氢气传感器在加氢站H2泄露报警检测中的应用

随着氢燃料电池汽车的快速发展，加氢站的建设已日益成为氢产业链中的重要一环。其安全、稳定及可靠运行问题备受社会关注。

GB 50516—2010《加氢站技术规范》

该标准是中国强制性国家标准，由国家住房和城乡建设部和国家质量监督检验检疫总局联合发布。

该标准适用于加氢站、加氢加油合建站和加氢加气合建站新建、改建、扩建的加氢站工程的设计、施工、建造。特别需要注意的是，该标准仅适用于气态氢加氢站，不适用于液态氢加氢站。该规范定义的加氢站是“为氢能汽车或氢气内燃机汽车或氢气天然气混合燃料汽车等储氢瓶充装氢燃料的专门场所”，而不仅仅是给目前流行的FCV加注氢气。

该标准对加氢站的站址选择及总布置做出总体要求，并对各系统设备设施如加氢设施、消防安全设施、电气装置、建筑设施、给水排水、采暖通风等做出技术性和安全性的要求，最后对施工、安装、验收和运行管理作出规定。

ISO 19880-1：2016《Gaseous hydrogen—Fuelling stations—Part 1: General requirements》

该标准由国际标准化组织（ISO）制定并发布。

从标准的范围来看，该标准为轻型陆用车辆加氢的公共或非公共的气态氢加氢站的安全建议了最低标准的设计特性和推荐性能，但该标准提到了液态氢的部分要求。ISO19880-1在液氢方面则对液氢储存槽设计与位置、液氢转换区、输送管及阀门、降压装置和清洗方法都作出了详细的安全规定。该标准适用于轻型陆用车辆的氢气加注，但也可作为储氢能力超出目前公布的加注协议标准如SAE 12601的公共汽车、有轨电车、摩托车和叉车的氢气加注指南。

该标准首先对加氢站提出总体安全评估要求及降低安全风险措施，之后对加注的过程控制和安全系统建议了最低要求，并详细对整个加注过程的系统、设施设备、操作、维护等安全性提出具体要求，最后提出对加氢站的验收测试要求。

本文主要从GB 50516—2010和ISO 19880-1两份标准对于加氢站的工艺流程，即氢源、压缩系统、储氢系统、加注系统、安全及控制系统5个方面的要求和规定进行分析对比。

国内外加氢站标准对比分析

目前国内的加氢站主要是压缩氢气加氢站，其工艺流程下图所示，主要包括氢源、压缩系统、储氢系统、加注系统、安全及控制系统。不同来源的氢源经压缩系统压缩后进入储存系统，再通过加注系统为车辆加注氢气。根据供氢方式不同，加氢站各系统的设备有所不同，但工艺流程大致相同。加氢站的主要设备有压缩机、储氢系统、加氢机、管道、控制系统、氮气吹扫装置以及安全监控装置等，其核心设备是压缩机、储氢系统和加氢机。

加氢站工艺流程

氢源的供应

GB 50516—2010规定：加氢站的氢气压缩工艺系统应根据进站氢气输送方式确定。国内一般采用长管拖车、氢气管道输送两种输送方式，加氢站根据氢气储存或加注参数选用氢气压缩机和一定容量的储氢容器。

ISO 19880-1对3种供氢方式提出要求：

一是站内制氢，分为电解水制氢和燃料加工技术制氢，这两种制氢方式应分别遵循ISO 22734-1和ISO 16110-1的规定。

二是长管拖车供氢，包括供应气氢或液氢，ISO 19880-1在这方面有较为详细的安全规定。如要求长管气瓶拖车或气体储存器停放时前后应水平支撑，停放区域不含碎屑和易燃物，且地基应由钢筋混凝土或其他合适的不可燃材料建成。

三是管道输送供氢，对于该供氢方式ISO 19880-1提出了部分安全要求：安全减压的方法、氮洗的方法、增压或流动的管理、计量方式、过滤方法等。

目前国内加氢站基本不采用站内制氢的办法，一方面是因为制氢加氢站站内工艺复杂、运行维护不易、建站成本较高；另一方面是因为氢气是危化品，适宜在化工园区规模生产，便于生产管理；此外加氢站需建在商业用地，与制氢工厂土地使用性质不同，故不太可能做到站内制氢。

