氢燃料电池试验室设计原则与应用

郭帅帅 张妍懿 郝冬 杨子荣 王晓兵

（中汽研新能源汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300000）

主题词：涉氢试验室 供气系统 安全监控系统 氢浓度监测 安全连锁

1 引言

发展氢燃料电池汽车是未来交通领域的重要技术路线，为满足燃料电池车辆的研发和测评需求，涉氢试验室必不可缺。涉氢试验室的危险源主要包括氢气泄漏、高压氢气和氢电接触。与传统能源相比，氢气扩散系数大、密度小，若泄漏后将快速上浮，同时单位体积爆炸能低，有利于安全。氢气爆炸极限范围宽、泄漏性强，火焰传播速度快，不利于安全。因此，研究安全高效利用氢气及其配套管道和安监系统十分重要。

Ruiz等阐述了氢的基本安全问题和安全要求。Marchi总结了氢脆相关的材料数据，强调氢的强渗透性。DIXIT等研究了涉氢试验室机械、电气和控制相关的设计方法，包括设计排风系统和定位气体探测器等。Heitsch等对氢气泄漏建立模型，为提高试验室建设的安全性提供了依据。总的来说，现有研究均在氢气特性、氢气输送、涉氢试验室安全方面，没有关于涉氢试验室管道布置、电气控制、安全监控方面的全面研究。

本文从单电池、燃料电池堆和燃料电池发动机的试验室出发，总结了涉氢试验室在供气系统和安全监控系统方面的设计原则，并应用于实际试验室的建设中，为氢能与燃料电池产业发展提供助力。

2 供气系统

2.1 管道管件选择

氢气从供氢站输出后，需要减压至一定的压力，该压力与氢气流量、氢气流速、管道外径、管道壁厚、管道材质以及管道洁净度因素有关。当氢气管道为压力管道时，安装完成后需要进行探伤检测。

管道和管件材质一般选用316不锈钢。洁净度等级分为EP 级、BA 级和AP 级，其中EP 级为电解抛光，BA 级为光辉退火，AP 级为酸洗钝化。氢燃料电池对氢气品质有较高要求，管道和管件的洁净度应至少选择BA级。

管道和管件在连接过程中应采用焊接方式，考虑到维修和更换的方便性，可同时采用双卡套连接方式。

2.2 管道管件布置方式

氢燃料电池及其零部件对氢气品质有较高要求，氢气长时间在管道中快速流动，会与管道内壁摩擦产生微小粉尘。氢气渗透性强，容易对管道产生侵蚀。在合理选择管道材质和管道洁净度的同时，需要设置过滤器除去氢气中的杂质。

不论一个试验室内有一个还是多个用气点，管道进入试验室后都应设置一个气动截止阀，用于氢气紧急切断。在气动阀前设置一个手动截止阀，当气动截止阀长期使用出现漏气故障时，可关闭手动截止阀，以免对其余试验室用气造成影响。

2.3 供气盘面

试验室供气盘面是供气系统硬件部分的核心，供气过程的管阀件基本布置在盘面上。管阀件较多，专门布置在铝合金、304不锈钢等材质的面板上，面板固定在试验室墙面上，整体美观大方且便于操作。一般供气盘面应具备以下功能：手动截止、过滤保护、单向保护、调压功能、过压保护、排空功能、氮气吹扫功能、压力监测、流量监测和氢浓度监测。

2.3.1 手动截止

供气盘面应具备手动截止功能：

（1）手动关断气体供应；

（2）盘面管阀件维修时，可手动截止以免影响其余用气点。

在盘面入口和出口处均可设置手动截止阀，盘面入口手动截止阀常开，每次用气只需开启出口手动截止阀，当出口手动截止阀频繁开关受损时，可关闭入口手动截止阀进行维修。盘面入口和出口均设置手动截止阀还有利于盘面气密性检测。

