燃料電池汽車(chē)試驗(yàn)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(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司,天津 300300)

0 引言

氫燃料電池技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，對(duì)與此相關(guān)的測(cè)試也提出了新的要求。但由于其使用的能源氫氣具有易擴(kuò)散、易燃、易爆等特點(diǎn)，使得其測(cè)試安全性變得格外重要。國(guó)內(nèi)燃料電池汽車(chē)技術(shù)起步較晚，目前還沒(méi)有符合要求的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室；同時(shí)針對(duì)燃料電池汽車(chē)方面涉氫試驗(yàn)室的安全要求，公開(kāi)發(fā)表的研究資料很少。本文作者根據(jù)《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(guān)鍵文獻(xiàn)，從試驗(yàn)室供氫、通風(fēng)排風(fēng)、探測(cè)及應(yīng)急措施、管路材料、密封等方面進(jìn)行了簡(jiǎn)要總結(jié)，以期為廣大技術(shù)人員提供參考。

1 供氫方面的要求

1.1 試驗(yàn)室供氫安全要求

關(guān)于試驗(yàn)室供氫安全方面，針對(duì)供氫方案和供氫管路文獻(xiàn)[1]中主要提到以下主要內(nèi)容。

(1)試驗(yàn)室供氫方案要求

如果車(chē)輛試驗(yàn)所需的氫氣量不大于11.327 m3(400標(biāo)準(zhǔn)立方英尺)，用于供氫的壓縮氫氣瓶可以位于試驗(yàn)室外的連廊處，該連廊頂部必須有排風(fēng)裝置。存放氣瓶區(qū)域的推薦排風(fēng)能力為20 ACH；在正常測(cè)試過(guò)程中，氣瓶和供氫管道上方的頂蓋處必須安裝防爆風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，通風(fēng)量要求為20 ACH。

但是如果車(chē)輛試驗(yàn)所需的氫氣量大于11.327 m3(400標(biāo)準(zhǔn)立方英尺)，美國(guó)消防協(xié)會(huì)(NFPA)則要求更高的防爆能力和排風(fēng)等級(jí)，并且嚴(yán)禁在與試驗(yàn)室相連的室內(nèi)進(jìn)行供氫。

(2)供氫管路要求

試驗(yàn)室應(yīng)該安裝無(wú)縫、厚壁不銹鋼氫氣供給系統(tǒng)，輸送氫氣到試驗(yàn)室的防爆區(qū)域。供氫管路應(yīng)該位于密封的管路線(xiàn)盒內(nèi)，并且線(xiàn)盒還要聯(lián)結(jié)防爆風(fēng)機(jī)以排出管路中可能泄漏出的氫氣。

1.2 供氫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

對(duì)于供氫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[2]中從儲(chǔ)氫容器、安全泄放裝置、管路和接頭、設(shè)備總成、標(biāo)志和驗(yàn)收等方面給出以下要求內(nèi)容。

(1)儲(chǔ)氫容器要求

設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)應(yīng)該符合ASME標(biāo)準(zhǔn)《Boiler and Pressure Vessel Code, section VIII—Unfired Pressure Vessels—1968》的相應(yīng)要求。設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和維護(hù)按照美國(guó)交通部的規(guī)范和法規(guī)，永久安裝的容器應(yīng)該使用持續(xù)不可燃支撐，并穩(wěn)定安放在不可燃的基礎(chǔ)上。

每個(gè)移動(dòng)式容器應(yīng)該清晰標(biāo)明“氫氣”字樣，每個(gè)歧管供氫單元應(yīng)該清楚標(biāo)明“氫氣”或者具有“本單元含氫”的標(biāo)簽。

(2)安全泄放裝置

儲(chǔ)氫容器應(yīng)該安裝符合ASME鍋爐和壓力容器法規(guī)的安全泄放閥，或者符合DOT容器制造的規(guī)范和法規(guī)。安全泄放閥的布置位置應(yīng)該使得排放氣體朝上且無(wú)阻擋地排到開(kāi)放空間中，以防止排放的氣體朝向儲(chǔ)氫容器、相連結(jié)構(gòu)或人體。安全泄放閥或排氣管路的設(shè)計(jì)和位置要保障在濕氣聚集和結(jié)冰情況下不會(huì)對(duì)裝置正常操作造成干涉。

