氢燃料电池工艺与建筑联动设计初步研究

冯 立 （中铁南方投资集团有限公司，广东 深圳 518054）

1 项目背景

石油、煤、天然气、石油气等化石燃料均属不可再生资源。我国目前面临明显的石油安全问题，对外依存度从2014年接近60%，到2017年已超过67%，已经大大超过61%的红线，同时，我国化石能源的长期过度开发和粗放低效利用，碳排放量连续多年位居世界第一，造成了日趋严峻的环境污染问题，新能源的开发迫在眉睫。

氢能是零碳绿色的新能源，可实现从开发到利用全过程的零排放、零污染，被誉为驱动人类社会发展的终极能源。欧盟和美、日、加拿大等国都先于我国制定了氢能发展规划和战略，并从国家层面设定向氢能社会过渡的时间安排。美国目前约有5000辆氢燃料电池叉车实现大规模示范。日本国家财政已投入30亿美元用于氢能相关技术研究，计划到2030年氢燃料电池汽车达到1500万辆。2017年达沃斯论坛期间，来自传统石油、天然气与交通领域的13家巨头联合成立全球氢能联盟，提出推动氢能成为能源转型关键解决方案的全球倡议，氢能产业发展的战略机遇期到来。

佛山（云浮）产业转移工业园，是在广东省确保实现党的“十八大”提出的到2020年全面建成小康社会的目标，根据全省发展不均衡的实际，持续深入开展对口帮扶工作，明确由佛山市对口帮扶云浮市背景下设立的工业园区。该园区打破传统产业转移发展模式，紧跟氢能产业发展趋势，通过与加拿大巴拉德公司合作，引进国际领先的氢能技术，以氢能源汽车为主导产业，重点打造整车和氢燃料电池生产环节。目前，已具备年产5000辆客车和20000套氢燃料电池的产能，同时，积聚了集制氢、储氢、运氢、加氢、运营等产业链上下游企业20余家。

2 项目概况

佛山（云浮）产业转移工业园新能源汽车产业标准厂房及配套工程位于云浮市思劳镇，规划净用地面积23.8hm2，按一次规划设计，土建工程一次完成，生产设备分二期实施。其核心工艺主要采用加拿大巴拉德公司技术的氢燃料电池组装车间（以下简称“电池车间”），主要服务于氢能源客车整车和氢燃料电池组装，主要功能是备用电源和客车电源电堆构件组装、原料仓储和样品抽检。

电池车间设计使用年限为50年，抗震设防烈度六度。建筑防火设计为戊类单层厂房，建筑耐火等级为二级，屋面防水等级为二级。厂房长120m（轴线），宽99m（轴线），建筑面积为24200m2，占地面积12100m2，共五跨（18m+18m+21m+21m+21m），柱顶标高10.3m，建筑总高度14.122m，室内外高差0.15m，边柱柱距7.5m，中柱柱距7.5m，南侧7.5m，柱距内为内置二层生活间，一层层高5.4m，二层层高4.8m。结构形式为钢结构。

3 氢燃料电池组装工艺流程和建筑对策

根据电池车间（HD7-100kW电堆）的工艺要求[1]，整个电堆生产流程主要分为以下几个区域：组装区域、辅助用房区和仓储区。其中组装区域包括客车电源组装区域、备用电源（氢空式）组装区、备用电源（甲醇式）组装区和甲醇重整器组装区等，辅助用房区域分为系统集成区、氢气试验区、泄露监测区和辅助检测区等，库房分为原料库、试验品库和氢空电池、甲醇重整电池、客车电源和备用电源成品库。

对应不同的分割区域，其通风[2]、防火[3]、抗爆[4]、照明、洁净[5]和防静电要求不完全一致，建筑设计要求也需要随之变化。由于国内外关于辅助用房部分建筑设计规范要求不一致，如按照原工艺要求，泄漏检测区域需要布置在生产车间中间位置以便成品运输检验，加拿大要求车间采用性能化防火设计，根据试验数据显示，氢气泄漏数量和厂房高度尺寸无需进行强化消防处理，但根据国内防火设计规范，该区域属于易燃易爆区域，需要按照甲类防火进行设计，甚至造成整个车间消防等级的提升；其他，如燃料电池属于能量转化设备而不是存贮构件等，与常规电池不一致的特殊情况也需要进行大量的沟通和对接。在考虑产品特殊性要求和国内设计、施工规范要求，在和生产工艺人员充分对接后，将国外工艺布局进行了大范围的调整，使其满足国内生产、贮藏、运输等各个方面的需求。

原电池车间（HD7-100kW电堆）的工艺布置要求和根据国内规范调整后的工艺布置见图1、图2。

图1 原加拿大工艺布置图

图2 调整后工艺布置图

电池车间建筑设计考虑以构件组装为主，主要分为组装区、辅助用房区和仓储区。组装区位于厂房中间区域，工艺流程组织详见图2箭头所示。辅助用房位于车间北、南、东三个侧边，办公区域位于车间南侧。仓储区位于车间东侧，设一层房间。西南角设配电房一间，满足车间用电需求。

电池车间主要分为两个区域，东侧18m范围内采用轻质隔墙隔开，其余位置为一个区域。隔墙上设电动卷帘门，两区域互通。车间向外出入口共设电动提升门8扇，一般区域设疏散门4扇，泄漏检测区设安全疏散门2扇，办公区设安全疏散门2扇。

电池车间辅助用房检测区为独立防火分区，生产危险性分类为甲类，面积590m2，层高5.4m。该区域采用防火墙与主车间进行分隔，防火墙上设甲级卷帘门，门宽×门高为4m×4m，方便叉车出入。该区域设置防爆轴流风机6台，日常情况下可开启1～2台进行换气，同时与氢气检测泄漏装置联防，当发生氢气泄漏时，进行及时换气。该区域窗户日常情况下应处于开启状态。

电池车间辅助用房的氢气试验区所有电气设备均采用防爆电气设备。彩钢夹芯板屋面和外侧彩钢板作为泄压区域。

电池车间辅助用房的办公区为两层，建筑面积930m2，一层设更衣室、卫生间、工具间、网络间等，二层设办公室、会议室，该区域设疏散楼梯2部。

仓储区位于车间北侧，均为单层，高度5.4m，共三间，采用甲级防火门与车间进行分隔。

车间西南角设配电室一间，采用实心加气混凝土砖与车间隔开，配电间长度大于7m，设2个出入口，均为甲级防火门。考虑配电间防水，配电间地面比室内地面高出50mm。配电间考虑夏季高温空调降温。

4 结论

经过近2年的实际使用，目前氢燃料电池组装车间运转正常、使用良好，已经为产业园区创造了一个奇迹，其生产的HD7-100kW电堆已经升级并完成全部原材料的国产化，其产品也成为广东区域燃料电池最大的生产商。