摘要：從風(fēng)險(xiǎn)控制角度來說，船舶使用氫燃料和燃料電池存在低閃點(diǎn)燃料泄漏導(dǎo)致的燃爆風(fēng)險(xiǎn)。國際海事組織（IMO）于2016年開始制定燃料電池船舶安全臨時(shí)導(dǎo)則，以期將這類風(fēng)險(xiǎn)降低到與傳統(tǒng)燃油動(dòng)力船舶相當(dāng)?shù)乃健１疚氖崂砹藲淠艽凹夹g(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展環(huán)境，總結(jié)了國內(nèi)外最新標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布使用情況，通過目標(biāo)型船舶建造規(guī)范（GBS）研究方法，采用風(fēng)險(xiǎn)評估的方法對諸多風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了識別，并針對高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)進(jìn)行了專項(xiàng)研究，完成了氫燃料電池動(dòng)力船舶規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)。同時(shí)，以燃料電池處所為例，依據(jù)安全原則對防爆抑爆原理進(jìn)行了深入探討，闡明了三種不同的防爆抑爆機(jī)理，總結(jié)了燃料電池處所技術(shù)要求，并對后續(xù)工作進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：交通碳排放；技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)；燃料電池船；危險(xiǎn)區(qū)域劃分；防爆抑爆

中圖分類號：U662.1""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：1673?6478（2023）04-0001-06

Review and Prospect of Standard Research for Hydrogen Fuel Cell Powered Ships

CHEN Lijian， GUAN Wenfeng， ZHAO Yi

（China Classification Society Wuhan Rules and Research Institute， Wuhan Hubei 430022， China）

Abstract： From the perspective of risk control， the use of hydrogen fuel and fuel cell in ships has the risk of combustion and explosion caused by low flash point fuel leakage. The International Maritime Organization （IMO） began developing interim safety guidelines for fuel cell ships in 2016， with a view to reducing such risks to levels comparable to those of conventional petroleum?powered ships. The development status and environment of hydrogen ship technology are reviewed， and the latest standards domestic and international are summarized. Through the research method of Goal?Based Ship Construction Standards （GBS）， several risk factors are identified through the risk assessment method， and high risk projects are specially studied to complete the research and formulation of hydrogen fuel cell powered ship specifications and standards. At the same time， taking the fuel cell building as an example， according to the safety principle， the explosion?proof principle is deeply discussed， three different explosion?proof and explosion?proof mechanism are expounded， and the technical requirements of the fuel cell building are summarized， and the possible follow?up work is also proposed.

Key words： transportation carbon emission; technical standard; risk assessment; hydrogen fuel cell powered ships; classification of hazardous area; explosion prevention and suppression

0 引言

在車用領(lǐng)域，氫燃料電池歷經(jīng)10余年的商業(yè)化應(yīng)用，已具備較好的技術(shù)基礎(chǔ)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，相比而言，氫燃料電池船舶的應(yīng)用，國內(nèi)外均處于研究階段。著眼于氫燃料電池動(dòng)力技術(shù)在船舶領(lǐng)域安全高效的發(fā)展，國內(nèi)外研究學(xué)者針對氫能的船用化技術(shù)開展了一系列研究并取得了卓越成果，其中安全技術(shù)是學(xué)者們研究的主要方向。陳立劍等[1]以“三峽氫舟1”為例，研究了氫燃料船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和典型涉氫區(qū)域的防爆抑爆方法，計(jì)算發(fā)現(xiàn)通過合適的通風(fēng)，并對特定釋放源外殼作氣密性設(shè)計(jì)，能夠顯著降低這些典型涉氫區(qū)域的氫泄漏危害風(fēng)險(xiǎn)。官文鋒等[2]研究了氫氣在不同直徑和方向泄漏的擴(kuò)散規(guī)律和濃度分布，通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)工具FLACS軟件預(yù)測了氫氣濃度隨時(shí)間的變化，為氫氣探測器布置位置的確定提供了指導(dǎo)。鑒于氫氣燃爆的危害性，本研究針對亟須制定的氫燃料電池船舶的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)開展安全分析與評估，研究的范圍和對象從船舶燃料加注站一直包括到燃料電池裝置，以及隨之配套的換氣設(shè)備、電氣設(shè)備、控制設(shè)備和安全裝置等。

