燃料电池汽车动力系统综合测试环境舱的氢安全设计

常国峰，李玉洋，季运康

（1. 同济大学 汽车学院，上海 201804；2. 同济大学 新能源汽车工程中心，上海 201804）

随着全球汽车保有量的增加，汽车尾气造成的空气污染变得越来越严重。近年来，在世界范围内的节能减排和国家新能源汽车政策扶持的背景下，新能源汽车作为内燃机汽车的替代车型，其发展受到了越来越多的重视。燃料电池因其功率密度大、效率高、零排放等优点，其被关注度变得越来越高[1-2]，目前燃料电池在汽车[3-5]、发电[6-8]、军事[9-11]等领域均有应用。质子交换膜燃料电池因其功率密度高、工作温度低、响应速度快、无污染而且可通过可再生方法产生氢等优点，在政府的大力扶持下其不仅是传统汽车内燃机的替代动力源，很可能成为未来能源结构的主力[12]。但是氢气的爆炸极限为4%~75%，爆炸极限的下限很低，范围宽，易爆级别为 1[13]。而且高校涉氢实验室的安全意识和安全管理要求很高，必须保证实验和科研的安全进行[14-15]。因此，涉氢的燃料电池汽车动力系统综合测试环境舱的氢安全设计极其重要并具有很高的挑战性。

本文针对燃料电池汽车动力系统综合测试环境舱的氢安全问题，对舱内进行主动和被动安全设计。主动安全设计包括舱内辅助设施的防爆和氢气检测报警设备，被动安全为排氢系统的设计。氢气检测设备采用氢气报警器，并研究了其安装位置，氢气浓度报警值。排氢系统设计包含排风风机、排气管道。氢安全的合理设计能够保证燃料电池汽车动力系统环境适应性综合测试环境舱的安全运行，及时消除安全隐患。

1 氢气主动安全设计

1.1 舱内设施防爆

实验室安全是实验室建设中最重要的考虑因素。燃料电池汽车动力系统综合测试环境舱是为燃料电池汽车动力系统提供环境适应性试验所建，燃料电池汽车利用氢气与氧气的电化学反应产生的电能推动电机工作进而产生动力。因此，该环境舱实验室是高涉氢实验室，其氢安全设计尤为重要。

燃料电池汽车发动机在环境舱内实验的过程中，一旦发生泄漏，舱内设施便与氢气直接接触，舱内设备须进行防爆设计。环境舱内的照明采用4个防爆灯，分别安装于舱内4个角落。防爆灯密封性好，不与外面空气接触，避免内部出现电火花造成安全事故。

良好的散热性也是防爆灯的设计要求，通电工作时，内部良好的散热设计。避免内部出现超温，剔除安全隐患。防爆灯外表面加装金属网，灯管表面采用耐冲击性较强的材质，提高其耐冲击性；防爆插座是各种高危场所使用的特殊控制设备，用来控制电气线路的产品，使用于周围有危险气体出现的场所。

防爆插座里面的电器元件均采用防爆处理，并且密封所有能产生电火花的电气元件，使它与外界的危险气体隔绝。防爆插座的面板与插销壳体表面经过处理，不产生静电且不易氧化。防爆插销上的接地触头比主触头要长，确保插拔时始终保持接地状态，避免产生电火花。插座与插头之间设有连锁装置，确保只有断电后才能进行插拔；防爆风机需要防爆电机来驱动。风机启动运行过程中，电机接线端子、定转子或其他部件产生的火花不会与外界易燃易爆性的气体接触而引发安全事故，旋转部件在特殊情况下与壳体发生摩擦时不会产生火花，以免导致可燃气体燃烧或爆炸而造成严重后果。

1.2 氢气检测报警器

由于氢气的物理性质，需要采用精密的报警器检测设备以避免出现氢气安全问题。该环境舱采用固定式氢气检测报警器，传感器安装在环境舱内顶部，控制器放置于舱外顶部。环境舱内顶部对角安装两个氢气传感器，安装位置如图1、图 2所示。氢气监测信号通过传感器转化为电信号，最终通过控制器转化为氢气浓度信号传递到电脑控制界面，便于实验室操作人员实时观测。氢气监测控制器和电脑界面氢气监测均安装蜂鸣报警器，当氢气浓度超过报警设定值，蜂鸣报警器便会鸣叫报警，提醒实验操作人员。