另外，国内液氢产业不成熟，生产成本高，目前GB 50516—2010中亦很少关于液氢的规定，但在GB 50516—2020征求意见稿中则已增加了液氢相关技术内容。当前我国在役加氢站全部为高压气态氢加氢站，低温液态储氢站仍在规划中还未开始建设，民用液氢市场尚属空白。但随着燃料电池汽车（FCV）的普及与规模化应用，日加氢量规模将会远超气态加氢站的供给能力，这就意味着液氢加氢站会在未来氢能产业链中占据重要位置。

储存系统

根据氢的3种不同状态，可将储氢方式分为高压气态储氢、低温液态储氢和固态材料储氢3类。目前全球加氢站普遍采用前2种储氢方式。

高压气态储氢简单易行、成本低、相对成熟、充放气速度快，是一种较为成熟的储氢方式。因此，也是加氢站中采用最多的储氢方式。国内加氢站常用2种储氢装置：储氢罐和储氢瓶组。在GB 50516—2010中，推荐加氢站选用同一规格的固定式储氢罐或储气瓶组，并应符合国家现行标准《钢制压力容器——分析设计标准》的有关规定。在安全规定方面，要求储氢系统设置：安全泄压装置；氢气放空管及切断阀和取样口；压力测量仪表、压力传感器；泄漏报警装置；氮气吹扫置换接口；储气瓶组卧式存放及距离不小于1.5m；设置安全防护栏或其他防撞措施等。

与高压气态储氢相比，低温液态储氢具有体积密度高和储氢量大等优点。在常温常压下，液态氢的密度是气态的845倍。因此，对于氢气需求量比较大的加氢站，采用液态储氢是一种不错的方式，也是加氢站发展重要方向之一。在GB 50516—2020的征求意见稿中意见亦已增加了液氢储存相关技术的标准和要求。

ISO 19880-1对于气氢储存系统，未有明确对储氢容器的使用种类提出建议或要求，但要求每一组储氢容器例如当使用储氢钢瓶或长管拖车储存氢气时，都应配置一套独立的安全装置，包括热屏蔽系统、排气系统、手动或自动的分离阀等。另外，也对储存容器布置场所提出安全要求：地面放置时应摆放在户外，摆放储存容器的地基应采用阻燃材料；地下室放置时，要求墙体高于储存容器，且应保证通风以防氢气泄漏；要求氢气系统的屋顶设有提供维护人员施工的工作平台，要求防火防爆防过压等。

加注系统

加氢站的加注系统由单台或多台加氢机构成，加氢机是燃料电池汽车加注氢燃料的核心设备，加注压力是其主要参数。加氢机通常由机械部分和控制部分组成，机械部分主要包括高压氢气管路及安全附件、质量流量计、加氢枪等，控制部分主要包括控制系统和显示器等。

GB 50516—2010与ISO 19880-1对于加氢机的安全设置要求大致相同，例如要求加氢机安装在室外、开放空间，并设置防撞栏等。其他安全装置如安全泄压装置、拉断阀、切断阀和自动控制装置等，亦是加氢机上的必备的安全组件。加氢机在国内外均要求安装在室外，这是因为氢气无色无味，泄漏后很难发觉，若在受限空间内泄漏，易形成氢气的积聚，存在引发着火爆炸事故的潜在风险，故氢气作为危化品管理，加氢机不得设在室内。但是ISO 19880-1更加细致地对加氢机机柜和加注组件提出采用阻燃及抗静电材料、使用压力、抗形变能力等物理性能上的要求。

对于加氢机的加注过程，GB 50516—2010明确要求加氢机额定工作压力为35MPa或70MPa，充装氢气流量不应大于5kg/min。ISO 19880-1则提出，为确保加氢过程保持在限制温度范围内及车辆压缩氢储存系统的工艺限制范围内，加氢机应使用SAE J2601等加注过程协议：加氢机外部环境温度范围为-40℃~+50℃；氢气流速不超过60g/s；最大工作压力应小于额定工作压力（35MPa或70MPa）的138%；车载储氢瓶的工作温度限制为最高85℃等。

SAE J2601是被国际广泛接受的轻型气态氢汽车的燃料加注协议，日本在兼容SAE J2601的基础上进行修改形成了JPEC-S0003加注协议。国内初步制定了团体标准T/CECA—G0017—2018《氢燃料电池车辆用加注规范 第一部分：通用要求》。中国氢能源汽车行业发展的实际情况有别于其他发达国家，如国外以乘用车为主，而我国主要发展物流大巴车，国外广泛使用的为Ⅳ型瓶，而我国广泛使用的为Ⅲ型瓶，这些都会影响加注协议的适用程度。因此，我国急需在实践中逐步制定并完善符合国情的氢气加注规范。