1 船舶低碳轉(zhuǎn)型需求及氫燃料電池船舶發(fā)展

船舶的傳統(tǒng)動(dòng)力推進(jìn)裝置通過消耗柴油來產(chǎn)生動(dòng)力，燃料能量轉(zhuǎn)換效率低，振動(dòng)噪聲等級高，燃燒產(chǎn)生大量溫室氣體、氮氧化物、硫氧化物和顆粒物，造成嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境污染。因此，研究清潔、高效、可持續(xù)發(fā)展的氫能動(dòng)力技術(shù)已經(jīng)成為綠色船舶的重要發(fā)展方向。氫燃料電池是21世紀(jì)綠色動(dòng)力能源技術(shù)制高點(diǎn)，是一種將氫燃料與氧化劑中的化學(xué)能經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、能量密度高、振動(dòng)噪聲低和零排放等優(yōu)點(diǎn)，不僅減少了溫室氣體和有害氣體排放，還提高了能量利用效率，有助于船舶符合日益嚴(yán)格的排放法規(guī)。

當(dāng)前綠色發(fā)展已成全球主流趨勢，綠色技術(shù)創(chuàng)新正成為全球新一輪工業(yè)革命和科技競賽的重要新興領(lǐng)域。碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出更是要求我國加快向清潔、綠色能源轉(zhuǎn)型，發(fā)展綠色船舶制造和綠色航運(yùn)，構(gòu)建綠色海洋也成為未來綠色可持續(xù)發(fā)展的重要方向。氫能作為清潔、高效、靈活的二次能源，是我國實(shí)現(xiàn)深度脫碳的重要路徑。

根據(jù)國際海事組織（IMO）數(shù)據(jù)，全球航運(yùn)業(yè)溫室氣體排放量約占世界總排放量的2.5%，若不加以控制，預(yù)計(jì)2050年將增至17%。航運(yùn)業(yè)的污染治理和向可持續(xù)能源轉(zhuǎn)型的壓力越來越大。2021年6月，IMO通過了降低國際航運(yùn)碳強(qiáng)度的技術(shù)和營運(yùn)措施，并計(jì)劃到2030年，現(xiàn)有船隊(duì)的碳強(qiáng)度降低40%。氫及其衍生物氨、甲醇等作為未來最具可能的零碳船舶動(dòng)力替代燃料，將有效緩解航運(yùn)業(yè)迫在眉睫的碳減排需求，發(fā)展氫能也將是長遠(yuǎn)應(yīng)對航運(yùn)業(yè)深度脫碳需求的關(guān)鍵舉措。

在氫燃料電池船舶領(lǐng)域，目前國外已進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)營階段，歐洲已開展示范運(yùn)行十余年，日美近幾年發(fā)展迅速。該領(lǐng)域發(fā)展趨勢為：船型適用面越來越廣，從內(nèi)河船舶到沿海船舶到遠(yuǎn)洋船舶；功率越來越高，由百千瓦到數(shù)兆瓦；燃料電池和氫燃料種類越來越多，燃料電池包括PEMFC和SOFC，氫燃料包括高壓儲(chǔ)氫、低溫液氫、固態(tài)儲(chǔ)氫、重整類制氫、LNG/甲醇/氨等含氫燃料。

早期燃料電池船舶項(xiàng)目致力于對船舶使用燃料電池作動(dòng)力的性能和安全性進(jìn)行驗(yàn)證，2006年啟動(dòng)的ZEMSHIPS項(xiàng)目，是世界上第一個(gè)在商業(yè)客輪上使用燃料電池的項(xiàng)目（如圖1所示），該船使用了兩個(gè)峰值功率48kW的燃料電池和560V的鉛蓄電池。該船長25.5m，寬5.25m，可運(yùn)送100名乘客。

