燃料电池汽车试验室的安全要求分析

郝冬，张妍懿，王仁广，王晓兵，朱凯，陈光

(中国汽车技术研究中心有限公司,天津 300300)

0 引言

氢燃料电池技术的发展促进了燃料电池电动汽车的发展，对与此相关的测试也提出了新的要求。但由于其使用的能源氢气具有易扩散、易燃、易爆等特点，使得其测试安全性变得格外重要。国内燃料电池汽车技术起步较晚，目前还没有符合要求的专业实验室；同时针对燃料电池汽车方面涉氢试验室的安全要求，公开发表的研究资料很少。本文作者根据《Hydrogen Fuel Cell Vehicle Fuel Economy Testing at the U.S. EPA National Vehicle and Fuel Emissions Laboratory》《Hydrogen Technologies Safety Guide》《NFPA 2-2016 Hydrogen Technologies Code》《Technical Reference for Hydrogen Compatibility of Material》和《Considerations for Hydrogen and Fuel Cell Applications》等关键文献，从试验室供氢、通风排风、探测及应急措施、管路材料、密封等方面进行了简要总结，以期为广大技术人员提供参考。

1 供氢方面的要求

1.1 试验室供氢安全要求

关于试验室供氢安全方面，针对供氢方案和供氢管路文献[1]中主要提到以下主要内容。

(1)试验室供氢方案要求

如果车辆试验所需的氢气量不大于11.327 m3(400标准立方英尺)，用于供氢的压缩氢气瓶可以位于试验室外的连廊处，该连廊顶部必须有排风装置。存放气瓶区域的推荐排风能力为20 ACH；在正常测试过程中，气瓶和供氢管道上方的顶盖处必须安装防爆风机进行通风，通风量要求为20 ACH。

但是如果车辆试验所需的氢气量大于11.327 m3(400标准立方英尺)，美国消防协会(NFPA)则要求更高的防爆能力和排风等级，并且严禁在与试验室相连的室内进行供氢。

(2)供氢管路要求

试验室应该安装无缝、厚壁不锈钢氢气供给系统，输送氢气到试验室的防爆区域。供氢管路应该位于密封的管路线盒内，并且线盒还要联结防爆风机以排出管路中可能泄漏出的氢气。

1.2 供氢系统的设计要求

对于供氢系统的设计，文献[2]中从储氢容器、安全泄放装置、管路和接头、设备总成、标志和验收等方面给出以下要求内容。

(1)储氢容器要求

设计、制造和试验应该符合ASME标准《Boiler and Pressure Vessel Code, section VIII—Unfired Pressure Vessels—1968》的相应要求。设计、制造、试验和维护按照美国交通部的规范和法规，永久安装的容器应该使用持续不可燃支撑，并稳定安放在不可燃的基础上。

每个移动式容器应该清晰标明“氢气”字样，每个歧管供氢单元应该清楚标明“氢气”或者具有“本单元含氢”的标签。

(2)安全泄放装置

储氢容器应该安装符合ASME锅炉和压力容器法规的安全泄放阀，或者符合DOT容器制造的规范和法规。安全泄放阀的布置位置应该使得排放气体朝上且无阻挡地排到开放空间中，以防止排放的气体朝向储氢容器、相连结构或人体。安全泄放阀或排气管路的设计和位置要保障在湿气聚集和结冰情况下不会对装置正常操作造成干涉。

(3)管路和接头

管路和接头应该适于氢气使用且满足其压力温度要求。管路和接头应该不允许使用铸铁。管路应该符合ANSI B31.1-1967第二部分《工业气体和空气管路》压力管路法规要求。

接头可以使用焊接、铜焊、法兰、螺纹、插头或压力配合。垫圈和螺纹密封应该适用于氢气使用。

(4)设备总成

阀、表、调压器和其他附件应该适合氢气使用；氢气供给系统的安装应该在熟悉其结构和使用规范的人员监督下进行；储氢容器、管路、阀门、调节设备和其他附件应该位于容易接近的位置，同时采取防护以防止外部的物理损坏和干涉；安装氢气控制或操作设备的柜子和空间应该有充足的通风。

