本田最新燃料电池堆封装氢安全开发技术

本田2021年宣布停止Clarity燃料电池汽车生产，却从未停止燃料电池技术开发 。近日，本田发布了其最新的 燃料电池堆封装氢安全 开发技术 。与已停止生产的Clarity燃料电池汽车上采用的 导管方案 不同，2022年发布的最新封装氢安全技术采用类似丰田的 防水透气阀 方案。本文分享本田最新燃料电池堆封装氢安全开发技术。

本田Clarity燃料电池堆

本田Clarity燃料电池堆封装氢安全结构如下图所示，由 封装箱 、 氢气传感器 和 导管 三部分组成。封装箱内氢气通过导管排出至外界，将其浓度降低到可燃性阈值以下，从而有助于确保车辆的氢安全。在遇到车辆碰撞或其他原因引起氢气相关零部件破坏时，氢气从封装箱内泄漏，氢气传感器识别泄漏后系统将会控制截断氢气供应。

本田Clarity燃料电池堆封装氢安全方法

由于氢分子极小，即使在燃料电池正常运行期间，极少量的氢气(约几cm3/min)也可从电芯内穿过密封材料渗透到封装箱内。当氢气超过传感器体积浓度阈值时，系统将确定发生氢气泄漏，即使在正常运行下也被强制关闭。因此， 封装氢安全结构需要释放泄漏的氢气，以不超过传感器的阈值保证氢安全 ，并且结构应当更紧凑，重量更轻 。本文介绍本田2022年最新发布的基于防水防尘的透气阀所进行的封装氢安全开发技术。

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开发目标

本田最新封装氢安全方案

上图显示了本田最新基于防水防尘透气阀的封装氢安全结构。封装箱体上安装了防水防尘的透气阀，氢气可通过透气阀排到车辆前引擎盖下方空间。这样，无需使用导管，结构也可以做得更紧凑，重量更轻。（ 透气阀具有气压平衡和防水功能，透气性由透气膜决定 ）

通过透气阀的氢气量由以下三个因素决定：(1) 透气阀安装位置 。氢气比空气更轻，因此会积聚在封装的上部。(2) 透气阀面积 ：面积越大，排出氢气越多。(3) 透气阀内透气膜的材料性质 ：材料本身的渗透性会改变排出氢气量。

由于氢气渗透量（或泄漏量）随车辆行驶工况和环境温度变化，因此 要求CFD计算所使用的透气阀物性参数在各种初始条件下能够灵活适用 。在进行CFD仿真时，首先要建立封装结构内外部的三维计算域，封装结构有透气阀并且真实反应其位置和面积。接下来，定义透气阀的材料属性，然后输入初始值氢气量以计算氢气浓度变化。最后决定透气阀的面积和位置以及封装结构的形状，以实现内部的氢浓度保持在阈值以下。因此，在CFD仿真之前， 首先应该得到透气阀的材料属性 。为此， 本田创建了一种新的可在不同渗透量和温度条件下测定透气阀材料属性和气体透过特性的方法 。

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开发方法

氢气跨透气阀的输运过程是达西定律和扩散定律，涉及物理参数主要为 A1 、 A2 、 D ， 由压力梯度和浓度梯度决定，后续CFD仿真需要作为输入 。 通过拟合压降和速度关系，得到粘性阻力系数 A1 和惯性阻力系数 A2 。在中等或较大的流场中，由于流速大，平流占主导地位；在小流场中，平流的影响减小，扩散占主导地位。因此，有必要区分微小流场中阻力系数 A1 、 A2 和扩散系数 D 。

为了隔离 A1 、 A2 和 D ，在左右两个空腔之间安装了一个透气阀，并创建了一个能够同时获得透气阀两侧压力和浓度随时间变化数据的测量装置，如下图所示。进一步通过CFD计算再现了实际测量结果，验证参数和模型的准确性，并最终可以指导封装氢安全设计。

透气阀压降和气体浓度测量装置

测试装置左右两边各有一个气体入口，中间为一条直径为 20 mm 的直通道。通过同时打开气体A入口和气体B出口，关闭气体A出口和气体B进口，这样就产生了从A侧通过透气阀到B侧的单向流动。透气阀用铝板固定，也可以安装透气阀（下文统称透气阀）。透气阀安装孔直径为10 mm。装有透气阀的铝板用 O形圈和 法兰密封。在透气阀两侧安装浓度传感器和压力传感器。测量时，室内温度与A气体入口温度保持一致，以免因温差引起测量误差。在对应阀门打开后立即进行测量，直到所有传感器数值达到稳定状态。在多组气体流动条件下测量的压降和气体流速关系以下面的方程和曲线行驶表示。

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扩散系数 D 测定方法

气体A浓度分布CFD计算

不像透气阀两侧压力值具有差异， 透气阀两侧气体浓度值实际上相同 。测试中随着时间推移， C 2 和 C 3 趋于相同， 需另寻方法来获取扩散系数 D 。因此，本田采用CFD计算方法，通过获取同一时间内透气阀两侧 C 2 和 C 3 来计算扩散系数 D 。 通过对上述测量装置内部空间和透气阀进行建模，初始条件为气体A充满A空间和气体B充满B空间。在此状态下，以指定流量和浓度引入气体A，并进行瞬态计算，模拟气体A通过透气阀向气体B出口流通，如上图所示 。

