氫燃料電池工藝與建筑聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)初步研究

馮 立 （中鐵南方投資集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518054）

1 項(xiàng)目背景

石油、煤、天然氣、石油氣等化石燃料均屬不可再生資源。我國(guó)目前面臨明顯的石油安全問題，對(duì)外依存度從2014年接近60%，到2017年已超過67%，已經(jīng)大大超過61%的紅線，同時(shí)，我國(guó)化石能源的長(zhǎng)期過度開發(fā)和粗放低效利用，碳排放量連續(xù)多年位居世界第一，造成了日趨嚴(yán)峻的環(huán)境污染問題，新能源的開發(fā)迫在眉睫。

氫能是零碳綠色的新能源，可實(shí)現(xiàn)從開發(fā)到利用全過程的零排放、零污染，被譽(yù)為驅(qū)動(dòng)人類社會(huì)發(fā)展的終極能源。歐盟和美、日、加拿大等國(guó)都先于我國(guó)制定了氫能發(fā)展規(guī)劃和戰(zhàn)略，并從國(guó)家層面設(shè)定向氫能社會(huì)過渡的時(shí)間安排。美國(guó)目前約有5000輛氫燃料電池叉車實(shí)現(xiàn)大規(guī)模示范。日本國(guó)家財(cái)政已投入30億美元用于氫能相關(guān)技術(shù)研究，計(jì)劃到2030年氫燃料電池汽車達(dá)到1500萬輛。2017年達(dá)沃斯論壇期間，來自傳統(tǒng)石油、天然氣與交通領(lǐng)域的13家巨頭聯(lián)合成立全球氫能聯(lián)盟，提出推動(dòng)氫能成為能源轉(zhuǎn)型關(guān)鍵解決方案的全球倡議，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略機(jī)遇期到來。

佛山（云?。┊a(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移工業(yè)園，是在廣東省確保實(shí)現(xiàn)黨的“十八大”提出的到2020年全面建成小康社會(huì)的目標(biāo)，根據(jù)全省發(fā)展不均衡的實(shí)際，持續(xù)深入開展對(duì)口幫扶工作，明確由佛山市對(duì)口幫扶云浮市背景下設(shè)立的工業(yè)園區(qū)。該園區(qū)打破傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移發(fā)展模式，緊跟氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，通過與加拿大巴拉德公司合作，引進(jìn)國(guó)際領(lǐng)先的氫能技術(shù)，以氫能源汽車為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，重點(diǎn)打造整車和氫燃料電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)。目前，已具備年產(chǎn)5000輛客車和20000套氫燃料電池的產(chǎn)能，同時(shí)，積聚了集制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫、加氫、運(yùn)營(yíng)等產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)20余家。

2 項(xiàng)目概況

佛山（云浮）產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移工業(yè)園新能源汽車產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)廠房及配套工程位于云浮市思勞鎮(zhèn)，規(guī)劃凈用地面積23.8hm2，按一次規(guī)劃設(shè)計(jì)，土建工程一次完成，生產(chǎn)設(shè)備分二期實(shí)施。其核心工藝主要采用加拿大巴拉德公司技術(shù)的氫燃料電池組裝車間（以下簡(jiǎn)稱“電池車間”），主要服務(wù)于氫能源客車整車和氫燃料電池組裝，主要功能是備用電源和客車電源電堆構(gòu)件組裝、原料倉(cāng)儲(chǔ)和樣品抽檢。

電池車間設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度六度。建筑防火設(shè)計(jì)為戊類單層廠房，建筑耐火等級(jí)為二級(jí)，屋面防水等級(jí)為二級(jí)。廠房長(zhǎng)120m（軸線），寬99m（軸線），建筑面積為24200m2，占地面積12100m2，共五跨（18m+18m+21m+21m+21m），柱頂標(biāo)高10.3m，建筑總高度14.122m，室內(nèi)外高差0.15m，邊柱柱距7.5m，中柱柱距7.5m，南側(cè)7.5m，柱距內(nèi)為內(nèi)置二層生活間，一層層高5.4m，二層層高4.8m。結(jié)構(gòu)形式為鋼結(jié)構(gòu)。

3 氫燃料電池組裝工藝流程和建筑對(duì)策

根據(jù)電池車間（HD7-100kW電堆）的工藝要求[1]，整個(gè)電堆生產(chǎn)流程主要分為以下幾個(gè)區(qū)域：組裝區(qū)域、輔助用房區(qū)和倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)。其中組裝區(qū)域包括客車電源組裝區(qū)域、備用電源（氫空式）組裝區(qū)、備用電源（甲醇式）組裝區(qū)和甲醇重整器組裝區(qū)等，輔助用房區(qū)域分為系統(tǒng)集成區(qū)、氫氣試驗(yàn)區(qū)、泄露監(jiān)測(cè)區(qū)和輔助檢測(cè)區(qū)等，庫(kù)房分為原料庫(kù)、試驗(yàn)品庫(kù)和氫空電池、甲醇重整電池、客車電源和備用電源成品庫(kù)。