作为氢气供给系统的一部分，移动储氢单元应该牢靠固定以防发生意外移动；移动储氢单元在开始输送氢气前应该同氢气供给系统之间采取可靠电连接及接地。

(5)标志

储氢区域应该使用具有下列内容的永久性铭牌标明：“氢—可燃气体—严禁吸烟—严禁明火”或者其他类似内容的标语。

(6)验收

安装完成后，所有管路、接头应该在最大工作压力下进行测试，以证明无氢气泄漏。

2 试验室的通风和排风要求

由于氢气容易泄漏，因此试验室的通风和排风要求必须满足。目前不同标准对通风量的要求有些差别，但必须提供足够的换气量以应对潜在的氢气泄漏。排风系统应该同测试设备互锁，以保证在氢气供给系统打开前开始工作。出现氢气浓度报警时，排风级别应该提高。一般正常情况下，提供6 ACH的排风能力;紧急情况下，提供12 ACH的排风能力。下面自然通风和主动通风方面的要求主要来自文献[3]和文献[4]。

(1)自然通风

通风换气率要满足所有操作和紧急事故情况下泄漏氢气的浓度稀释到25%LFL(Lower Flammablity Level)以下。屋顶通风口等被动通风位置能够防止氢气泄漏排放造成的氢气集聚，房顶和房盖形状应该全面评估以保证泄漏的氢气能够安全扩散。入口应该位于外墙靠近地面处，出口应该位于外墙或者房盖的最高点。

(2)主动通风

自然通风满足不了要求，应该采用主动通风来降低气体聚集从而降低危险，应该保证系统在所有时间都可以正常运行。

如果通风系统不正常而导致氢气集聚浓度可能达到4%，氢气设备和测试系统应该关闭。如果危险较大，最好使用氢气供应自动关断功能。

通风系统的换气率，对应整个使用或储存区域的地面面积应该满足每平方米不低于0.304 8 m3/min(标准状态)。

注意出现压缩容器大量释放氢气或者氢气管路爆裂等情况下，室内通风措施也满足不了快速扩散氢气要求。

3 安全监测及应急措施

由于氢气的自身特性，试验室必须安装氢气体泄漏探测器、火灾探测器和烟雾探测器进行监控。在测试样品和试验设备上方应该安装一个或多个氢气浓度检测探头，并且这些探头必须同试验室供氢、排风、消防等设施互锁，以满足分级报警和采取具体应急措施的需要。

3.1 氢气泄漏监测要求

试验室内要具有氢气泄漏监测系统，并作为一种提高操作安全性的重要方法，文献[3]和文献[4]中在以下几个方面给出具体方法：(1)在房间或空间内安装氢气或可燃气体探测器；(2)通过监测管路内部压力和或流量变化情况，判断系统内可能存在泄漏；(3)在靠近外部管路近处安装氢气探测器。

不管使用什么方法，当检测到氢气时，泄漏监测系统至少都应与氢气源自动截止阀联动。对于设计用于监测室内或者区域内氢气浓度的监测系统，当环境有危险时，还应该能够对人员通过视觉和听觉两方面发出警报，还要考虑远程通知功能。

区域内的氢气泄漏监测系统应该包括以下目标：(1)具有氢气源自动截止和隔离功能；(2)关闭氢气供给系统到安全模式；(3)控制主动通风；(4)激活视觉和听觉警报。

对氢气探测的特殊要求：(1)氢气浓度探测灵敏度为±0.25%(体积比)。(2)1%体积浓度的反应时间为1 s。(3)监测系统的设计必须保证任何泄漏的氢气都能从探测器附近通过。(4)在选择探测器时，应该考虑探测器对其他气体或蒸气的灵敏度。(5)推荐设置氢气浓度为1%时报警。如果使用了自动截止功能，应该要求具有手动恢复功能来重启系统。(6)使用小型气体探测器检查局部泄漏。在进入房间或者重新进入发生报警的房间时使用小型气体探测器进行探测来保证氢气已扩散出去。(7)氢气探测器应每3～6月维护和校正一次，并进行具体记录。

3.2 火灾监测及控制系统

火灾检测和控制系统也是涉氢试验室安全要求的重要组成部分，文献[1]中在这方面给出的对策主要总结如下：

对于氢气起火的第一个响应步骤是关闭氢气供应。在关闭氢气供应之前，不要试图灭火。对于氢气相关系统起火，通常推荐的灭火方式是喷水。喷水可以冷却高压储氢瓶，同时防止氢气火焰点燃周围可燃物。

红外火焰探测器不能探测到氢气火焰，因为氢气火焰不能辐射很强的红外光谱，但它能够探测到氢气火焰点燃的其他材料的火焰。氢气火焰能辐射紫外线，这样理论上可以使用紫外线火焰探测器来探测氢气火焰，但紫外线火焰探测器存在容易误报的问题。

氢气火焰为浅蓝色，白天几乎不可见，且辐射热很低，导致人体可能感受不到附近的热量。推荐的方案包括：(1)尽可能使用小型火焰探测器；(2)或者通过观察火焰造成的热浪和听氢气排气声音；(3)使用燃烧探测器；(4)在监测系统故障解除后，下次开始使用前要经过足够长的时间。

