氫燃料電池試驗(yàn)室設(shè)計(jì)原則與應(yīng)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(yàn)中心（天津）有限公司，天津 300000）

主題詞：涉氫試驗(yàn)室 供氣系統(tǒng) 安全監(jiān)控系統(tǒng) 氫濃度監(jiān)測(cè) 安全連鎖

1 引言

發(fā)展氫燃料電池汽車是未來(lái)交通領(lǐng)域的重要技術(shù)路線，為滿足燃料電池車輛的研發(fā)和測(cè)評(píng)需求，涉氫試驗(yàn)室必不可缺。涉氫試驗(yàn)室的危險(xiǎn)源主要包括氫氣泄漏、高壓氫氣和氫電接觸。與傳統(tǒng)能源相比，氫氣擴(kuò)散系數(shù)大、密度小，若泄漏后將快速上浮，同時(shí)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(qiáng)，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，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(jiān)系統(tǒng)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(jié)了氫脆相關(guān)的材料數(shù)據(jù)，強(qiáng)調(diào)氫的強(qiáng)滲透性。DIXIT等研究了涉氫試驗(yàn)室機(jī)械、電氣和控制相關(guān)的設(shè)計(jì)方法，包括設(shè)計(jì)排風(fēng)系統(tǒng)和定位氣體探測(cè)器等。Heitsch等對(duì)氫氣泄漏建立模型，為提高試驗(yàn)室建設(shè)的安全性提供了依據(jù)?？偟膩?lái)說(shuō)，現(xiàn)有研究均在氫氣特性、氫氣輸送、涉氫試驗(yàn)室安全方面，沒有關(guān)于涉氫試驗(yàn)室管道布置、電氣控制、安全監(jiān)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(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)室出發(fā)，總結(jié)了涉氫試驗(yàn)室在供氣系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)原則，并應(yīng)用于實(shí)際試驗(yàn)室的建設(shè)中，為氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供助力。

2 供氣系統(tǒng)

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(zhì)以及管道潔凈度因素有關(guān)。當(dāng)氫氣管道為壓力管道時(shí)，安裝完成后需要進(jìn)行探傷檢測(cè)。

管道和管件材質(zhì)一般選用316不銹鋼。潔凈度等級(jí)分為EP 級(jí)、BA 級(jí)和AP 級(jí)，其中EP 級(jí)為電解拋光，BA 級(jí)為光輝退火，AP 級(jí)為酸洗鈍化。氫燃料電池對(duì)氫氣品質(zhì)有較高要求，管道和管件的潔凈度應(yīng)至少選擇BA級(jí)。

管道和管件在連接過程中應(yīng)采用焊接方式，考慮到維修和更換的方便性，可同時(shí)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(duì)氫氣品質(zhì)有較高要求，氫氣長(zhǎng)時(shí)間在管道中快速流動(dòng)，會(huì)與管道內(nèi)壁摩擦產(chǎn)生微小粉塵。氫氣滲透性強(qiáng)，容易對(duì)管道產(chǎn)生侵蝕。在合理選擇管道材質(zhì)和管道潔凈度的同時(shí)，需要設(shè)置過濾器除去氫氣中的雜質(zhì)。

不論一個(gè)試驗(yàn)室內(nèi)有一個(gè)還是多個(gè)用氣點(diǎn)，管道進(jìn)入試驗(yàn)室后都應(yīng)設(shè)置一個(gè)氣動(dòng)截止閥，用于氫氣緊急切斷。在氣動(dòng)閥前設(shè)置一個(gè)手動(dòng)截止閥，當(dāng)氣動(dòng)截止閥長(zhǎng)期使用出現(xiàn)漏氣故障時(shí)，可關(guān)閉手動(dòng)截止閥，以免對(duì)其余試驗(yàn)室用氣造成影響。

2.3 供氣盤面

試驗(yàn)室供氣盤面是供氣系統(tǒng)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(zhì)的面板上，面板固定在試驗(yàn)室墻面上，整體美觀大方且便于操作。一般供氣盤面應(yīng)具備以下功能：手動(dòng)截止、過濾保護(hù)、單向保護(hù)、調(diào)壓功能、過壓保護(hù)、排空功能、氮?dú)獯祾吖δ堋毫ΡO(jiān)測(cè)、流量監(jiān)測(cè)和氫濃度監(jiān)測(cè)。