(3)管路和接頭

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

(4)設(shè)備總成

閥、表、調(diào)壓器和其他附件應(yīng)該適合氫氣使用；氫氣供給系統(tǒng)的安裝應(yīng)該在熟悉其結(jié)構(gòu)和使用規(guī)范的人員監(jiān)督下進(jìn)行；儲(chǔ)氫容器、管路、閥門(mén)、調(diào)節(jié)設(shè)備和其他附件應(yīng)該位于容易接近的位置，同時(shí)采取防護(hù)以防止外部的物理?yè)p壞和干涉；安裝氫氣控制或操作設(shè)備的柜子和空間應(yīng)該有充足的通風(fēng)。

作為氫氣供給系統(tǒng)的一部分，移動(dòng)儲(chǔ)氫單元應(yīng)該牢靠固定以防發(fā)生意外移動(dòng)；移動(dòng)儲(chǔ)氫單元在開(kāi)始輸送氫氣前應(yīng)該同氫氣供給系統(tǒng)之間采取可靠電連接及接地。

(5)標(biāo)志

儲(chǔ)氫區(qū)域應(yīng)該使用具有下列內(nèi)容的永久性銘牌標(biāo)明：“氫—可燃?xì)怏w—嚴(yán)禁吸煙—嚴(yán)禁明火”或者其他類(lèi)似內(nèi)容的標(biāo)語(yǔ)。

(6)驗(yàn)收

安裝完成后，所有管路、接頭應(yīng)該在最大工作壓力下進(jìn)行測(cè)試，以證明無(wú)氫氣泄漏。

2 試驗(yàn)室的通風(fēng)和排風(fēng)要求

由于氫氣容易泄漏，因此試驗(yàn)室的通風(fēng)和排風(fēng)要求必須滿(mǎn)足。目前不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)通風(fēng)量的要求有些差別，但必須提供足夠的換氣量以應(yīng)對(duì)潛在的氫氣泄漏。排風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)該同測(cè)試設(shè)備互鎖，以保證在氫氣供給系統(tǒng)打開(kāi)前開(kāi)始工作。出現(xiàn)氫氣濃度報(bào)警時(shí)，排風(fēng)級(jí)別應(yīng)該提高。一般正常情況下，提供6 ACH的排風(fēng)能力;緊急情況下，提供12 ACH的排風(fēng)能力。下面自然通風(fēng)和主動(dòng)通風(fēng)方面的要求主要來(lái)自文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]。

(1)自然通風(fēng)

通風(fēng)換氣率要滿(mǎn)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(fēng)口等被動(dòng)通風(fēng)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(yīng)該全面評(píng)估以保證泄漏的氫氣能夠安全擴(kuò)散。入口應(yīng)該位于外墻靠近地面處，出口應(yīng)該位于外墻或者房蓋的最高點(diǎn)。

(2)主動(dòng)通風(fēng)

自然通風(fēng)滿(mǎn)足不了要求，應(yīng)該采用主動(dòng)通風(fēng)來(lái)降低氣體聚集從而降低危險(xiǎn)，應(yīng)該保證系統(tǒng)在所有時(shí)間都可以正常運(yùn)行。

如果通風(fēng)系統(tǒng)不正常而導(dǎo)致氫氣集聚濃度可能達(dá)到4%，氫氣設(shè)備和測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)該關(guān)閉。如果危險(xiǎn)較大，最好使用氫氣供應(yīng)自動(dòng)關(guān)斷功能。

通風(fēng)系統(tǒng)的換氣率，對(duì)應(yīng)整個(gè)使用或儲(chǔ)存區(qū)域的地面面積應(yīng)該滿(mǎn)足每平方米不低于0.304 8 m3/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))。

注意出現(xiàn)壓縮容器大量釋放氫氣或者氫氣管路爆裂等情況下，室內(nèi)通風(fēng)措施也滿(mǎn)足不了快速擴(kuò)散氫氣要求。

3 安全監(jiān)測(cè)及應(yīng)急措施

由于氫氣的自身特性，試驗(yàn)室必須安裝氫氣體泄漏探測(cè)器、火災(zāi)探測(cè)器和煙霧探測(cè)器進(jìn)行監(jiān)控。在測(cè)試樣品和試驗(yàn)設(shè)備上方應(yīng)該安裝一個(gè)或多個(gè)氫氣濃度檢測(cè)探頭，并且這些探頭必須同試驗(yàn)室供氫、排風(fēng)、消防等設(shè)施互鎖，以滿(mǎn)足分級(jí)報(bào)警和采取具體應(yīng)急措施的需要。

