燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)綜合測(cè)試環(huán)境艙的氫安全設(shè)計(jì)

常國(guó)峰，李玉洋，季運(yùn)康

（1. 同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804；2. 同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心，上海 201804）

隨著全球汽車保有量的增加，汽車尾氣造成的空氣污染變得越來(lái)越嚴(yán)重。近年來(lái)，在世界范圍內(nèi)的節(jié)能減排和國(guó)家新能源汽車政策扶持的背景下，新能源汽車作為內(nèi)燃機(jī)汽車的替代車型，其發(fā)展受到了越來(lái)越多的重視。燃料電池因其功率密度大、效率高、零排放等優(yōu)點(diǎn)，其被關(guān)注度變得越來(lái)越高[1-2]，目前燃料電池在汽車[3-5]、發(fā)電[6-8]、軍事[9-11]等領(lǐng)域均有應(yīng)用。質(zhì)子交換膜燃料電池因其功率密度高、工作溫度低、響應(yīng)速度快、無(wú)污染而且可通過(guò)可再生方法產(chǎn)生氫等優(yōu)點(diǎn)，在政府的大力扶持下其不僅是傳統(tǒng)汽車內(nèi)燃機(jī)的替代動(dòng)力源，很可能成為未來(lái)能源結(jié)構(gòu)的主力[12]。但是氫氣的爆炸極限為4%~75%，爆炸極限的下限很低，范圍寬，易爆級(jí)別為 1[13]。而且高校涉氫實(shí)驗(yàn)室的安全意識(shí)和安全管理要求很高，必須保證實(shí)驗(yàn)和科研的安全進(jìn)行[14-15]。因此，涉氫的燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)綜合測(cè)試環(huán)境艙的氫安全設(shè)計(jì)極其重要并具有很高的挑戰(zhàn)性。

本文針對(duì)燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)綜合測(cè)試環(huán)境艙的氫安全問(wèn)題，對(duì)艙內(nèi)進(jìn)行主動(dòng)和被動(dòng)安全設(shè)計(jì)。主動(dòng)安全設(shè)計(jì)包括艙內(nèi)輔助設(shè)施的防爆和氫氣檢測(cè)報(bào)警設(shè)備，被動(dòng)安全為排氫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。氫氣檢測(cè)設(shè)備采用氫氣報(bào)警器，并研究了其安裝位置，氫氣濃度報(bào)警值。排氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含排風(fēng)風(fēng)機(jī)、排氣管道。氫安全的合理設(shè)計(jì)能夠保證燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性綜合測(cè)試環(huán)境艙的安全運(yùn)行，及時(shí)消除安全隱患。

1 氫氣主動(dòng)安全設(shè)計(jì)

1.1 艙內(nèi)設(shè)施防爆

實(shí)驗(yàn)室安全是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中最重要的考慮因素。燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)綜合測(cè)試環(huán)境艙是為燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)提供環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)所建，燃料電池汽車?yán)脷錃馀c氧氣的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電能推動(dòng)電機(jī)工作進(jìn)而產(chǎn)生動(dòng)力。因此，該環(huán)境艙實(shí)驗(yàn)室是高涉氫實(shí)驗(yàn)室，其氫安全設(shè)計(jì)尤為重要。

燃料電池汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)境艙內(nèi)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，一旦發(fā)生泄漏，艙內(nèi)設(shè)施便與氫氣直接接觸，艙內(nèi)設(shè)備須進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)。環(huán)境艙內(nèi)的照明采用4個(gè)防爆燈，分別安裝于艙內(nèi)4個(gè)角落。防爆燈密封性好，不與外面空氣接觸，避免內(nèi)部出現(xiàn)電火花造成安全事故。

良好的散熱性也是防爆燈的設(shè)計(jì)要求，通電工作時(shí)，內(nèi)部良好的散熱設(shè)計(jì)。避免內(nèi)部出現(xiàn)超溫，剔除安全隱患。防爆燈外表面加裝金屬網(wǎng)，燈管表面采用耐沖擊性較強(qiáng)的材質(zhì)，提高其耐沖擊性；防爆插座是各種高危場(chǎng)所使用的特殊控制設(shè)備，用來(lái)控制電氣線路的產(chǎn)品，使用于周圍有危險(xiǎn)氣體出現(xiàn)的場(chǎng)所。