? 后續(xù)的燃料電池船舶項(xiàng)目則更多的關(guān)注燃料電池技術(shù)與其他新能源技術(shù)的融合，例如重整技術(shù)等。在FELLOWSHIP項(xiàng)目中，使用了LNG作為燃料，并使用了熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）技術(shù)，電池工作溫度650℃，使得重整反應(yīng)在燃料電池內(nèi)部完成（如圖2所示）。燃料電池額定功率320kW，實(shí)船測試滿載堆效率達(dá)到52.1%。

我國在燃料電池船舶領(lǐng)域起步稍晚，目前僅有數(shù)艘氫燃料電池試驗(yàn)船在開展示范運(yùn)行，主要采用PEMFC和高壓儲(chǔ)氫。國內(nèi)首艘入級CCS的氫燃料電池動(dòng)力公務(wù)船“三峽氫舟1”于2022年5月正式開工建造，已于2023年3月22日下水（如圖3所示）。該船總長49.9m，型寬10.4m，型深3.2m，氫燃料電池組額定輸出功率500kW，最高航速達(dá)28km/h，巡航航速20km/h時(shí)續(xù)航里程可達(dá)200km。設(shè)項(xiàng)目最大特點(diǎn)就是全產(chǎn)業(yè)鏈零碳排放：利用三峽水力發(fā)電，電解水制氫，然后通過燃料電池將氫氣轉(zhuǎn)化為電能、熱能和水，為船舶提供動(dòng)力。真正實(shí)現(xiàn)能源“從水中來，還到水中去”的循環(huán)可持續(xù)利用。

隨著氫能船舶技術(shù)的高速發(fā)展，早期氫燃料電池船舶已有標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)需求還有較大差距。中國船級社（CCS）著眼于氫燃料電池動(dòng)力技術(shù)在節(jié)能、環(huán)保、安全、高效船舶領(lǐng)域的市場需求和發(fā)展趨勢，以突破船舶應(yīng)用氫燃料動(dòng)力電池技術(shù)為重點(diǎn)，開展氫燃料電池動(dòng)力船舶總體設(shè)計(jì)和燃料電池系統(tǒng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)，針對亟須的氫能船舶建造規(guī)范和產(chǎn)品檢驗(yàn)指南開展研究、編制和修訂，將安全、綠色、環(huán)保的理念貫穿始終。

2 氫燃料電池船舶標(biāo)準(zhǔn)研究歷程

2.1 國際規(guī)則研究歷程

航運(yùn)業(yè)是一個(gè)國際性的產(chǎn)業(yè)，船舶是國際貿(mào)易的主要載體，為保障水上人身財(cái)產(chǎn)安全，防止船舶造成污染，船舶的法定檢驗(yàn)是強(qiáng)制性的，船舶航行和用于船上的重要產(chǎn)品必須依據(jù)國際公約和船旗國政府要求進(jìn)行檢驗(yàn)，IMO負(fù)責(zé)起草、討論、批準(zhǔn)、發(fā)布和維護(hù)國際航行船舶的環(huán)境和安全有關(guān)規(guī)則。通常情況下，船舶只使用閃點(diǎn)溫度為60℃及以上的燃料。如今，氫能源和其他新能源技術(shù)能夠適應(yīng)當(dāng)前船舶環(huán)保需求，符合環(huán)保法規(guī)的要求，并可以推動(dòng)行業(yè)減排走向轉(zhuǎn)折點(diǎn)，而使用新能源的巨大優(yōu)勢也伴隨著在船舶上儲(chǔ)存和使用方面的一系列擔(dān)憂。為此，IMO于2016年6月通過了《使用氣體或低閃點(diǎn)燃料船舶國際安全規(guī)則》（IGF Code），為國際航行的低閃點(diǎn)燃料動(dòng)力船舶的發(fā)展奠定了法規(guī)和框架。這一國際規(guī)則第一階段僅針對天然氣制定了特定的技術(shù)要求，而IMO貨物和集裝箱運(yùn)輸分委會(huì)（CCC）也意識到船舶使用其他低閃點(diǎn)燃料（如氫燃料）還缺乏對應(yīng)的國際規(guī)則，并計(jì)劃在第二階段的工作中制定使用甲醇/乙醇作為燃料和船舶使用燃料電池的技術(shù)條款。燃料電池技術(shù)條款最初計(jì)劃寫入IGF Code中的A?1部分，適用于以天然氣作為燃料的電池。在這之后，2016年CCC第3次會(huì)議審議決定擴(kuò)大其適用范圍，將燃料電池技術(shù)條款寫入IGF Code中的E部分，意味著任何氣體或其他低閃點(diǎn)燃料都可以被用于燃料電池的燃料，以使得無論燃料種類和燃料電池類型如何，船舶應(yīng)用燃料電池系統(tǒng)的安全性、可用性和可靠性應(yīng)與常規(guī)以燃油為燃料的主機(jī)和輔機(jī)相當(dāng)。經(jīng)過4年的編制過程，通信組最終提交《船舶應(yīng)用燃料電池發(fā)電裝置安全臨時(shí)導(dǎo)則》草案，并在海上安全委員會(huì)第105屆會(huì)議（2022年4月20日至29日）上審議通過，批準(zhǔn)了《船舶應(yīng)用燃料電池發(fā)電裝置安全臨時(shí)導(dǎo)則》。