C 3 气体浓度上升延迟现象

将参数 A 1 、A 2 和 D 施加给透气阀对象后， CFD计算可以说明 测试中的各种现象，如 P 2 和 P 3 之间的压差以及由于透气阀抑制气体输送而导致的 C 3 浓度上升延迟，如上图所示。该延迟现象根据 A 1 、A 2 和 D 的值而变化。 A 1 、A 2 是通过实测确定，扩散系数 D 是通过CFD确定 。在识别扩散系数 D 时，需要多个不同扩散系数 D 值的CFD结果，如下图所示。每秒计算 C 2 和 C 3 中测量值与CFD计算值之差的平方，并在指定的时间内积分，如下式。

扩散系数 D 确定方法

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透气阀物理参数识别

真实燃料电池系统中，封装箱内外的气体为H 2 和空气。 为安全起见，用He气取代H 2 ，用氮气取代空气 。下表 列出了采用 日本电工株式会社 的 TEMISH Z3-NTF210SE 型透气阀的测试条件 。气体A是He气和N 2 的混合物，气体B是纯N 2 。He 气浓度固定在4%，通入5、10和20 cm3/min三种不同流量的气体A。房间以及气体A和气体B的温度被固定在25°C。

表 透气阀测试条件

采用Fluent软件进行瞬态计算，计算域主要由 流道 和 透气阀 两部分组成，两部分都有其各自的气体扩散性质。因此， 通过创建用户定义函数UDF来定义流道中二元混合气体扩散系数 D 0 ，透气阀参数 A 1 、 A 2 和 D 。利用Chapman-Enskog方程计算 D 0 ，参数 A 1 、 A 2 由实验测定， D 作为假设值。

下图给出了三组不同气体 流量的 气体A经过透气阀的压降 P 2 - P 3 测量结果，点是测量值，曲线是用实验测定值 A 1 和 A 2 进行CFD计算出来的。下图显示了 Δ ² 和扩散系数 D 的关系， 通过该曲线可以锁定 D 。 下图显示了在表1所示的三种条件下浓度 C 1 、C 2 和 C 3 测量值与CFD计算值对比情况。结果表明，CFD结果能较好地再现实测气体He的浓度分布。

压降和流速关系

压降和扩散系数关系

3个传感器处He气浓度

本田研究人员在其他气体初始条件下也检查了透气阀压降和浓度的实测和CFD计算结果对比情况，以验证透气阀物理参数的有效性。下表显示了对比验证的条件，1至3是验证气体He浓度差异，4至9是用O 2 代替N 2 验证气体类型的影响。

表 验证条件

压降和扩散系数关系

上图显示了上述9种条件下透气阀压降测量值与CFD计算值的比较结果。结果表明， 识别出的透气阀物理参数适用于不同浓度和不同气体类型，并且可以准确地预测透气阀的压降 。下图显示了浓度 C 1 、C 2 、C 3 的测量值与CFD计算值的对比结果。可以看到，CFD结果高精度再现了测量结果，成功地验证了该方法具有高度的通用性和可靠性。

传感器气体浓度实测和CFD计算结果对比

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设计方法验证

测试装置和氢气浓度分布

上图显示了一个带透气阀的封装氢安全结构测试装置及其CFD浓度分布结果。该测试装置由 气体流入管道 、 透气阀 、 封装箱 和 浓度传感器 组成。 100%浓度的He气 通过封装箱底部位置的管道流入封装箱内部。除了透气阀以外的任何管路和通道都是密封的。He气扩散到盒子内部，与空气混合，扩散到整个内部空间，然后通过安装在盒子两侧的透气阀流出封装箱。空气也通过透气阀进出箱体，受箱体内外的浓度差驱使，直到最后形成恒定浓度场。通过在稳态状态下测量从传感器1到传感器5的五个位置的He气浓度，验证可以使用本研究中获得的透气阀特性参数通过CFD计算预测气体浓度分布。

表 验证条件

在上表所示的三种条件下进行验证。工况1没有透气阀，气体可以通过20个透气阀安装孔自由进出。工况2和工况3的透气阀数量和He气入口的数量与工况1不同，用以评估所获得的透气阀参数和CFD计算方法的有效性。工况2中未安装透气阀的孔用铝箔胶带密封。温度统一设定在25℃。

He气浓度分布

上图显示了三组条件下测量值与CFD计算结果的比较情况。结果表明， 无透气阀通高流量He气情况下封装箱内He气浓度低于有透气阀通入低流量He气的情况 ，成功验证了透气阀抑制了空气和He气的渗透。通过(b)和(c)的比较，也说明了 透气阀数量越少，He气浓度越高 。虽然不同传感器位置的浓度值差异很小，但CFD计算也成功地再现了靠近入口的传感器3处浓度更高的趋势。这些结果表明，CFD结果都能令人满意地预测测试结果， 证实了本田研究中获得透气阀物理参数和CFD方法的有效性 。

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