Hydrogen has been used in many industrial and commercial applications with quite an exemplary safety record. Should it become more extensively used in the transport industry, it is thought that the existing safety procedures will provide only limited guidance for hydrogen­powered vehicles. However, automotive makers will have to ensure that this new technology is as safe as the conventional one and it is therefore important to understand in the early stage of development hydrogen behaviour on­board the vehicle in order to identify the acceptable risks and to control any hazardous risk. Since only a small number of these vehicles are in operation today, data available on safety aspects are quite limited

Anselmet, Fabien

Gentilhomme, Olivier

Joncquet, Guillaume

Tkatschenko, Isabelle

The ever-increasing use of hydrogen in the transport sector requires very high safety standards. However, due to the lack of information regarding the safety level of hydrogen systems, risk assessments tend to be over cautious in determining the consequences of accidental releases and could impose restrictive technical regulations. This drove the National Institute if Industrial Environment and Risks (INERIS) along with the French Atomic Energy Commission (CEA), the French automotive manufacturer PSA PEUGEOT CITROËN and the Research Institute on Unstable Phenomena (IRPHE) to submit with success a project called DRIVE to the National Research Agency

HAL AMU

Outcomes from the french national project drive : Experimental data for the evaluation of hydrogen risks onboard vehicles, the validation of numerical tools and the edition of guidelines