應(yīng)當(dāng)注意的是，這一臨時(shí)導(dǎo)則僅包括燃料電池，而不包括燃料存儲(chǔ)和供應(yīng)系統(tǒng)，如果燃料電池使用天然氣以外的其他氣體或低閃點(diǎn)燃料，則燃料存儲(chǔ)和供應(yīng)系統(tǒng)需按照IGF Code中A部分的替代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行應(yīng)用，直到每一種低閃點(diǎn)燃料都由IMO制定了具體的規(guī)定為止。

2.2 國內(nèi)法規(guī)研究歷程

近年來，中國航運(yùn)業(yè)減排和引入替代燃料的政策已逐步成為重要發(fā)展方向，我國2018年底對于原排放控制區(qū)政策進(jìn)行了擴(kuò)容升級，擴(kuò)大了排放控制區(qū)的覆蓋范圍?？刂茀^(qū)域方面，由原來的長三角、珠三角和環(huán)渤海水域擴(kuò)展至全國沿海水域及海南水域，同時(shí)將長江干線和西江干線納入內(nèi)河排放控制區(qū)。控制要求方面，分水域、分船型對燃油含硫量限值進(jìn)行了明確規(guī)定，同時(shí)在NOx排放、岸電使用等方面也提出新要?求。

在早期氫能船舶技術(shù)法規(guī)存在缺口時(shí)，中國交通運(yùn)輸部海事局就氫燃料電池在船上應(yīng)用相關(guān)問題開展了多次研討，在進(jìn)行實(shí)船應(yīng)用之前，組織行業(yè)就氫燃料電池船先期開展了七個(gè)專項(xiàng)技術(shù)研究。針對船用氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)及氫系統(tǒng)進(jìn)行了安全性試驗(yàn)與仿真研究，并開展了船舶加氫方式、安全操作規(guī)程和監(jiān)管方式、船用氫燃料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)方案風(fēng)險(xiǎn)評估等研究工作?；谄邆€(gè)專項(xiàng)技術(shù)項(xiàng)目的開展，2020年交通運(yùn)輸部海事局委托中國船級社編制《氫燃料電池動(dòng)力船舶技術(shù)與檢驗(yàn)暫行規(guī)則》，并于2022年3月正式生效實(shí)施。這一法規(guī)在制定之初就充分考慮了氫燃料電池動(dòng)力船舶技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，可操作性強(qiáng)，能夠滿足水上交通運(yùn)輸和環(huán)保需要，并立即在氫燃料電池動(dòng)力公務(wù)船“三峽氫舟1”得到應(yīng)用，對促進(jìn)國家減排和航運(yùn)新技術(shù)發(fā)展有重要意義。

