氫燃料電池工藝與建筑聯動設計初步研究

馮 立 （中鐵南方投資集團有限公司，廣東 深圳 518054）

1 項目背景

石油、煤、天然氣、石油氣等化石燃料均屬不可再生資源。我國目前面臨明顯的石油安全問題，對外依存度從2014年接近60%，到2017年已超過67%，已經大大超過61%的紅線，同時，我國化石能源的長期過度開發和粗放低效利用，碳排放量連續多年位居世界第一，造成了日趨嚴峻的環境污染問題，新能源的開發迫在眉睫。

氫能是零碳綠色的新能源，可實現從開發到利用全過程的零排放、零污染，被譽為驅動人類社會發展的終極能源。歐盟和美、日、加拿大等國都先于我國制定了氫能發展規劃和戰略，并從國家層面設定向氫能社會過渡的時間安排。美國目前約有5000輛氫燃料電池叉車實現大規模示范。日本國家財政已投入30億美元用于氫能相關技術研究，計劃到2030年氫燃料電池汽車達到1500萬輛。2017年達沃斯論壇期間，來自傳統石油、天然氣與交通領域的13家巨頭聯合成立全球氫能聯盟，提出推動氫能成為能源轉型關鍵解決方案的全球倡議，氫能產業發展的戰略機遇期到來。

佛山（云浮）產業轉移工業園，是在廣東省確保實現黨的“十八大”提出的到2020年全面建成小康社會的目標，根據全省發展不均衡的實際，持續深入開展對口幫扶工作，明確由佛山市對口幫扶云浮市背景下設立的工業園區。該園區打破傳統產業轉移發展模式，緊跟氫能產業發展趨勢，通過與加拿大巴拉德公司合作，引進國際領先的氫能技術，以氫能源汽車為主導產業，重點打造整車和氫燃料電池生產環節。目前，已具備年產5000輛客車和20000套氫燃料電池的產能，同時，積聚了集制氫、儲氫、運氫、加氫、運營等產業鏈上下游企業20余家。

2 項目概況

佛山（云浮）產業轉移工業園新能源汽車產業標準廠房及配套工程位于云浮市思勞鎮，規劃凈用地面積23.8hm2，按一次規劃設計，土建工程一次完成，生產設備分二期實施。其核心工藝主要采用加拿大巴拉德公司技術的氫燃料電池組裝車間（以下簡稱“電池車間”），主要服務于氫能源客車整車和氫燃料電池組裝，主要功能是備用電源和客車電源電堆構件組裝、原料倉儲和樣品抽檢。

電池車間設計使用年限為50年，抗震設防烈度六度。建筑防火設計為戊類單層廠房，建筑耐火等級為二級，屋面防水等級為二級。廠房長120m（軸線），寬99m（軸線），建筑面積為24200m2，占地面積12100m2，共五跨（18m+18m+21m+21m+21m），柱頂標高10.3m，建筑總高度14.122m，室內外高差0.15m，邊柱柱距7.5m，中柱柱距7.5m，南側7.5m，柱距內為內置二層生活間，一層層高5.4m，二層層高4.8m。結構形式為鋼結構。

3 氫燃料電池組裝工藝流程和建筑對策

根據電池車間（HD7-100kW電堆）的工藝要求[1]，整個電堆生產流程主要分為以下幾個區域：組裝區域、輔助用房區和倉儲區。其中組裝區域包括客車電源組裝區域、備用電源（氫空式）組裝區、備用電源（甲醇式）組裝區和甲醇重整器組裝區等，輔助用房區域分為系統集成區、氫氣試驗區、泄露監測區和輔助檢測區等，庫房分為原料庫、試驗品庫和氫空電池、甲醇重整電池、客車電源和備用電源成品庫。

對應不同的分割區域，其通風[2]、防火[3]、抗爆[4]、照明、潔凈[5]和防靜電要求不完全一致，建筑設計要求也需要隨之變化。由于國內外關于輔助用房部分建筑設計規范要求不一致，如按照原工藝要求，泄漏檢測區域需要布置在生產車間中間位置以便成品運輸檢驗，加拿大要求車間采用性能化防火設計，根據試驗數據顯示，氫氣泄漏數量和廠房高度尺寸無需進行強化消防處理，但根據國內防火設計規范，該區域屬于易燃易爆區域，需要按照甲類防火進行設計，甚至造成整個車間消防等級的提升；其他，如燃料電池屬于能量轉化設備而不是存貯構件等，與常規電池不一致的特殊情況也需要進行大量的溝通和對接。在考慮產品特殊性要求和國內設計、施工規范要求，在和生產工藝人員充分對接后，將國外工藝布局進行了大范圍的調整，使其滿足國內生產、貯藏、運輸等各個方面的需求。

原電池車間（HD7-100kW電堆）的工藝布置要求和根據國內規范調整后的工藝布置見圖1、圖2。

圖1 原加拿大工藝布置圖

圖2 調整后工藝布置圖

電池車間建筑設計考慮以構件組裝為主，主要分為組裝區、輔助用房區和倉儲區。組裝區位于廠房中間區域，工藝流程組織詳見圖2箭頭所示。輔助用房位于車間北、南、東三個側邊，辦公區域位于車間南側。倉儲區位于車間東側，設一層房間。西南角設配電房一間，滿足車間用電需求。

電池車間主要分為兩個區域，東側18m范圍內采用輕質隔墻隔開，其余位置為一個區域。隔墻上設電動卷簾門，兩區域互通。車間向外出入口共設電動提升門8扇，一般區域設疏散門4扇，泄漏檢測區設安全疏散門2扇，辦公區設安全疏散門2扇。

電池車間輔助用房檢測區為獨立防火分區，生產危險性分類為甲類，面積590m2，層高5.4m。該區域采用防火墻與主車間進行分隔，防火墻上設甲級卷簾門，門寬×門高為4m×4m，方便叉車出入。該區域設置防爆軸流風機6臺，日常情況下可開啟1～2臺進行換氣，同時與氫氣檢測泄漏裝置聯防，當發生氫氣泄漏時，進行及時換氣。該區域窗戶日常情況下應處于開啟狀態。

電池車間輔助用房的氫氣試驗區所有電氣設備均采用防爆電氣設備。彩鋼夾芯板屋面和外側彩鋼板作為泄壓區域。

電池車間輔助用房的辦公區為兩層，建筑面積930m2，一層設更衣室、衛生間、工具間、網絡間等，二層設辦公室、會議室，該區域設疏散樓梯2部。

倉儲區位于車間北側，均為單層，高度5.4m，共三間，采用甲級防火門與車間進行分隔。

車間西南角設配電室一間，采用實心加氣混凝土磚與車間隔開，配電間長度大于7m，設2個出入口，均為甲級防火門。考慮配電間防水，配電間地面比室內地面高出50mm。配電間考慮夏季高溫空調降溫。

4 結論

經過近2年的實際使用，目前氫燃料電池組裝車間運轉正常、使用良好，已經為產業園區創造了一個奇跡，其生產的HD7-100kW電堆已經升級并完成全部原材料的國產化，其產品也成為廣東區域燃料電池最大的生產商。