集裝箱式燃料電池實驗室氫安全設計

質子交換膜燃料電池發動機因轉換效率高、功率密度大、零排放等優點^[1]，其發展越來越受到國家的重視和政策的支持。燃料電池發動機從研發到量產需完成GB/T 24554-2009^[2]和GB/T 33979-2017^[3]中規定的試驗項目。然而，在國內燃料電池試驗臺架資源非常緊缺的大背景下，建設集裝箱式燃料電池實驗室成為燃料電池發動機開發過程中非常重要的一個環節。集裝箱式燃料電池實驗室在試驗過程主要涉及密閉空間內的氫氣泄漏、氫氣爆炸、測試設備起火等危險源，因此，本文將圍繞燃料電池實驗室的主動氫安全設計、被動氫安全設計進行論述。

1   燃料電池發動機工作原理及試驗工藝流程

燃料電池發動機主要包括燃料電池電堆、供氫總成系統、空氣供給系統、水管理系統、功率分配系統，燃料電池控制系統等部件^[4]，其主要工作原理是氫氣在陽極發生氧化反應分解成氫離子和電子、氧氣在陰極發生還原反應生成氧離子，其結果是在陽極帶負電端和陰極帶正電端產生一個電壓，如果加上外部負載，即可產生電流。在反應過程中，水是唯一的副產物。試驗過程中，氫氣由試驗廠區的氫氣集裝格統一供給。氫氣集裝格的初始氣體供給壓力為(15~20)Mpa，經過廠區一級減壓到3 Mpa 以后進入到集裝箱式燃料電池實驗室的氣體供給系統，經過二級減壓到2 Mpa 以后進入燃料電池發動機測試臺架，然后經過測試臺架氫氣流量計以后進入燃料電池電堆的陽極進行反應。氧氣由燃料電池發動機空壓機吸取環境箱內部空氣，進入燃料電池電堆的陰極進行反應，最終生成電和水。反應生成的電通過可回饋式電子負載流入電網，反應剩余的氣體及生成的水通過尾氣排放系統排走，具體試驗工藝流程詳見圖1。

圖1 燃料電池發動機試驗工藝流程圖

2   集裝箱式燃料電池實驗室構成

集裝箱式燃料電池實驗室主要由新風及制冷機組集裝箱、供氣系統集裝箱、環境箱集裝箱、測試臺架集裝箱、控制室及負載集裝箱組成，主要包括氣體供給系統、環境箱、燃料電池發動機測試臺架、冷卻塔等設備。根據燃料電池發動機的產品要求，燃料電池測試臺架試驗能力按照可滿足最大輸出功率為150 kW 的燃料電池發動機進行規劃，設備參數具體詳見表1。

3   集裝箱式燃料電池實驗室被動氫安全設計

在集裝箱式燃料電池實驗室的被動氫安全設計方面，主要從涉氫設備的選型、抗爆屋設計和測試設備的電氣原理圖設計等維度考慮。在涉氫設備選型方面，涉氫區域分別為供氣系統集裝箱、環境箱抗集裝箱和測試臺架集裝箱，參考GB50058-2014[5] 第2.2.1 條的相關定義，根據燃料電池發動機試驗過程中氫氣出現泄漏的頻率、持續時間以及室內的通風換氣情況，將涉氫實驗室區域劃分為2 區，根據設備保護級別定義，應選擇的設備防護等級為Ga、Gb 或Gc。由于氫氣屬于IIC 類氣體，因此對應的設備也要滿足IIC 要求。根據氫氣的MSDS 可知氫氣的引燃溫度為500 ℃，參考GB50058-2014^[5]附錄C 的相關要求，涉氫設備允許的最高表面溫度選擇450 ℃的T1 組，因此涉氫設備的適用溫度級別選擇T1~T6 均可，具體的涉氫設備防爆等級詳見表2。

表2 涉氫設備防爆等級要求

在抗爆屋的設計方面，測試臺架抗爆屋的內尺寸為5.6 m×2.0 m×2.4 m，外尺寸為6.0 m×2.4 m×2.8 m，其中泄爆面積為16.8 m²，泄爆屋面面積為14.4 m²，抗爆墻體面積為18.24 m²。環境箱抗爆屋的內尺寸為5.7 m×3.0 m×3.6 m，外尺寸為6.1 m×3.4 m×4.0 m，其中泄爆墻面積為24.4 m²，泄爆屋面面積為20.7 m²，抗爆墻體面積為31.8 m²。抗爆屋墻體泄爆壓力值為1 kPa，屋面泄爆壓力值為3 kPa，抗爆壓力值為1 Mpa。