2.3 船級社規(guī)范和指南

在氫燃料電池船舶方面，各家船級社都陸續(xù)推出了相關(guān)的規(guī)范和指南，以明確這類船舶的設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)。表1給出了各船級社氫燃料電池船舶規(guī)范和指南的生效情況。

以CCS《船舶應(yīng)用燃料電池發(fā)電裝置指南》為例，該指南涵蓋了氫燃料電池船舶設(shè)計(jì)原則、材料要求、布置和氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)、消防安全、電氣系統(tǒng)、控制監(jiān)控以及制造、工藝、測試等方面的技術(shù)條款。其主要的安全方面設(shè)計(jì)思路可以概括為以下幾點(diǎn)。

（１）單一故障原則：與車用不同，船用燃料電池系統(tǒng)在發(fā)生任何單個(gè)的故障后，以及為降低風(fēng)險(xiǎn)而實(shí)施的安全措施（例如切斷故障燃料管路或關(guān)閉故障燃料電池），均不應(yīng)導(dǎo)致船舶發(fā)生不可接受的動(dòng)力損失。

（２）防止易爆、易燃或有毒氣體濃度意外積聚：考慮到船舶沖擊、振動(dòng)、潮濕空氣和鹽霧等影響，氫氣管路全面采用焊接以避免使用不可靠的連接型式（如螺紋和卡套接頭）。

（３）將危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的著火源減至最少：在船舶上燃料電池機(jī)艙和燃料電池模塊內(nèi)部均應(yīng)按照IEC60079?10劃定危險(xiǎn)區(qū)域，危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的電氣設(shè)備應(yīng)選用合格防爆型。

（４）設(shè)置合適的控制、報(bào)警、探測和切斷系統(tǒng)，以確保氣體燃料系統(tǒng)安全和可靠地運(yùn)行。

（５）設(shè)置適合相關(guān)危險(xiǎn)的防火、探火和滅火措?施。

值得注意的是，CCS《船舶應(yīng)用燃料電池發(fā)電裝置指南》是現(xiàn)行各船級社中唯一涵蓋高壓儲(chǔ)氫具體技術(shù)要求的規(guī)范和指南。

3 氫燃料電池船舶標(biāo)準(zhǔn)研究方法

本研究在對船舶應(yīng)用氫能源及燃料電池技術(shù)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)GBS理念制定相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

GBS的概念是IMO在2002年第89屆理事會(huì)上引入的，其旨在分析出傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)型規(guī)范所具有的技術(shù)背景，攻克規(guī)范體系的束縛，不再限定于采用“描述性規(guī)定”來明確具體的技術(shù)細(xì)節(jié)，而是鼓勵(lì)使用認(rèn)可的等效替代方法實(shí)現(xiàn)設(shè)定的目標(biāo)。例如采用高級分析、試驗(yàn)或基于風(fēng)險(xiǎn)方法等手段，基于規(guī)范整體性和系統(tǒng)性要求，從多個(gè)層級確保船級社規(guī)范能夠符合船舶安全目標(biāo)、功能目標(biāo)，并能對符合性進(jìn)行充分地驗(yàn)?證。

在氫燃料電池船舶標(biāo)準(zhǔn)制定過程中，采用了風(fēng)險(xiǎn)評估的方法，結(jié)合氫能船舶典型設(shè)計(jì)進(jìn)行了危險(xiǎn)源辨識（HAZID）分析，針對后果嚴(yán)重和發(fā)生概率較高的危險(xiǎn)點(diǎn)提出切實(shí)有效的風(fēng)險(xiǎn)控制措施，從而提出船舶應(yīng)用氫能源及燃料電池的安全技術(shù)要求。

風(fēng)險(xiǎn)評估使用HAZID法對試點(diǎn)船舶進(jìn)行危險(xiǎn)識別，危險(xiǎn)識別的目標(biāo)為辨識與氫燃料電池船舶相關(guān)的危險(xiǎn)源。采用“頭腦風(fēng)暴”法，從“假設(shè)”的角度對大量操作階段和潛在事故情景進(jìn)行分析，研究主要考慮與人命安全和健康有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，并特別提出可能導(dǎo)致氫氣泄漏的危險(xiǎn)源和事故情景。

