集裝箱式燃料電池實(shí)驗(yàn)室氫安全設(shè)計(jì)

質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)因轉(zhuǎn)換效率高、功率密度大、零排放等優(yōu)點(diǎn)^[1]，其發(fā)展越來(lái)越受到國(guó)家的重視和政策的支持。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)從研發(fā)到量產(chǎn)需完成GB/T 24554-2009^[2]和GB/T 33979-2017^[3]中規(guī)定的試驗(yàn)項(xiàng)目。然而，在國(guó)內(nèi)燃料電池試驗(yàn)臺(tái)架資源非常緊缺的大背景下，建設(shè)集裝箱式燃料電池實(shí)驗(yàn)室成為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。集裝箱式燃料電池實(shí)驗(yàn)室在試驗(yàn)過(guò)程主要涉及密閉空間內(nèi)的氫氣泄漏、氫氣爆炸、測(cè)試設(shè)備起火等危險(xiǎn)源，因此，本文將圍繞燃料電池實(shí)驗(yàn)室的主動(dòng)氫安全設(shè)計(jì)、被動(dòng)氫安全設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。

1   燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理及試驗(yàn)工藝流程

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)主要包括燃料電池電堆、供氫總成系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、水管理系統(tǒng)、功率分配系統(tǒng)，燃料電池控制系統(tǒng)等部件^[4]，其主要工作原理是氫氣在陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)分解成氫離子和電子、氧氣在陰極發(fā)生還原反應(yīng)生成氧離子，其結(jié)果是在陽(yáng)極帶負(fù)電端和陰極帶正電端產(chǎn)生一個(gè)電壓，如果加上外部負(fù)載，即可產(chǎn)生電流。在反應(yīng)過(guò)程中，水是唯一的副產(chǎn)物。試驗(yàn)過(guò)程中，氫氣由試驗(yàn)廠區(qū)的氫氣集裝格統(tǒng)一供給。氫氣集裝格的初始?xì)怏w供給壓力為(15~20)Mpa，經(jīng)過(guò)廠區(qū)一級(jí)減壓到3 Mpa 以后進(jìn)入到集裝箱式燃料電池實(shí)驗(yàn)室的氣體供給系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)二級(jí)減壓到2 Mpa 以后進(jìn)入燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)架，然后經(jīng)過(guò)測(cè)試臺(tái)架氫氣流量計(jì)以后進(jìn)入燃料電池電堆的陽(yáng)極進(jìn)行反應(yīng)。氧氣由燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)空壓機(jī)吸取環(huán)境箱內(nèi)部空氣，進(jìn)入燃料電池電堆的陰極進(jìn)行反應(yīng)，最終生成電和水。反應(yīng)生成的電通過(guò)可回饋式電子負(fù)載流入電網(wǎng)，反應(yīng)剩余的氣體及生成的水通過(guò)尾氣排放系統(tǒng)排走，具體試驗(yàn)工藝流程詳見(jiàn)圖1。

圖1 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工藝流程圖

2   集裝箱式燃料電池實(shí)驗(yàn)室構(gòu)成

集裝箱式燃料電池實(shí)驗(yàn)室主要由新風(fēng)及制冷機(jī)組集裝箱、供氣系統(tǒng)集裝箱、環(huán)境箱集裝箱、測(cè)試臺(tái)架集裝箱、控制室及負(fù)載集裝箱組成，主要包括氣體供給系統(tǒng)、環(huán)境箱、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)架、冷卻塔等設(shè)備。根據(jù)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品要求，燃料電池測(cè)試臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)芰Π凑湛蓾M足最大輸出功率為150 kW 的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行規(guī)劃，設(shè)備參數(shù)具體詳見(jiàn)表1。

3   集裝箱式燃料電池實(shí)驗(yàn)室被動(dòng)氫安全設(shè)計(jì)

