摘要：為了保障集裝箱式燃料電池實驗室的安全穩(wěn)定運行，對集裝箱式燃料電池實驗室的主動氫安全設計、被動氫安全設計進行了介紹，主要包括實驗室涉氫區(qū)域電氣設備的選型、抗爆屋的設計、燃料電池測試設備總電氣原理圖的設計、實驗室安防措施的設計以及燃料電池實驗室安全聯(lián)鎖矩陣的建立等措施。

　　關鍵詞：集裝箱式燃料電池實驗室;主動氫安全設計;被動氫安全設計

　　質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機因轉(zhuǎn)換效率高、功率密度大、零排放等優(yōu)點[1]，其發(fā)展越來越受到國家的重視和政策的支持。燃料電池發(fā)動機從研發(fā)到量產(chǎn)需完成GB/T24554-2009[2]和GB/T33979-2017[3]中規(guī)定的試驗項目。然而，在國內(nèi)燃料電池試驗臺架資源非常緊缺的大背景下，建設集裝箱式燃料電池實驗室成為燃料電池發(fā)動機開發(fā)過程中非常重要的一個環(huán)節(jié)。集裝箱式燃料電池實驗室在試驗過程主要涉及密閉空間內(nèi)的氫氣泄漏、氫氣爆炸、測試設備起火等危險源，因此，本文將圍繞燃料電池實驗室的主動氫安全設計、被動氫安全設計進行論述。

　　1燃料電池發(fā)動機工作原理及試驗工藝流程

　　燃料電池發(fā)動機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極發(fā)生氧化反應分解成氫離子和電子、氧氣在陰極發(fā)生還原反應生成氧離子，其結果是在陽極帶負電端和陰極帶正電端產(chǎn)生一個電壓，如果加上外部負載，即可產(chǎn)生電流。在反應過程中，水是唯一的副產(chǎn)物。試驗過程中，氫氣由試驗廠區(qū)的氫氣集裝格統(tǒng)一供給。氫氣集裝格的初始氣體供給壓力為(15～20)Mpa，經(jīng)過廠區(qū)一級減壓到3Mpa以后進入到集裝箱式燃料電池實驗室的氣體供給系統(tǒng)，經(jīng)過二級減壓到2Mpa以后進入燃料電池發(fā)動機測試臺架，然后經(jīng)過測試臺架氫氣流量計以后進入燃料電池電堆的陽極進行反應。氧氣由燃料電池發(fā)動機空壓機吸取環(huán)境箱內(nèi)部空氣，進入燃料電池電堆的陰極進行反應，最終生成電和水。反應生成的電通過可回饋式電子負載流入電網(wǎng)，反應剩余的氣體及生成的水通過尾氣排放系統(tǒng)排走，具體試驗工藝流程詳見圖1。

　　2集裝箱式燃料電池實驗室構成

　　集裝箱式燃料電池實驗室主要由新風及制冷機組集裝箱、供氣系統(tǒng)集裝箱、環(huán)境箱集裝箱、測試臺架集裝箱、控制室及負載集裝箱組成，主要包括氣體供給系統(tǒng)、環(huán)境箱、燃料電池發(fā)動機測試臺架、冷卻塔等設備。根據(jù)燃料電池發(fā)動機的產(chǎn)品要求，燃料電池測試臺架試驗能力按照可滿足最大輸出功率為150kW的燃料電池發(fā)動機進行規(guī)劃，設備參數(shù)具體詳見表1。

　　3集裝箱式燃料電池實驗室被動氫安全設計

　　在集裝箱式燃料電池實驗室的被動氫安全設計方面，主要從涉氫設備的選型、抗爆屋設計和測試設備的電氣原理圖設計等維度考慮。在涉氫設備選型方面，涉氫區(qū)域分別為供氣系統(tǒng)集裝箱、環(huán)境箱抗集裝箱和測試臺架集裝箱，參考GB50058-2014[5]第2.2.1條的相關定義，根據(jù)燃料電池發(fā)動機試驗過程中氫氣出現(xiàn)泄漏的頻率、持續(xù)時間以及室內(nèi)的通風換氣情況，將涉氫實驗室區(qū)域劃分為2區(qū)，根據(jù)設備保護級別定義，應選擇的設備防護等級為Ga、Gb或Gc。由于氫氣屬于IIC類氣體，因此對應的設備也要滿足IIC要求。根據(jù)氫氣的MSDS可知氫氣的引燃溫度為500°C，參考GB50058-2014[5]附錄C的相關要求，涉氫設備允許的最高表面溫度選擇450°C的T1組，因此涉氫設備的適用溫度級別選擇T1～T6均可，具體的涉氫設備防爆等級詳見表2。