3.1 氫氣泄漏監(jiān)測(cè)要求

試驗(yàn)室內(nèi)要具有氫氣泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并作為一種提高操作安全性的重要方法，文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]中在以下幾個(gè)方面給出具體方法：(1)在房間或空間內(nèi)安裝氫氣或可燃?xì)怏w探測(cè)器；(2)通過(guò)監(jiān)測(cè)管路內(nèi)部壓力和或流量變化情況，判斷系統(tǒng)內(nèi)可能存在泄漏；(3)在靠近外部管路近處安裝氫氣探測(cè)器。

不管使用什么方法，當(dāng)檢測(cè)到氫氣時(shí)，泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)至少都應(yīng)與氫氣源自動(dòng)截止閥聯(lián)動(dòng)。對(duì)于設(shè)計(jì)用于監(jiān)測(cè)室內(nèi)或者區(qū)域內(nèi)氫氣濃度的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)環(huán)境有危險(xiǎn)時(shí)，還應(yīng)該能夠?qū)θ藛T通過(guò)視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)兩方面發(fā)出警報(bào)，還要考慮遠(yuǎn)程通知功能。

區(qū)域內(nèi)的氫氣泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該包括以下目標(biāo)：(1)具有氫氣源自動(dòng)截止和隔離功能；(2)關(guān)閉氫氣供給系統(tǒng)到安全模式；(3)控制主動(dòng)通風(fēng)；(4)激活視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)警報(bào)。

對(duì)氫氣探測(cè)的特殊要求：(1)氫氣濃度探測(cè)靈敏度為±0.25%(體積比)。(2)1%體積濃度的反應(yīng)時(shí)間為1 s。(3)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須保證任何泄漏的氫氣都能從探測(cè)器附近通過(guò)。(4)在選擇探測(cè)器時(shí)，應(yīng)該考慮探測(cè)器對(duì)其他氣體或蒸氣的靈敏度。(5)推薦設(shè)置氫氣濃度為1%時(shí)報(bào)警。如果使用了自動(dòng)截止功能，應(yīng)該要求具有手動(dòng)恢復(fù)功能來(lái)重啟系統(tǒng)。(6)使用小型氣體探測(cè)器檢查局部泄漏。在進(jìn)入房間或者重新進(jìn)入發(fā)生報(bào)警的房間時(shí)使用小型氣體探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)來(lái)保證氫氣已擴(kuò)散出去。(7)氫氣探測(cè)器應(yīng)每3～6月維護(hù)和校正一次，并進(jìn)行具體記錄。

3.2 火災(zāi)監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)

火災(zāi)檢測(cè)和控制系統(tǒng)也是涉氫試驗(yàn)室安全要求的重要組成部分，文獻(xiàn)[1]中在這方面給出的對(duì)策主要總結(jié)如下：

對(duì)于氫氣起火的第一個(gè)響應(yīng)步驟是關(guān)閉氫氣供應(yīng)。在關(guān)閉氫氣供應(yīng)之前，不要試圖滅火。對(duì)于氫氣相關(guān)系統(tǒng)起火，通常推薦的滅火方式是噴水。噴水可以冷卻高壓儲(chǔ)氫瓶，同時(shí)防止氫氣火焰點(diǎn)燃周?chē)扇嘉铩?/p>

紅外火焰探測(cè)器不能探測(cè)到氫氣火焰，因?yàn)闅錃饣鹧娌荒茌椛浜軓?qiáng)的紅外光譜，但它能夠探測(cè)到氫氣火焰點(diǎn)燃的其他材料的火焰。氫氣火焰能輻射紫外線(xiàn)，這樣理論上可以使用紫外線(xiàn)火焰探測(cè)器來(lái)探測(cè)氫氣火焰，但紫外線(xiàn)火焰探測(cè)器存在容易誤報(bào)的問(wèn)題。

氫氣火焰為淺藍(lán)色，白天幾乎不可見(jiàn)，且輻射熱很低，導(dǎo)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(cè)器；(2)或者通過(guò)觀(guān)察火焰造成的熱浪和聽(tīng)氫氣排氣聲音；(3)使用燃燒探測(cè)器；(4)在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障解除后，下次開(kāi)始使用前要經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間。

如果有多種氣體共存的話(huà)，通常的反應(yīng)方式是減輕最危險(xiǎn)的氣體。

(2)氫氣超標(biāo)應(yīng)急措施

當(dāng)氫氣濃度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，應(yīng)起動(dòng)排風(fēng)聯(lián)動(dòng)裝置。當(dāng)氫氣濃度達(dá)到20%LFL時(shí)，區(qū)域內(nèi)的排風(fēng)量需要從20 APH提高到30 APH；當(dāng)達(dá)到40% LFL時(shí)，應(yīng)立即停止供氫，排空供氫管路，斷開(kāi)除防爆風(fēng)機(jī)外的試驗(yàn)室電源。