在HAZID過程中，將氫燃料電池船舶進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)劃分，劃分為船舶設(shè)計(jì)與布置、機(jī)器處所位置和分隔（包括燃料電池處所、是否使用雙臂管）、氣體燃料供應(yīng)、氣體燃料存儲(chǔ)、氣體燃料充裝、通風(fēng)及冷卻系統(tǒng)、燃料電池和監(jiān)控系統(tǒng)共計(jì)8個(gè)節(jié)點(diǎn)，包含61個(gè)場景，針對設(shè)計(jì)布置、設(shè)備故障及人為操作等因素發(fā)生危險(xiǎn)的原因、后果、風(fēng)險(xiǎn)水平、既有保護(hù)措施和建議措施進(jìn)行了分析。

進(jìn)一步，根據(jù)《IMO綜合安全評估應(yīng)用暫行指南》，制定了風(fēng)險(xiǎn)矩陣進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。目前最通用的方法是承認(rèn)風(fēng)險(xiǎn)的3個(gè)層次：不能容忍、合理可行的低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（ALARP）、可以忽略?！安荒苋萑獭笔侵赋窃诜浅Ｌ厥獾那闆r下，否則不能認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)是合理的；“可以忽略”是指造成的風(fēng)險(xiǎn)很小，不需要采取進(jìn)一步的預(yù)防措施；“ALARP”是指風(fēng)險(xiǎn)介于上述兩種情況之間。

以燃料電池處所的風(fēng)險(xiǎn)矩陣為例，各類事故風(fēng)險(xiǎn)水平的評估如圖4所示。

通過HAZID分析，共計(jì)識別出高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)25項(xiàng)。高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)是指在分析每項(xiàng)故障模式時(shí)假定所有保護(hù)措施失效，并以此假定條件分析相關(guān)失效模式的原始風(fēng)險(xiǎn)等級，高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)集中在有可能引起氫氣燃爆或?qū)е麓笆ト縿?dòng)力的故障，主要為儲(chǔ)氫瓶本體損傷、氫氣管路泄漏、燃料電池處所爆炸、燃料電池內(nèi)部氫氣泄漏到機(jī)艙等。根據(jù)ALARP原則，對高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)必須采取控制措施，對于中低風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)基于合理可行原則采取控制措施或不采取措施，并落實(shí)到了規(guī)范制定過程當(dāng)中。下面選取機(jī)艙防爆安全這一風(fēng)險(xiǎn)等級為高風(fēng)險(xiǎn)的故障項(xiàng)、需要重點(diǎn)對控制措施研究的相關(guān)方法進(jìn)行部分說明。

4 機(jī)艙防爆安全及控制措施方法研究

在HAZID分析過程中發(fā)現(xiàn)，多種因素都有可能導(dǎo)致燃料電池處所出現(xiàn)氫氣累積，以至于達(dá)到爆炸極限。常規(guī)的氫氣閥件或管路的損傷，可以通過布置雙臂管和閥箱的方式緩解其危險(xiǎn)性，但應(yīng)注意到，燃料電池堆在正常情況下會(huì)出現(xiàn)氫氣泄漏，這取決于燃料電池的類型和外殼的氣密性。在外殼沒有完全密封的情況下，燃料電池會(huì)有微量的氫泄漏到燃料電池處所當(dāng)中，隨著時(shí)間的積累，燃料電池處所出現(xiàn)爆炸性可燃?xì)怏w環(huán)境的概率將變高。

