燃料電池試驗室氫安全研究與設計

劉闖，鄭治強

（中汽研汽車工業工程（天津）有限公司，天津 300300）

1 引言

2020年以來，在國家層面對氫燃料電池汽車產業的政策支持下，各地爭相出臺了氫燃料電池及氫能產業發展規劃或扶持政策。而國內在關鍵材料、關鍵零部件和整車集成等方面仍有較大差距。在此背景下，各大車企和相關科研機構都在加大對氫燃料電池汽車技術的研發，很多企業、科研機構開始建設新的氫燃料電池研發中心。

然而2019年以來，美國、韓國和挪威相繼發生氫安全事故，引發了業界對氫能與燃料電池汽車產業健康發展的擔憂和對氫能利用安全技術研究的重視與關注。氫安全貫穿氫氣的生產、儲運、加注、應用終端等環節，是氫能產業健康發展的首要保證。

目前，氫燃料電池試驗室的工程設計面臨著項目先例較少、工藝輸入條件不明晰、標準法規不完善等現狀。因此，在目前的氫燃料電池試驗室的工程設計中，涉及建筑物安全性方面的設計問題亟待解決。

本文結合氫燃料汽車試驗工藝條件以及國內、國外的相關法規要求，總結了氫燃料電池試驗室氫安全方面的設計方法及措施，并應用于實際的氫燃料電池試驗室的工程建設，為今后的氫燃料電池試驗室工程設計的相關安全方面問題提供設計思路及解決方案。

2 工藝需求及用氫安全對策

2.1 氫氣特性

氫氣是一種無色、無嗅、無毒、易燃易爆、易擴散、易發生氫脆的氣體。

常溫常壓下氫-空氣混合物的爆炸參數：爆炸下限（LEL）為4%；爆炸上限（UEL）為75.6%；最小點火能量為0.019 mJ。

氫氣密度非常小，只有空氣的1/14，故其有最大的浮力和擴散性，如果發生泄漏，泄漏的氫氣將會很快上升并向各個方向快速擴散。

2.2 氫燃料電池試驗室供氫系統簡介

氫燃料電池試驗室的供氫一般采用在廠區單獨設置供氫站。工藝裝置包括卸車系統、調壓系統、氫氣管路系統、氮氣管路系統、放散系統。

氫氣通常加壓至一定壓力（18~20 MPa）后，采用氫氣管束車從制氫廠運輸至廠區加氫站。然后將氫氣管束車通過管道連接至氫氣調壓撬，過濾計量后經自力式調壓閥調壓形成不同壓力的管線，通過架空管架分送至氫燃料電池各試驗間。

氫氣經管線進入各試驗間后，再經各試驗間的供氣盤分送至各試驗設備[1]。

2.3 氫燃料電池試驗室功能組成

氫燃料電池試驗室一般包括燃料單電池試驗室、燃料電堆試驗室、燃料電池發動機試驗室以及燃料電池關鍵部件試驗室等。試驗室建成后，要對其性能、耐久、安全、環境適應性等方面進行試驗測試。

一般單電池、燃料電堆試驗用氫壓力為0.6 MPa，燃料電池發動機試驗用氫壓力為2~2.5 MPa，電機動力總成試驗用氫壓力為6~7 MPa。

2.4 用氫安全對策

要使可燃氣體爆炸，必須有3個要素：合適濃度的燃料氣體；合適濃度的氧氣；足夠能量的點火源。防止爆炸就是想辦法避免以上要素同時具備。

針對氫氣特性，氫燃料試驗室用氫安全可按優先級，按照預防為主、防護為輔的原則考慮以下對策：

1）首要措施是力求避免出現爆炸環境。試驗室供氫管道閥門不嚴、管道與設備接口密封不嚴或松動等都有可能造成試驗室內氫氣泄漏，為避免氫氣爆炸，必須控制氫氣濃度低于氫氣的爆炸下限。采取的措施主要有：利用氫氣濃度探測器監控氫氣濃度，可采用二級報警（一級報警設定值應小于或等于25%LEL；二級報警設定值應小于或等于50%LEL）或多級報警，同時采用聯動事故排風、切斷氫氣供給、排空氫氣管路等措施。為防止氫氣上浮擴散聚集，屋面下表面應平整光滑，避免死角，坡度不小于0.5%，在屋面高點設置排風口。

