氢能与燃料电池研发实验室

一、建设要求

一般来讲， 氢能与燃料电池实验室的建设需要具备以下3个方面的要求。

1.1场地要求

由于氢能与燃料电池实验室存在氢气泄漏、 爆炸燃烧等潜在危险[6， 厂房应按照甲类进行设计， 同时应考虑满足相应的测试场地和测试项目 的要求。

依据GB50016一2014《建筑设计防火规范》 ， 燃料电池实验室厂房应按照甲类进行设计， 位置应选定为厂区主导风向的下风向。 厂房宜设置为单层， 且无地下或者半地下部分， 同时应采用防火墙（耐火极限为4.0 h)进行厂房内的防火分区隔离。 甲类厂房内不应设置办公室、 休息室， 如需贴邻厂房， 其耐火等级不应低于二级， 且需要配置独立的安全出口。

1.2 测试项目要求

氢能与燃料电池实验室所涉及的项目 可分为两大类。 一类是燃料电池系统性能实验室， 用于对集成后的电堆和系统进行发电运行测试。 该类实验室的

测试项目 包括燃料电池电堆性能测试（如GB/T33978—2017《道路车辆用质子交换膜燃料电池模块》 ） 、 燃料电池系统性能测试（如GB/T24554一2022《燃料电池发动机性能试验方法》 等， 需要配置的设备如表1所示。 另一类为以材料特性参数测试为主的燃料电池材料实验室， 其测试对象包括炭纸（参考GB/T20042.7—2014《质子交换膜燃料电池第7部分： 炭纸特性测试方法》 ） 、 膜电极（参考GB/T20042.5一2009《质子交换膜燃料电池第5部分： 膜电极测试方法》 ） 、 质子交换膜（参考GB/T20042.3一2009《质子交换膜燃料电池第3部分： 质子交换膜测试方法》 ） 、 催化剂（参考GB/T20042.4—2009《质子交换膜燃料电池第4部分： 电催化剂测试方法》 ） 、 双极板（参考GB/T20042.6—2011《质子交换膜燃料电池第6部分： 双极板特性测试方法》 ） 。

其需要配置的设备如表2所示。

表1燃料电池系统性能实验室测试设备配置表

表2料电池材料实验室测试设备配置表

1.3安全性要求

由于燃料电池系统性能实验室与燃料电池材料实验室均属于涉氢区域， 在用氢安全、 用电安全和危险化学品安全上有较多的相似之处。

1.3.1用氢安全

氢气特性： 氢气与空气混合可形成爆炸极限为4%～76% （体积分数） 的爆炸性混合物， 遇热或明火迅速发生爆炸。 氢气的密度（常温常压下， 氢气密度为0.08236g/L)远小于空气密度， 因此氢气在室内使用时， 上浮滞留至屋顶不易排出。

氢气使用流程简介： 一般情况下， 氢气集装格为16单瓶1组， 压力为19.5～20.0MPa。 用叉车将集装格叉人工位， 下端接人导线将设备的静电导走， 上端用铜扳手(防止产生火花)将高压软管与输氢管路相连。 确认连接完好无泄漏后， 将输氢管路上的一级减压阀的出口压力调整至3MPa左右后输送至用氢

气操作面板。 氢站输氢工艺流程如图1所示。 根据实际试验所需的供氢压力， 调整氢气操作面板上的二级减压阀， 将供氧压力调整至所需的值。

在氢气管路建设中,应提前明确输氢管道的使用压力。 在验收阶段， 管路的保压值应大于管道的使用压力（一般为使用压力的1.5倍） ， 并加装校验签封的安全阀以提供紧急异常情况下的超压泄压保护。 在使用过程中,要特别注意可能产生泄漏的位置， 例如软管连接端口滑丝、 氢气软管的金属疲劳导致的裂纹、 阀门内部杂质导致的漏气等。

