燃料電池汽車試驗室的安全要求分析

郝冬，張妍懿，王仁廣，王曉兵，朱凱，陳光

(中國汽車技術研究中心有限公司,天津 300300)

0 引言

氫燃料電池技術的發展促進了燃料電池電動汽車的發展，對與此相關的測試也提出了新的要求。但由于其使用的能源氫氣具有易擴散、易燃、易爆等特點，使得其測試安全性變得格外重要。國內燃料電池汽車技術起步較晚，目前還沒有符合要求的專業實驗室；同時針對燃料電池汽車方面涉氫試驗室的安全要求，公開發表的研究資料很少。本文作者根據《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》等關鍵文獻，從試驗室供氫、通風排風、探測及應急措施、管路材料、密封等方面進行了簡要總結，以期為廣大技術人員提供參考。

1 供氫方面的要求

1.1 試驗室供氫安全要求

關于試驗室供氫安全方面，針對供氫方案和供氫管路文獻[1]中主要提到以下主要內容。

(1)試驗室供氫方案要求

如果車輛試驗所需的氫氣量不大于11.327 m3(400標準立方英尺)，用于供氫的壓縮氫氣瓶可以位于試驗室外的連廊處，該連廊頂部必須有排風裝置。存放氣瓶區域的推薦排風能力為20 ACH；在正常測試過程中，氣瓶和供氫管道上方的頂蓋處必須安裝防爆風機進行通風，通風量要求為20 ACH。

但是如果車輛試驗所需的氫氣量大于11.327 m3(400標準立方英尺)，美國消防協會(NFPA)則要求更高的防爆能力和排風等級，并且嚴禁在與試驗室相連的室內進行供氫。

(2)供氫管路要求

試驗室應該安裝無縫、厚壁不銹鋼氫氣供給系統，輸送氫氣到試驗室的防爆區域。供氫管路應該位于密封的管路線盒內，并且線盒還要聯結防爆風機以排出管路中可能泄漏出的氫氣。

1.2 供氫系統的設計要求

對于供氫系統的設計，文獻[2]中從儲氫容器、安全泄放裝置、管路和接頭、設備總成、標志和驗收等方面給出以下要求內容。

(1)儲氫容器要求

設計、制造和試驗應該符合ASME標準《Boiler and Pressure Vessel Code, section VIII—Unfired Pressure Vessels—1968》的相應要求。設計、制造、試驗和維護按照美國交通部的規范和法規，永久安裝的容器應該使用持續不可燃支撐，并穩定安放在不可燃的基礎上。

每個移動式容器應該清晰標明“氫氣”字樣，每個歧管供氫單元應該清楚標明“氫氣”或者具有“本單元含氫”的標簽。

(2)安全泄放裝置

儲氫容器應該安裝符合ASME鍋爐和壓力容器法規的安全泄放閥，或者符合DOT容器制造的規范和法規。安全泄放閥的布置位置應該使得排放氣體朝上且無阻擋地排到開放空間中，以防止排放的氣體朝向儲氫容器、相連結構或人體。安全泄放閥或排氣管路的設計和位置要保障在濕氣聚集和結冰情況下不會對裝置正常操作造成干涉。

(3)管路和接頭

管路和接頭應該適于氫氣使用且滿足其壓力溫度要求。管路和接頭應該不允許使用鑄鐵。管路應該符合ANSI B31.1-1967第二部分《工業氣體和空氣管路》壓力管路法規要求。

接頭可以使用焊接、銅焊、法蘭、螺紋、插頭或壓力配合。墊圈和螺紋密封應該適用于氫氣使用。

(4)設備總成

閥、表、調壓器和其他附件應該適合氫氣使用；氫氣供給系統的安裝應該在熟悉其結構和使用規范的人員監督下進行；儲氫容器、管路、閥門、調節設備和其他附件應該位于容易接近的位置，同時采取防護以防止外部的物理損壞和干涉；安裝氫氣控制或操作設備的柜子和空間應該有充足的通風。

作為氫氣供給系統的一部分，移動儲氫單元應該牢靠固定以防發生意外移動；移動儲氫單元在開始輸送氫氣前應該同氫氣供給系統之間采取可靠電連接及接地。

(5)標志

儲氫區域應該使用具有下列內容的永久性銘牌標明：“氫—可燃氣體—嚴禁吸煙—嚴禁明火”或者其他類似內容的標語。

(6)驗收

安裝完成后，所有管路、接頭應該在最大工作壓力下進行測試，以證明無氫氣泄漏。

2 試驗室的通風和排風要求

由于氫氣容易泄漏，因此試驗室的通風和排風要求必須滿足。目前不同標準對通風量的要求有些差別，但必須提供足夠的換氣量以應對潛在的氫氣泄漏。排風系統應該同測試設備互鎖，以保證在氫氣供給系統打開前開始工作。出現氫氣濃度報警時，排風級別應該提高。一般正常情況下，提供6 ACH的排風能力;緊急情況下，提供12 ACH的排風能力。下面自然通風和主動通風方面的要求主要來自文獻[3]和文獻[4]。

