燃料电池试验室氢安全研究与设计

刘闯，郑治强

（中汽研汽车工业工程（天津）有限公司，天津 300300）

1 引言

2020年以来，在国家层面对氢燃料电池汽车产业的政策支持下，各地争相出台了氢燃料电池及氢能产业发展规划或扶持政策。而国内在关键材料、关键零部件和整车集成等方面仍有较大差距。在此背景下，各大车企和相关科研机构都在加大对氢燃料电池汽车技术的研发，很多企业、科研机构开始建设新的氢燃料电池研发中心。

然而2019年以来，美国、韩国和挪威相继发生氢安全事故，引发了业界对氢能与燃料电池汽车产业健康发展的担忧和对氢能利用安全技术研究的重视与关注。氢安全贯穿氢气的生产、储运、加注、应用终端等环节，是氢能产业健康发展的首要保证。

目前，氢燃料电池试验室的工程设计面临着项目先例较少、工艺输入条件不明晰、标准法规不完善等现状。因此，在目前的氢燃料电池试验室的工程设计中，涉及建筑物安全性方面的设计问题亟待解决。

本文结合氢燃料汽车试验工艺条件以及国内、国外的相关法规要求，总结了氢燃料电池试验室氢安全方面的设计方法及措施，并应用于实际的氢燃料电池试验室的工程建设，为今后的氢燃料电池试验室工程设计的相关安全方面问题提供设计思路及解决方案。

2 工艺需求及用氢安全对策

2.1 氢气特性

氢气是一种无色、无嗅、无毒、易燃易爆、易扩散、易发生氢脆的气体。

常温常压下氢-空气混合物的爆炸参数：爆炸下限（LEL）为4%；爆炸上限（UEL）为75.6%；最小点火能量为0.019 mJ。

氢气密度非常小，只有空气的1/14，故其有最大的浮力和扩散性，如果发生泄漏，泄漏的氢气将会很快上升并向各个方向快速扩散。

2.2 氢燃料电池试验室供氢系统简介

氢燃料电池试验室的供氢一般采用在厂区单独设置供氢站。工艺装置包括卸车系统、调压系统、氢气管路系统、氮气管路系统、放散系统。

氢气通常加压至一定压力（18~20 MPa）后，采用氢气管束车从制氢厂运输至厂区加氢站。然后将氢气管束车通过管道连接至氢气调压撬，过滤计量后经自力式调压阀调压形成不同压力的管线，通过架空管架分送至氢燃料电池各试验间。

氢气经管线进入各试验间后，再经各试验间的供气盘分送至各试验设备[1]。

2.3 氢燃料电池试验室功能组成

氢燃料电池试验室一般包括燃料单电池试验室、燃料电堆试验室、燃料电池发动机试验室以及燃料电池关键部件试验室等。试验室建成后，要对其性能、耐久、安全、环境适应性等方面进行试验测试。

一般单电池、燃料电堆试验用氢压力为0.6 MPa，燃料电池发动机试验用氢压力为2~2.5 MPa，电机动力总成试验用氢压力为6~7 MPa。

2.4 用氢安全对策

要使可燃气体爆炸，必须有3个要素：合适浓度的燃料气体；合适浓度的氧气；足够能量的点火源。防止爆炸就是想办法避免以上要素同时具备。

针对氢气特性，氢燃料试验室用氢安全可按优先级，按照预防为主、防护为辅的原则考虑以下对策：

1）首要措施是力求避免出现爆炸环境。试验室供氢管道阀门不严、管道与设备接口密封不严或松动等都有可能造成试验室内氢气泄漏，为避免氢气爆炸，必须控制氢气浓度低于氢气的爆炸下限。采取的措施主要有：利用氢气浓度探测器监控氢气浓度，可采用二级报警（一级报警设定值应小于或等于25%LEL；二级报警设定值应小于或等于50%LEL）或多级报警，同时采用联动事故排风、切断氢气供给、排空氢气管路等措施。为防止氢气上浮扩散聚集，屋面下表面应平整光滑，避免死角，坡度不小于0.5%，在屋面高点设置排风口。