　　在抗爆屋的設計方面，測試臺架抗爆屋的內(nèi)尺寸為5.6m×2.0m×2.4m，外尺寸為6.0m×2.4m×2.8m，其中泄爆面積為16.8m2，泄爆屋面面積為14.4m2，抗爆墻體面積為18.24m2。環(huán)境箱抗爆屋的內(nèi)尺寸為5.7m×3.0m×3.6m，外尺寸為6.1m×3.4m×4.0m，其中泄爆墻面積為24.4m2，泄爆屋面面積為20.7m2，抗爆墻體面積為31.8m2。抗爆屋墻體泄爆壓力值為1kPa，屋面泄爆壓力值為3kPa，抗爆壓力值為1Mpa。參考GB50016—2017[6]中第3.4.1條關于泄爆面積的計算要求S1=10CV2/3，危險源為氫氣，C取0.25，代入計算，臺架抗爆屋理論泄爆面積S1臺架=22.43m2，實際泄爆面積S2臺架=16.8m2+14.4m2=31.2m2>S，1臺架環(huán)境箱抗爆屋理論泄爆面積S1環(huán)境箱=38.98m2，實際泄爆面積S2環(huán)境箱=24.4m2+20.7m2=45.1m2>S，1環(huán)境箱滿足要求。在設備的電氣原理圖設計方面，考慮試驗過程中發(fā)生氫氣泄漏以后可能的傷害嚴重程度、發(fā)生泄漏的概率，參考GB/T16855.1—2018[7]的相關要求，燃料電池實驗室內(nèi)的涉氫電氣設備性能等級需參考PLd等級進行設計(見表2)。滿足PLd的電氣設備需要滿足：1電氣安全架構滿足Cat3類要求，保證從電氣設備的輸入裝置、邏輯判斷裝置和執(zhí)行輸出裝置都有2個獨立的冗余回路，設備中的任一部件的單一故障不會導致設備功能的完全喪失;2電氣設備的診斷覆蓋率需達到90%以上;3每個通道平均危險失效間隔時間要求為10～30年，具體的燃料電池測試設備總電氣原理詳見圖2。

　　4集裝箱式燃料電池實驗室主動氫安全設計

　　在集裝箱式燃料電池實驗室的主動氫安全設計上，主要從實驗室的安防措施設計以及燃料電池測試設備間的安全聯(lián)鎖控制來考慮。在實驗室的安防措施設計上，主要按照4個原則設計：1在所有實驗室內(nèi)，均安裝煙霧和溫度報警器;2在涉氫實驗室內(nèi)，均在實驗室的頂部對角位置分別安裝2個氫濃度傳感器[8];3在環(huán)境箱內(nèi)安裝燃料電池發(fā)動機的尾排管路直接引入環(huán)境箱的尾氣排放系統(tǒng)，試驗過程中反應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)境箱試驗區(qū)域內(nèi)安裝防爆攝像頭，實時觀察樣件狀態(tài)。

　　在測試設備安全聯(lián)鎖控制方面，主要需建立燃料電池測試設備及其配套設施的安全聯(lián)鎖矩陣，明確各設備之間的互鎖條件。安全聯(lián)鎖矩陣的設計主要考慮以下5個原則(見表3)：1若任何一個集裝箱式實驗室發(fā)生火災，供氣系統(tǒng)切斷氫氣總閥，供氣系統(tǒng)及測試臺架氫氣緊急泄放閥打開，環(huán)境箱及測試臺架緊急停機，監(jiān)控系統(tǒng)顯示報警信息，試驗中斷，七氟丙烷滅火系統(tǒng)由試驗人員根據(jù)實際情況手動啟動。2若燃料電池實驗室出現(xiàn)氫氣泄漏，氫濃度達到4000ppm時，測試臺架停機，事故排風系統(tǒng)啟動，試驗暫停;氫濃度達到8000ppm以上時，供氣系統(tǒng)切斷氫氣總閥，供氣系統(tǒng)及測試臺架氫氣緊急泄放閥打開，環(huán)境箱及測試臺架緊急停機，監(jiān)控系統(tǒng)顯示報警信息，試驗中斷。3若環(huán)境箱及供氣集裝箱內(nèi)氧氣濃度低于19.5%時，測試臺架停機，通風系統(tǒng)持續(xù)打開。4若出現(xiàn)測試臺架及供氣系統(tǒng)與其他設備通信異常時，供氣系統(tǒng)切斷氫氣總閥，環(huán)境箱及測試臺架停機。5試驗前，若環(huán)境箱新風系統(tǒng)及測試臺架沒啟動或?qū)嶒炇议T沒關閉，測試臺架不能啟動。

　　5結束語

　　通過對集裝箱式燃料電池實驗室主動氫安全設計和被動氫安全設計的詳細討論，系統(tǒng)分析了燃料電池試驗過程中可能出現(xiàn)的危險情況及應對措施，有效保障了燃料電池發(fā)動機試驗的順利開展，為后續(xù)的燃料電池實驗室建設及安全運行提供了寶貴的經(jīng)驗。

　　參考文獻：

　　[1]萬利.質(zhì)子交換膜燃料電池測試系統(tǒng)的設計與開發(fā)[D].南京：南京大學，2013.

　　[2]GB/T24554—2009燃料電池發(fā)動機性能試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2009.

　　[3]GB/T33979—2017質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)低溫特性測試方法[S].北京：中國標準出版社，2017.

　　[4]張新豐，羅明慧，姚川棋，等.大功率車用質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機性能測試實驗室設計[J].同濟大學學報(自然科學版)，2017，45(增刊1)：132-137.

　　[5]GB50058—2014爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2014.

　　[6]GB50016—2017建筑設計防火規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2017.

　　[7]GB/T16855.1—2018控制系統(tǒng)安全相關部件第1部分：設計通則[S].北京：中國標準出版社，2018.

　　[8]常國峰，李玉洋，季運康，等.燃料電池汽車動力系統(tǒng)綜合測試環(huán)境艙的氫安全設計[J].實驗技術與管理，2020，37