(1)自然通風

通風換氣率要滿足所有操作和緊急事故情況下泄漏氫氣的濃度稀釋到25%LFL(Lower Flammablity Level)以下。屋頂通風口等被動通風位置能夠防止氫氣泄漏排放造成的氫氣集聚，房頂和房蓋形狀應該全面評估以保證泄漏的氫氣能夠安全擴散。入口應該位于外墻靠近地面處，出口應該位于外墻或者房蓋的最高點。

(2)主動通風

自然通風滿足不了要求，應該采用主動通風來降低氣體聚集從而降低危險，應該保證系統在所有時間都可以正常運行。

如果通風系統不正常而導致氫氣集聚濃度可能達到4%，氫氣設備和測試系統應該關閉。如果危險較大，最好使用氫氣供應自動關斷功能。

通風系統的換氣率，對應整個使用或儲存區域的地面面積應該滿足每平方米不低于0.304 8 m3/min(標準狀態)。

注意出現壓縮容器大量釋放氫氣或者氫氣管路爆裂等情況下，室內通風措施也滿足不了快速擴散氫氣要求。

3 安全監測及應急措施

由于氫氣的自身特性，試驗室必須安裝氫氣體泄漏探測器、火災探測器和煙霧探測器進行監控。在測試樣品和試驗設備上方應該安裝一個或多個氫氣濃度檢測探頭，并且這些探頭必須同試驗室供氫、排風、消防等設施互鎖，以滿足分級報警和采取具體應急措施的需要。

3.1 氫氣泄漏監測要求

試驗室內要具有氫氣泄漏監測系統，并作為一種提高操作安全性的重要方法，文獻[3]和文獻[4]中在以下幾個方面給出具體方法：(1)在房間或空間內安裝氫氣或可燃氣體探測器；(2)通過監測管路內部壓力和或流量變化情況，判斷系統內可能存在泄漏；(3)在靠近外部管路近處安裝氫氣探測器。

不管使用什么方法，當檢測到氫氣時，泄漏監測系統至少都應與氫氣源自動截止閥聯動。對于設計用于監測室內或者區域內氫氣濃度的監測系統，當環境有危險時，還應該能夠對人員通過視覺和聽覺兩方面發出警報，還要考慮遠程通知功能。

區域內的氫氣泄漏監測系統應該包括以下目標：(1)具有氫氣源自動截止和隔離功能；(2)關閉氫氣供給系統到安全模式；(3)控制主動通風；(4)激活視覺和聽覺警報。

對氫氣探測的特殊要求：(1)氫氣濃度探測靈敏度為±0.25%(體積比)。(2)1%體積濃度的反應時間為1 s。(3)監測系統的設計必須保證任何泄漏的氫氣都能從探測器附近通過。(4)在選擇探測器時，應該考慮探測器對其他氣體或蒸氣的靈敏度。(5)推薦設置氫氣濃度為1%時報警。如果使用了自動截止功能，應該要求具有手動恢復功能來重啟系統。(6)使用小型氣體探測器檢查局部泄漏。在進入房間或者重新進入發生報警的房間時使用小型氣體探測器進行探測來保證氫氣已擴散出去。(7)氫氣探測器應每3～6月維護和校正一次，并進行具體記錄。

3.2 火災監測及控制系統

火災檢測和控制系統也是涉氫試驗室安全要求的重要組成部分，文獻[1]中在這方面給出的對策主要總結如下：

對于氫氣起火的第一個響應步驟是關閉氫氣供應。在關閉氫氣供應之前，不要試圖滅火。對于氫氣相關系統起火，通常推薦的滅火方式是噴水。噴水可以冷卻高壓儲氫瓶，同時防止氫氣火焰點燃周圍可燃物。

紅外火焰探測器不能探測到氫氣火焰，因為氫氣火焰不能輻射很強的紅外光譜，但它能夠探測到氫氣火焰點燃的其他材料的火焰。氫氣火焰能輻射紫外線，這樣理論上可以使用紫外線火焰探測器來探測氫氣火焰，但紫外線火焰探測器存在容易誤報的問題。

氫氣火焰為淺藍色，白天幾乎不可見，且輻射熱很低，導致人體可能感受不到附近的熱量。推薦的方案包括：(1)盡可能使用小型火焰探測器；(2)或者通過觀察火焰造成的熱浪和聽氫氣排氣聲音；(3)使用燃燒探測器；(4)在監測系統故障解除后，下次開始使用前要經過足夠長的時間。

