Fire toxicity and vent gas hazards in electric and hydrogen vehicles: flammability, toxicity, and the role of ventilation

Abstract

Aquesta tesi explora els riscos dels vehicles elèctrics (VE) i els vehicles d'hidrogen en aparcaments tancats, centrant-se en la interacció amb els sistemes de ventilació. Avalua com aquests sistemes gestionen els gasos inflamables i tòxics procedents de les avaries de les bateries dels VE i les fuites dels tancs d'hidrogen. L'estudi utilitza una revisió de la literatura per examinar els avenços recents en tecnologies de bateries i cel·les de combustible d'hidrogen, juntament amb una anàlisi de la toxicitat del foc i les emissions de gasos dels VE. Utilitzant el Fire Dynamics Simulator (FDS) i el Flame Acceleration Simulator (FLACS), la recerca modela els incendis de VE i les fuites d'hidrogen, avaluant el comportament dels gasos emesos tant en escenaris amb presència de flames com sense. Els resultats indiquen que els incendis de VE produeixen una calor similar als motors de combustió interna, i que les normatives actuals són conservadorament suficients per contenir-los. No obstant això, aquestes normatives podrien no ser adequades per ajudar en la resposta de l'emergència quan es considera la propagació del foc. A més, els VE emeten més fluorur d'hidrogen però té lloc després de l'evacuació, en general els plàstics existents en els vehicles actuals augmenten la toxicitat dels fums. L'estudi també demostra que certes configuracions de ventilació creen zones de recirculació, augmentant els volums de gas inflamable i els riscos d'explosió degut a una major sobrepressió quan s'encenen. Aquests escenaris d'explosió s'analitzen més a fons en configuracions simulades d'aparcaments concorreguts per entendre els impactes de les ones expansives i els possibles danys.

Esta tesis explora los riesgos de los vehículos eléctricos (VE) y los vehículos de hidrógeno en estacionamientos cerrados, centrándose en la interacción con los sistemas de ventilación. Evalúa cómo estos sistemas manejan los gases inflamables y tóxicos provenientes de fallos en las baterías de los VE y fugas en los tanques de hidrógeno. El estudio utiliza una revisión de la literatura para examinar los avances recientes en tecnologías de baterías y celdas de combustible de hidrógeno, junto con un análisis de la toxicidad del fuego y las emisiones de gases de los VE. Utilizando el Fire Dynamics Simulator (FDS) y el Flame Acceleration Simulator(FLACS), la investigación modela incendios de VE y fugas de hidrógeno, evaluando el comportamiento de los gases emitidos tanto en escenarios con llamas como sin llamas. Los hallazgos indican que los incendios de VE producen un calor similar a los motores de combustión interna, y que las normativas actuales de incendios son suficientemente conservadoras para contenerlos. Sin embargo, estas normativas podrían no ser adecuadas para apoyar la respuesta a la emergencia cuando se considera la propagación del fuego. Además, los VE muestran un aumento retardado en los niveles de fluoruro de hidrógeno después de la evacuación, mientras que los plásticos presentes en los vehículos actuales aumentan la toxicidad de los humos en general. El estudio también demuestra que ciertas configuraciones de ventilación crean zonas de recirculación, aumentando los volúmenes de gas inflamable y los riesgos de explosión debido a una mayor sobrepresión cuando se encienden. Estos escenarios de explosión se analizan más a fondo en configuraciones simuladas de estacionamientos abarrotados para entender los impactos de las ondas explosivas y los posibles daños.

This thesis explores the risks of electric vehicles (EVs) and hydrogen vehicles in enclosed car parks, focusing on the interaction with ventilation systems. It evaluates how these systems manage flammable and toxic gases from EV battery malfunctions and hydrogen tank leaks. The study uses a literature review to examine recent advancements in battery and hydrogen fuel cell technologies, alongside an analysis of fire toxicity and gas emissions from EVs. Using Fire Dynamics Simulator (FDS) and Flame Acceleration Simulator (FLACS), the research models EV fires and hydrogen leaks, assessing the behavior of emitted gases in both flaming and non-flaming scenarios. Findings indicate that EV fires produce similar heat to internal combustion engines, and current fire regulations are conservatively sufficient for containing them. However, these regulations may not adequately support emergency response when considering fire spread. Additionally, EVs show a delayed increase in hydrogen fluoride levels after evacuation, while modern plastics in vehicles heighten overall toxicity. The study also demonstrates that certain ventilation configurations create recirculation zones, increasing flammable gas volumes and explosion risks due to higher overpressure when ignited. These explosion scenarios are further analyzed in simulated crowded car park settings to understand blast wave impacts and potential damages.