燃料电池船舶舱内氢气泄漏数值模拟研究.docx

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燃料电池船舶舱内氢气泄漏数值模拟研究

燃料电池船舶舱内氢气泄漏数值模拟研究

　　摘要：

燃料电池船舶运载着大量氢气作为燃料，在给船舶带来动力的同时，也因其易泄漏、爆炸等特性对船舶安全带来了威胁。

针对船舶燃料电池舱内发生氢气泄漏的情景，选取目标船舶建立其燃料电池舱三维几何模型，并基于理想气体模型和氢气泄漏参数，计算出氢气从管道的泄漏值。

再基于流体计算软件Fluent，选取适合的气体扩散模型，通过边界条件的设置，开展对舱门开闭和通风口状态的联合通风条件下氢气在舱内的扩散过程的瞬态数值仿真实验，并对不同条件下的舱内氢气浓度分布和发展规律进行了对比分析。

仿真结果表明，在舱室上方的4个角落处，氢气的聚积浓度更高，是氢气探测器安装的最佳位置；在通风口保持自然通风的条件下，打开舱门可以使氢气的最终浓度降低20%左右；在单个通风口采用强制通风的通风量达到6m3/s时，燃料电池舱内的氢气向其他舱室的扩散浓度可以维持在4%的安全浓度以下，且整个舱室的氢气浓度都可以保持在一个较低的水平，而继续增大通风量对氢气浓度的降低效果并不显著。

　　引言

　　燃料电池作为一种直接将化学能转换为电能的发电装置，因其高效和清洁性，近年来受到国内外的普遍重视[1]。

PEMFC（质子交换膜燃料电池）凭借其使用寿命长、工作温度低、启动速度快、适应性广等优点在各种类型的燃料电池中脱颖而出，在汽车、电站、航运等领域得到广泛推广[2]。

　　航运业是大气污染和温室气体排放的重灾区，一系列愈加严格的排放标准，将船舶制造业导向了节能环保型船舶[3]。

多个质子交换膜燃料电池组成的燃料电池电堆，无论是作为单一能源还是配合其他能源共同为船舶供电，都能大大改善传统船舶的能源结构，使其满足各种标准和规范的排放要求，更加成为了未来船舶大量使用清洁能源的必需手段之一[4]。

但是，燃料电池在船舶上的应用必须要储存大量氢气作为燃料，氢气的易泄漏扩散和易燃易爆等危险特性[5]，阻碍了质子交换膜燃料电池在船舶上的应用发展。

　　由于船舶的燃料电池舱是一个相对封闭的空间，内部有大量的输气管道将氢气供应至各个燃料电池内。

若这些管道内的氢气发生泄漏，将会在船舶舱室内进行扩散。

如果没有及时的通风处理，通过与空气的混合，极易形成可燃混合气，继而会引起燃烧和爆炸。

氢气的可燃体积分数为4%~74%，爆炸体积分数为18%~59%，最小点火能量为0.02mJ[6]。

国内外对于氢气的泄漏扩散研究主要可分为试验方法和数值模拟方法[7-8]。

　　由于氢气试验的高危险性和高昂的试验成本，目前的氢气试验研究主要集中在简单几何体的模型验证和点火试验上。

M.R.Swain，K.Takeno，C.L.Shirvill等[9-11]通过氢气试验，将试验结果与数值模拟结果进行对比，吻合度较高。

数值模拟方法对复杂空间内的氢气泄漏研究具有显著优势。

通过建立物理模型，再借助CFD（计算流体力学）软件工具进行仿真试验，是目前对于氢气泄漏扩散研究最为常用的方法。

刘延雷等[12]利用FluGent软件进行了燃料电池车内氢气泄漏扩散数值模拟，研究结果为车内氢气传感器的布置提供了最佳位置。

E.Kim等[13]用FLACS软件对韩国的一个加氢站氢气压力分别为10，20，30，40MPa条件下，泄漏孔径为0.5，0.7，1.0mm时发生氢气泄漏和爆炸的过程进行了仿真，仿真结果通过高压氢喷射试验数据得到了验证，并为加氢站内设施的安全距离设计提供了建议。

J.Choi等[13]用STARGCCM模拟了氢燃料电池汽车在地下停车场发生氢气泄漏后的扩散过程，从时间和空间上预测了氢气的浓度和可燃区域，结果表明在发生泄漏后的潜伏期内，氢气的可燃区域呈非线性增长，而通风设备可以延缓氢气的大量聚积[14]。

　　以上对氢气泄漏扩散的研究，研究对象除了简单几何体外主要有氢燃料电池车、加氢站和地下停车场等，涉及到的影响因素也包括压力、泄漏孔径、泄漏位置，以及通风条件等。

鉴于目前的研究均未涉及到燃料电池船的氢气泄漏与扩散过程，而船舶燃料电池舱室在空间尺度、几何形貌和环境参量等方面都与以往研究对象不同，通风条件作为一个重要影响因素，在设计方面就更不具备参照性。

