储氢瓶爆炸威力到底有多大？现代NEXO燃料电池高压储氢瓶爆炸试验

由于燃料电池汽车搭载的高压储氢瓶都安装有温度驱动的紧急泄放装置(TPRD)，储氢瓶在高温下会安全释放瓶内高压气体，因此不会发生爆炸。那么，如果车用储氢瓶在极端情况下发生爆炸，究竟威力如何。本文分享韩国KICT结构进行的现代NEXO燃料电池SUV储氢瓶极端爆炸试验。

图1 现代NEXO燃料电池车架构

01 技术背景

氢气为无毒气体，一旦发生泄露，虽然氢气对人体无害，但由于其点火能量和爆炸极限宽泛，总是高发危险事故。氢气的爆炸极限较为宽泛，为4~75%，即当氢气的体积浓度介于该区间时遇到静电等火源可发生爆炸。与高压储氢瓶相关的事故主要分为三类：射流喷射、喷射火焰和爆炸。如果高压储氢瓶泄露后立即着火，则会产生喷射火焰，而当泄露后延迟着火则会导致蒸汽云爆炸，伴随冲击波、残骸、碎片、热冲击和噪音等。根据传播速度，爆炸又可分为爆震和爆燃，高压储氢瓶爆炸则属于爆震。

图2 试验场地和NEXO实车

燃料电池车用储氢瓶都安装有温度驱动的安全泄放装置(TPRD)，当着火后温度达到110°C或更高，安全泄放装置激活，感温玻璃球被压碎，泄放通道打开，瓶内高压氢气安全释放，避免发生了爆炸。本文分享韩国KICT机构在现代NEXO燃料电池汽车移除TPRD后进行的极端爆炸试验。

02 试验准备

试验在室外场地进行，如上图2所示。现代NEXO共计搭载3个Ⅳ型储氢瓶，总计储氢质量6.3 kg。试验前将车辆前侧的两个储氢瓶氢气完全排空，使该两个储氢瓶不发生爆炸。仅将车辆尾部的储氢瓶填充满70 MPa高压氢气(2.1 kg)，拆除TPRD并对其进行密封，创造人工爆炸条件。移除NEXO内部所有材料和轮胎，以减少试验中产生有害气体。

图3 试验设备

将庚烷燃烧器放置在NEXO车辆底盘下方，模拟实际车辆中的火灾环境，如上图3所示。在庚烷燃烧器中，通过24个喷嘴以1.8 LPM流量喷射庚烷，喷嘴上方安装点火器。在储氢瓶爆炸后停止向燃烧器供应庚烷。防护屏障符合钢板防火墙的安装标准（KGS FP217），地基部分由钢筋混凝土制成，钢板用螺栓连接在地基顶端，如上图3(c)所示。防护屏障上安装有压力传感器，位移传感器和加速度计。其中，入射和反射压力传感器的安装位置如下图4所示。此外，在驾驶员座位、副驾驶座位、加注氢气的储氢瓶下方及其上方动力电池表面安装有热电偶以测量温度。

图4 入射压力和反射压力传感器位置

02 试验结果

大火从储氢瓶底部开始，逐渐蔓延覆盖了整个NEXO车辆，如下图5所示。从点火开始11 mins 12 s后，储氢瓶发生爆炸，产生冲击波、火球、残骸、碎片和蘑菇云。虽然在爆炸后庚烷燃烧器被停止工作，大火仍持续了一段时间，此后被消防车扑灭。储氢瓶爆炸产生的冲击波使NEXO车辆尾部脱离地面一度高达1.5 m。车辆前部(驾驶座前方)倾斜了15°，车辆尾部向东移动了约2 m。所有车门的外部金属板都飞出，发动机罩随着爆炸打开后又关闭。车内所有可燃材料被烧毁，玻璃部件熔化、流动、破裂。车辆周围的地板和防护栏都被火球烧焦。爆炸产生的碎片损坏了保护屏障，但没有穿过，少数除外。爆炸引起的燃烧对防护屏障影响如下图6所示，可以看出车辆尾部的防护屏障比前部的防护屏障有更大程度的烟灰。