2.3.2 过滤保护

供气盘面应具备过滤保护功能：

（1）除去氢气中可能存在的杂质；

（2）去除氢气长时间在管道中冲刷和侵蚀产生的微小粉尘，保护下游管阀件。

为供气盘面设置过滤保护功能一般采用过滤器。过滤器有一定的过滤精度，当精度较高时容易产生较大阻力，进而影响供气流量，可选择合适的过滤精度以满足供气流量。

2.3.3 单向保护

供气盘面可设置单向保护功能，以防气体回流对管阀件造成损坏。为供气盘面设置单向保护功能一般采用单向阀，单向阀具有一定的开启压力，应选择较小的开启压力，以免存在较大压损影响供气流量。

2.3.4 调压功能

不同厂家、不同型号的氢燃料电池在测试过程中所需的压力通常是不同的，供气盘面需要设置调压功能，测试时可适当调节供气压力。

为供气盘面设置调压功能一般采用调压阀。调压阀入口压力高，出口压力低，出口压力在一定范围内可调。调压阀是供气盘面的核心零部件，其结构较为精细，对杂质十分敏感，出口压力的稳定调节决定了测试过程中气体的稳定供应。

2.3.5 过压保护

氢燃料电池在测试过程中对压力大小有一定要求，若系统供气压力升高，将对测试样品造成严重危害。因此需要对供气盘面设置过压保护功能。当压力升高时，可自动开启释放多余的压力，当压力下降后，可自动恢复不影响测试用气。

为供气盘面设置过压保护功能一般采用安全泄压阀。安全泄压阀具有一定的开启和回座压力，开启压力比用气压力略高，可根据使用情况设定。

2.3.6 排空功能

供气盘面应具备排空功能，当测试结束后，可开启排空阀将盘面与设备之间的气体排空，达到保护设备和提供安全性的目的。当调压阀超调时，也可开启排空阀进行泄压。

2.3.7 氮气吹扫功能

氢燃料电池在测试过程中需要供应氮气，即氮气吹扫或氮气保压。一般氮气吹扫管路中应设置单向阀，以防氢气流入氮气管路，保障试验安全性。

2.3.8 压力监测

在供气盘面中设置压力监测功能有4 大重要功能：

（1）监测管路中气体压力；

（2）配合安全监控系统实现超压切断气体供应；

（3）配合安全监控系统实现低压报警；

（4）配合调压阀调节气体供应压力。

2.3.9 流量监测

在供气盘面中设置流量计，可实现流量监测功能。该流量计监测测试过程中实时流量、统计每次测试用气量，分析每日、每月、每年的用气量和用气趋势。

2.3.10 氢浓度监测

氢气易燃易爆，在供气过程中安全保障至关重要。在盘面上设置氢浓度监测探头，实时监测氢气浓度，与安全监控系统连锁，实现分级报警功能。

图1 为一种供气盘面的管阀件布置，主要包括氢气、氮气供应部分和氮气吹扫部分。

图1 1种供气盘面的管阀件布置

3 安全监控系统

3.1 排风系统

试验室排风系统十分重要，一旦氢气出现泄漏，需要排风系统及时将泄漏的氢气排到室外。在氢气供应之前就应开启排风系统，可以考虑在排风风机上安装光传感器，若排风系统未启动，则不应供应氢气。

当试验室内氢气浓度达到爆炸下限的20%时，室内排风量应至少为30 m/h，当试验室内氢气浓度达到爆炸下限的40%时，应立即切断气源、排空安全管道内的氢气并关闭除排风系统之外的所有电源。

3.2 氢泄漏监控系统

氢气泄漏浓度应分级实现视觉和听觉报警，报警后具备自动切断气源供应的功能，切断后可手动开启以恢复气源供应。

在试验室实现氢浓度监测一般采用氢浓度探头，布置在供气盘面上、试验室顶部和通风口处位置。供气盘面上氢浓度探头安装位置应保证盘面任何位置泄漏的氢气都能从探头附近通过，被探头检测到。当出现泄漏报警后，再次进入试验室应采用小型氢气探测器进行探测，确保已泄漏氢气完全扩散出去。

