燃料电池试验室的涉氢安全性研究

郭 婷

(中国技术汽车研究中心有限公司，天津 300300)

燃料电池汽车(FCV)作为未来汽车发展的重要方向，各大汽车厂及零部件厂都相继投入大量的人力物力进行研发及测评的能力建设。其中涉氢试验室的安全性对FCV的研发及测评十分重要。现阶段我国大部分的燃料电池试验室是基于原有试验室的改造完成，造成许多安全的保护和预防措施不到位。为了从根本上解决涉氢试验室的安全问题，本文从以下几个方面提出FCV试验室涉氢安全性的一些建议。

1 试验室涉氢安全性风险分析

FCV测试过程中的危险来源主要归结为三类：氢浓度安全[1-3]；氢高压安全(氢瓶的压力过高，一般为35 MPa、70 MPa)；高压电安全(最高达到650 V)。其中氢安全事故产生的主要原因：第一，氢气具有易燃、易爆的特点，在达到一定浓度后，很容易发生燃烧、爆炸的危险，除此之外，当发生爆炸时，其火焰没办法进行预测，因为氢火焰无色；其次，物体产生的静电火花也会导致氢气发生爆炸的风险；第三，高压氢气的燃烧温度能够达到2 660 ℃，可以直接将钢铁融化。

氢气在使用中已经有相关的标准对其建筑物和运输等进行要求，包括GB/T 7144—2016 《气瓶颜色标志》[4]、GB 50177—2005《氢气站设计规范》[5]、GB 7231—2003 《工业管路的基本识别色、识别符号和安全标识》[6]等。因此，在试验室的涉氢安全性建设方面应主要从供氢站、供应管路、氢气使用环境等三方面开展研究，其安全风险一般存在于设计不足、监测不到位、人员素质不佳等几个方面。其中设计不足包括氢气探测器的精度过低、排风量不够、管路接口处密封性不好、静电的处理装置缺失等；监测不到位包括氢气探测器的安装位置不明确，缺少温度、火焰探测器和明显的警示装置；人员素质不佳，包括专业知识不足、作业不规范、防护措施不足等。

2 涉氢试验室建设建议

涉氢安全试验室在建设中应遵守应急处理原则[7]。从试验室的整体布局看，应建立相应的防爆墙和泄爆区域；在试验室外面建有供氢、储氢区域，保障FCV的加氢能力。所以整个试验室的安全性建设需要从储氢区域、输送管路以及用氢区域着手，一般建议如下：

1) 防爆设计。试验室单层，将房顶作为泄压区域，四周设定合理的防爆墙。一旦发生意外，不会影响周围的建筑。

2) 防泄漏设计。为保障泄漏的氢气能够及时排除出试验室，应进行自然通风，防止氢气聚集，因此可将屋顶进行斜坡处理，并加强试验室内氢气浓度的监察。

3) 防火设计。杜绝火源，是保障试验室安全的方法之一；另外，在氢气的储存区域按照其储存量储存足量的水，以便能够及时喷水灭火；其次，还应保证储氢区域的屋顶不可燃。

4) 防静电设计。电火花也可能会引起氢气的爆炸。因此，应将输送氢气的管路用防静电带接地，并采用双层管路运输，以防止接触到电火花。

5) 氢气监控系统[8-10]设计。应在FCV所在的区域、氢气的供应区域、测试台所在区域等容易聚集氢气的地方安装氢气浓度传感器，氢气浓度传感器应设置报警和急停的联动措施。例如，在8 000 ppm的氢气体积浓度下就能用警报声提醒操作人员，同时自动打开强制排风扇。在15 000 ppm下就应该停止氢气的供应，从而在氢气的源头掐断氢气泄漏的来源。同时为了保证试验室内泄漏的氢气能够迅速排掉，应该保证换气的能力，建议1 h能够换气20倍的试验室的体积，同时要使用防爆风机并减少静电，以保证安全性。

6) 氢高压的安全设计[11-12]。氢高压安全许多人会认为只有氢气瓶的安全，其实还需要考虑氢管路、接头、密封材料、阀件、压缩机等不同应用场景下的安全设计。同时也需要对不同使用环境下的材料成本进行研究，以保证合适的安全性和经济性的平衡。以70 MPa的FCV为例，氢气压缩机使用的材料的压力至少应满足95 MPa，温度范围在-20～180 ℃；储氢罐的使用压力应在95 MPa，温度范围在-20～50 ℃；加氢用高压软管的范围应在82 MPa，温度范围在-40～50 ℃。

在整个涉氢试验室的安全建设中，还需要保证典型试验室的安全建设，特别是燃料电池堆、燃料电池系统等零部件的测试区域，以及整车冷启动试验室、涉氢转毂环境舱等整车涉氢试验室。不同的试验区域功能不同，其安全性设置也不同，但是主要的氢安全性的检测和设置是相同的，如照明灯、应急灯、开关和插座、尾排风机等电气设备的防爆设计，以及氢气探测器的联动等。

总体来讲，从防护规则和处理原则的执行上，是从建筑物安全防护-试验室的安全防护-设备安全防护-火灾防护等几个层级进行，以尽可能保障涉氢实验室的安全[13-14]。

3 涉氢试验室使用建议

对于涉氢试验室的使用，每个试验人员都必须遵守相应的安全原则并了解所有的安全机制。在每个试验室都会有相应的防护工具，如对于有高压危险的试验室，在进入试验室之前会有一个单独准备防护设施的准备间，目的是提高试验人员的警惕以及进行试验前的充分准备。具体的防范机制建议如下：

1) 风险管理。在试验室的不同区域划分不同的危险等级，然后根据具体的实验项目进行风险分析，对可能发生的危险进行归类，并准备相应的防护措施。

2) 危险等级划分。针对涉氢试验室的危险源进行风险评估[4-5]，根据事故发生的可能性、试验台架的危险性、人为的误操作性等多个方面进行风险评估；根据不同的风险等级，对试验人员及操作规定相应的试验流程，如果风险等级过高，建议不进行试验，以保障生命和财产安全。

3) 消防演习。对于涉氢试验室，可以根据情况模拟试验室发生错误的不安全行为，进行人员消防演习，以控制危险的等级。

4) 降低危险。为了将人为发生危险的因素降低到最低，在进行试验设备的操作时，可采取用手指向试验设备的设定参数界面，口中描述设置的参数并拍照确认试验的情况，从而尽量避免人为发生危险的因素。

5) 危险预知。对可能发生危险的试验和设备进行拍照，通知相关人员，让使用该流程的人员都要确认。

6) 异常情况处理。建立应急预案和相关的负责人，一旦发生意外，试验现场应立即停止试验，试验室能够直接将信号传输给消防队，呼叫专门的负责人员及专业人员处理。

4 结束语

本文从涉氢试验室的建设和使用出发，提出从预防试验风险、强化试验防护、弱化试验危险几个角度降低试验室安全隐患的方案，对FCV涉氢系统的研发及测试有很重要的意义。