图5 爆炸过程

图6 爆炸前后车辆对比

爆炸0.05 s后入射超压(超压表示爆炸冲击波传播产生的气体压力，指爆炸形成的高于环境的压力，是爆炸威力的一个重要参数)在9~173 kPa左右，如下图7所示。测得防护屏障的最大反射超压在106-198 kPa区间。此外，测得防护屏障的加速度为290 g，位移为108.05 mm。

测得最大的入射超压在NEXO车辆以西3 m处，为173 kPa，其次是NEXO车辆以西5 m处的入射超压136 kPa。在防护屏障西侧，最大入射超压降至防护屏障东侧水平的十分之一，范围在5~12 kPa。东部和南部的最大入射超压测量值区间为9~81 kPa。北部的最大入射超压约为西部最大入射超压的15%，为东部和南部最大入射超压的30%。此外，防护屏障北侧的反射超压为中心和南侧的一半。

图7 爆炸0.05 s时刻的入射压力和反射压力测量值

下图8和图9显示了爆炸0.05 s内入射超压和脉冲的变化(脉冲可通过对压力变化进行积分获得)。通常，当最大入射超压较高时，脉冲也较高。关于最大入射超压，与西面5 m(W5)和南面5 m(S5)处相比，在西面3 m(W3)和南面3 m(S3)处的脉冲较低。安装在NEXO车辆以西3 m(W3)处的入射超压传感器在爆炸过程中与碎片相撞，因此该位置仅在较短时间内测量到入射超压，此后并没有测到压力，因而脉冲被计算较低。如果没有碰撞，它将是最高值。NEXO车辆以南3 m处(S3)的入射压力传感器也因为在爆炸过程中与车辆发生碰撞而没有正确测量。

图8 入射超压测量值和脉冲推导值

图9 入射超压和脉冲

防护屏障处测得的反射超压如下图10所示。防护屏障中心(wall2)和后部(wall3)位置测量到相近的反射超压。与靠近车辆中心和后部的位置相比，在靠近车辆前部的位置(wall1)测到约50%的反射超压。

NEXO车辆以西5 m(W5)处的入射压力在约0.013 s时测得136 kPa，在此0.006 s后测得78 kPa，这可能是由于防护屏障反射压力波引起。当比较距离爆炸源3 m和5 m的西部和南部时，西部的最大入射超压大约是南部的两倍。然而，西部屏障后面的最大压力在5~12 kPa范围内，明显低于防护屏障冬部。

图10 温度变化

下图12显示了热电偶温度随时间的变化。安装在储氢瓶底部的热电偶温度在前200 s高于驾驶员和乘客座椅处温度。此后，在点火200 s后轰燃(flashover)现象迅速升高了座椅处的温度，并超过了在储氢瓶底部测得的温度。储氢瓶顶部的动力电池温度稳定升高到大约800 ℃。

图11 热电偶安装位置

图12 入射超压和脉冲

实验结束后，测量了残骸和碎片的重量和散射距离，如下图13和14所示。当储氢瓶暴露在明火中，储氢瓶上包裹碳纤维的树脂层分解和燃烧，导致氢瓶的强度损失。由于试验时刮东风，氢瓶西部的物理强度下降速度快于东部，因此高压氢气迅速从氢瓶排出到西部，导致大部分残骸散落到东部。这些残骸在57 m的距离处与混凝土结构碰撞而被阻止。即使在散落之后，大火仍在继续。氢瓶的碳纤维是最重的残骸，重量经测量为23.2 kg，在爆炸过程中，它们向各个方向散落。西部的氢瓶碎片显示出图14(e)中的形状，为最远的散落碎片，距离南部约74 m。

重量超过4.5 kg的散落残骸可能是致命的，因为它在与人的头部碰撞时会导致脑震荡。下图14(g)中的碎片重量为7.3 kg，碎片散落在距离车辆38.7 m的地方。图14(l)显示了氢瓶外壳上的碳纤维碎片，这些碎片散落在距离车辆15 m的半径范围内，同时形成了一个爆炸后的"弹坑"。

图13 残骸和碎片的散射位置

图14 残骸和碎片的重量和散射距离