在集裝箱式燃料電池實(shí)驗(yàn)室的被動(dòng)氫安全設(shè)計(jì)方面，主要從涉氫設(shè)備的選型、抗爆屋設(shè)計(jì)和測(cè)試設(shè)備的電氣原理圖設(shè)計(jì)等維度考慮。在涉氫設(shè)備選型方面，涉氫區(qū)域分別為供氣系統(tǒng)集裝箱、環(huán)境箱抗集裝箱和測(cè)試臺(tái)架集裝箱，參考GB50058-2014[5] 第2.2.1 條的相關(guān)定義，根據(jù)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中氫氣出現(xiàn)泄漏的頻率、持續(xù)時(shí)間以及室內(nèi)的通風(fēng)換氣情況，將涉氫實(shí)驗(yàn)室區(qū)域劃分為2 區(qū)，根據(jù)設(shè)備保護(hù)級(jí)別定義，應(yīng)選擇的設(shè)備防護(hù)等級(jí)為Ga、Gb 或Gc。由于氫氣屬于IIC 類氣體，因此對(duì)應(yīng)的設(shè)備也要滿足IIC 要求。根據(jù)氫氣的MSDS 可知?dú)錃獾囊紲囟葹?00 ℃，參考GB50058-2014^[5]附錄C 的相關(guān)要求，涉氫設(shè)備允許的最高表面溫度選擇450 ℃的T1 組，因此涉氫設(shè)備的適用溫度級(jí)別選擇T1~T6 均可，具體的涉氫設(shè)備防爆等級(jí)詳見(jiàn)表2。

表2 涉氫設(shè)備防爆等級(jí)要求

在抗爆屋的設(shè)計(jì)方面，測(cè)試臺(tái)架抗爆屋的內(nèi)尺寸為5.6 m×2.0 m×2.4 m，外尺寸為6.0 m×2.4 m×2.8 m，其中泄爆面積為16.8 m²，泄爆屋面面積為14.4 m²，抗爆墻體面積為18.24 m²。環(huán)境箱抗爆屋的內(nèi)尺寸為5.7 m×3.0 m×3.6 m，外尺寸為6.1 m×3.4 m×4.0 m，其中泄爆墻面積為24.4 m²，泄爆屋面面積為20.7 m²，抗爆墻體面積為31.8 m²。抗爆屋墻體泄爆壓力值為1 kPa，屋面泄爆壓力值為3 kPa，抗爆壓力值為1 Mpa。

參考GB50016—2017^[6]中第3.4.1 條關(guān)于泄爆面積的計(jì)算要求S1=10 CV 2/3，危險(xiǎn)源為氫氣，C 取0.25，代入計(jì)算，臺(tái)架抗爆屋理論泄爆面積S1 臺(tái)架=22.43 m²，實(shí)際泄爆面積S2 臺(tái)架=16.8 m²+14.4 m2=31.2 m2 ＞ S1 臺(tái)架，環(huán)境箱抗爆屋理論泄爆面積S1 環(huán)境箱=38.98 m²，實(shí)際泄爆面積S2 環(huán)境箱=24.4 m²+20.7 m2=45.1 m2 ＞ S1 環(huán)境箱，滿足要求。

在設(shè)備的電氣原理圖設(shè)計(jì)方面，考慮試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生氫氣泄漏以后可能的傷害嚴(yán)重程度、發(fā)生泄漏的概率，參考GB/T16855.1—2018^[7]的相關(guān)要求，燃料電池實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的涉氫電氣設(shè)備性能等級(jí)需參考PLd 等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)（見(jiàn)表2）。滿足PLd 的電氣設(shè)備需要滿足：①電氣安全架構(gòu)滿足Cat 3 類要求，保證從電氣設(shè)備的輸入裝置、邏輯判斷裝置和執(zhí)行輸出裝置都有2 個(gè)獨(dú)立的冗余回路，設(shè)備中的任一部件的單一故障不會(huì)導(dǎo)致設(shè)備功能的完全喪失；②電氣設(shè)備的診斷覆蓋率需達(dá)到90％以上；③每個(gè)通道平均危險(xiǎn)失效間隔時(shí)間要求為10~30 年，具體的燃料電池測(cè)試設(shè)備總電氣原理詳見(jiàn)圖2。

圖2 燃料電池測(cè)試設(shè)備總電氣原理

4   集裝箱式燃料電池實(shí)驗(yàn)室主動(dòng)氫安全設(shè)計(jì)

