氫燃料電池試驗室設計原則與應用

郭帥帥 張妍懿 郝冬 楊子榮 王曉兵

（中汽研新能源汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300000）

主題詞：涉氫試驗室 供氣系統 安全監控系統 氫濃度監測 安全連鎖

1 引言

發展氫燃料電池汽車是未來交通領域的重要技術路線，為滿足燃料電池車輛的研發和測評需求，涉氫試驗室必不可缺。涉氫試驗室的危險源主要包括氫氣泄漏、高壓氫氣和氫電接觸。與傳統能源相比，氫氣擴散系數大、密度小，若泄漏后將快速上浮，同時單位體積爆炸能低，有利于安全。氫氣爆炸極限范圍寬、泄漏性強，火焰傳播速度快，不利于安全。因此，研究安全高效利用氫氣及其配套管道和安監系統十分重要。

Ruiz等闡述了氫的基本安全問題和安全要求。Marchi總結了氫脆相關的材料數據，強調氫的強滲透性。DIXIT等研究了涉氫試驗室機械、電氣和控制相關的設計方法，包括設計排風系統和定位氣體探測器等。Heitsch等對氫氣泄漏建立模型，為提高試驗室建設的安全性提供了依據。總的來說，現有研究均在氫氣特性、氫氣輸送、涉氫試驗室安全方面，沒有關于涉氫試驗室管道布置、電氣控制、安全監控方面的全面研究。

本文從單電池、燃料電池堆和燃料電池發動機的試驗室出發，總結了涉氫試驗室在供氣系統和安全監控系統方面的設計原則，并應用于實際試驗室的建設中，為氫能與燃料電池產業發展提供助力。

2 供氣系統

2.1 管道管件選擇

氫氣從供氫站輸出后，需要減壓至一定的壓力，該壓力與氫氣流量、氫氣流速、管道外徑、管道壁厚、管道材質以及管道潔凈度因素有關。當氫氣管道為壓力管道時，安裝完成后需要進行探傷檢測。

管道和管件材質一般選用316不銹鋼。潔凈度等級分為EP 級、BA 級和AP 級，其中EP 級為電解拋光，BA 級為光輝退火，AP 級為酸洗鈍化。氫燃料電池對氫氣品質有較高要求，管道和管件的潔凈度應至少選擇BA級。

管道和管件在連接過程中應采用焊接方式，考慮到維修和更換的方便性，可同時采用雙卡套連接方式。

2.2 管道管件布置方式

氫燃料電池及其零部件對氫氣品質有較高要求，氫氣長時間在管道中快速流動，會與管道內壁摩擦產生微小粉塵。氫氣滲透性強，容易對管道產生侵蝕。在合理選擇管道材質和管道潔凈度的同時，需要設置過濾器除去氫氣中的雜質。

不論一個試驗室內有一個還是多個用氣點，管道進入試驗室后都應設置一個氣動截止閥，用于氫氣緊急切斷。在氣動閥前設置一個手動截止閥，當氣動截止閥長期使用出現漏氣故障時，可關閉手動截止閥，以免對其余試驗室用氣造成影響。

2.3 供氣盤面

試驗室供氣盤面是供氣系統硬件部分的核心，供氣過程的管閥件基本布置在盤面上。管閥件較多，專門布置在鋁合金、304不銹鋼等材質的面板上，面板固定在試驗室墻面上，整體美觀大方且便于操作。一般供氣盤面應具備以下功能：手動截止、過濾保護、單向保護、調壓功能、過壓保護、排空功能、氮氣吹掃功能、壓力監測、流量監測和氫濃度監測。

2.3.1 手動截止

供氣盤面應具備手動截止功能：

（1）手動關斷氣體供應；

（2）盤面管閥件維修時，可手動截止以免影響其余用氣點。

在盤面入口和出口處均可設置手動截止閥，盤面入口手動截止閥常開，每次用氣只需開啟出口手動截止閥，當出口手動截止閥頻繁開關受損時，可關閉入口手動截止閥進行維修。盤面入口和出口均設置手動截止閥還有利于盤面氣密性檢測。