2）二級措施是排除點火源以避免爆炸發生。采取的主要措施有：人體、設備的防靜電措施；電氣設備采用防爆設備；建筑物的防雷措施；火災自動報警措施及建筑消防措施。

3）三級措施是當爆炸風險意外發生時進行防護。抗爆措施：對建筑功能房間合理布局，試驗間與有人員的控制間用抗爆墻進行隔離防護；提高建筑物的抗爆承載力及防倒塌能力。泄爆措施：有爆炸危險的區域進行泄爆設計，減小爆炸對建筑物的傷害。

3 氫燃料電池試驗室安全設計

根據上述用氫安全對策的分析及現行規范要求，本文從以下方面對氫燃料電池試驗室安全設計進行總結。

3.1 試驗室建筑布置

氫燃料試驗室根據試驗需求，采用單層建筑，平面分為試驗間和控制間兩部分，在控制間上部局部設置夾層作為設備間，布置公用設備及管線。試驗間和控制間沿建筑物縱向排列。

試驗室平面建筑布局示意見如圖1所示，剖面如圖2所示。

根據GB 50016—2014《建筑設計防火規范》的要求，試驗室房間為涉氫部分，防火類別為甲類，應靠近外墻布置。試驗間的長徑比控制在3以下，泄壓面積A宜按式（1）計算：

式中，A為泄壓面積，m2；V為廠房的容積，m3；C為泄壓比。

一般情況所需泄爆面積較大，需要將外墻及屋面均作為泄壓面。作為泄壓設施的輕質屋面板和墻體的質量在滿足規范要求的前提下僅可能輕。頂棚平整無死角，廠房上部空間應通風良好。

與試驗間相鄰的控制間、設備間與相鄰的試驗間之間布置抗爆墻，其耐火極限不小于3 h。控制室與試驗室連通區域設置門斗，門斗采用抗爆隔墻，耐火極限不低于2 h。門采用甲級防火、抗爆門，并應與樓梯間的門錯位設置。控制間靠近外墻布置疏散通道。地坪采用防靜電環氧自流平地坪。

3.2 試驗室結構選型及結構措施

當出現爆炸的偶然工況時，結構要能保持必要的整體穩固性、不喪失必要的承載能力、不發生連續倒塌。由于爆炸荷載不易準確估計，按最不利情況進行結構設計是極不經濟的。所以，結構需要具備較好的塑性變形能力，措施主要以提高結構冗余度、承載力、極限變形能力為主。

3.2.1 結構選型

根據試驗室建筑布局，主體結構一般以框架結構居多，可采用鋼筋混凝土框架結構或鋼框架結構，原因如下：

1）參考GB 50016—2014《建筑設計防火規范》（2018年版）條文：有爆炸危險的甲、乙類廠房宜獨立設置，宜采用敞開或半敞開式。其承重結構宜采用鋼筋混凝土或鋼框架、排架結構。

2）試驗室房間大小不一，采用框架結構，方便房間布置。

3）框架結構整體性好、抗側力強。

4）采用框架結構便于在外墻面設置大面積的泄壓面積。

由于鋼筋混凝土框架結構較鋼結構框架結構防火性能好，可優先考慮鋼筋混凝土框架結構。

3.2.2 結構措施

1）在防爆區域縱橫兩個方向盡可能形成完整的框架，以增加結構的冗余度。當屋面為泄爆屋面時，為加強框架梁側向剛度，宜在屋面框架梁間增設屋面水平支撐。

2）適當提高框架柱及框架梁的抗彎承載能力，加強框架的節點設計，以便在爆炸工況下能形成塑性鉸。配筋時，框架柱應對稱配筋，框架梁上部鋼筋宜通長配置，樓板應配置雙排雙向鋼筋網。

3）加強結構構件的構造，提高框架柱、梁的延性。框架梁、柱箍筋型式參照抗震構造，采用封閉箍筋，并宜全長加密。以提高框架梁、柱的抗剪承載力，加強對混凝土的約束避免剪切脆性破壞。

3.2.3 抗爆墻選型

為保證試驗室的靈活布局以及泄爆面積，抗爆墻體一般選用纖維水泥復合鋼板墻。如考慮裝飾裝修問題，也可選用裝飾一體化抗爆墻。

3.2.4 泄爆墻、板選型

一般采用巖棉夾芯彩鋼板泄爆墻較為適宜。其外形美觀，質量輕，自重一般不大于0.3 kN/m2。因其不會破碎飛濺，安全性較好。泄爆壓力原則上越小越好，同時泄爆螺栓還應滿足作用在圍護結構上的風荷載要求。壓力值通常在1~2 kPa。