3.3 安全互鎖功能

對(duì)于監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)，當(dāng)安全條件不滿(mǎn)足的時(shí)候，應(yīng)該通過(guò)安裝傳感器和開(kāi)關(guān)來(lái)關(guān)閉或阻斷供氫系統(tǒng)的氫氣流,即所謂的安全互鎖功能，文獻(xiàn)[1]中在這方面給出的主要建議如下：

在防爆風(fēng)機(jī)電機(jī)上安裝光傳感器，如果風(fēng)機(jī)沒(méi)有工作，就不能供應(yīng)氫氣，并且供氫安全管道要處于排風(fēng)狀態(tài)。排風(fēng)管路有壓差開(kāi)關(guān)來(lái)保證在氫氣供應(yīng)給汽車(chē)前保持足夠的真空度。這樣來(lái)保證風(fēng)機(jī)是可正常運(yùn)轉(zhuǎn)的，而且排氣系統(tǒng)也沒(méi)有泄漏。

急停開(kāi)關(guān)應(yīng)該安裝在汽車(chē)司機(jī)、試驗(yàn)間控制室、壓縮氣瓶?jī)?chǔ)存間的氫氣安全管道附近。這些開(kāi)關(guān)能夠關(guān)閉氫氣供應(yīng)和排空安全管道內(nèi)的氫氣。

氫氣供應(yīng)安全互鎖起動(dòng)前不觸發(fā)滅火系統(tǒng)。在切斷氫氣供應(yīng)前不應(yīng)熄滅火焰，應(yīng)該先停止氫氣供應(yīng)和排空安全管道內(nèi)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(shè)計(jì)試驗(yàn)室時(shí)，材料的相容性是一個(gè)重要的考慮因素。奧氏體不銹鋼、銅及銅合金通常滿(mǎn)足氫氣的使用場(chǎng)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(guān)于試驗(yàn)室設(shè)施使用材料等，文獻(xiàn)[1]和[5]中給出了以下幾個(gè)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(jī)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(yàn)裝置提供氫氣管路連接時(shí)需要特別注意密封，文獻(xiàn)[1]中對(duì)此給出以下幾個(gè)建議。

由于不銹鋼在加工螺紋連接時(shí)變形較難，密封問(wèn)題增大，EPA推薦盡量使用TIG(非熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊)或者M(jìn)IG(熔化極惰性氣體保護(hù)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(mǎn)足連接要求，但普通螺紋密封滿(mǎn)足不了泄漏要求。

氫氣供應(yīng)安全管路用于把氫氣供給到燃料電池試驗(yàn)車(chē)輛或者用氫試驗(yàn)裝置，EPA給出了專(zhuān)門(mén)的氣路設(shè)計(jì)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(chēng)氫氣壓力，并可能上升到35 MPa。FSMG接頭滿(mǎn)足氣泡級(jí)密封測(cè)試要求，并且在連接斷開(kāi)時(shí)螺母上的通氣孔能夠釋放管路內(nèi)的壓縮氣體。

EPA在試驗(yàn)間安裝了一個(gè)剪切閥，其輸出管路連接到車(chē)輛供氫管路。EPA在供氫系統(tǒng)末端使用了一個(gè)快換接頭，用于匹配不同車(chē)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(cè)量2 h內(nèi)的壓力下降量作為供氣系統(tǒng)的初始泄漏檢查結(jié)果。應(yīng)用氦氣泄漏檢測(cè)儀對(duì)泄漏源和接頭處進(jìn)行檢查，主要泄漏點(diǎn)位于閥軸處。安裝完畢后，在試驗(yàn)間和壓縮氣瓶?jī)?chǔ)存間，需要對(duì)供氣管路進(jìn)行反復(fù)檢查。對(duì)于環(huán)縫焊接氫氣管路，EPA也進(jìn)行了氦氣壓力保壓測(cè)試。

5 結(jié)束語(yǔ)

氫氣安全對(duì)于燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要，燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展也離不開(kāi)試驗(yàn)測(cè)試。對(duì)于涉氫試驗(yàn)室建設(shè)和使用，必須從材料、位置、監(jiān)測(cè)、應(yīng)急燈多個(gè)方面出發(fā)，采用綜合應(yīng)對(duì)措施，盡可能降低安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、監(jiān)督人員也要在掌握基本安全知識(shí)的前提下，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)氫氣安全操作規(guī)程。