涉氢实验区域的房间顶部需安装催化型可燃气体探测器， 可燃气体探测器的报警数值可分为25%爆炸下限(LEL)、 50% LEL。当泄漏的氢气浓度达到25% LEL时， 氢气浓度探测仪会发出声光报警[8]， 提醒现场工作人员进行通风换气； 当泄漏的氢气浓度达到50% LEL时， 氢气浓度探测仪会联动输氢管路上的气动阀将氢气路自动关闭， 停止氢气的输送。 直至氢气的体积分数降低至25% LEL以下且确认无其他氢气泄漏点时， 气动阀重新开启。

氢能与燃料电池实验室应设置防爆排风新风系统， 确保室内氢气的体积分数始终处在一个很低的水平。 防爆风机应装设于实验室的高处靠顶部位置， 且

长期保持实验室内部处于略微负压状态， 以便意外泄漏的氢气可以随着新风系统自然排出室外。 同时， 实验室区域应设置风机联动装置， 即当可燃气体浓度探测器检测到氢气发生泄漏时， 防爆风机应立即全速开启。

1.3.2用电安全

燃料电池实验室推荐采用氢电分离的方式进行测试样品及设备（主要指负载及辅助电源)的布置， 这样做便于集中管理， 并可以避免设备意外打火导致的爆炸风险[9。 另外， 燃料电池测试设备应配备足够大功率的动力线， 建议使用180mm²及以上的线缆， 以满足未来200kW以上燃料电池系统的测试要求。

涉氢实验室区域需配置防爆型插座， 设置的位置应远离用氢点位， 并尽量位于用氢点的水平高度以下， 因为氢气密度比空气小， 即便发生氢气泄漏， 氢气还是会向上飘浮。

1.3.3危险化学品安全

由于燃料电池材料实验室主要承接如双极板、 催化剂、 膜电极、 炭纸、 质子交换膜等新材料的性能检测， 主要的试剂包括浓硫酸、 浓硝酸、 浓盐酸、 双氧水、氧气等。 作为强腐蚀性、 强挥发性化学试剂， 浓硫酸、浓硝酸、 浓盐酸和双氧水应避光， 必要时应通风或者略微抽负压保存， 并配备双人收发机制。 氧气瓶与氢气瓶不能共处一室， 同时， 氧气瓶口应保持清洁， 不得有油脂。

2、实验人员配置

实验员是试验活动的实施主体， 对于燃料电池实验室的建设至关重要。 一般来讲， 燃料电池实验室人员需配备低压电工证、 叉车驾驶证、 起重机操作证、 压力容器操作证、 危险化学品安全作业证。 同时， 燃料电池实验室应执行严格的特种作业（动火作业、 受限空间作业、 登高作业审批制度， 施工前应明确特种作业内容、 地点和作业范围， 查验作业人员的相关特种作业证书。 如有必要， 应配置必要的消防、 保护器材，如二氧化碳灭火器、 登高作业绳、 手持式可燃气体探测仪等。

对于实验室人员的安全教育需要从安全培训与安全操作两个方面着手。 定期做好关于实验室氢气使用安全、 电气安全的培训， 并间歇性开展用氢实操考核、 电气设备使用实操考核， 考核合格后才可上岗实操。 实验室在运行前， 需依据单位的综合应急预案要求， 编写各位突发情况下对应的专项应急预案， 且每半年至少组织试验室人员进行1次专项应急预案演练。

3、安全信息化建设

氢能与燃料电池实验室需在关键位置配置相应的防爆型监控装置， 例如氢气管束车、 氢气集装格的存放区域,电气设备集中存储区域、 试验室内的涉氢区域、 危险化学品的储藏区域等。 这一方面可以实时监督记录人员的操作行为， 另一方面如果发生安全事故， 可以通过调取记录的方式对事故发生前中后的状态进行及时分析， 便于进行安全整改。 同时涉氢区域布置的固定式可燃气体浓度探测器的实时监测数据与中控消防室相连， 需要与紧急切断阀形成联锁动作， 以应对可能出现的氢气泄漏紧急情况。