HAL-CEA

First results of the french national project ”Drive”:experimental data for the evaluation of hydrogen risksonboard vehicles, the validation of numerical tools andthe edition of guidelinesOlivier Gentilhomme, Isabelle Tkatschenko, Guillaume Joncquet, FabienAnselmetTo cite this version:Olivier Gentilhomme, Isabelle Tkatschenko, Guillaume Joncquet, Fabien Anselmet. First re-sults of the french national project ”Drive”: experimental data for the evaluation of hydrogenrisks onboard vehicles, the validation of numerical tools and the edition of guidelines. WorldHydrogen Energy Conference - WHEC 2008, Jun 2008, Brisbane, Australia. pp.1-4, 2008.<hal-00319749>HAL Id: hal-00319749https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00319749Submitted on 10 Apr 2014HAL is a multi-disciplinary open accessarchive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come fromteaching and research institutions in France orabroad, or from public or private research centers.L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, estdestine´e au de´poˆt et a` la diffusion de documentsscientifiques de niveau recherche, publie´s ou non,e´manant des e´tablissements d’enseignement et derecherche franc¸ais ou e´trangers, des laboratoirespublics ou prive´s.FIRST RESULTS OF THE FRENCH NATIONAL PROJECT “DRIVE”: EXPERIMENTAL DATA FOR THE EVALUATION OF HYDROGEN RISKS ONBOARD VEHICLES, THE VALIDATION OF NUMERICAL TOOLS AND THE EDITION OF GUIDELINES O. GENTILHOMME 1 , I. TKATSCHENKO 2 , G. JONCQUET 3 and F. ANSELMET 4 1 INERIS: Parc Technologique ALATA – BP2 – 60550 VERNEUIL­EN­HALATTE (France) Olivier.gentilhomme@ineris.fr 2 CEA: CEA Saclay – DANS/DM2S/SFME bât. 454 – Point Courrier 47 ­ 91191 GIF­SUR­ YVETTE (France) isabelle.tkatschenko@cea.fr 3 PSA PEUGEOT CITROËN: Centre Technique Carrière­Sous­Poissy – 212 Bd Pelletier – 78307 CARRIERES­ SOUS­POISSY (France) guillaume.joncquet@mpsa.com 4 IRPHE: Technopôle de Château Gombert – 49 rue Frédéric Joliot Curie –  BP 146 ­ 13384 MARSEILLE (France) anselmet@irphe.univ­mrs.fr INTRODUCTION Hydrogen  has  been  used  in many  industrial  and  commercial  applications with  quite  an exemplary  safety  record.  Should  it  become  more  extensively  used  in  the  transport industry,  it  is  thought  that  the  existing  safety  procedures  will  provide  only  limited guidance  for  hydrogen­powered  vehicles.  However,  automotive  makers  will  have  to ensure  that  this  new  technology  is  as  safe  as  the  conventional  one  and  it  is  therefore important to understand in the early stage of development hydrogen behaviour on­board the  vehicle  in  order  to  identify the  acceptable  risks  and  to  control any  hazardous  risk. Since  only  a  small  number  of  these  vehicles  are  in  operation  today,  data  available  on safety aspects are quite limited. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRIVE PROJECT This  drove  the National  Institute  of  Industrial Environment  and Risks  (INERIS) along with  the  Atomic  Energy  Commission  (CEA),  the  automotive  manufacturer  PSA PEUGEOT CITROËN and  the Research  Institute on Unstable Phenomena (IRPHE) to submit with  success  a  project  called DRIVE  to  the French National Research Agency. This is a three­year programme which started in early 2006. In  addition  to  its  primary  objective  which  consists  in  providing  experimental  and numerical  data  to  better  assess  hazards when handling hydrogen onboard vehicles,  this project will provide:  ­  a detailed description of all aspects of the chain reaction leading to an hydrogen risk (release ® explosive atmosphere ® ignition ® jet fire or explosion) and the methodology to quantify them. ­  a list of potential failures / consequences that could be met in a hydrogen vehicle and the best safety strategies for its design, ­  the  best  practice  recommendations  for  the  use  of  CFD  tools  as  a  means  to quantify hazards. These  documents  will  help  in  strengthening  the  risk  assessments  and  will  permit  to segregate  tolerable  accidental  releases  to  unaccepted ones  and will  propose  innovative solutions for the handling of hydrogen in cars compatible with a public use. FIRST RESULTS OF THE PROJECT Release quantification Hydrogen releases can be classified into three categories: ­  Accidental releases: they arise from a single system dysfunction or rupture of one of the components (pipe). They could result in massive H2  release (from 10 1 ­10 2 cm 3 /s) but  are  associated  with  a  very  low  probability  of  occurrence.  By  assuming  that hydrogen behaves  like a perfect gas (which is not  true when the driving pressure is above 50­100 bars), some means of calculating the released mass flow can be found in Tchouvelev et al (2007). ­  Permeation­type  releases:  they  are  inherent  of  the  system  and  depend  on  the material  through  which  hydrogen  diffuses.  These  leaks  are  usually  so  low  (on  the order of 10 ­2 ­10 ­3  cm 3 /s)  that they can not create any explosive atmosphere within a confined environment. Some indications regarding the calculation of permeation­type leaking rate are given by Schefer et al (2006) or San Marci et al (2007). ­  Chronic  releases:  these  releases  come  from  components  and  connections  and  are expected  to  be  as  low  as  permeation­type  releases.  These  chronic  releases mightincrease  because  of  vehicle  ageing  (worn  seal,  damaged  component)  or  bad maintenance  (loose  fitting,  succession  of  clamping  /  unclamping  operations…).  