2.3.2 過濾保護

供氣盤面應具備過濾保護功能：

（1）除去氫氣中可能存在的雜質；

（2）去除氫氣長時間在管道中沖刷和侵蝕產生的微小粉塵，保護下游管閥件。

為供氣盤面設置過濾保護功能一般采用過濾器。過濾器有一定的過濾精度，當精度較高時容易產生較大阻力，進而影響供氣流量，可選擇合適的過濾精度以滿足供氣流量。

2.3.3 單向保護

供氣盤面可設置單向保護功能，以防氣體回流對管閥件造成損壞。為供氣盤面設置單向保護功能一般采用單向閥，單向閥具有一定的開啟壓力，應選擇較小的開啟壓力，以免存在較大壓損影響供氣流量。

2.3.4 調壓功能

不同廠家、不同型號的氫燃料電池在測試過程中所需的壓力通常是不同的，供氣盤面需要設置調壓功能，測試時可適當調節供氣壓力。

為供氣盤面設置調壓功能一般采用調壓閥。調壓閥入口壓力高，出口壓力低，出口壓力在一定范圍內可調。調壓閥是供氣盤面的核心零部件，其結構較為精細，對雜質十分敏感，出口壓力的穩定調節決定了測試過程中氣體的穩定供應。

2.3.5 過壓保護

氫燃料電池在測試過程中對壓力大小有一定要求，若系統供氣壓力升高，將對測試樣品造成嚴重危害。因此需要對供氣盤面設置過壓保護功能。當壓力升高時，可自動開啟釋放多余的壓力，當壓力下降后，可自動恢復不影響測試用氣。

為供氣盤面設置過壓保護功能一般采用安全泄壓閥。安全泄壓閥具有一定的開啟和回座壓力，開啟壓力比用氣壓力略高，可根據使用情況設定。

2.3.6 排空功能

供氣盤面應具備排空功能，當測試結束后，可開啟排空閥將盤面與設備之間的氣體排空，達到保護設備和提供安全性的目的。當調壓閥超調時，也可開啟排空閥進行泄壓。

2.3.7 氮氣吹掃功能

氫燃料電池在測試過程中需要供應氮氣，即氮氣吹掃或氮氣保壓。一般氮氣吹掃管路中應設置單向閥，以防氫氣流入氮氣管路，保障試驗安全性。

2.3.8 壓力監測

在供氣盤面中設置壓力監測功能有4 大重要功能：

（1）監測管路中氣體壓力；

（2）配合安全監控系統實現超壓切斷氣體供應；

（3）配合安全監控系統實現低壓報警；

（4）配合調壓閥調節氣體供應壓力。

2.3.9 流量監測

在供氣盤面中設置流量計，可實現流量監測功能。該流量計監測測試過程中實時流量、統計每次測試用氣量，分析每日、每月、每年的用氣量和用氣趨勢。

2.3.10 氫濃度監測

氫氣易燃易爆，在供氣過程中安全保障至關重要。在盤面上設置氫濃度監測探頭，實時監測氫氣濃度，與安全監控系統連鎖，實現分級報警功能。

圖1 為一種供氣盤面的管閥件布置，主要包括氫氣、氮氣供應部分和氮氣吹掃部分。

圖1 1種供氣盤面的管閥件布置

3 安全監控系統

3.1 排風系統

試驗室排風系統十分重要，一旦氫氣出現泄漏，需要排風系統及時將泄漏的氫氣排到室外。在氫氣供應之前就應開啟排風系統，可以考慮在排風風機上安裝光傳感器，若排風系統未啟動，則不應供應氫氣。

當試驗室內氫氣濃度達到爆炸下限的20%時，室內排風量應至少為30 m/h，當試驗室內氫氣濃度達到爆炸下限的40%時，應立即切斷氣源、排空安全管道內的氫氣并關閉除排風系統之外的所有電源。

3.2 氫泄漏監控系統

氫氣泄漏濃度應分級實現視覺和聽覺報警，報警后具備自動切斷氣源供應的功能，切斷后可手動開啟以恢復氣源供應。

在試驗室實現氫濃度監測一般采用氫濃度探頭，布置在供氣盤面上、試驗室頂部和通風口處位置。供氣盤面上氫濃度探頭安裝位置應保證盤面任何位置泄漏的氫氣都能從探頭附近通過，被探頭檢測到。當出現泄漏報警后，再次進入試驗室應采用小型氫氣探測器進行探測，確保已泄漏氫氣完全擴散出去。