2）二级措施是排除点火源以避免爆炸发生。采取的主要措施有：人体、设备的防静电措施；电气设备采用防爆设备；建筑物的防雷措施；火灾自动报警措施及建筑消防措施。

3）三级措施是当爆炸风险意外发生时进行防护。抗爆措施：对建筑功能房间合理布局，试验间与有人员的控制间用抗爆墙进行隔离防护；提高建筑物的抗爆承载力及防倒塌能力。泄爆措施：有爆炸危险的区域进行泄爆设计，减小爆炸对建筑物的伤害。

3 氢燃料电池试验室安全设计

根据上述用氢安全对策的分析及现行规范要求，本文从以下方面对氢燃料电池试验室安全设计进行总结。

3.1 试验室建筑布置

氢燃料试验室根据试验需求，采用单层建筑，平面分为试验间和控制间两部分，在控制间上部局部设置夹层作为设备间，布置公用设备及管线。试验间和控制间沿建筑物纵向排列。

试验室平面建筑布局示意见如图1所示，剖面如图2所示。

根据GB 50016—2014《建筑设计防火规范》的要求，试验室房间为涉氢部分，防火类别为甲类，应靠近外墙布置。试验间的长径比控制在3以下，泄压面积A宜按式（1）计算：

式中，A为泄压面积，m2；V为厂房的容积，m3；C为泄压比。

一般情况所需泄爆面积较大，需要将外墙及屋面均作为泄压面。作为泄压设施的轻质屋面板和墙体的质量在满足规范要求的前提下仅可能轻。顶棚平整无死角，厂房上部空间应通风良好。

与试验间相邻的控制间、设备间与相邻的试验间之间布置抗爆墙，其耐火极限不小于3 h。控制室与试验室连通区域设置门斗，门斗采用抗爆隔墙，耐火极限不低于2 h。门采用甲级防火、抗爆门，并应与楼梯间的门错位设置。控制间靠近外墙布置疏散通道。地坪采用防静电环氧自流平地坪。

3.2 试验室结构选型及结构措施

当出现爆炸的偶然工况时，结构要能保持必要的整体稳固性、不丧失必要的承载能力、不发生连续倒塌。由于爆炸荷载不易准确估计，按最不利情况进行结构设计是极不经济的。所以，结构需要具备较好的塑性变形能力，措施主要以提高结构冗余度、承载力、极限变形能力为主。

3.2.1 结构选型

根据试验室建筑布局，主体结构一般以框架结构居多，可采用钢筋混凝土框架结构或钢框架结构，原因如下：

1）参考GB 50016—2014《建筑设计防火规范》（2018年版）条文：有爆炸危险的甲、乙类厂房宜独立设置，宜采用敞开或半敞开式。其承重结构宜采用钢筋混凝土或钢框架、排架结构。

2）试验室房间大小不一，采用框架结构，方便房间布置。

3）框架结构整体性好、抗侧力强。

4）采用框架结构便于在外墙面设置大面积的泄压面积。

由于钢筋混凝土框架结构较钢结构框架结构防火性能好，可优先考虑钢筋混凝土框架结构。

3.2.2 结构措施

1）在防爆区域纵横两个方向尽可能形成完整的框架，以增加结构的冗余度。当屋面为泄爆屋面时，为加强框架梁侧向刚度，宜在屋面框架梁间增设屋面水平支撑。

2）适当提高框架柱及框架梁的抗弯承载能力，加强框架的节点设计，以便在爆炸工况下能形成塑性铰。配筋时，框架柱应对称配筋，框架梁上部钢筋宜通长配置，楼板应配置双排双向钢筋网。

3）加强结构构件的构造，提高框架柱、梁的延性。框架梁、柱箍筋型式参照抗震构造，采用封闭箍筋，并宜全长加密。以提高框架梁、柱的抗剪承载力，加强对混凝土的约束避免剪切脆性破坏。

