因此，高压氢气迅速从罐的西部下部排出，导致大部分碎片散落到东部。这些碎片在与 57 米处的混凝土结构碰撞后停止，火灾在散射后仍在继续。氢气罐的碳纤维是最重的碎片，测量为 23.2 千克，在爆炸过程中向各个方向散射，然后下降，如图 14 所示。氢气罐西部的碎片显示出图 14-e 中的形状，是距离南侧大约 74.0 米的最远散射碎片。
图 14（a）、（b）、（j）和（k）显示了车辆门外部钢板的碎片，被冲击波压碎并在离车辆相对较短的距离（1.1-8.3 米）处散射。
图 14（c）、（d）、（f）、（g）和（i）显示了车辆配件，其中图 14（g）所示的碎片最重且散射最广。超过 4.5 千克（一个人的典型重量为 70 千克）的散射碎片在与人的头部碰撞时可能会导致脑震荡[34]。图 14（g）所示碎片的重量为 7.3 千克，距车辆 38.7 米处散射。图 14（l）显示了来自氢气罐外壳的碳纤维碎片，在车辆周围 15 米的半径内散射，同时形成了一个爆炸后的弹坑。
结果与讨论
风险等级
爆炸通过产生冲击波和碎片及残骸来损害人和建筑物。冲击波对人体的直接伤害包括肺出血和耳膜破裂。间接伤害发生在整个身体被冲击波移位并与固体物体碰撞时，当爆炸源散射以造成直接伤害时，或者当附近接收冲击波的物体散射并造成损害时[41]。由冲击波引起的肺出血导致的身体损伤可以通过压力和脉冲来表示，其中转换后的压力和脉冲由方程
（1）和（2）计算。
在这里，p 是缩放后的过压，p 是作用于身体的实际压力，po 是大气压，i 是缩放后的脉冲，i 是脉冲，m 是身体的质量。耳膜具有非常敏感和复杂的结构，在计算耳膜破裂的概率时，仅考虑最大过压，而不考虑受影响的时间[7,42]
表 2[31]列出了由压力造成的人体损伤程度，总结了现有的参考资料。不发生暂时耳鸣（暂时阈值移位：TTS）的距离被定义为安全距离，贝克将 1.35 千帕和 1 帕·秒定义为阈值[30]。如果一个重 4.5 千克或以上的物体散射并击中头部，在速度达到 3.05 米/秒时是安全的，但在速度为 3.96 米/秒时达到阈值。如果速度为 5.49 米/秒或以上，则有 50%的死亡概率，如果速度为 7.01 米/秒或以上，则有 100%的死亡概率。在全身接收冲击波的情况下，在速度达到 3.05 米/秒时是安全的，但在 6.40 米/秒时达到阈值。如果冲击波为 16.46 米/秒或以上，则有 50%的死亡概率，如果是 42.06 米/秒或以上，则有 100%的死亡概率[30]。如果一个人接收到高于 16.5 千帕的冲击波，可能会发生严重的耳膜破裂导致的人体损伤，如果一个人接收到高于 100 千帕的冲击波，可能会发生肺出血[40,42]。
表 3[40,42]列出了由于压力对建筑物和财产造成的损害等级，总结了现有的参考资料。如果侧向过压超过 83 千帕，则对应的损害等级为“完全破坏”，如果超过 35 千帕，则为“严重损坏”，如果超过 17 千帕，则为“中度损坏”，如果超过 3.5 千帕，则为“轻微损坏”。
图 15 展示了本研究中测量的最大过压和脉冲值，如根据现有文献在对人和建筑物的损害等级的图表上所示。当仅考虑最大过压时，有 50%的耳膜破裂概率（34.5 至 48.3 千帕）和房屋倒塌（35 至 50 千帕）导致建筑物“严重损坏”。然而，由于脉冲值的测量低至 101 帕·秒（P0 1），人体损伤预计仅限于“受伤”级别，而不是“死亡”级别，对建筑物和财产的损害也预计低于“轻微结构损坏”级别。
概率单位函数