傳統(tǒng)的處理方式是依據(jù)《液貨船危險(xiǎn)區(qū)域劃分和電氣配備指南》，1類危險(xiǎn)區(qū)域（1區(qū)）系指在正常操作情況下可能出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境的區(qū)域，據(jù)此可以直接認(rèn)定燃料電池處所為1區(qū)。而實(shí)際上幾乎不可能生產(chǎn)出適用于1區(qū)的燃料電池發(fā)電裝置，其原因是沒有用于設(shè)計(jì)適用于1區(qū)防爆型的燃料電池系統(tǒng)的方法和標(biāo)準(zhǔn)。IEC62282是燃料電池制造的系列標(biāo)準(zhǔn)，而按照IEC62282系列標(biāo)準(zhǔn)來要求燃料電池堆按照防爆型設(shè)計(jì)是不切實(shí)際的，原因是與防爆電機(jī)、防爆傳感器不同，燃料電池內(nèi)部就具有爆炸性氣體環(huán)境，最多只能按照IEC60664來增大爬電距離和電氣間隙來減少電弧放電或火花放電，不可能使燃料電池堆不存在可燃?xì)怏w環(huán)境，因此在機(jī)艙防爆安全問題上只能通過特定的方式予以解決。

基于GBS的概念，在處理這一風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，本文選擇采用以下處理原則：

（１）對這個(gè)燃料電池堆和氫管路進(jìn)行氣密性封閉。

（２）通過通風(fēng)將氫氣濃度降至最低，或?qū)μ幩M(jìn)行惰化處理。

（３）對氫氣濃度進(jìn)行不間斷的監(jiān)測，并設(shè)置自動(dòng)切斷氫氣的系統(tǒng)。

在規(guī)范制定過程中，依據(jù)這些處理原則，基于低閃點(diǎn)燃料燃爆特性分析，最終確定并提出了三種可行的燃料電池處所的技術(shù)要求：

（１）燃料電池處所按照1區(qū)設(shè)計(jì)，所有電氣設(shè)備應(yīng)為適用于1區(qū)的合格防爆型設(shè)備。由于氫氣環(huán)境下設(shè)備最高允許表面溫度為450℃，常見的幾種富氫氣體，如天然氣、甲醇、LPG環(huán)境下設(shè)備最高允許表面溫度為300℃，為了使得燃料電池能夠在任意燃料電池類型和燃料種類條件下安全運(yùn)行，從防止著火的角度出發(fā)，只需要燃料電池堆表面溫度在所有工作條件下均保持低于300℃，且燃料電池能夠在所有負(fù)載和工作條件下均能迅速隔離并停止燃料電池堆運(yùn)行，則燃料電池可不視作點(diǎn)火源。

（２）危險(xiǎn)區(qū)域劃分只是安全設(shè)計(jì)的一部分，還可以考慮防止產(chǎn)生爆炸性氣體環(huán)境、防止著火和減輕爆炸影響這三個(gè)方面，據(jù)此提出還可根據(jù)IEC60079?10?1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)域劃分。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，對燃料電池處所大量通風(fēng)，以使得即使發(fā)生一定的泄漏，也能將所產(chǎn)生的爆炸性氣體限制在足夠小的范圍內(nèi)，并能夠在短時(shí)間內(nèi)通過通風(fēng)稀釋并排出爆炸性氣體。其具體的計(jì)算步驟如表2所示，而最終的電氣設(shè)備可以按照危險(xiǎn)區(qū)域劃分的結(jié)果進(jìn)行選取。當(dāng)計(jì)算出燃料電池處所為非危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，包括燃料電池在內(nèi)的所有電氣設(shè)備均不需要選用防爆型設(shè)備。

通過這一定量計(jì)算的方法，可以極大地限制釋放源氫氣泄漏引起的爆炸性氣體環(huán)境的實(shí)際范圍，降低了燃料電池處所的危險(xiǎn)等級，抵消了危險(xiǎn)區(qū)域劃分對船舶設(shè)計(jì)的負(fù)面影響。

（３）惰化是一種簡單的防爆方法，是通過除去空氣中的氧化劑（氧氣）來控制可燃物的燃爆風(fēng)險(xiǎn)。如在油輪或氣體運(yùn)輸船中一樣，惰化已在航運(yùn)業(yè)被廣泛接受。因此，當(dāng)對燃料電池處所進(jìn)行惰化時(shí)，也可以達(dá)到防爆效果。