如果有多种气体共存的话，通常的反应方式是减轻最危险的气体。

(2)氢气超标应急措施

当氢气浓度达到设定值时，应起动排风联动装置。当氢气浓度达到20%LFL时，区域内的排风量需要从20 APH提高到30 APH；当达到40% LFL时，应立即停止供氢，排空供氢管路，断开除防爆风机外的试验室电源。

3.3 安全互锁功能

对于监测及控制系统，当安全条件不满足的时候，应该通过安装传感器和开关来关闭或阻断供氢系统的氢气流,即所谓的安全互锁功能，文献[1]中在这方面给出的主要建议如下：

在防爆风机电机上安装光传感器，如果风机没有工作，就不能供应氢气，并且供氢安全管道要处于排风状态。排风管路有压差开关来保证在氢气供应给汽车前保持足够的真空度。这样来保证风机是可正常运转的，而且排气系统也没有泄漏。

急停开关应该安装在汽车司机、试验间控制室、压缩气瓶储存间的氢气安全管道附近。这些开关能够关闭氢气供应和排空安全管道内的氢气。

氢气供应安全互锁起动前不触发灭火系统。在切断氢气供应前不应熄灭火焰，应该先停止氢气供应和排空安全管道内的氢气。

4 氢气管路材料和密封方面的要求

4.1 氢气管路材料要求

在设计试验室时，材料的相容性是一个重要的考虑因素。奥氏体不锈钢、铜及铜合金通常满足氢气的使用场景，但是镍除外。在接触潮湿氢气的表面不能使用灰铁、球铁、铸铁。关于试验室设施使用材料等，文献[1]和[5]中给出了以下几个方面的具体要求：

(1)接触潮湿、干燥流体/气体的部件允许使用材料

316不锈钢(不推荐用于潮湿氢气)、特氟龙(Teflon)、聚偏氟乙烯(PVDF)、氯丁橡胶(Neoprene)、玻璃、三元乙丙橡胶(EPDM)、氟橡胶(Viton)、铝。

(2)接触干燥气体的部件允许使用材料

下列材料可用于干燥气体管路和外部液体管路(这些材料一定不能用于处理同燃料电池接触的流体，或湿气管路、接头及连接件)：黄铜、铜、碳钢、锌、丁腈橡胶。燃料电池不能接触污染物，尤其是机油、灰尘、沙子、铁锈、含硫管路涂料、金属箔片、其他颗粒物。

4.2 氢气管路密封要求

氢气自身所具有的分子小、易渗透、易泄漏，要求试验装置提供氢气管路连接时需要特别注意密封，文献[1]中对此给出以下几个建议。

由于不锈钢在加工螺纹连接时变形较难，密封问题增大，EPA推荐尽量使用TIG(非熔化极惰性气体保护电弧焊)或者MIG(熔化极惰性气体保护电弧焊)焊接，而不使用NPT螺纹或其他连接。高压螺纹密封可能满足连接要求，但普通螺纹密封满足不了泄漏要求。

氢气供应安全管路用于把氢气供给到燃料电池试验车辆或者用氢试验装置，EPA给出了专门的气路设计图。管路使用1.27 cm(0.5英寸)(壁厚0.165 1 cm(0.065英寸))的316不锈钢，连接处使用FSMG接头。连接部分要承受15 MPa的公称氢气压力，并可能上升到35 MPa。FSMG接头满足气泡级密封测试要求，并且在连接断开时螺母上的通气孔能够释放管路内的压缩气体。

EPA在试验间安装了一个剪切阀，其输出管路连接到车辆供氢管路。EPA在供氢系统末端使用了一个快换接头，用于匹配不同车辆的连接形式。在管路安装完毕后，使用氦气加压至13.78 MPa(2 000 psi)，测量2 h内的压力下降量作为供气系统的初始泄漏检查结果。应用氦气泄漏检测仪对泄漏源和接头处进行检查，主要泄漏点位于阀轴处。安装完毕后，在试验间和压缩气瓶储存间，需要对供气管路进行反复检查。对于环缝焊接氢气管路，EPA也进行了氦气压力保压测试。

5 结束语

氢气安全对于燃料电池汽车产业的发展至关重要，燃料电池电动汽车的发展也离不开试验测试。对于涉氢试验室建设和使用，必须从材料、位置、监测、应急灯多个方面出发，采用综合应对措施，尽可能降低安全风险，同时设计、试验、监督人员也要在掌握基本安全知识的前提下，严格执行相关氢气安全操作规程。