對(duì)應(yīng)不同的分割區(qū)域，其通風(fēng)[2]、防火[3]、抗爆[4]、照明、潔凈[5]和防靜電要求不完全一致，建筑設(shè)計(jì)要求也需要隨之變化。由于國(guó)內(nèi)外關(guān)于輔助用房部分建筑設(shè)計(jì)規(guī)范要求不一致，如按照原工藝要求，泄漏檢測(cè)區(qū)域需要布置在生產(chǎn)車間中間位置以便成品運(yùn)輸檢驗(yàn)，加拿大要求車間采用性能化防火設(shè)計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，氫氣泄漏數(shù)量和廠房高度尺寸無需進(jìn)行強(qiáng)化消防處理，但根據(jù)國(guó)內(nèi)防火設(shè)計(jì)規(guī)范，該區(qū)域?qū)儆谝兹家妆瑓^(qū)域，需要按照甲類防火進(jìn)行設(shè)計(jì)，甚至造成整個(gè)車間消防等級(jí)的提升；其他，如燃料電池屬于能量轉(zhuǎn)化設(shè)備而不是存貯構(gòu)件等，與常規(guī)電池不一致的特殊情況也需要進(jìn)行大量的溝通和對(duì)接。在考慮產(chǎn)品特殊性要求和國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)、施工規(guī)范要求，在和生產(chǎn)工藝人員充分對(duì)接后，將國(guó)外工藝布局進(jìn)行了大范圍的調(diào)整，使其滿足國(guó)內(nèi)生產(chǎn)、貯藏、運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)方面的需求。

原電池車間（HD7-100kW電堆）的工藝布置要求和根據(jù)國(guó)內(nèi)規(guī)范調(diào)整后的工藝布置見圖1、圖2。

圖1 原加拿大工藝布置圖

圖2 調(diào)整后工藝布置圖

電池車間建筑設(shè)計(jì)考慮以構(gòu)件組裝為主，主要分為組裝區(qū)、輔助用房區(qū)和倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)。組裝區(qū)位于廠房中間區(qū)域，工藝流程組織詳見圖2箭頭所示。輔助用房位于車間北、南、東三個(gè)側(cè)邊，辦公區(qū)域位于車間南側(cè)。倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)位于車間東側(cè)，設(shè)一層房間。西南角設(shè)配電房一間，滿足車間用電需求。

電池車間主要分為兩個(gè)區(qū)域，東側(cè)18m范圍內(nèi)采用輕質(zhì)隔墻隔開，其余位置為一個(gè)區(qū)域。隔墻上設(shè)電動(dòng)卷簾門，兩區(qū)域互通。車間向外出入口共設(shè)電動(dòng)提升門8扇，一般區(qū)域設(shè)疏散門4扇，泄漏檢測(cè)區(qū)設(shè)安全疏散門2扇，辦公區(qū)設(shè)安全疏散門2扇。

電池車間輔助用房檢測(cè)區(qū)為獨(dú)立防火分區(qū)，生產(chǎn)危險(xiǎn)性分類為甲類，面積590m2，層高5.4m。該區(qū)域采用防火墻與主車間進(jìn)行分隔，防火墻上設(shè)甲級(jí)卷簾門，門寬×門高為4m×4m，方便叉車出入。該區(qū)域設(shè)置防爆軸流風(fēng)機(jī)6臺(tái)，日常情況下可開啟1～2臺(tái)進(jìn)行換氣，同時(shí)與氫氣檢測(cè)泄漏裝置聯(lián)防，當(dāng)發(fā)生氫氣泄漏時(shí)，進(jìn)行及時(shí)換氣。該區(qū)域窗戶日常情況下應(yīng)處于開啟狀態(tài)。

電池車間輔助用房的氫氣試驗(yàn)區(qū)所有電氣設(shè)備均采用防爆電氣設(shè)備。彩鋼夾芯板屋面和外側(cè)彩鋼板作為泄壓區(qū)域。

電池車間輔助用房的辦公區(qū)為兩層，建筑面積930m2，一層設(shè)更衣室、衛(wèi)生間、工具間、網(wǎng)絡(luò)間等，二層設(shè)辦公室、會(huì)議室，該區(qū)域設(shè)疏散樓梯2部。

倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)位于車間北側(cè)，均為單層，高度5.4m，共三間，采用甲級(jí)防火門與車間進(jìn)行分隔。

車間西南角設(shè)配電室一間，采用實(shí)心加氣混凝土磚與車間隔開，配電間長(zhǎng)度大于7m，設(shè)2個(gè)出入口，均為甲級(jí)防火門?？紤]配電間防水，配電間地面比室內(nèi)地面高出50mm。配電間考慮夏季高溫空調(diào)降溫。

4 結(jié)論

經(jīng)過近2年的實(shí)際使用，目前氫燃料電池組裝車間運(yùn)轉(zhuǎn)正常、使用良好，已經(jīng)為產(chǎn)業(yè)園區(qū)創(chuàng)造了一個(gè)奇跡，其生產(chǎn)的HD7-100kW電堆已經(jīng)升級(jí)并完成全部原材料的國(guó)產(chǎn)化，其產(chǎn)品也成為廣東區(qū)域燃料電池最大的生產(chǎn)商。