防爆插座里面的電器元件均采用防爆處理，并且密封所有能產(chǎn)生電火花的電氣元件，使它與外界的危險(xiǎn)氣體隔絕。防爆插座的面板與插銷殼體表面經(jīng)過(guò)處理，不產(chǎn)生靜電且不易氧化。防爆插銷上的接地觸頭比主觸頭要長(zhǎng)，確保插拔時(shí)始終保持接地狀態(tài)，避免產(chǎn)生電火花。插座與插頭之間設(shè)有連鎖裝置，確保只有斷電后才能進(jìn)行插拔；防爆風(fēng)機(jī)需要防爆電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。風(fēng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)接線端子、定轉(zhuǎn)子或其他部件產(chǎn)生的火花不會(huì)與外界易燃易爆性的氣體接觸而引發(fā)安全事故，旋轉(zhuǎn)部件在特殊情況下與殼體發(fā)生摩擦?xí)r不會(huì)產(chǎn)生火花，以免導(dǎo)致可燃?xì)怏w燃燒或爆炸而造成嚴(yán)重后果。

1.2 氫氣檢測(cè)報(bào)警器

由于氫氣的物理性質(zhì)，需要采用精密的報(bào)警器檢測(cè)設(shè)備以避免出現(xiàn)氫氣安全問(wèn)題。該環(huán)境艙采用固定式氫氣檢測(cè)報(bào)警器，傳感器安裝在環(huán)境艙內(nèi)頂部，控制器放置于艙外頂部。環(huán)境艙內(nèi)頂部對(duì)角安裝兩個(gè)氫氣傳感器，安裝位置如圖1、圖 2所示。氫氣監(jiān)測(cè)信號(hào)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，最終通過(guò)控制器轉(zhuǎn)化為氫氣濃度信號(hào)傳遞到電腦控制界面，便于實(shí)驗(yàn)室操作人員實(shí)時(shí)觀測(cè)。氫氣監(jiān)測(cè)控制器和電腦界面氫氣監(jiān)測(cè)均安裝蜂鳴報(bào)警器，當(dāng)氫氣濃度超過(guò)報(bào)警設(shè)定值，蜂鳴報(bào)警器便會(huì)鳴叫報(bào)警，提醒實(shí)驗(yàn)操作人員。

圖1中氫氣報(bào)警器安裝在氫氣供應(yīng)管道頂部，如果氫氣管道閥門或連接口處有氫氣泄漏，由于氫氣的密度小，氫氣會(huì)聚集在艙內(nèi)頂部，因此可及時(shí)被該處氫氣報(bào)警器檢測(cè)到，避免出現(xiàn)氫氣安全隱患。圖2中氫氣報(bào)警器與圖 1處報(bào)警器安裝位置呈現(xiàn)對(duì)角線分布，實(shí)現(xiàn)最大化監(jiān)控艙內(nèi)各處氫氣的目的。

圖1 氫氣傳感器安裝于管道頂部

圖2 氫氣傳感器安裝于對(duì)角角落

氫氣報(bào)警器檢測(cè)精度必須足夠高，響應(yīng)要迅速，一旦發(fā)生氫氣泄漏，氫氣報(bào)警器必須第一時(shí)間檢測(cè)到，并傳遞給電腦監(jiān)控界面，同時(shí)如果濃度達(dá)到設(shè)定報(bào)警值必須立刻報(bào)警，快速采取措施減少氫氣濃度，避免氫氣泄漏量達(dá)到其爆炸極限值內(nèi)。由于要保證氫氣報(bào)警器一直處于正常工作狀態(tài)，該環(huán)境艙氫氣報(bào)警器每三個(gè)月采用標(biāo)準(zhǔn)氣體標(biāo)定一次，每年國(guó)家強(qiáng)檢一次。

100% LEL的氫氣濃度為氫氣的爆炸極限下限4%。該環(huán)境艙設(shè)置的電腦監(jiān)控報(bào)警器氫氣低爆值和高爆值分別為20% LEL和50% LEL，當(dāng)達(dá)到低爆值時(shí)，報(bào)警器會(huì)發(fā)出蜂鳴音。當(dāng)氫氣濃度達(dá)到高爆值時(shí)，環(huán)境艙會(huì)自動(dòng)切斷電源，蜂鳴聲音變得更加強(qiáng)烈。當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，需要打開掃風(fēng)系統(tǒng)，將艙內(nèi)的空氣排到實(shí)驗(yàn)室外大氣中。

2 氫氣被動(dòng)安全設(shè)計(jì)

