由于燃料電池汽車搭載的高壓儲(chǔ)氫瓶都安裝有溫度驅(qū)動(dòng)的緊急泄放裝置(TPRD)，儲(chǔ)氫瓶在高溫下會(huì)安全釋放瓶?jī)?nèi)高壓氣體，因此不會(huì)發(fā)生爆炸。那么，如果車用儲(chǔ)氫瓶在極端情況下發(fā)生爆炸，究竟威力如何。本文分享韓國(guó)KICT結(jié)構(gòu)進(jìn)行的現(xiàn)代NEXO燃料電池SUV儲(chǔ)氫瓶極端爆炸試驗(yàn)。

圖1 現(xiàn)代NEXO燃料電池車架構(gòu)

01 技術(shù)背景

氫氣為無(wú)毒氣體，一旦發(fā)生泄露，雖然氫氣對(duì)人體無(wú)害，但由于其點(diǎn)火能量和爆炸極限寬泛，總是高發(fā)危險(xiǎn)事故。氫氣的爆炸極限較為寬泛，為4~75%，即當(dāng)氫氣的體積濃度介于該區(qū)間時(shí)遇到靜電等火源可發(fā)生爆炸。與高壓儲(chǔ)氫瓶相關(guān)的事故主要分為三類：射流噴射、噴射火焰和爆炸。如果高壓儲(chǔ)氫瓶泄露后立即著火，則會(huì)產(chǎn)生噴射火焰，而當(dāng)泄露后延遲著火則會(huì)導(dǎo)致蒸汽云爆炸，伴隨沖擊波、殘骸、碎片、熱沖擊和噪音等。根據(jù)傳播速度，爆炸又可分為爆震和爆燃，高壓儲(chǔ)氫瓶爆炸則屬于爆震。

圖2 試驗(yàn)場(chǎng)地和NEXO實(shí)車

燃料電池車用儲(chǔ)氫瓶都安裝有溫度驅(qū)動(dòng)的安全泄放裝置(TPRD)，當(dāng)著火后溫度達(dá)到110°C或更高，安全泄放裝置激活，感溫玻璃球被壓碎，泄放通道打開(kāi)，瓶?jī)?nèi)高壓氫氣安全釋放，避免發(fā)生了爆炸。本文分享韓國(guó)KICT機(jī)構(gòu)在現(xiàn)代NEXO燃料電池汽車移除TPRD后進(jìn)行的極端爆炸試驗(yàn)。

02 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)在室外場(chǎng)地進(jìn)行，如上圖2所示?，F(xiàn)代NEXO共計(jì)搭載3個(gè)Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶，總計(jì)儲(chǔ)氫質(zhì)量6.3 kg。試驗(yàn)前將車輛前側(cè)的兩個(gè)儲(chǔ)氫瓶氫氣完全排空，使該兩個(gè)儲(chǔ)氫瓶不發(fā)生爆炸。僅將車輛尾部的儲(chǔ)氫瓶填充滿70 MPa高壓氫氣(2.1 kg)，拆除TPRD并對(duì)其進(jìn)行密封，創(chuàng)造人工爆炸條件。移除NEXO內(nèi)部所有材料和輪胎，以減少試驗(yàn)中產(chǎn)生有害氣體。

圖3 試驗(yàn)設(shè)備

將庚烷燃燒器放置在NEXO車輛底盤(pán)下方，模擬實(shí)際車輛中的火災(zāi)環(huán)境，如上圖3所示。在庚烷燃燒器中，通過(guò)24個(gè)噴嘴以1.8 LPM流量噴射庚烷，噴嘴上方安裝點(diǎn)火器。在儲(chǔ)氫瓶爆炸后停止向燃燒器供應(yīng)庚烷。防護(hù)屏障符合鋼板防火墻的安裝標(biāo)準(zhǔn)（KGS FP217），地基部分由鋼筋混凝土制成，鋼板用螺栓連接在地基頂端，如上圖3(c)所示。防護(hù)屏障上安裝有壓力傳感器，位移傳感器和加速度計(jì)。其中，入射和反射壓力傳感器的安裝位置如下圖4所示。此外，在駕駛員座位、副駕駛座位、加注氫氣的儲(chǔ)氫瓶下方及其上方動(dòng)力電池表面安裝有熱電偶以測(cè)量溫度。

圖4 入射壓力和反射壓力傳感器位置

02 試驗(yàn)結(jié)果

大火從儲(chǔ)氫瓶底部開(kāi)始，逐漸蔓延覆蓋了整個(gè)NEXO車輛，如下圖5所示。從點(diǎn)火開(kāi)始11 mins 12 s后，儲(chǔ)氫瓶發(fā)生爆炸，產(chǎn)生沖擊波、火球、殘骸、碎片和蘑菇云。雖然在爆炸后庚烷燃燒器被停止工作，大火仍持續(xù)了一段時(shí)間，此后被消防車撲滅。儲(chǔ)氫瓶爆炸產(chǎn)生的沖擊波使NEXO車輛尾部脫離地面一度高達(dá)1.5 m。車輛前部(駕駛座前方)傾斜了15°，車輛尾部向東移動(dòng)了約2 m。所有車門(mén)的外部金屬板都飛出，發(fā)動(dòng)機(jī)罩隨著爆炸打開(kāi)后又關(guān)閉。車內(nèi)所有可燃材料被燒毀，玻璃部件熔化、流動(dòng)、破裂。車輛周圍的地板和防護(hù)欄都被火球燒焦。爆炸產(chǎn)生的碎片損壞了保護(hù)屏障，但沒(méi)有穿過(guò)，少數(shù)除外。爆炸引起的燃燒對(duì)防護(hù)屏障影響如下圖6所示，可以看出車輛尾部的防護(hù)屏障比前部的防護(hù)屏障有更大程度的煙灰。