3.3 火焰監控系統

試驗室應安裝火焰探測器，與氫氣供應氣動閥連鎖。當氫氣起火時自動切斷氣源供應。

氫氣火焰為淺藍色，白天幾乎不可見，且輻射的熱量很低，無法用紅外火焰探測器探測。理論上可采用紫外火焰探測器探測，但紫外火焰探測器存在誤報的問題。因此，可安裝紅外/紫外火焰探測器或使用燃燒探測器。

3.4 安全連鎖系統

試驗室安全監控系統的核心是主控制系統，一般包括PLC和顯示器。主控制系統接收壓力傳感器、溫度傳感器、氫濃度探頭和流量計等的信號，控制氣動閥、排風風機和門禁等，實現試驗室各功能之間的聯動控制。氫氣用電氣元件如傳感器、氫濃度探頭等，均應采用防爆形式。圖2為試驗室安全監控系統連鎖功能示意。圖3為試驗室安全監控系統連鎖功能實例。

圖2 試驗室安全監控系統連鎖功能示意

圖3 試驗室安全監控系統連鎖功能實例

主截止氣動閥為一個試驗室的總進氣閥門，一般安裝在試驗室頂部。為實現氫電隔離，主截止氣動閥采用氣驅方式控制。當泵吸式或擴散式氫濃度探頭探測到一定的氫氣濃度時，根據控制邏輯主截止氣動閥將關閉，切斷氣源供應以免氫氣大量泄漏造成嚴重危害。

氫氣壓力傳感器安裝在供氣盤面上，一般設置在調壓閥之后，監測進入設備的氫氣壓力。當監測到氫氣壓力過高時，主控制系統將根據安全等級進行分析，及時切斷氫氣供應，保護下游零部件、測試設備和測試樣品。當監測到氫氣的壓力過低時，主控制系統將控制聲光報警燈，在視覺和聽覺上提醒試驗人員。氮氣壓力傳感器主要監測氮氣壓力，一般設置在調壓閥之后。如有必要可在氮氣管路中設置氣動閥，進一步實現超壓切斷氮氣供應和低壓報警功能。

氫氣盤面氣動閥實現氫氣的自動供應，一般設置在調壓閥之后。當泵吸式或擴散式氫濃度探頭監測到氫氣泄漏時，主控制系統將根據安全等級進行分析，及時切斷氫氣供應，保障試驗的安全性。氫氣盤面氣動閥可由主控制系統控制，也可與測試設備軟件聯動，由測試設備軟件自動控制。氮氣吹掃氣動閥實現試驗過程中氮氣的自動吹掃，可控制吹掃通斷、吹掃時長。氮氣吹掃氣動閥可由主控制系統控制，也可與測試設備軟件聯動，由測試設備軟件自動控制。

氫氣流量計實現試驗過程中氫氣流量的監測，具備流量清零和累計流量輸出的功能。在顯示器上可顯示不同時間段的氫氣用量，主要包括每日、每月、每年。試驗人員可以了解不同時期氫氣的用量，還可以通過價格計算氫氣的使用成本。

泵吸式氫濃度探頭和擴散式氫濃度探頭為2種不同形式的探頭。一般情況下泵吸式氫濃度探頭安裝在供氣盤面上，擴散式氫濃度探頭安裝在試驗室頂部和排風口處。當探測到氫氣濃度超標后，主控制系統將控制聲光報警，控制氣動閥切斷氣源供應，以免造成嚴重危害。氫濃度探頭與試驗室風機和試驗室門禁聯動，當出現氫氣泄漏時，試驗室風機應自動開啟及時排出泄漏的氫氣，試驗室門禁自動打開，以便試驗人員方便地進出試驗室。溫度計可實時監測試驗室內溫度并在顯示器上顯示。試驗人員通過顯示器可掌握整個試驗室的運行狀態。

4 結束語

涉氫試驗室的建設有助于燃料電池研發和測評能力的提升。本文從試驗室氣體管路系統出發，對涉氫試驗室建設過程中管道管件選擇方式、管道管件布置方式、供氣盤面布置方式3 方面進行闡述，簡述了氣體管路系統在硬件方面應具備的基本功能。針對試驗室安全監控系統，對排風系統、氫濃度監測系統、火焰監測系統和安全連鎖系統4 方面進行介紹，以安全為核心闡述了試驗室監控方面的功能和注意事項。將所述方法應用在涉氫試驗室建設中，對氫燃料電池及相關產品的研發和測試具有重要意義。