氢燃料电池汽车氢气泄漏扩散行为与应急响应策略的全尺寸实验研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Full-scale experiment investigation of the hydrogen leakage diffusion behavior and emergency response strategies for hydrogen fuel cell vehicles

　　

**摘要**

氢燃料电池汽车（HFCV）有助于零碳智慧城市的建设。然而，氢气泄漏可能导致严重伤害甚至死亡。目前的研究主要依赖计算流体动力学（CFD）模拟，而基于实际车辆的全尺寸实验研究仍然较少。本研究以氦气作为氢气的安全替代品，在丰田Mirai II车辆上进行了全尺寸泄漏实验，考察了孔径为0.5–1.8 mm的HFCV低压管道氢气泄漏。分析了60 s泄漏过程及随后120 s的扩散过程。结果表明，氦气浓度和影响范围随泄漏孔径直径的增大而增加。对于0.5–1.5 mm的孔径，监测区域内检测到的最大浓度为3.65%。对于1.8 mm孔径，泄漏源附近局部区域的氦气浓度可高达5.04%，主要水平方向延伸约0.5 m，垂直方向延伸低于1.0 m。该区域以外，氦气浓度迅速下降。此外，在车轮结构附近观察到局部积聚现象。基于这些实验发现及既往关于应急措施的研究，提出了相应的应急响应规划建议。

**引言**

氢燃料电池汽车（HFCV）有助于向低碳交通转型。在车辆运行过程中，氢气经历持续的供应过程，涉及高压储存、压力调节、低压输送以及在燃料电池堆中的电化学转换。然而，氢气的低密度、高扩散性、宽可燃范围和低点燃能使得在发生容器失效事件时存在严重的火灾和爆炸危险（Halder等，2024；Yang等，2021）。已有大量研究探讨了HFCV车厢内的氢气泄漏和扩散特性。数值研究考察了氢在乘客舱和车载储物间的扩散，表明泄漏位置、释放方向、通风配置和车辆几何形状强烈影响结果浓度场（Salva等，2012；Song等，2024；Yao等，2026）。此外，车辆外部的氢气扩散也已在开放道路、地下车库和完全封闭环境中进行了调查。Song等（2025）通过FLACS软件系统研究了开放高速公路上燃料电池汽车氢气泄漏扩散特征及相关爆炸风险。结果表明，增加车辆周围障碍物的密度会显著加剧氢气积聚。Dadashzadeh等（2016）和Teng等（2022）通过Fluent软件分析了泄漏位置、通风条件和储存系统压力对地下停车设施氢气扩散特性的耦合影响。结果表明，泄漏源位置是决定氢气云形状和空间范围的主导因素，而其对扩散速率的影响相对不显著。同时，Hajji等（2022）和Hajji等（2015）通过Fluent软件研究了燃料电池汽车在车库内的氢气泄漏和扩散过程，发现当泄漏源位于车库中心附近时，更易发生稳定的氢分层。此外，HFCV在隧道环境中的氢气泄漏和扩散过程也得到了广泛研究（Hyejeong等，2024；Liu等，2025；Nektarios等，2023；William等，2011）。Nektarios等（2023）和William等（2011）通过FLACS软件研究了氢气泄漏后可燃氢气云在隧道中的燃烧行为。通过模拟不同点火延迟和位置下的爆轰超压，系统地分析了超压演化过程，为氢气泄漏后的二次危害评估提供了理论支持。Liu等（2025）和Hyejeong等（2023）通过Fluent软件研究了隧道环境中乘用车、公交车和重型卡车的氢气泄漏和扩散模式，并提出了相应的安全疏散策略。

除数值方法外，实验研究为模拟结果提供了必要的验证，并进一步加深了对氢气泄漏物理机制的理解。Xin等（2023）构建了缩小比例的地下车库模型，并使用氦气作为氢气的替代品，研究了燃料电池汽车泄漏产生的浓度分布。结果表明，氦气释放率是控制浓度分布的关键因素，泄漏流量和喷嘴直径主要通过其对初始释放率的影响来影响扩散。同样，Gong等（2022）通过实验定量研究了氢气温度和喷嘴直径对浓度衰减、可燃包络线和安全距离的影响，从而将释放实验扩展到实际工艺安全参数的评估。Gupta等（2009）进行了涉及小尺度车库内燃料电池汽车的氢气泄漏实验，证明了峰值氢浓度随泄漏氢气总量的增加而增加。Hao等（2020）和Yang等（2025）在封闭环境中进行了燃料电池汽车的氢气泄漏和排放测试，报告了运行车辆附近氢浓度可能超过数千ppm，强调了有效监测策略的必要性。Yao等（2026）通过实验研究了不同开窗条件下车厢内氢气扩散的影响，表明在部分或完全开窗条件下，氢浓度可显著降低。这些发现为车厢内氢传感器的布置提供了实际指导。除浓度测量外，Park等（2021）结合实验测量和数值工具研究了氢气喷射释放、喷射火焰长度、热通量以及相关的个人和社会风险。Li等（2023）进一步将全尺寸数值建模与实验验证相结合，评估了移动氢气加注站的泄漏扩散、爆炸后果和最小安全距离。