圖5 爆炸過(guò)程

圖6 爆炸前后車輛對(duì)比

爆炸0.05 s后入射超壓(超壓表示爆炸沖擊波傳播產(chǎn)生的氣體壓力，指爆炸形成的高于環(huán)境的壓力，是爆炸威力的一個(gè)重要參數(shù))在9~173 kPa左右，如下圖7所示。測(cè)得防護(hù)屏障的最大反射超壓在106-198 kPa區(qū)間。此外，測(cè)得防護(hù)屏障的加速度為290 g，位移為108.05 mm。

測(cè)得最大的入射超壓在NEXO車輛以西3 m處，為173 kPa，其次是NEXO車輛以西5 m處的入射超壓136 kPa。在防護(hù)屏障西側(cè)，最大入射超壓降至防護(hù)屏障東側(cè)水平的十分之一，范圍在5~12 kPa。東部和南部的最大入射超壓測(cè)量值區(qū)間為9~81 kPa。北部的最大入射超壓約為西部最大入射超壓的15%，為東部和南部最大入射超壓的30%。此外，防護(hù)屏障北側(cè)的反射超壓為中心和南側(cè)的一半。

圖7 爆炸0.05 s時(shí)刻的入射壓力和反射壓力測(cè)量值

下圖8和圖9顯示了爆炸0.05 s內(nèi)入射超壓和脈沖的變化(脈沖可通過(guò)對(duì)壓力變化進(jìn)行積分獲得)。通常，當(dāng)最大入射超壓較高時(shí)，脈沖也較高。關(guān)于最大入射超壓，與西面5 m(W5)和南面5 m(S5)處相比，在西面3 m(W3)和南面3 m(S3)處的脈沖較低。安裝在NEXO車輛以西3 m(W3)處的入射超壓傳感器在爆炸過(guò)程中與碎片相撞，因此該位置僅在較短時(shí)間內(nèi)測(cè)量到入射超壓，此后并沒(méi)有測(cè)到壓力，因而脈沖被計(jì)算較低。如果沒(méi)有碰撞，它將是最高值。NEXO車輛以南3 m處(S3)的入射壓力傳感器也因?yàn)樵诒ㄟ^(guò)程中與車輛發(fā)生碰撞而沒(méi)有正確測(cè)量。

圖8 入射超壓測(cè)量值和脈沖推導(dǎo)值

圖9 入射超壓和脈沖

防護(hù)屏障處測(cè)得的反射超壓如下圖10所示。防護(hù)屏障中心(wall2)和后部(wall3)位置測(cè)量到相近的反射超壓。與靠近車輛中心和后部的位置相比，在靠近車輛前部的位置(wall1)測(cè)到約50%的反射超壓。

NEXO車輛以西5 m(W5)處的入射壓力在約0.013 s時(shí)測(cè)得136 kPa，在此0.006 s后測(cè)得78 kPa，這可能是由于防護(hù)屏障反射壓力波引起。當(dāng)比較距離爆炸源3 m和5 m的西部和南部時(shí)，西部的最大入射超壓大約是南部的兩倍。然而，西部屏障后面的最大壓力在5~12 kPa范圍內(nèi)，明顯低于防護(hù)屏障冬部。

圖10 溫度變化

下圖12顯示了熱電偶溫度隨時(shí)間的變化。安裝在儲(chǔ)氫瓶底部的熱電偶溫度在前200 s高于駕駛員和乘客座椅處溫度。此后，在點(diǎn)火200 s后轟燃(flashover)現(xiàn)象迅速升高了座椅處的溫度，并超過(guò)了在儲(chǔ)氫瓶底部測(cè)得的溫度。儲(chǔ)氫瓶頂部的動(dòng)力電池溫度穩(wěn)定升高到大約800 ℃。

圖11 熱電偶安裝位置

圖12 入射超壓和脈沖

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)量了殘骸和碎片的重量和散射距離，如下圖13和14所示。當(dāng)儲(chǔ)氫瓶暴露在明火中，儲(chǔ)氫瓶上包裹碳纖維的樹(shù)脂層分解和燃燒，導(dǎo)致氫瓶的強(qiáng)度損失。由于試驗(yàn)時(shí)刮東風(fēng)，氫瓶西部的物理強(qiáng)度下降速度快于東部，因此高壓氫氣迅速?gòu)臍淦颗懦龅轿鞑?，?dǎo)致大部分殘骸散落到東部。這些殘骸在57 m的距離處與混凝土結(jié)構(gòu)碰撞而被阻止。即使在散落之后，大火仍在繼續(xù)。氫瓶的碳纖維是最重的殘骸，重量經(jīng)測(cè)量為23.2 kg，在爆炸過(guò)程中，它們向各個(gè)方向散落。西部的氫瓶碎片顯示出圖14(e)中的形狀，為最遠(yuǎn)的散落碎片，距離南部約74 m。

重量超過(guò)4.5 kg的散落殘骸可能是致命的，因?yàn)樗谂c人的頭部碰撞時(shí)會(huì)導(dǎo)致腦震蕩。下圖14(g)中的碎片重量為7.3 kg，碎片散落在距離車輛38.7 m的地方。圖14(l)顯示了氫瓶外殼上的碳纖維碎片，這些碎片散落在距離車輛15 m的半徑范圍內(nèi)，同時(shí)形成了一個(gè)爆炸后的"彈坑"。

圖13 殘骸和碎片的散射位置

圖14 殘骸和碎片的重量和散射距離