当爆炸发生在封闭容器或封闭结构内时，容器或结构可能会被破坏，其碎片或残骸会散落。这些碎片或残骸会对人造成严重伤害或对结构造成损害。散落的残骸还可能撞击附近的储罐、设施、管道、结构、车辆等，并导致二次火灾或爆炸（多米诺效应）。爆炸对人和财产造成的损害程度可以通过 Probit 分析以百分比的形式表示，如表 4[40]所示。
概率（P）和概率单位变量（Y）之间的关系如下：
概率单位变量（Y）和提供原因的因子（V）具有以下关系[49] ：
：
- Peak Overpressure：峰值超压。N/㎡
- Peak Impulse：峰值脉冲。N/㎡
对于由爆炸引起的每种类型的伤害和损害（肺出血导致的死亡、耳膜破裂、休克导致的死亡、撞击造成的伤害、散落碎片造成的伤害、结构损坏和玻璃破裂），都考虑了因果变量和概率单位常数。侧向超压的峰值超压的概率单位变量。
（Y）在本次实验中测量的仅针对三种类型进行了计算，包括耳膜破裂、结构损坏和玻璃破裂，如表 5 所示。由于脉冲值低于压力值，以脉冲作为原因变量的概率单位变量被计算为“无损坏”，例如肺出血导致死亡的概率。
图 15 - 对人类的伤害标准和对建筑物的损害的超压-脉冲阈值。
概率单位函数分析将低于 2.67 的损害发生概率视为 0%[49]。耳膜破裂、结构损坏和玻璃破裂预计发生在西部的 W3 和 W5 位置。特别是，W3 处预测的损害最高，耳膜破裂为 9 至 10%，结构损坏为 71%，玻璃破裂为 100%。其次是东部的位置，有轻微的结构损坏（0.6 至 0.7%）和玻璃破裂，即使在 10 米的距离（1 至 2%）。南部预测的损坏程度与西部相似，但预计北部没有损坏。
结论
世界范围内已提出各种能源政策以实现碳中和，在这种情况下，韩国政府也积极推动氢能源的使用。因此，氢能源主要被用于氢移动性，大多以容器中高压压缩的气体形式，该容器上安装了各种安全装置以安全使用氢能源。
本研究检查并预测了安装在氢燃料汽车下部的氢罐爆炸产生的爆炸波造成的损害，在没有 TPRD 激活的情况下。从实验中获得了以下结果。
1. 当从 FCEV 氢燃料电池汽车的下部氢罐中移除 TPRD 之时，通过庚烷燃烧器在氢罐下部引发池火，11 分 12 秒后氢罐发生爆炸。氢罐爆炸产生压力波，接着形成了弹坑和黑色蘑菇云。
2. 氢罐（700 巴）爆炸时生成爆炸波，约在 0.04 秒内抵达 15 米的距离。最大超压出现在氢罐碎片散落的相反方向（距离 3 米，173 千帕），在碎片散落的方向和车辆尾部也测得类似的压力。车辆前方的超压降低了 70%。在防护屏障后面，与屏障前面相比，超压降低了 73.3%。
3. 结果表明，预计会发生损伤和结构损坏的距离分别约为 10 米和 3 米。
4. 爆炸发生的同时，车辆部件以碎片的形式散落至 38.7 米处，氢罐的一部分成为残骸并散落至 55.8 米处。残骸从车辆侧面散落，碎片从车辆的各个侧面散落。
5. 通过 Probit 函数分析，预测本研究中测量的最大超压和最大冲量将导致耳膜破裂、结构损坏和玻璃破裂。预计在氢罐碎片散落方向相反的方向上造成的损害最大，而在车辆前方造成的损害最小。
消防人员的标准操作程序详细说明了在普通车辆发生火灾时救援人员所需采取的行动。然而，针对使用可再生能源的环保车辆（氢电动汽车、电动汽车等）的程序尚待制定。本研究的实验结果应反映在标准操作程序中，涉及到高压氢气设施中发生的喷射火焰和爆炸（VCE、BLEVE）事故的安全距离。此外，还需要针对用户、管理人员和消防人员安全使用和管理氢能展开更多的研究。
文章来源：Reenacting the hydrogen tank explosion of a fuel-cell electric vehicle: An experimental study。