既往研究还评估了氢气泄漏的通风和应急缓解措施。Yu等（2019）通过OpenFOAM软件研究了环境风速0–100 km/h下开窗和开天窗对氢气排放的协同效应。结果表明，在足够高的风速下，结合开窗措施可显著加速车辆内外氢浓度的降低。Li等（2024）通过Fluent软件研究了燃料电池公交车泄漏后乘客舱内的氢气扩散，评估了通风口位置对氢气分布的影响，并提出了优化的通风口布局。Ma和Guo（2025）通过Fluent软件研究了燃料电池车辆乘客舱内的氢气扩散，考虑了环境气流以及窗户、车门和天窗的开启状态。结果表明，开窗提供了最有效的氢气稀释效果，其次是车门，天窗效果最差。Wei等（2015）进一步通过Fluent软件研究了风扇位置对车厢通风效率的影响。结果表明，将风扇放置在车辆前方约2 m处且保持相对较低的气流量，相比高流量风扇可获得更优的氢稀释效果，突出了气流率和风扇位置耦合优化的重要性。Yu和Deng（2020）通过Fluent软件分析了燃料电池公交车高压室室的泄漏过程。结果表明，尽管通风系统降低了峰值氢浓度，但未能完全将其维持在安全限值内，表明当前通风设计仍有改进空间。Park等（2024）和Xie等（2015）通过Fluent软件证明，鼓风机可将大多数区域的氢浓度降至可燃极限以下，突出了其在早期氢气泄漏缓解中的关键作用。虽然这些研究为HFCV的安全设计规范和应急响应指南提供了直接依据，但仍缺乏整合性响应框架。各项独立研究使得难以建立一套标准化的应急操作规程。除释放和扩散特征表征外，许多研究越来越多地将后果分析、概率风险评估和缓解策略整合到氢气工艺安全管理中。Hansen（2020）提出了一个整合框架，在氢系统设计期间综合考虑释放频率、气体扩散、火灾和爆炸后果、危险距离和缓解措施。Kodoth等（2020）开发了用于估计氢气技术泄漏频率的概率方法。最近，Bagaki和Tsoutsos（2025）将操作风险管理框架应用于涉及燃料电池汽车和加注设施的氢气相关危害，强调了将危害识别转化为实际缓解程序的必要性。

总体而言，现有研究主要依赖数值模拟来研究燃料电池汽车中的氢气泄漏和扩散，而基于实际车辆的实证研究仍然较少，导致一手数据积累不足。因此，本研究以氦气作为氢气的安全替代品，实验研究了HFCV低压氢气输送线破裂引起的意外释放和扩散过程，包括泄漏过程和扩散过程。这些发现对于预防意外氢气释放过程中的火灾和爆轰具有重要意义。在一定程度上，它们为危险区域划定、应急响应规划、通风策略设计以及氢气泄漏事件后的风险知情决策提供了有价值的依据。

**章节摘要**

**实验装置**

为全面捕捉燃料电池车辆中的氢气扩散特性，开发了一套氢气泄漏浓度监测实验装置。该系统集成了气体供给系统、流量控制系统、数据采集系统、泄漏模拟系统和数据存储系统，协同工作以实现氢浓度的精确监测。装置整体配置如图1所示。实验装置具有四路独立的空气流路。

**监测点浓度变化**

图9展示了不同孔径下沿X0m-Z0m和X0m-Z1m线监测点氦气浓度的变化情况。如图所示，监测阵列记录的最高氦气浓度在各泄漏孔径下各不相同。在所有情况下，最高浓度均在Sa4点（距泄漏源最近的点）测得。具体而言，对于0.5 mm泄漏孔径，最大氦气浓度为1.90%；对于1.0 mm，为3.57%；对于1.5 mm，为

**结论**

本研究以氦气作为惰性替代气体，实验研究了全尺寸氢燃料电池车辆低压氢气供应管道泄漏相关的扩散行为，泄漏孔径直径范围为0.5–1.8 mm。通过分析氦气浓度的时空分布，表征了所研究泄漏条件下的气体扩散趋势。基于实验观察结果，结合

**CRediT作者贡献声明**

Yongzheng Yao：撰写——初稿，监督，资金获取，概念化。Maowei Hu：撰写——初稿，方法论，研究，数据整理。Aolan Pan：撰写——初稿，方法论，研究，数据整理。Ming Chen：方法论，研究。Chong He：方法论，研究。Hongnan Qin：监督，方法论，研究。Fei Ren：监督，方法论，研究。

**利益冲突声明**

作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本论文中报告的工作。

**致谢**

本研究由北京新星计划（编号：20240484576）和中央高校基本科研业务费专项资金（编号：2024ZKPYAQ05）资助。

Yongzheng Yao | Maowei Hu | Aolan Pan | Ming Chen | Chong He | Hongnan Qin | Fei Ren