如果有多種氣體共存的話，通常的反應方式是減輕最危險的氣體。

(2)氫氣超標應急措施

當氫氣濃度達到設定值時，應起動排風聯動裝置。當氫氣濃度達到20%LFL時，區域內的排風量需要從20 APH提高到30 APH；當達到40% LFL時，應立即停止供氫，排空供氫管路，斷開除防爆風機外的試驗室電源。

3.3 安全互鎖功能

對于監測及控制系統，當安全條件不滿足的時候，應該通過安裝傳感器和開關來關閉或阻斷供氫系統的氫氣流,即所謂的安全互鎖功能，文獻[1]中在這方面給出的主要建議如下：

在防爆風機電機上安裝光傳感器，如果風機沒有工作，就不能供應氫氣，并且供氫安全管道要處于排風狀態。排風管路有壓差開關來保證在氫氣供應給汽車前保持足夠的真空度。這樣來保證風機是可正常運轉的，而且排氣系統也沒有泄漏。

急停開關應該安裝在汽車司機、試驗間控制室、壓縮氣瓶儲存間的氫氣安全管道附近。這些開關能夠關閉氫氣供應和排空安全管道內的氫氣。

氫氣供應安全互鎖起動前不觸發滅火系統。在切斷氫氣供應前不應熄滅火焰，應該先停止氫氣供應和排空安全管道內的氫氣。

4 氫氣管路材料和密封方面的要求

4.1 氫氣管路材料要求

在設計試驗室時，材料的相容性是一個重要的考慮因素。奧氏體不銹鋼、銅及銅合金通常滿足氫氣的使用場景，但是鎳除外。在接觸潮濕氫氣的表面不能使用灰鐵、球鐵、鑄鐵。關于試驗室設施使用材料等，文獻[1]和[5]中給出了以下幾個方面的具體要求：

(1)接觸潮濕、干燥流體/氣體的部件允許使用材料

316不銹鋼(不推薦用于潮濕氫氣)、特氟龍(Teflon)、聚偏氟乙烯(PVDF)、氯丁橡膠(Neoprene)、玻璃、三元乙丙橡膠(EPDM)、氟橡膠(Viton)、鋁。

(2)接觸干燥氣體的部件允許使用材料

下列材料可用于干燥氣體管路和外部液體管路(這些材料一定不能用于處理同燃料電池接觸的流體，或濕氣管路、接頭及連接件)：黃銅、銅、碳鋼、鋅、丁腈橡膠。燃料電池不能接觸污染物，尤其是機油、灰塵、沙子、鐵銹、含硫管路涂料、金屬箔片、其他顆粒物。

4.2 氫氣管路密封要求

氫氣自身所具有的分子小、易滲透、易泄漏，要求試驗裝置提供氫氣管路連接時需要特別注意密封，文獻[1]中對此給出以下幾個建議。

由于不銹鋼在加工螺紋連接時變形較難，密封問題增大，EPA推薦盡量使用TIG(非熔化極惰性氣體保護電弧焊)或者MIG(熔化極惰性氣體保護電弧焊)焊接，而不使用NPT螺紋或其他連接。高壓螺紋密封可能滿足連接要求，但普通螺紋密封滿足不了泄漏要求。

氫氣供應安全管路用于把氫氣供給到燃料電池試驗車輛或者用氫試驗裝置，EPA給出了專門的氣路設計圖。管路使用1.27 cm(0.5英寸)(壁厚0.165 1 cm(0.065英寸))的316不銹鋼，連接處使用FSMG接頭。連接部分要承受15 MPa的公稱氫氣壓力，并可能上升到35 MPa。FSMG接頭滿足氣泡級密封測試要求，并且在連接斷開時螺母上的通氣孔能夠釋放管路內的壓縮氣體。

EPA在試驗間安裝了一個剪切閥，其輸出管路連接到車輛供氫管路。EPA在供氫系統末端使用了一個快換接頭，用于匹配不同車輛的連接形式。在管路安裝完畢后，使用氦氣加壓至13.78 MPa(2 000 psi)，測量2 h內的壓力下降量作為供氣系統的初始泄漏檢查結果。應用氦氣泄漏檢測儀對泄漏源和接頭處進行檢查，主要泄漏點位于閥軸處。安裝完畢后，在試驗間和壓縮氣瓶儲存間，需要對供氣管路進行反復檢查。對于環縫焊接氫氣管路，EPA也進行了氦氣壓力保壓測試。

5 結束語

氫氣安全對于燃料電池汽車產業的發展至關重要，燃料電池電動汽車的發展也離不開試驗測試。對于涉氫試驗室建設和使用，必須從材料、位置、監測、應急燈多個方面出發，采用綜合應對措施，盡可能降低安全風險，同時設計、試驗、監督人員也要在掌握基本安全知識的前提下，嚴格執行相關氫氣安全操作規程。