3.3 試驗室排風設計

建筑物設置平時通風和事故通風系統，通風換氣率要滿足所有操作和緊急事故情況下泄漏氫氣的濃度稀釋到不大于25%LEL[2]。各試驗區域均設置防爆屋頂排風機，平時部分風機運行進行排風，保證室內換氣次數不低于7次/h。各試驗區域設置全新風空調系統，采用下送風方式向室內送風，用以作為平時排風的補風。氫氣發生泄漏，氫氣探測器低濃度報警后，屋頂風機全部開啟，同時自動開啟建筑物側墻下部安裝的防爆邊墻風機向室內送風，保證室內換氣次數不小于15次/h，確保氫氣排出。若屋頂排風機發生故障或接受信號有誤未能自動啟動時，安裝在側墻處的電動窗可自動開啟，保證室內外聯通，將室內氫氣排至室外。

所有可能與氫氣接觸設備均采用防爆類型。室內設備及鐵皮管道均靜電接地。

3.4 試驗室消防設計

建筑物設室內消火栓系統，室內消火栓保證室內各點均有兩栓保護。沿建筑物周圍設置室外消火栓，間距≤120 m，保護半徑≤150 m。控制間及設備間部分設置濕式自動噴水滅火系統，降低火災蔓延風險。涉氫試驗室均設置干粉滅火器。有重要設備的試驗室設置高壓細水霧自動滅火設施，當發生火災時以便保護設備。

3.5 試驗室電氣及防雷設計

各涉氫試驗室按爆炸危險環境2區設計，試驗室內電氣設備包括燈具、插座、開關、風機按鈕等保護級別選用Gbd（隔爆型）。

試驗室內電氣回路采用BV導線穿低壓流體輸送用鍍鋅焊接鋼管沿墻及頂板明敷，鋼管配線的電氣線路應做好隔離密封。

防雷設計：按二類防雷建筑物設計。建筑的防雷裝置滿足防直擊雷、防雷電感應及雷電波的侵入。屋面設置明接閃帶，并在建筑物內設置總等電位裝置及聯結干線，所有進出建筑物的金屬管道在入戶處與建筑物等電位干線連接。試驗室設備間屋面有氫氣放散管通過，需根據放散管及放散口位置在屋面增設接閃桿保護氫氣放散管上部區域，進行直擊雷防護，保護范圍上邊線高于被保護物。

3.6 試驗室弱電系統設計

消防報警設計遵循“預防為主、全面保護、危險區域重點防護”的設計原則。設置火災報警系統、可燃氣體探測報警系統、消防設備電源監控系統及電氣火災監控系統等子系統。

火災自動報警系統采用二總線火災報警系統。除了設備自帶消防保護措施外，建筑物內一般場所均設置感煙探測器，濕度較大或有煙氣滯留等場所設置感溫探測器；涉氫場所設置防爆型火焰探測器及感煙探測器。雙重探測以達到重點防護的效果，同時滿足及時滅火的消防聯動需求。

可燃氣探測報警系統采用總線制可燃氣體探測報警，氫氣泄漏時應將報警信號上傳至消防控制室可燃氣報警主機，消防控制室應具備聯動控制本系統管道電磁閥、事故排風機及聲光報警器等設備的功能。在可能散發氫氣的場所，按照“分層探測”的思路，不僅在可能的氫氣泄漏點附近設置氫氣探測器，同時在室內頂板處均勻布置氫氣探測器，且分兩級報警，以盡早發現氫氣泄漏，并防止氫氣聚集。

其他防爆措施：建筑內防爆區域內設備均采用防爆型；線纜穿越防爆墻處，均穿管敷設，墻兩側均設置防爆模塊；當火災確認后，應立即切斷所有供油及供氣管道電磁閥，切斷所有非消防電源。

4 結語

本文介紹了氫燃料電池試驗室的供氣系統及試驗室的功能需求，從氫氣的特性出發進行用氫安全的對策分析，提出了從預防試驗風險到降低意外損失的三級措施，進而在試驗室的設計和建設方面將安全理念落實到建筑物的各個方面。對氫燃料電池試驗室的設計及建設具有重要意義。