2.3.1 手動(dòng)截止

供氣盤面應(yīng)具備手動(dòng)截止功能：

（1）手動(dòng)關(guān)斷氣體供應(yīng)；

（2）盤面管閥件維修時(shí)，可手動(dòng)截止以免影響其余用氣點(diǎn)。

在盤面入口和出口處均可設(shè)置手動(dòng)截止閥，盤面入口手動(dòng)截止閥常開，每次用氣只需開啟出口手動(dòng)截止閥，當(dāng)出口手動(dòng)截止閥頻繁開關(guān)受損時(shí)，可關(guān)閉入口手動(dòng)截止閥進(jìn)行維修。盤面入口和出口均設(shè)置手動(dòng)截止閥還有利于盤面氣密性檢測(cè)。

2.3.2 過濾保護(hù)

供氣盤面應(yīng)具備過濾保護(hù)功能：

（1）除去氫氣中可能存在的雜質(zhì)；

（2）去除氫氣長(zhǎng)時(shí)間在管道中沖刷和侵蝕產(chǎn)生的微小粉塵，保護(hù)下游管閥件。

為供氣盤面設(shè)置過濾保護(hù)功能一般采用過濾器。過濾器有一定的過濾精度，當(dāng)精度較高時(shí)容易產(chǎn)生較大阻力，進(jìn)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(hù)

供氣盤面可設(shè)置單向保護(hù)功能，以防氣體回流對(duì)管閥件造成損壞。為供氣盤面設(shè)置單向保護(hù)功能一般采用單向閥，單向閥具有一定的開啟壓力，應(yīng)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(diào)壓功能

不同廠家、不同型號(hào)的氫燃料電池在測(cè)試過程中所需的壓力通常是不同的，供氣盤面需要設(shè)置調(diào)壓功能，測(cè)試時(shí)可適當(dāng)調(diào)節(jié)供氣壓力。

為供氣盤面設(shè)置調(diào)壓功能一般采用調(diào)壓閥。調(diào)壓閥入口壓力高，出口壓力低，出口壓力在一定范圍內(nèi)可調(diào)。調(diào)壓閥是供氣盤面的核心零部件，其結(jié)構(gòu)較為精細(xì)，對(duì)雜質(zhì)十分敏感，出口壓力的穩(wěn)定調(diào)節(jié)決定了測(cè)試過程中氣體的穩(wěn)定供應(yīng)。

2.3.5 過壓保護(hù)

氫燃料電池在測(cè)試過程中對(duì)壓力大小有一定要求，若系統(tǒng)供氣壓力升高，將對(duì)測(cè)試樣品造成嚴(yán)重危害。因此需要對(duì)供氣盤面設(shè)置過壓保護(hù)功能。當(dāng)壓力升高時(shí)，可自動(dòng)開啟釋放多余的壓力，當(dāng)壓力下降后，可自動(dòng)恢復(fù)不影響測(cè)試用氣。

為供氣盤面設(shè)置過壓保護(hù)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(jù)使用情況設(shè)定。

2.3.6 排空功能

供氣盤面應(yīng)具備排空功能，當(dāng)測(cè)試結(jié)束后，可開啟排空閥將盤面與設(shè)備之間的氣體排空，達(dá)到保護(hù)設(shè)備和提供安全性的目的。當(dāng)調(diào)壓閥超調(diào)時(shí)，也可開啟排空閥進(jìn)行泄壓。

2.3.7 氮?dú)獯祾吖δ?/p>

氫燃料電池在測(cè)試過程中需要供應(yīng)氮?dú)?，即氮?dú)獯祾呋虻獨(dú)獗骸Ｒ话愕獨(dú)獯祾吖苈分袘?yīng)設(shè)置單向閥，以防氫氣流入氮?dú)夤苈罚Ｕ显囼?yàn)安全性。

2.3.8 壓力監(jiān)測(cè)

在供氣盤面中設(shè)置壓力監(jiān)測(cè)功能有4 大重要功能：

（1）監(jiān)測(cè)管路中氣體壓力；

（2）配合安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超壓切斷氣體供應(yīng)；

（3）配合安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低壓報(bào)警；

（4）配合調(diào)壓閥調(diào)節(jié)氣體供應(yīng)壓力。

2.3.9 流量監(jiān)測(cè)

