燃料電池試驗室的涉氫安全性研究

郭 婷

(中國技術(shù)汽車研究中心有限公司，天津 300300)

燃料電池汽車(FCV)作為未來汽車發(fā)展的重要方向，各大汽車廠及零部件廠都相繼投入大量的人力物力進行研發(fā)及測評的能力建設(shè)。其中涉氫試驗室的安全性對FCV的研發(fā)及測評十分重要?，F(xiàn)階段我國大部分的燃料電池試驗室是基于原有試驗室的改造完成，造成許多安全的保護和預(yù)防措施不到位。為了從根本上解決涉氫試驗室的安全問題，本文從以下幾個方面提出FCV試驗室涉氫安全性的一些建議。

1 試驗室涉氫安全性風(fēng)險分析

FCV測試過程中的危險來源主要歸結(jié)為三類：氫濃度安全[1-3]；氫高壓安全(氫瓶的壓力過高，一般為35 MPa、70 MPa)；高壓電安全(最高達(dá)到650 V)。其中氫安全事故產(chǎn)生的主要原因：第一，氫氣具有易燃、易爆的特點，在達(dá)到一定濃度后，很容易發(fā)生燃燒、爆炸的危險，除此之外，當(dāng)發(fā)生爆炸時，其火焰沒辦法進行預(yù)測，因為氫火焰無色；其次，物體產(chǎn)生的靜電火花也會導(dǎo)致氫氣發(fā)生爆炸的風(fēng)險；第三，高壓氫氣的燃燒溫度能夠達(dá)到2 660 ℃，可以直接將鋼鐵融化。

氫氣在使用中已經(jīng)有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)對其建筑物和運輸?shù)冗M行要求，包括GB/T 7144—2016 《氣瓶顏色標(biāo)志》[4]、GB 50177—2005《氫氣站設(shè)計規(guī)范》[5]、GB 7231—2003 《工業(yè)管路的基本識別色、識別符號和安全標(biāo)識》[6]等。因此，在試驗室的涉氫安全性建設(shè)方面應(yīng)主要從供氫站、供應(yīng)管路、氫氣使用環(huán)境等三方面開展研究，其安全風(fēng)險一般存在于設(shè)計不足、監(jiān)測不到位、人員素質(zhì)不佳等幾個方面。其中設(shè)計不足包括氫氣探測器的精度過低、排風(fēng)量不夠、管路接口處密封性不好、靜電的處理裝置缺失等；監(jiān)測不到位包括氫氣探測器的安裝位置不明確，缺少溫度、火焰探測器和明顯的警示裝置；人員素質(zhì)不佳，包括專業(yè)知識不足、作業(yè)不規(guī)范、防護措施不足等。

2 涉氫試驗室建設(shè)建議

涉氫安全試驗室在建設(shè)中應(yīng)遵守應(yīng)急處理原則[7]。從試驗室的整體布局看，應(yīng)建立相應(yīng)的防爆墻和泄爆區(qū)域；在試驗室外面建有供氫、儲氫區(qū)域，保障FCV的加氫能力。所以整個試驗室的安全性建設(shè)需要從儲氫區(qū)域、輸送管路以及用氫區(qū)域著手，一般建議如下：

1) 防爆設(shè)計。試驗室單層，將房頂作為泄壓區(qū)域，四周設(shè)定合理的防爆墻。一旦發(fā)生意外，不會影響周圍的建筑。

2) 防泄漏設(shè)計。為保障泄漏的氫氣能夠及時排除出試驗室，應(yīng)進行自然通風(fēng)，防止氫氣聚集，因此可將屋頂進行斜坡處理，并加強試驗室內(nèi)氫氣濃度的監(jiān)察。

3) 防火設(shè)計。杜絕火源，是保障試驗室安全的方法之一；另外，在氫氣的儲存區(qū)域按照其儲存量儲存足量的水，以便能夠及時噴水滅火；其次，還應(yīng)保證儲氫區(qū)域的屋頂不可燃。

4) 防靜電設(shè)計。電火花也可能會引起氫氣的爆炸。因此，應(yīng)將輸送氫氣的管路用防靜電帶接地，并采用雙層管路運輸，以防止接觸到電火花。

5) 氫氣監(jiān)控系統(tǒng)[8-10]設(shè)計。應(yīng)在FCV所在的區(qū)域、氫氣的供應(yīng)區(qū)域、測試臺所在區(qū)域等容易聚集氫氣的地方安裝氫氣濃度傳感器，氫氣濃度傳感器應(yīng)設(shè)置報警和急停的聯(lián)動措施。例如，在8 000 ppm的氫氣體積濃度下就能用警報聲提醒操作人員，同時自動打開強制排風(fēng)扇。在15 000 ppm下就應(yīng)該停止氫氣的供應(yīng)，從而在氫氣的源頭掐斷氫氣泄漏的來源。同時為了保證試驗室內(nèi)泄漏的氫氣能夠迅速排掉，應(yīng)該保證換氣的能力，建議1 h能夠換氣20倍的試驗室的體積，同時要使用防爆風(fēng)機并減少靜電，以保證安全性。