環(huán)境艙內(nèi)主要有兩個(gè)氫氣源，即燃料電池陰極尾氣和艙內(nèi)泄漏氫氣。氫空燃料電池是通過(guò)氫氣和空氣中氧氣的氫氧化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)汽車的行駛。氫空燃料電池陽(yáng)極通入高純度氫氣，陰極通過(guò)空壓機(jī)吸入外界空氣，空氣中氧氣的濃度較低，因此需要空壓機(jī)提供大量的空氣。氫氣和氧氣分子在質(zhì)子交換膜上，通過(guò)催化劑的作用發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。燃料電池陰極尾氣中不可避免地含有相當(dāng)濃度的氫氣，陰極尾氣流量很大，需要單獨(dú)設(shè)計(jì)尾排管道。

本環(huán)境艙的氫氣采用實(shí)驗(yàn)室氫氣集中供應(yīng)系統(tǒng)，通過(guò)管道從氫氣供應(yīng)端連接到環(huán)境艙內(nèi)部。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)，需要把氫氣管道連接到燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的陽(yáng)極側(cè)，在管道連接過(guò)程中，一旦出現(xiàn)人為失誤或者接口磨損，將造成氫氣泄漏。由于氫氣獨(dú)特的物理性質(zhì)，出現(xiàn)泄漏很難被觀察到，當(dāng)濃度到達(dá)其爆炸極限時(shí)，將造成極其嚴(yán)重的安全隱患，因此需要設(shè)計(jì)緊急情況下的排氫方案，避免出現(xiàn)氫氣安全事故。

圖3 排氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

燃料電池的陰極側(cè)需要連接尾氣排放管道，通過(guò)獨(dú)立的尾氣排放管道直接把含氫尾氣排到室外環(huán)境大氣中，稀釋尾氣中的氫氣濃度。排氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖 3所示，環(huán)境艙內(nèi)部燃料電池的尾排管穿過(guò)艙體，通過(guò)尾氣風(fēng)機(jī)排到室外大氣中。尾氣管道連接口需做好密封，防止氣體泄漏，尾氣管道上的所有部件均采用防爆設(shè)計(jì)。燃料電池陰極尾氣溫度較高且水蒸氣濃度大，很容易在排氣管道和尾氣風(fēng)機(jī)中凝結(jié)出液態(tài)水，腐蝕管道內(nèi)壁和風(fēng)機(jī)。因此需要在陰極尾氣口安裝氣液分離器，用于液化尾氣中水蒸氣，降低尾氣含濕量，避免水蒸氣在管道和風(fēng)機(jī)凝結(jié)。

氫氣的密度小且氫氣管道內(nèi)壓力較高，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，氫氣很容易在閥門、設(shè)備連接口等處泄漏。當(dāng)氫氣出現(xiàn)泄漏時(shí)，首先積聚在艙內(nèi)頂部被氫氣報(bào)警器檢測(cè)到。如果泄漏較多出現(xiàn)報(bào)警，掃風(fēng)系統(tǒng)打開，快速將艙內(nèi)空氣通過(guò)掃風(fēng)風(fēng)機(jī)排出艙外。掃風(fēng)流量為0.34 m3/s，艙里體積為5 m×5 m×3.8 m，280 s即可把艙內(nèi)空氣排空。掃風(fēng)風(fēng)機(jī)、排氣風(fēng)機(jī)和尾氣風(fēng)機(jī)均采用防爆設(shè)計(jì)，避免風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)火花造成安全隱患。掃風(fēng)管道、尾氣管道與艙內(nèi)排氣管道并聯(lián)后公用一條管道排出實(shí)驗(yàn)室外部的大氣中，達(dá)到簡(jiǎn)化管道設(shè)計(jì)、節(jié)約成本的目的，同時(shí)又能滿足需求。

3 結(jié)語(yǔ)

燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)綜合測(cè)試環(huán)境艙內(nèi)的氫氣安全設(shè)計(jì)是為了保證燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的安全運(yùn)行。對(duì)環(huán)境艙進(jìn)行氫氣主動(dòng)和被動(dòng)安全設(shè)計(jì)。艙內(nèi)輔助設(shè)備均采用防爆設(shè)計(jì)，在艙內(nèi)安裝氫氣檢測(cè)報(bào)警器，設(shè)計(jì)獨(dú)立的防爆排氫系統(tǒng)，一旦氫氣出現(xiàn)泄漏，能夠第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并將其排出實(shí)驗(yàn)室外部，消除安全隱患。燃料電池汽車是目前研究的熱點(diǎn)，燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)又是其開發(fā)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。因此燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)綜合測(cè)試環(huán)境艙的氫安全設(shè)計(jì)是試驗(yàn)安全運(yùn)行的保障。