在供氣盤面中設(shè)置流量計(jì)，可實(shí)現(xiàn)流量監(jiān)測(cè)功能。該流量計(jì)監(jiān)測(cè)測(cè)試過程中實(shí)時(shí)流量、統(tǒng)計(jì)每次測(cè)試用氣量，分析每日、每月、每年的用氣量和用氣趨勢(shì)。

2.3.10 氫濃度監(jiān)測(cè)

氫氣易燃易爆，在供氣過程中安全保障至關(guān)重要。在盤面上設(shè)置氫濃度監(jiān)測(cè)探頭，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氫氣濃度，與安全監(jiān)控系統(tǒng)連鎖，實(shí)現(xiàn)分級(jí)報(bào)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?dú)夤?yīng)部分和氮?dú)獯祾卟糠帧?/p>

圖1 1種供氣盤面的管閥件布置

3 安全監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 排風(fēng)系統(tǒng)

試驗(yàn)室排風(fēng)系統(tǒng)十分重要，一旦氫氣出現(xiàn)泄漏，需要排風(fēng)系統(tǒng)及時(shí)將泄漏的氫氣排到室外。在氫氣供應(yīng)之前就應(yīng)開啟排風(fēng)系統(tǒng)，可以考慮在排風(fēng)風(fēng)機(jī)上安裝光傳感器，若排風(fēng)系統(tǒng)未啟動(dòng)，則不應(yīng)供應(yīng)氫氣。

當(dāng)試驗(yàn)室內(nèi)氫氣濃度達(dá)到爆炸下限的20%時(shí)，室內(nèi)排風(fēng)量應(yīng)至少為30 m/h，當(dāng)試驗(yàn)室內(nèi)氫氣濃度達(dá)到爆炸下限的40%時(shí)，應(yīng)立即切斷氣源、排空安全管道內(nèi)的氫氣并關(guān)閉除排風(fēng)系統(tǒng)之外的所有電源。

3.2 氫泄漏監(jiān)控系統(tǒng)

氫氣泄漏濃度應(yīng)分級(jí)實(shí)現(xiàn)視覺和聽覺報(bào)警，報(bào)警后具備自動(dòng)切斷氣源供應(yīng)的功能，切斷后可手動(dòng)開啟以恢復(fù)氣源供應(yīng)。

在試驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)氫濃度監(jiān)測(cè)一般采用氫濃度探頭，布置在供氣盤面上、試驗(yàn)室頂部和通風(fēng)口處位置。供氣盤面上氫濃度探頭安裝位置應(yīng)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(cè)到。當(dāng)出現(xiàn)泄漏報(bào)警后，再次進(jìn)入試驗(yàn)室應(yīng)采用小型氫氣探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，確保已泄漏氫氣完全擴(kuò)散出去。

3.3 火焰監(jiān)控系統(tǒng)

試驗(yàn)室應(yīng)安裝火焰探測(cè)器，與氫氣供應(yīng)氣動(dòng)閥連鎖。當(dāng)氫氣起火時(shí)自動(dòng)切斷氣源供應(yīng)。

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

3.4 安全連鎖系統(tǒng)

試驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)的核心是主控制系統(tǒng)，一般包括PLC和顯示器。主控制系統(tǒng)接收壓力傳感器、溫度傳感器、氫濃度探頭和流量計(jì)等的信號(hào)，控制氣動(dòng)閥、排風(fēng)風(fēng)機(jī)和門禁等，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)室各功能之間的聯(lián)動(dòng)控制。氫氣用電氣元件如傳感器、氫濃度探頭等，均應(yīng)采用防爆形式。圖2為試驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)連鎖功能示意。圖3為試驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)連鎖功能實(shí)例。

圖2 試驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)連鎖功能示意

圖3 試驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)連鎖功能實(shí)例

主截止氣動(dòng)閥為一個(gè)試驗(yàn)室的總進(jìn)氣閥門，一般安裝在試驗(yàn)室頂部。為實(shí)現(xiàn)氫電隔離，主截止氣動(dòng)閥采用氣驅(qū)方式控制。當(dāng)泵吸式或擴(kuò)散式氫濃度探頭探測(cè)到一定的氫氣濃度時(shí)，根據(jù)控制邏輯主截止氣動(dòng)閥將關(guān)閉，切斷氣源供應(yīng)以免氫氣大量泄漏造成嚴(yán)重危害。