6) 氫高壓的安全設(shè)計[11-12]。氫高壓安全許多人會認(rèn)為只有氫氣瓶的安全，其實還需要考慮氫管路、接頭、密封材料、閥件、壓縮機等不同應(yīng)用場景下的安全設(shè)計。同時也需要對不同使用環(huán)境下的材料成本進行研究，以保證合適的安全性和經(jīng)濟性的平衡。以70 MPa的FCV為例，氫氣壓縮機使用的材料的壓力至少應(yīng)滿足95 MPa，溫度范圍在-20～180 ℃；儲氫罐的使用壓力應(yīng)在95 MPa，溫度范圍在-20～50 ℃；加氫用高壓軟管的范圍應(yīng)在82 MPa，溫度范圍在-40～50 ℃。

在整個涉氫試驗室的安全建設(shè)中，還需要保證典型試驗室的安全建設(shè)，特別是燃料電池堆、燃料電池系統(tǒng)等零部件的測試區(qū)域，以及整車?yán)鋯釉囼炇摇⑸鏆滢D(zhuǎn)轂環(huán)境艙等整車涉氫試驗室。不同的試驗區(qū)域功能不同，其安全性設(shè)置也不同，但是主要的氫安全性的檢測和設(shè)置是相同的，如照明燈、應(yīng)急燈、開關(guān)和插座、尾排風(fēng)機等電氣設(shè)備的防爆設(shè)計，以及氫氣探測器的聯(lián)動等。

總體來講，從防護規(guī)則和處理原則的執(zhí)行上，是從建筑物安全防護-試驗室的安全防護-設(shè)備安全防護-火災(zāi)防護等幾個層級進行，以盡可能保障涉氫實驗室的安全[13-14]。

3 涉氫試驗室使用建議

對于涉氫試驗室的使用，每個試驗人員都必須遵守相應(yīng)的安全原則并了解所有的安全機制。在每個試驗室都會有相應(yīng)的防護工具，如對于有高壓危險的試驗室，在進入試驗室之前會有一個單獨準(zhǔn)備防護設(shè)施的準(zhǔn)備間，目的是提高試驗人員的警惕以及進行試驗前的充分準(zhǔn)備。具體的防范機制建議如下：

1) 風(fēng)險管理。在試驗室的不同區(qū)域劃分不同的危險等級，然后根據(jù)具體的實驗項目進行風(fēng)險分析，對可能發(fā)生的危險進行歸類，并準(zhǔn)備相應(yīng)的防護措施。

2) 危險等級劃分。針對涉氫試驗室的危險源進行風(fēng)險評估[4-5]，根據(jù)事故發(fā)生的可能性、試驗臺架的危險性、人為的誤操作性等多個方面進行風(fēng)險評估；根據(jù)不同的風(fēng)險等級，對試驗人員及操作規(guī)定相應(yīng)的試驗流程，如果風(fēng)險等級過高，建議不進行試驗，以保障生命和財產(chǎn)安全。

3) 消防演習(xí)。對于涉氫試驗室，可以根據(jù)情況模擬試驗室發(fā)生錯誤的不安全行為，進行人員消防演習(xí)，以控制危險的等級。

4) 降低危險。為了將人為發(fā)生危險的因素降低到最低，在進行試驗設(shè)備的操作時，可采取用手指向試驗設(shè)備的設(shè)定參數(shù)界面，口中描述設(shè)置的參數(shù)并拍照確認(rèn)試驗的情況，從而盡量避免人為發(fā)生危險的因素。

5) 危險預(yù)知。對可能發(fā)生危險的試驗和設(shè)備進行拍照，通知相關(guān)人員，讓使用該流程的人員都要確認(rèn)。

6) 異常情況處理。建立應(yīng)急預(yù)案和相關(guān)的負(fù)責(zé)人，一旦發(fā)生意外，試驗現(xiàn)場應(yīng)立即停止試驗，試驗室能夠直接將信號傳輸給消防隊，呼叫專門的負(fù)責(zé)人員及專業(yè)人員處理。

4 結(jié)束語

本文從涉氫試驗室的建設(shè)和使用出發(fā)，提出從預(yù)防試驗風(fēng)險、強化試驗防護、弱化試驗危險幾個角度降低試驗室安全隱患的方案，對FCV涉氫系統(tǒng)的研發(fā)及測試有很重要的意義。