因此，利用Fluent软件，基于某船舶燃料电池舱的三维几何模型，可以完成对不同通风条件下，舱内发生氢气泄漏后的瞬态扩散过程的数值模拟仿真实验研究。

　　1燃料电池舱室氢气泄漏与扩散模型

　　1.1物理模型

　　选取美国Sandia国家重点实验室联合WhiteFleet公司在旧金山海湾开展的零排高速燃料电池客船项目“SF-BREEZE”设计的一艘燃料电池船为研究对象，该船目前正处于研发阶段[15]。

图1为该艘燃料电池船的总体结构图，船长30m、宽10m，150客位。

该船在甲板层共有左右2个燃料电池舱，且相互隔离。

每个燃料电池舱内有20个4×30kW的质子交换燃料电池电堆。

依照该船舶的实物模型建立右侧燃料电池舱室全尺寸三维几何模型，如图2所示，长×宽×高为7m×5m×2.74m。

该模型有2个舱门，即1个尾舱门和1个前舱门；3个通风口，即2个船艉通风口和1个顶部通风口。

前舱门通向控制舱，尾舱门通向船尾部。

泄漏孔位置如图2所示，位于图中最右侧燃料电池电堆供氢管处，假设为管路圆孔泄漏，泄漏方向为水平船艉方向，泄漏形式为连续泄漏。

考虑到瞬态计算耗时较长，为尽量减少网格数量，采用结构化网格进行划分，共172842个网格。

　　1.2边界条件与泄漏模型

　　所建立模型的环境压力为标准大气压101.325kPa，环境温度为300K。

考虑重力因素影响，重力加速度为9.8m/s2。

3个通风口直径为0.3m的排风扇，采用强制通风方式，通风量可变。

尾舱门的宽、高分别为1，2m，自然通风方式。

前舱门由于通向控制舱，为了阻碍氢气向控制舱和客舱扩散，假设为半封闭状态，缝隙宽、高为0.1，2m，自然通风。

供氢管道为3/4in316不锈钢管，内径约20mm。

选取极端泄漏情景，当船舶发生颠簸、意外碰撞事故，或管路发生老化、失修等情况时，供氢管道完全脱落或破裂，泄漏孔径取20mm。

该船舶管道内氢气压力约为1MPa。

　　1.3控制方程与扩散模型

　　氢气的扩散过程满足流体的基本控制方程，包括连续性方程、动量方程和能量方程等[18]。

采用Fluent软件对扩散过程进行数值模拟，考虑到计算域中存在空气和氢气的多组分运输问题，因此需要用到组分运输方程（假设不发生化学反应）。

在湍流方程的选择上，可以先对氢气从泄漏孔出来的流动状态做初步的计算。

流体的流动状态可以根据雷诺数进行判断。

雷诺数由式（3）计算得出。

　　2仿真实验

　　将划分好的燃料电池舱网格模型导入到Fluent软件中，对氢气和空气的材质进行定义，并选取好能量方程、Realizek-ε湍流方程和组分运输方程等控制方程，设定好相关参数。

依据氢气泄漏值将氢气入口边界设置为质量流量边界，再根据舱门开闭和通风口状态等条件进行出口和其他边界条件的设置，并设置好监测点、初始条件、瞬态计算时间步长和动画展示，最后分别展开对9种不同通风条件下燃料电池舱内的氢气泄漏扩散过程的仿真实验。

　　条件1假设的是舱门关闭、通风口由于故障或未开启也处于关闭状态下的情况，条件最为恶劣。

图3展示了条件1下泄漏发生20s时氢气在舱内的浓度分布情况，上面一张图是泄漏孔所在的水平平面的氢气浓度分布图，下面一张图是x=5.3m的竖直平面的氢气浓度分布图。

由于Fluent只能对摩尔分数值进行监测，按照理想气体状态方程，氢气的摩尔分数和体积分数在数值上具备一致性，文中所有的氢气浓度分数均以摩尔分数来表示。

由图4可以看出，燃料电池舱内大部分区域的氢气浓度已经高达50%。

除了泄漏孔附近以外，在舱室四周聚积的氢气浓度要普遍高于中间区域。

在竖直面上，由于氢气密度比空气低的缘故，在舱室上方聚积的氢气浓度要高一些。

整个舱室都处于危险区域内。

在安装氢气探测器时，将其布置在舱室上方的4个角落处，报警效率会更高，因此在仿真时，共设置了如图2所示的A，B，C，D共4个氢气浓度监测点。

　　对通风条件为1~4的氢气泄漏发生后180s内的燃料电池舱室氢气扩散过程进行数值模拟。

从仿真结果发现，监测点A，B，C，D处的氢气的体积分数大小虽稍有不同，但变化趋势基本一致，因此，本处仅展示浓度稍大的监测点B处的氢气浓度在180s内变化情况，如图4所示。