氫氣壓力傳感器安裝在供氣盤面上，一般設(shè)置在調(diào)壓閥之后，監(jiān)測(cè)進(jìn)入設(shè)備的氫氣壓力。當(dāng)監(jiān)測(cè)到氫氣壓力過高時(shí)，主控制系統(tǒng)將根據(jù)安全等級(jí)進(jìn)行分析，及時(shí)切斷氫氣供應(yīng)，保護(hù)下游零部件、測(cè)試設(shè)備和測(cè)試樣品。當(dāng)監(jiān)測(cè)到氫氣的壓力過低時(shí)，主控制系統(tǒng)將控制聲光報(bào)警燈，在視覺和聽覺上提醒試驗(yàn)人員。氮?dú)鈮毫鞲衅髦饕O(jiān)測(cè)氮?dú)鈮毫?，一般設(shè)置在調(diào)壓閥之后。如有必要可在氮?dú)夤苈分性O(shè)置氣動(dòng)閥，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)超壓切斷氮?dú)夤?yīng)和低壓報(bào)警功能。

氫氣盤面氣動(dòng)閥實(shí)現(xiàn)氫氣的自動(dòng)供應(yīng)，一般設(shè)置在調(diào)壓閥之后。當(dāng)泵吸式或擴(kuò)散式氫濃度探頭監(jiān)測(cè)到氫氣泄漏時(shí)，主控制系統(tǒng)將根據(jù)安全等級(jí)進(jìn)行分析，及時(shí)切斷氫氣供應(yīng)，保障試驗(yàn)的安全性。氫氣盤面氣動(dòng)閥可由主控制系統(tǒng)控制，也可與測(cè)試設(shè)備軟件聯(lián)動(dòng)，由測(cè)試設(shè)備軟件自動(dòng)控制。氮?dú)獯祾邭鈩?dòng)閥實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程中氮?dú)獾淖詣?dòng)吹掃，可控制吹掃通斷、吹掃時(shí)長(zhǎng)。氮?dú)獯祾邭鈩?dòng)閥可由主控制系統(tǒng)控制，也可與測(cè)試設(shè)備軟件聯(lián)動(dòng)，由測(cè)試設(shè)備軟件自動(dòng)控制。

氫氣流量計(jì)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程中氫氣流量的監(jiān)測(cè)，具備流量清零和累計(jì)流量輸出的功能。在顯示器上可顯示不同時(shí)間段的氫氣用量，主要包括每日、每月、每年。試驗(yàn)人員可以了解不同時(shí)期氫氣的用量，還可以通過價(jià)格計(jì)算氫氣的使用成本。

泵吸式氫濃度探頭和擴(kuò)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(kuò)散式氫濃度探頭安裝在試驗(yàn)室頂部和排風(fēng)口處。當(dāng)探測(cè)到氫氣濃度超標(biāo)后，主控制系統(tǒng)將控制聲光報(bào)警，控制氣動(dòng)閥切斷氣源供應(yīng)，以免造成嚴(yán)重危害。氫濃度探頭與試驗(yàn)室風(fēng)機(jī)和試驗(yàn)室門禁聯(lián)動(dòng)，當(dāng)出現(xiàn)氫氣泄漏時(shí)，試驗(yàn)室風(fēng)機(jī)應(yīng)自動(dòng)開啟及時(shí)排出泄漏的氫氣，試驗(yàn)室門禁自動(dòng)打開，以便試驗(yàn)人員方便地進(jìn)出試驗(yàn)室。溫度計(jì)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)室內(nèi)溫度并在顯示器上顯示。試驗(yàn)人員通過顯示器可掌握整個(gè)試驗(yàn)室的運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

涉氫試驗(yàn)室的建設(shè)有助于燃料電池研發(fā)和測(cè)評(píng)能力的提升。本文從試驗(yàn)室氣體管路系統(tǒng)出發(fā)，對(duì)涉氫試驗(yàn)室建設(shè)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(jìn)行闡述，簡(jiǎn)述了氣體管路系統(tǒng)在硬件方面應(yīng)具備的基本功能。針對(duì)試驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)排風(fēng)系統(tǒng)、氫濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和安全連鎖系統(tǒng)4 方面進(jìn)行介紹，以安全為核心闡述了試驗(yàn)室監(jiān)控方面的功能和注意事項(xiàng)。將所述方法應(yīng)用在涉氫試驗(yàn)室建設(shè)中，對(duì)氫燃料電池及相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)和測(cè)試具有重要意義。