參考GB50016—2017^[6]中第3.4.1 條關于泄爆面積的計算要求S1=10 CV 2/3，危險源為氫氣，C 取0.25，代入計算，臺架抗爆屋理論泄爆面積S1 臺架=22.43 m²，實際泄爆面積S2 臺架=16.8 m²+14.4 m2=31.2 m2 ＞ S1 臺架，環境箱抗爆屋理論泄爆面積S1 環境箱=38.98 m²，實際泄爆面積S2 環境箱=24.4 m²+20.7 m2=45.1 m2 ＞ S1 環境箱，滿足要求。

在設備的電氣原理圖設計方面，考慮試驗過程中發生氫氣泄漏以后可能的傷害嚴重程度、發生泄漏的概率，參考GB/T16855.1—2018^[7]的相關要求，燃料電池實驗室內的涉氫電氣設備性能等級需參考PLd 等級進行設計（見表2）。滿足PLd 的電氣設備需要滿足：①電氣安全架構滿足Cat 3 類要求，保證從電氣設備的輸入裝置、邏輯判斷裝置和執行輸出裝置都有2 個獨立的冗余回路，設備中的任一部件的單一故障不會導致設備功能的完全喪失；②電氣設備的診斷覆蓋率需達到90％以上；③每個通道平均危險失效間隔時間要求為10~30 年，具體的燃料電池測試設備總電氣原理詳見圖2。

圖2 燃料電池測試設備總電氣原理

4   集裝箱式燃料電池實驗室主動氫安全設計

在集裝箱式燃料電池實驗室的主動氫安全設計上，主要從實驗室的安防措施設計以及燃料電池測試設備間的安全聯鎖控制來考慮。在實驗室的安防措施設計上，主要按照4 個原則設計：①在所有實驗室內，均安裝煙霧和溫度報警器；②在涉氫實驗室內，均在實驗室的頂部對角位置分別安裝2 個氫濃度傳感器^[8]；③在環境箱內安裝燃料電池發動機的尾排管路直接引入環境箱的尾氣排放系統，試驗過程中反應剩余的氫氣可直接排入室外環境大氣，稀釋環境箱內氫濃度^[8]；④在環境箱試驗區域內安裝防爆攝像頭，實時觀察樣件狀態。

在測試設備安全聯鎖控制方面，主要需建立燃料電池測試設備及其配套設施的安全聯鎖矩陣，明確各設備之間的互鎖條件。安全聯鎖矩陣的設計主要考慮以下5個原則（見表3）： ① 若任何一個集裝箱式實驗室發生火災，供氣系統切斷氫氣總閥，供氣系統及測試臺架氫氣緊急泄放閥打開，環境箱及測試臺架緊急停機，監控系統顯示報警信息，試驗中斷，七氟丙烷滅火系統由試驗人員根據實際情況手動啟動。②若燃料電池實驗室出現氫氣泄漏，氫濃度達到4 000 ppm 時，測試臺架停機，事故排風系統啟動，試驗暫停；氫濃度達到8 000 ppm 以上時，供氣系統切斷氫氣總閥，供氣系統及測試臺架氫氣緊急泄放閥打開，環境箱及測試臺架緊急停機，監控系統顯示報警信息，試驗中斷。③若環境箱及供氣集裝箱內氧氣濃度低于19.5％時，測試臺架停機，通風系統持續打開。④若出現測試臺架及供氣系統與其他設備通信異常時，供氣系統切斷氫氣總閥，環境箱及測試臺架停機。⑤試驗前，若環境箱新風系統及測試臺架沒啟動或實驗室門沒關閉，測試臺架不能啟動。

表3 集裝箱式燃料電池實驗室安全聯鎖矩陣

5   結束語

通過對集裝箱式燃料電池實驗室主動氫安全設計和被動氫安全設計的詳細討論，系統分析了燃料電池試驗過程中可能出現的危險情況及應對措施，有效保障了燃料電池發動機試驗的順利開展，為后續的燃料電池實驗室建設及安全運行提供了寶貴的經驗。

參考文獻：

[1] 萬利.質子交換膜燃料電池測試系統的設計與開發[D].南京:南京大學,2013.

[2] GB/T 24554—2009 燃料電池發動機性能試驗方法[S].北京:中國標準出版社,2009.

[3] GB/T 33979—2017 質子交換膜燃料電池發電系統低溫特性測試方法[S].北京:中國標準出版社,2017.

[4] 張新豐,羅明慧,姚川棋,等.大功率車用質子交換膜燃料電池發動機性能測試實驗室設計[J].同濟大學學報(自然科學版),2017,45(增刊1):132-137.

[5] GB 50058—2014 爆炸危險環境電力裝置設計規范[S].北京:中國標準出版社,2014.

[6] GB 50016—2017 建筑設計防火規范[S].北京:中國標準出版社,2017.

[7] GB/T 16855.1—2018 控制系統安全相關部件 第1部分:設計通則[S].北京:中國標準出版社,2018.

[8] 常國峰,李玉洋,季運康,等.燃料電池汽車動力系統綜合測試環境艙的氫安全設計[J].實驗技術與管理,2020,37(6):280-287.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年12月期）