3.3 火焰监控系统

试验室应安装火焰探测器，与氢气供应气动阀连锁。当氢气起火时自动切断气源供应。

氢气火焰为浅蓝色，白天几乎不可见，且辐射的热量很低，无法用红外火焰探测器探测。理论上可采用紫外火焰探测器探测，但紫外火焰探测器存在误报的问题。因此，可安装红外/紫外火焰探测器或使用燃烧探测器。

3.4 安全连锁系统

试验室安全监控系统的核心是主控制系统，一般包括PLC和显示器。主控制系统接收压力传感器、温度传感器、氢浓度探头和流量计等的信号，控制气动阀、排风风机和门禁等，实现试验室各功能之间的联动控制。氢气用电气元件如传感器、氢浓度探头等，均应采用防爆形式。图2为试验室安全监控系统连锁功能示意。图3为试验室安全监控系统连锁功能实例。

图2 试验室安全监控系统连锁功能示意

图3 试验室安全监控系统连锁功能实例

主截止气动阀为一个试验室的总进气阀门，一般安装在试验室顶部。为实现氢电隔离，主截止气动阀采用气驱方式控制。当泵吸式或扩散式氢浓度探头探测到一定的氢气浓度时，根据控制逻辑主截止气动阀将关闭，切断气源供应以免氢气大量泄漏造成严重危害。

氢气压力传感器安装在供气盘面上，一般设置在调压阀之后，监测进入设备的氢气压力。当监测到氢气压力过高时，主控制系统将根据安全等级进行分析，及时切断氢气供应，保护下游零部件、测试设备和测试样品。当监测到氢气的压力过低时，主控制系统将控制声光报警灯，在视觉和听觉上提醒试验人员。氮气压力传感器主要监测氮气压力，一般设置在调压阀之后。如有必要可在氮气管路中设置气动阀，进一步实现超压切断氮气供应和低压报警功能。

氢气盘面气动阀实现氢气的自动供应，一般设置在调压阀之后。当泵吸式或扩散式氢浓度探头监测到氢气泄漏时，主控制系统将根据安全等级进行分析，及时切断氢气供应，保障试验的安全性。氢气盘面气动阀可由主控制系统控制，也可与测试设备软件联动，由测试设备软件自动控制。氮气吹扫气动阀实现试验过程中氮气的自动吹扫，可控制吹扫通断、吹扫时长。氮气吹扫气动阀可由主控制系统控制，也可与测试设备软件联动，由测试设备软件自动控制。

氢气流量计实现试验过程中氢气流量的监测，具备流量清零和累计流量输出的功能。在显示器上可显示不同时间段的氢气用量，主要包括每日、每月、每年。试验人员可以了解不同时期氢气的用量，还可以通过价格计算氢气的使用成本。

泵吸式氢浓度探头和扩散式氢浓度探头为2种不同形式的探头。一般情况下泵吸式氢浓度探头安装在供气盘面上，扩散式氢浓度探头安装在试验室顶部和排风口处。当探测到氢气浓度超标后，主控制系统将控制声光报警，控制气动阀切断气源供应，以免造成严重危害。氢浓度探头与试验室风机和试验室门禁联动，当出现氢气泄漏时，试验室风机应自动开启及时排出泄漏的氢气，试验室门禁自动打开，以便试验人员方便地进出试验室。温度计可实时监测试验室内温度并在显示器上显示。试验人员通过显示器可掌握整个试验室的运行状态。

4 结束语

涉氢试验室的建设有助于燃料电池研发和测评能力的提升。本文从试验室气体管路系统出发，对涉氢试验室建设过程中管道管件选择方式、管道管件布置方式、供气盘面布置方式3 方面进行阐述，简述了气体管路系统在硬件方面应具备的基本功能。针对试验室安全监控系统，对排风系统、氢浓度监测系统、火焰监测系统和安全连锁系统4 方面进行介绍，以安全为核心阐述了试验室监控方面的功能和注意事项。将所述方法应用在涉氢试验室建设中，对氢燃料电池及相关产品的研发和测试具有重要意义。