通常，只有箱、柜類設(shè)備采用惰化的方式來達(dá)到防爆的目的，惰化這一方案用到較大處所的實(shí)用性幾乎為零，因此這一方案主要還是針對小型的燃料電池處所。當(dāng)檢測氫氣泄漏到燃料電池處所或燃料電池處所氣密性失效（惰性氣體壓力降低）時(shí)，可將該處所內(nèi)燃料電池關(guān)閉，將船舶負(fù)載切換到由其他電源系統(tǒng)供電。這時(shí)，由于不存在氧化劑，即使檢測出氫氣泄漏，甚至有條件采用受控關(guān)閉的方式切斷受影響的燃料供應(yīng)，可以有效避免損壞燃料電池。

考慮到惰化對人員具有直接的窒息傷害，還需要設(shè)置必要的措施防止人員在惰化期間不能進(jìn)入燃料電池處所。直到使用新鮮空氣對燃料電池處所進(jìn)行了充分的通風(fēng)，并且燃料供應(yīng)已切斷且已降低壓力或已經(jīng)吹掃完畢后，人員方可進(jìn)入。

綜上，在處理氫氣泄漏可能導(dǎo)致機(jī)艙防爆安全問題時(shí)，除了傳統(tǒng)“劃分危險(xiǎn)區(qū)域?選擇防爆電氣設(shè)備”的方案外，基于GBS的理念，研究了使用IEC60079?10?1標(biāo)準(zhǔn)的方法進(jìn)行計(jì)算或采用惰化進(jìn)行保護(hù)的方案，盡管它們不是航運(yùn)業(yè)常見的做法，但經(jīng)過分析，都能達(dá)到同等的防爆安全水平，因而都被納入現(xiàn)有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中。

5 展望

為了實(shí)現(xiàn)IMO 2050年總體碳排放強(qiáng)度降低70%的目標(biāo)以及中國提出的碳中和目標(biāo)，需要采用基于碳中和或零碳燃料的技術(shù)路徑。氫燃料電池船舶在減少碳排放上有著天然的優(yōu)勢，但安全性的經(jīng)驗(yàn)積累則遠(yuǎn)沒有傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)船舶完善。本文介紹了氫燃料電池船舶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究歷程，探索風(fēng)險(xiǎn)分析的方法在標(biāo)準(zhǔn)制定過程中的應(yīng)用，對于風(fēng)險(xiǎn)分析識別高風(fēng)險(xiǎn)場景和項(xiàng)目，以燃料電池處所氫氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)為例，依據(jù)GBS理念研究了燃料電池處所防爆設(shè)計(jì)方案，提出了三種不同的設(shè)計(jì)思路，有助于氫燃料電池船舶基于自身特點(diǎn)靈活進(jìn)行艙室設(shè)計(jì)和優(yōu)化。由于現(xiàn)行氫燃料電池船舶國際規(guī)則和國內(nèi)法規(guī)問世僅僅一年，實(shí)船經(jīng)驗(yàn)也較少，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還存在未完善的內(nèi)容，以下問題有待后續(xù)進(jìn)一步研究討論。

（１）本文研究僅使用了經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的方法估算泄漏氫氣釋放速率及擴(kuò)散濃度，后續(xù)可結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真和物理仿真的方式，獲得給定破損通孔下泄漏氫氣的釋放速率并深入分析其機(jī)理。

（２）壓縮氫氣是目前氫燃料電池船舶最為常見的氫能存儲(chǔ)方式，但對于大功率、長航程的航運(yùn)場景的應(yīng)用仍具有局限性。為了使氫能技術(shù)在航運(yùn)業(yè)發(fā)揮更佳的適用性和更好的減排效果，諸如液氫、液態(tài)有機(jī)物儲(chǔ)氫和金屬氰化物儲(chǔ)氫方式都是下一步研究的重要方向。

（３）氫氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣?、爆炸壓力，燃燒過程中涉及的爆燃、爆燃轉(zhuǎn)爆轟（DDT）、爆轟等動(dòng)力學(xué)研究較少，開展氫氣燃燒爆炸動(dòng)力學(xué)及相關(guān)影響因素研究，對揭示氫氣燃爆機(jī)理，采取更有效、更適用于船舶的防爆抑爆措施至關(guān)重要。

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