安全及控制系统

氢气具有扩散系数大、爆炸极限宽、着火温度低等特点，一旦发生大规模的泄漏，极易引起爆炸与火灾，危及加氢站周围的生命和财产安全。世界范围内也不时发生涉及氢气设备的安全事故。因此，建立完善的安全与控制系统，积累安全运营管理经验，形成完整的安全管理体系就显得尤为重要。

对于易燃易爆气体，一般通过设置气体与火焰探头、加强通风换气、泄漏报警连锁控制等方法来避免事故的发生或者降低事故的影响。

ISO 19880-1通过风险评价来确定具体项目的安全措施，但也有其硬性要求，比如给出泄漏报警探头、火焰报警探头、压力传感器的设置及其连锁的报警、急停控制、切断阀门的要求。此外，ISO 19880-1针对气态氢和液态氢的泄漏、泄放的扩散通风、换气要求给出了建议。不论是主动通风还是被动通风，要求通风换气将目标氢气浓度保持在氢气可燃性浓度下限的25%以下，且通风系统的压降和最大出口压力应作为设计的重要标准。GB 50516—2010直接给出了自然通风换气次数不得少于5次/h，事故排风换气次数不得少于15次/h，并应于空气中氢气浓度报警装置连锁的要求。

ISO 19880-1与GB 50516—2010在储氢系统、压缩系统、加注系统等关键的生产环节，紧急切断系统和超压泄放协调设置要求基本是一致的，均要求与报警系统联动，并能够自动紧急切断，手动确认复位。

从2019年5月开始，挪威、美国、韩国接连发生氢气爆炸事件，分别是：2019年5月韩国江原道氢燃料储存罐爆炸，2019年6月美国加州圣塔克拉拉储氢罐泄露爆炸，2019年6月10日挪威首都奥斯陆地铁站附近的KJRBO加氢站发生着火爆炸。

“国外出现多起氢气爆炸事故，这应该给我们敲响安全警钟。倘若中国在行业高歌猛进的过程中出一桩爆炸事故，这个爆炸会触动中央领导和老百姓的敏感神经，对行业造成的影响是不可估量的。” 国家发展和改革委员会能源研究所能源效率中心副主任熊华文曾表达过对于氢安全的担忧。在他看来，在氢能风口过热时，业内人士需认识到氢能产业发展是“马拉松”不是“百米赛”，不能一味求快，而要注重安全问题。

目前中国加氢站的建设及管理严格遵守《GB 50516—2010加氢站技术规划》《GB/T34584-2017加氢站安全技术规范》和《GB/T 31139-2014移动式加氢设施安全技术规范》等，严抓加氢站设备安全、加氢站系统安全和加氢站运行制度安全。在选址和布局时，做好加氢站氢气工艺设施与建筑物、构筑物之间的防火距离以及加氢站内设备之间的防火间距。

为保险起见，在加氢站内，还需安装氢气泄漏检测器，通过内置的高精度氢气传感器监测元件，传感器一旦检测到氢气泄漏，便会立刻示警，并切断氢气来源。可以用我们工采网代理的CGM6812－B00氢气传感器模块：

氢气传感器模块CGM6812是一种搭载了费加罗催化燃烧式可燃气体传感器TGS6812的新模块，具有耐久性好、稳定性高的特点。此模块可提供与氢气浓度成比例的模拟电压输出， CGM6812氢气传感器模块还采用了防潮涂层，可以在需要防水与绝缘的环境中放心使用，同时，模块还能够检测到传感器断线的故障。模块操作温度范围广，为－10°C～＋60°C。由于TGS6812气体传感器可以检测甲烷、 LP气体与氢气，因此此模块适用于固定式燃料电池的可燃气体——氢气的泄漏检测。

为保证氢气使用安全，用氢场所的氢气浓度检测非常重要。随着现代传感器检测技术的发展，已经可以做到氢气浓度快速检测。比如，氢气泄露探测器，尺寸很小，安装、使用都很方便。借助内置的氢气传感器气体检测元件，在很短的时间内，氢气探测器就可以将氢气浓度的信息传送到中央处理器，当达到危险浓度时，就自动报警并采取相应的措施，从而确保安全。

放眼全球，快速推进加氢站建设，也已经成为各个国家的战略布局。比如，我国加氢站建设步伐加快，预计到2025年和2035年，我国加氢站数量分别达到1000座和5000座。不过，总的来说，当前全球氢能行业整体还处于市场化初期，各种制氢站和加氢站的控制逻辑和控制程序还需不断优化升级，制氢-加氢站还有很长的路要走。

审核编辑：符乾江