由图可知，无论是处于何种通风条件，在氢气开始泄漏后，B处的氢气体积分数迅速上升。

在60s时，条件1和条件2的氢气攀升至接近100%，且两者的变化趋势基本一致。

而条件3中舱门打开时，氢气的体积分数相较前两者有了一定的降低，降低幅度在20%左右。

条件4通风口开启强制通风时，氢气的体积分数进一步下降。

后2种通风条件下，随着时间的推移，氢气浓度会一直保持在一个稳定的水平。

由此可知，舱门打开会使氢气的浓度水平降低，而通风口开启强制通风，会使氢气在舱室的积聚浓度水平显著下降。

　　对通风条件为4~9（即通风量为1~6m3/s）的氢气泄漏发生后180s内的燃料电池舱室氢气扩散过程进行数值模拟。

由图5可知，在不同的通风量下，监测点B处的氢气浓度在经过一段时间快速上升之后，均会维持在其相应的稳定水平。

　　在通风量大于4m3/s时，氢气体积分数会在10s内达到约20%，并一直保持该水平。

随着通风量的增加，舱内氢气体积分数的降低效果逐渐下降，因此，一味的增大通风量并不能保证舱内氢气的聚积量越来越小。

结合图6，随着通风量的增大，燃料电池舱内的氢气通过前舱门向控制舱扩散的浓度逐步降低。

当通风量达到6m3/s时，氢气此时的体积分数低于4%，保证了其他舱室内的氢气不会达到可燃浓度范围，处于安全区域内，因此，就该燃料电池舱而言，在舱门打开时，6m3/s是最优的设计通风量，可以保证除燃料电池舱以外的其他区域均处于安全范围内，不会有燃烧和爆炸危险。

当设计通风量低于此值时，会导致其他舱室存在安全隐患，增大船舶安全防护成本。

当设计通风量高于此值时，效果不显著，没有必要。

　　图7和图8是条件9（即通风量为6m3/s）下泄漏发生10s时，舱内氢气的体积分数水平达到稳定状态的分布图。

将图7与图3相比，氢气的体积分数水平下降显著，但大部分区域的氢气的体积分数仍然在20%~30%之间，处于危险浓度范围内。

因此，就燃料电池舱本身而言，仍然需要采取相应的防护措施。

燃料电池舱内应杜绝任何会引起电火花的设备，禁止插头裸露，电气设备（如排风扇等）均要采用防爆设备，并全部进行静电接地。

当氢气探测器检测到氢气泄漏时，应有自动切断系统停止管道供气。

工作人员进入燃料电池舱进行检查或者手动操作时，应提前确认舱内无氢气聚积，并穿戴防静电工作服、手套和安全帽，使用防爆型工具（如铜扳手）。

安全报警系统应设多级报警，当氢源无法及时被切断时，要采取紧急撤离措施，减少人员伤亡。

　　3结论

　　1）燃料电池舱的顶部四角处是氢气发生泄漏后的高聚积区，是氢气探测器安装的最佳位置，监测和报警效率最高。

同时，也应在前舱门处设置氢气探测器，便于监测氢气向其他舱室的扩散浓度。

　　2）舱门打开或者通风口采取强制通风，会使氢气在舱室的积聚显著下降。

故在日常的船舶航行过程中，应保持尾舱门的打开，但是应设立防护围栏，防止非专业人员进入。

在检测到舱内有氢气聚积时，自动开启强制通风。

　　3）就该燃料电池舱模型而言，在供氢管道发生完全破裂或脱落的情况下，当通风口的通风量大于4m3/s时，舱内氢气整体水平不再受通风量的影响；当通风量达到6m3/s时，燃料电池舱内的氢气向其他舱室的扩散浓度可以维持在4%的安全数字以下。

因此，6m3/s是该船舶燃料电池舱的最优设计通风量。

　　4）当通风量为6m3/s时，该燃料电池舱的氢气浓度仍处于可燃和爆炸浓度范围内，因此，需要做好相应的防爆和应急措施，紧急情况下自动切断氢源，在舱内氢气降至安全浓度之前，相关人员不得进入燃料电池舱，以免相关操作引起更大事故。

　　由于瞬态数值计算耗时较长，同时泄漏孔径与全船的尺度差距较大，本文在尽量能得出相关结论的前提下仅建立了燃料电池舱的三维几何模型。

之后在有相关计算条件的前提下，需要建立全船舱室的三维几何模型，研究包括通风条件、障碍物、舱内布置、泄漏位置等其他因素对燃料电池船舶舱内氢气泄漏扩散规律的影响，从而能更加全面真实的反映舱内氢气泄漏情景，为燃料电池船舶的舱室布置与氢安全系统设计提供相关指导和建议。