Аналіз пожежної небезпеки витоку водню з електромобілів на паливних елементах

Abstract

Постановка проблеми. Передумови бурхливого розвитку різного роду електромобілів (зокрема за остання десятиліття) наведено у низці наукових праць. Проблематиками дослідження електромобілів в тому числі і безпековими займаються багато наукових і науково-дослідних установ провідних країн світу. Серед яких Національна асоціація протипожежного захисту (NFPA) міжнародна організація пожежно-рятувальних служб (CTIF). Особливу увагу привертають електромобілі на водневих паливних елементах. Електромобіль з водневими паливними елементами (Fuel Cell Electric Vehicle FCEV) – транспортний засіб, у якому обертовий момент, необхідний для забезпечення руху, створюється електричними двигунами, які живляться електроенергією з водневих паливних елементів. Академічна зацікавленість до FCEV різко зростає. Приміром якщо у 1999 році було лише 13 наукових праць, а вже у 2018 їх кількість зросла до 171. Особливість даних автомобілів (FCEV) із нульовим викидом шкідливих речовин під час експлуатації полягає у швидкому відновленні запасу пробігу, тобто заправлені воднем. Час заправлення орієнтовно такий самий, як час заправлення автомобілів з двигунами внутрішнього згоряння. Це створює FCEV значну перевагу з точки зору відновлення запасу ходу у порівнянні із електричними транспортними засобами, що обладнанні силовою акумуляторною батареєю (АКБ) (BEV-battery electric vehicle), час відновлення 60% запасу ходу при швидкому заряді може складати 45-60 хв. Крім цього у Європейському стратегічному плані енергетичних технологій технології використання водню та паливних елементів визначено як ключові технології для досягнення цілей скорочення викидів парникових газів до 2050 року. Мета дослідження полягає у розкритті особливостей впливу чинників (діаметра отвору, об’єму та тиску) на час аварійного викиду водню з електромобілів на паливних елементах, які використовують водень. Це створить підґрунтя для подальших досліджень особливостей розвитку та гасіння пожеж FCEV за участю горіння водню. Опис матеріалу. Проведено дослідження часу витоку водню в залежності від діаметру отвору внаслідок аварійної розгерметизації системи при тисках 70 МПа та 35 МПа. Викид водню може відбуватись внаслідок стравлення надлишкового тиску з клапана стравлення або внаслідок порушення герметичності системи, що може бути спричинене дорожньо-трансопртною пригодою чи механічною дією інших чинників. Дослідження проведено на прикладі автомобілів Toyota Mirai, з потужністю електродвигуна 154 к.с., крутним моментом 335 Нм та заявленим пробігом 650 км. Об’єм баків для водню становить 122,4 л. та автомобіля BMW iX5 Hydrogen потужністю 170 к.с., крутним моментом 380 Нм та об’ємом баків для водню 160 л. А також для елетротягача прикладі тягача Mercedes-Benz GenH2 потужністю 449 к.с., крутним моментом 2071 Нм з пробігом без дозаправки 1000 км та вантажопідйомністю 25 тонн з об’ємом баків для водню 1000 л. Результати дослідження наведено у вигляді графічних залежностей. Висновки. Окреслено передумови, тенденції розвитку та зацікавленість наукової спільноти дослідженням електромобілів на паливних елементах, які використовують водень. Про класифіковано електромобілі на паливних елементах та описано принцип їх роботи. Досліджено витікання водню із електромобілів на паливних елементах в залежності від діаметру отвору, тиску та об’єму паливних баків. Результати чисельних експериментів приведено у вигляді графічних залежностей. При діаметрі отвору 1 мм час викиду водню для автомобіля Toyota Mirai з об’ємом баків для водню 122,4 л складатиме 26,6 хв. та 34,7 хв. для BMW iX5 Hydrogen з обємом баків 160 л. При збільшені діаметра отвору час викиду різко зменшується і вже при діаметрі 5 мм складає близько 1 хв для обох автомобілів. При зменшені тиску вдвічі до 35 МПа час викиду зменшується лише на 10 % у порівнянні з повністю заправленим баком. Для вантажних електромобілів час викиду водню в середньому у 7-9 разів більший ніж у легкових автомобілів при однаковому діаметрі отвору пошкодження. На прикладі тягача Mercedes-Benz GenH2 для приведеного діаметра отвору 5 мм, при тиску 35 МПа і 70 МПа, час викиду водню становитиме 7,8 і 8,6 хв. відповідно. Аналізуючи результати дослідження витоку водню з різного роду електромобілів на паливних елементах, які використовують водень та час прибуття пожежно-рятувальних підрозділів на місце виклику, стає очевидним, що рятувальникам доведеться стикатись з витоком чи горінням водню на пожежах чи ДТП за участю FCEV. Це потребує розроблення нових методів та способів реагування на пожежі такого роду, що може стати предметом подальших досліджень.