图1中氢气报警器安装在氢气供应管道顶部，如果氢气管道阀门或连接口处有氢气泄漏，由于氢气的密度小，氢气会聚集在舱内顶部，因此可及时被该处氢气报警器检测到，避免出现氢气安全隐患。图2中氢气报警器与图 1处报警器安装位置呈现对角线分布，实现最大化监控舱内各处氢气的目的。

图1 氢气传感器安装于管道顶部

图2 氢气传感器安装于对角角落

氢气报警器检测精度必须足够高，响应要迅速，一旦发生氢气泄漏，氢气报警器必须第一时间检测到，并传递给电脑监控界面，同时如果浓度达到设定报警值必须立刻报警，快速采取措施减少氢气浓度，避免氢气泄漏量达到其爆炸极限值内。由于要保证氢气报警器一直处于正常工作状态，该环境舱氢气报警器每三个月采用标准气体标定一次，每年国家强检一次。

100% LEL的氢气浓度为氢气的爆炸极限下限4%。该环境舱设置的电脑监控报警器氢气低爆值和高爆值分别为20% LEL和50% LEL，当达到低爆值时，报警器会发出蜂鸣音。当氢气浓度达到高爆值时，环境舱会自动切断电源，蜂鸣声音变得更加强烈。当出现报警时，需要打开扫风系统，将舱内的空气排到实验室外大气中。

2 氢气被动安全设计

环境舱内主要有两个氢气源，即燃料电池阴极尾气和舱内泄漏氢气。氢空燃料电池是通过氢气和空气中氧气的氢氧化学反应产生电能，进而驱动汽车的行驶。氢空燃料电池阳极通入高纯度氢气，阴极通过空压机吸入外界空气，空气中氧气的浓度较低，因此需要空压机提供大量的空气。氢气和氧气分子在质子交换膜上，通过催化剂的作用发生电化学反应。燃料电池阴极尾气中不可避免地含有相当浓度的氢气，阴极尾气流量很大，需要单独设计尾排管道。

本环境舱的氢气采用实验室氢气集中供应系统，通过管道从氢气供应端连接到环境舱内部。燃料电池发动机实验，需要把氢气管道连接到燃料电池发动机的阳极侧，在管道连接过程中，一旦出现人为失误或者接口磨损，将造成氢气泄漏。由于氢气独特的物理性质，出现泄漏很难被观察到，当浓度到达其爆炸极限时，将造成极其严重的安全隐患，因此需要设计紧急情况下的排氢方案，避免出现氢气安全事故。

图3 排氢系统设计示意图

燃料电池的阴极侧需要连接尾气排放管道，通过独立的尾气排放管道直接把含氢尾气排到室外环境大气中，稀释尾气中的氢气浓度。排氢系统设计如图 3所示，环境舱内部燃料电池的尾排管穿过舱体，通过尾气风机排到室外大气中。尾气管道连接口需做好密封，防止气体泄漏，尾气管道上的所有部件均采用防爆设计。燃料电池阴极尾气温度较高且水蒸气浓度大，很容易在排气管道和尾气风机中凝结出液态水，腐蚀管道内壁和风机。因此需要在阴极尾气口安装气液分离器，用于液化尾气中水蒸气，降低尾气含湿量，避免水蒸气在管道和风机凝结。

氢气的密度小且氢气管道内压力较高，在实验过程中，氢气很容易在阀门、设备连接口等处泄漏。当氢气出现泄漏时，首先积聚在舱内顶部被氢气报警器检测到。如果泄漏较多出现报警，扫风系统打开，快速将舱内空气通过扫风风机排出舱外。扫风流量为0.34 m3/s，舱里体积为5 m×5 m×3.8 m，280 s即可把舱内空气排空。扫风风机、排气风机和尾气风机均采用防爆设计，避免风机在运行中出现火花造成安全隐患。扫风管道、尾气管道与舱内排气管道并联后公用一条管道排出实验室外部的大气中，达到简化管道设计、节约成本的目的，同时又能满足需求。

3 结语

燃料电池汽车动力系统综合测试环境舱内的氢气安全设计是为了保证燃料电池动力系统环境适应性试验的安全运行。对环境舱进行氢气主动和被动安全设计。舱内辅助设备均采用防爆设计，在舱内安装氢气检测报警器，设计独立的防爆排氢系统，一旦氢气出现泄漏，能够第一时间发现并将其排出实验室外部，消除安全隐患。燃料电池汽车是目前研究的热点，燃料电池汽车动力系统的环境适应性试验又是其开发过程中的重要环节。因此燃料电池汽车动力系统综合测试环境舱的氢安全设计是试验安全运行的保障。