In this  case,  it  can  be  managed  as  any  accidental  release  with  the  same  safety procedures. The  task  I.1.2  of  the  DRIVE  project  consisted  in  measuring  the  chronic  hydrogen releases  from  key  components  of  the  hydrogen  vehicle  (valves,  connectors,  pumps...). Each  component  was  placed  within  a  50  L  chamber,  which  was  entirely  sealed  and thermally insulated, and then fed with hydrogen at different pressures: from few bars for a component normally located close to the conversion system and up to 700 bars for one in  the storage area. Any release arising  from  this component resulted in a pressure rise within  the  chamber  more  or  less  important  depending  on  the  volume  of  hydrogen released.  It  is worth  noting  that oil was also  present  in  the  lower part of  the chamber. This was made to adjust the free volume surrounding the component and thus improved the accuracy of the measurements.Besides being able  to quantify precisely  the hydrogen release,  it  is equally important  to look  at  how  hydrogen  disperses  into  its  environment  so  as  to  be  able  to  estimate  the dimensions of the resulting explosive atmosphere. Hydrogen dispersion... ... in a free environment The task I.2.3 was aimed at gaining further understanding regarding the dispersion of a high­pressure release in a free and obstructed environment. Hydrogen was replaced by a non­reactive gas during all these tests. The  preliminary  tests were  performed by  releasing  air  or  helium  in  a  free  environment through a 1, 2 or 3 mm orifice and with a pressure varying in the range 2–8 bars. The investigation was particularly focused on the compressible effects taking place in the near field  region  of  the  underexpanded  axisymmetric  jet.  The  location  and  diameter  of  the Mach  disc  were  determined  by  means  of  the  Background  Oriented  Schlieren  (BOS) technique and the data were found to be in relatively good agreement with the available literature.  Further  tests  are  scheduled with  a  release  pressure  increased up  to  150­200 bars and the effect of obstacles of different size and shape will also be studied. ... within a confined environment A hydrogen release occurring on a vehicle parked in a confined space is a situation where it  is  important  to  fully  understand  all  the  mechanisms  leading  to  the  build­up  of  a potentially  explosive  hydrogen­air mixture.  This was  achieved  by  the  task  I.2.2  of  the DRIVE project. The facility was based around a rectangular box representative of a single­vehicle private garage. The garage had internal dimensions of 5.76 ´ 2.96 ´ 2.42 m and was fitted with a  commercial  tilting  door  at  the  front  and  a  technical  access  door  at  the  back. All  the walls were made up of panels joined together by means of an aluminium seal tape. This structure  prevented  any  leakage  from  the garage  (at  least during  the  test duration) but could  not  withstand  high  overpressures.  Consequently,  there  was  a  200 mm  diameter opening  at  the  bottom  of  the  back  wall  to  ensure  that  the  garage  will  be  kept  at atmospheric pressure throughout the release. At the end of the release, this opening was sealed to investigate the gas dispersion within the garage. Fig. 1: Picture of the garage and the fuel cell vehicle Again,  the  experiments were  conducted with  helium rather  than with hydrogen and, at the beginning, with no vehicle in the garage. The concentration, whose distribution was found to be strongly three­dimensional during the release, rapidly stratified and increased with  the  height.  It  was  interesting  to  note  that most  of  the  gradient  took  place  in  the upper half of  the garage. The effects of various parameters (released flow rate, volume and  direction)  on  the  characteristics  of  the  explosive  atmosphere  were  also  looked  at during these tests. Hydrogen combustion and explosion Further  tests  are  currently  under way within  the  task  II.2.3  of DRIVE  to  quantify  the thermal  effects  associated  with  the  release  of  ignited  hydrogen  jets  from  a  reservoir pressurized at 700 bar max. CONCLUSIONS Innovation and new  technologies often brings new risks that have to be assessed. Only some vehicles are in operation today and that limits quite significantly the data available on  safety  aspects.  The  DRIVE  project  is  intended  to  provide  both  experimental  and numerical data on that subject and WHEC 2008 is a good opportunity to share with the scientific and industrial committee its first outcomes. ACKNOWLEDGMENTS Author would like to thank the French National Research Agency ANR and particularly its hydrogen programme PAN­H which supports financially this project. REFERENCES San  Marci  C.  et  al.,  “Permeability,  solubility  and  diffusivity  of  hydrogen  isotopes  in stainless  steels  at  high  pressures”,  International  Journal of Hydrogen Energy, 2007, pg 100­116. Schefer  R.W.  et  al.,  “Characterization  of  leaks  from  compressed  hydrogen  dispensing systems  and  related components”,  International  Journal of Hydrogen Energy, 2006, pg 1247­1260. Tchouvelev, A.V.  et  al.,  “Effectiveness  of  small  barriers  as means  to  reduce  clearance distances, International Journal of Hydrogen Energy”, 2007, pg 1409­1415. BRIEF BIOGRAPHY OF PRESENTER Olivier Gentilhomme gained his PhD in Mechanical Engineering (2003) at the University of Sussex in Brighton (UK). From 2004 to 2006, he worked for the consultant company Teuchos  Exploitation,  which  is  part  of  the  Safran  group,  and  carried  out  numerical simulations for the car manufacturer Renault. He is currently working at INERIS (French National  Institute  of  Industrial  Environment  and  Risks)  where  he  is  conducting  risk analysis for  industrial facilities and developing codes for cloud dispersion in free and/or confined environments.