在集裝箱式燃料電池實(shí)驗(yàn)室的主動(dòng)氫安全設(shè)計(jì)上，主要從實(shí)驗(yàn)室的安防措施設(shè)計(jì)以及燃料電池測(cè)試設(shè)備間的安全聯(lián)鎖控制來(lái)考慮。在實(shí)驗(yàn)室的安防措施設(shè)計(jì)上，主要按照4 個(gè)原則設(shè)計(jì)：①在所有實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，均安裝煙霧和溫度報(bào)警器；②在涉氫實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，均在實(shí)驗(yàn)室的頂部對(duì)角位置分別安裝2 個(gè)氫濃度傳感器^[8]；③在環(huán)境箱內(nèi)安裝燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的尾排管路直接引入環(huán)境箱的尾氣排放系統(tǒng)，試驗(yàn)過(guò)程中反應(yīng)剩余的氫氣可直接排入室外環(huán)境大氣，稀釋環(huán)境箱內(nèi)氫濃度^[8]；④在環(huán)境箱試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)安裝防爆攝像頭，實(shí)時(shí)觀察樣件狀態(tài)。

在測(cè)試設(shè)備安全聯(lián)鎖控制方面，主要需建立燃料電池測(cè)試設(shè)備及其配套設(shè)施的安全聯(lián)鎖矩陣，明確各設(shè)備之間的互鎖條件。安全聯(lián)鎖矩陣的設(shè)計(jì)主要考慮以下5個(gè)原則（見(jiàn)表3）： ① 若任何一個(gè)集裝箱式實(shí)驗(yàn)室發(fā)生火災(zāi)，供氣系統(tǒng)切斷氫氣總閥，供氣系統(tǒng)及測(cè)試臺(tái)架氫氣緊急泄放閥打開(kāi)，環(huán)境箱及測(cè)試臺(tái)架緊急停機(jī)，監(jiān)控系統(tǒng)顯示報(bào)警信息，試驗(yàn)中斷，七氟丙烷滅火系統(tǒng)由試驗(yàn)人員根據(jù)實(shí)際情況手動(dòng)啟動(dòng)。②若燃料電池實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)氫氣泄漏，氫濃度達(dá)到4 000 ppm 時(shí)，測(cè)試臺(tái)架停機(jī)，事故排風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)，試驗(yàn)暫停；氫濃度達(dá)到8 000 ppm 以上時(shí)，供氣系統(tǒng)切斷氫氣總閥，供氣系統(tǒng)及測(cè)試臺(tái)架氫氣緊急泄放閥打開(kāi)，環(huán)境箱及測(cè)試臺(tái)架緊急停機(jī)，監(jiān)控系統(tǒng)顯示報(bào)警信息，試驗(yàn)中斷。③若環(huán)境箱及供氣集裝箱內(nèi)氧氣濃度低于19.5％時(shí)，測(cè)試臺(tái)架停機(jī)，通風(fēng)系統(tǒng)持續(xù)打開(kāi)。④若出現(xiàn)測(cè)試臺(tái)架及供氣系統(tǒng)與其他設(shè)備通信異常時(shí)，供氣系統(tǒng)切斷氫氣總閥，環(huán)境箱及測(cè)試臺(tái)架停機(jī)。⑤試驗(yàn)前，若環(huán)境箱新風(fēng)系統(tǒng)及測(cè)試臺(tái)架沒(méi)啟動(dòng)或?qū)嶒?yàn)室門(mén)沒(méi)關(guān)閉，測(cè)試臺(tái)架不能啟動(dòng)。

表3 集裝箱式燃料電池實(shí)驗(yàn)室安全聯(lián)鎖矩陣

5   結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)集裝箱式燃料電池實(shí)驗(yàn)室主動(dòng)氫安全設(shè)計(jì)和被動(dòng)氫安全設(shè)計(jì)的詳細(xì)討論，系統(tǒng)分析了燃料電池試驗(yàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況及應(yīng)對(duì)措施，有效保障了燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的順利開(kāi)展，為后續(xù)的燃料電池實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及安全運(yùn)行提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年12月期）