3.2.3 抗爆墙选型

为保证试验室的灵活布局以及泄爆面积，抗爆墙体一般选用纤维水泥复合钢板墙。如考虑装饰装修问题，也可选用装饰一体化抗爆墙。

3.2.4 泄爆墙、板选型

一般采用岩棉夹芯彩钢板泄爆墙较为适宜。其外形美观，质量轻，自重一般不大于0.3 kN/m2。因其不会破碎飞溅，安全性较好。泄爆压力原则上越小越好，同时泄爆螺栓还应满足作用在围护结构上的风荷载要求。压力值通常在1~2 kPa。

3.3 试验室排风设计

建筑物设置平时通风和事故通风系统，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不大于25%LEL[2]。各试验区域均设置防爆屋顶排风机，平时部分风机运行进行排风，保证室内换气次数不低于7次/h。各试验区域设置全新风空调系统，采用下送风方式向室内送风，用以作为平时排风的补风。氢气发生泄漏，氢气探测器低浓度报警后，屋顶风机全部开启，同时自动开启建筑物侧墙下部安装的防爆边墙风机向室内送风，保证室内换气次数不小于15次/h，确保氢气排出。若屋顶排风机发生故障或接受信号有误未能自动启动时，安装在侧墙处的电动窗可自动开启，保证室内外联通，将室内氢气排至室外。

所有可能与氢气接触设备均采用防爆类型。室内设备及铁皮管道均静电接地。

3.4 试验室消防设计

建筑物设室内消火栓系统，室内消火栓保证室内各点均有两栓保护。沿建筑物周围设置室外消火栓，间距≤120 m，保护半径≤150 m。控制间及设备间部分设置湿式自动喷水灭火系统，降低火灾蔓延风险。涉氢试验室均设置干粉灭火器。有重要设备的试验室设置高压细水雾自动灭火设施，当发生火灾时以便保护设备。

3.5 试验室电气及防雷设计

各涉氢试验室按爆炸危险环境2区设计，试验室内电气设备包括灯具、插座、开关、风机按钮等保护级别选用Gbd（隔爆型）。

试验室内电气回路采用BV导线穿低压流体输送用镀锌焊接钢管沿墙及顶板明敷，钢管配线的电气线路应做好隔离密封。

防雷设计：按二类防雷建筑物设计。建筑的防雷装置满足防直击雷、防雷电感应及雷电波的侵入。屋面设置明接闪带，并在建筑物内设置总等电位装置及联结干线，所有进出建筑物的金属管道在入户处与建筑物等电位干线连接。试验室设备间屋面有氢气放散管通过，需根据放散管及放散口位置在屋面增设接闪杆保护氢气放散管上部区域，进行直击雷防护，保护范围上边线高于被保护物。

3.6 试验室弱电系统设计

消防报警设计遵循“预防为主、全面保护、危险区域重点防护”的设计原则。设置火灾报警系统、可燃气体探测报警系统、消防设备电源监控系统及电气火灾监控系统等子系统。

火灾自动报警系统采用二总线火灾报警系统。除了设备自带消防保护措施外，建筑物内一般场所均设置感烟探测器，湿度较大或有烟气滞留等场所设置感温探测器；涉氢场所设置防爆型火焰探测器及感烟探测器。双重探测以达到重点防护的效果，同时满足及时灭火的消防联动需求。

可燃气探测报警系统采用总线制可燃气体探测报警，氢气泄漏时应将报警信号上传至消防控制室可燃气报警主机，消防控制室应具备联动控制本系统管道电磁阀、事故排风机及声光报警器等设备的功能。在可能散发氢气的场所，按照“分层探测”的思路，不仅在可能的氢气泄漏点附近设置氢气探测器，同时在室内顶板处均匀布置氢气探测器，且分两级报警，以尽早发现氢气泄漏，并防止氢气聚集。

其他防爆措施：建筑内防爆区域内设备均采用防爆型；线缆穿越防爆墙处，均穿管敷设，墙两侧均设置防爆模块；当火灾确认后，应立即切断所有供油及供气管道电磁阀，切断所有非消防电源。

4 结语

本文介绍了氢燃料电池试验室的供气系统及试验室的功能需求，从氢气的特性出发进行用氢安全的对策分析，提出了从预防试验风险到降低意外损失的三级措施，进而在试验室的设计和建设方面将安全理念落实到建筑物的各个方面。对氢燃料电池试验室的设计及建设具有重要意义。