摘要：为确保煤矿井下氢燃料电池运输车在甲烷煤尘爆炸性环境中应用的安全性，分析了氢燃料电池在封闭环境下的潜在风险，对比隔爆型、本安型等传统防爆方案的适用性，结合煤矿I类与IIC类爆炸环境的差异，提出基于特殊型防爆的综合解决方案，涵盖外壳强化、密封防护、散热优化、冗余系统设计及实时监测等多维度技术措施，并强调功能安全设计、储氢材料优化与应急响应策略的重要性。
氢燃料电池是通过化学反应利用氢能的发电装置，主要由燃料电池电堆和燃料电池系统的辅助装置组成，氢燃料电池具有无污染、可靠性高、效率高、零排放以及原料充足的优点。氢燃料电池目前已在车用领域及固定电站、便携式发电等方向得到应用。
随着煤矿井下装备的升级，氢燃料电池在煤矿井下运输车得到部分应用，由于煤矿井下为相对封闭场所，且为甲烷和煤尘存在或有突出风险的场合，氢燃料电池的应用会带来一定的风险，研究分析此类产品在煤矿井下应用风险，为氢燃料电池在煤矿安全应用奠定技术基础。
氢燃料电池自身风险
泄露风险
氢气密度小多采用高压存储，无色无味泄漏后难发觉。氢燃料电池存储的高压氢气瓶管路接口和弯头较多存在氢气泄露风险。氢燃料电池是利用氢气和氧气氧化还原反应，存在氢气不充分燃烧的可能，作为废气排放到周围空气中，在煤矿井下应用时增加了氢气浓度，如果遇到电气火花或机械火花，易造成爆炸等事故。
爆炸风险
氢气活性高、爆炸范围宽，浓度为5%~75%存在发生爆炸危险，在煤矿井下相对封闭的环境中，氢气不易扩散，在有限空间增加了氢气爆炸的危险性。
氢脆现象
氢和金属材料相互作用会产生氢脆现象，氢原子进入金属内部导致材料力学性能降低，易发生失效断裂。高压氢气瓶是氢燃料电池的一部分，高压氢气瓶因高压及连接阀等是薄弱的位置，如果高压氢气瓶和反应釜发生氢脆现象，存在氢燃料电池系统破坏风险。
氢燃料电池电堆的防爆设计难点
氢燃料电池的核心部件为发生氧化还原反应的电堆，通常由外壳、管路、电极、电解液和催化剂等组成，氢燃料电池的电堆通过氢气和氧气发生化学反应输出电能，在煤矿井下存在甲烷等爆炸风险的场所，氢燃料电池电堆的防爆设计是重点和难点，煤矿井下爆炸性环境中的防爆设计包括隔爆型、本安型、增安型、正压型和特殊型，氢燃料电池电堆原理如图1所示。
图1 氢燃料电池电堆原理
隔爆型方案分析
隔爆型设备执行标准为GB/T 3836.1 −2021、GB/T 3836.2−2021，原理为把带电体放入隔爆外壳内，使内部电气火花不会传播到外部，保证不会发生煤矿井下爆炸事故。但GB/T 3836.2−2021 附录E中规定了隔爆外壳中电池类型包括原电池和蓄电池，蓄电池中主要为镍镉电池、镍氢电池和锂离子蓄电池，不包括氢燃料电池。电堆结构设计为隔爆型，隔爆外壳内有管路，从外部到内部通氢气和氧气，形成隔爆外壳内部的释放源，同时存在水排出隔爆外壳，形成内置系统。GB/T 3836.2−2021 附录E 对内置系统的要求为内部释放源氧浓度不大于正常空气，氢燃料电池有纯氧气进入电堆不符合本要求规定，因此，氢燃料电池电堆设计成隔爆型没有标准支撑。
本安型方案分析
本安型设备执行标准为GB/T 3836.1 −2021、GB/T 3836.4−2021，原理是通过限制电气设备火花或能量使电气设备无法点燃周围甲烷。该防爆型式针对电气设备电路，对于氢燃料电池的电堆，存在氢气和氧气的氧化反应，无法通过本安设计实现防爆。
增安型方案分析
增安型设备执行标准为GB/T 3836.1 −2021、GB/T 3836.3−2021，原理是通过采取附加措施保证安全型，防止温度过高和产生电弧和火花的保护方式。防爆型式应用范围主要包括电动机、灯具、测量仪表、互感器、接线盒、加热器，对电池要求主要针对镍氢、镍镉、铅酸类的电化学蓄电池，增安型标准里是未包含氢燃料蓄电池。
正压型设备执行标准为GB/T 3836.1 −2021、GB/T 3836.5−2021，原理为电气设备设置正压外壳，保持外壳内部保护气体的压力高于外部压力，以阻止外部爆炸性气体进入外壳的防爆型式。氢气和氧气管路使正压外壳内形成了内释放源，无法满足静态正压形式，只能通过设计为内释放源的正压防爆型式。根据GB/T 3836.5−2021 第13.2.2 条，可燃性物质中的氧气浓度不应超过2%，氢燃料电池是空气或纯氧气输入，不符合正压标准规定，正压外壳内是否适用于化学反应的电堆也需进一步研究和论证。
氢燃料电池电堆对煤矿防爆电气设备影响
煤矿用防爆电气是基于煤矿井下爆炸性环境设计，煤矿井下的爆炸性气体主要是甲烷I 类环境，主要防爆标志为Ex db I Mb。氢气则是IIC 类爆炸性环境，产品防爆设计要求不同。
（1） 针对目前主流防爆电气外壳结合面的最小宽度和最大间隙，I 类防爆电气和IIC 类防爆电气标准要求见表1。相同防爆电气设备，I 类设备间隙要求可放大到II 类设备的3～10 倍，圆筒隔爆面和滚动轴承隔爆面的宽度不能小于25 mm，IIC 类设备不允许使用滑动轴承，表明IIC 类设备设计要求更加严格。
表1 I 类和IIC 类外壳隔爆结合面要求
（2）内部点燃不传爆的测试参数IIC 类设备的要求和测试均比I 类设备高。氢燃料电池由于尾气存在氢气泄露风险，带来煤矿井下新的氢气爆炸性环境风险，如果形成爆炸三要素，I 类设备考核的防爆电气设备无法抵抗氢气环境爆炸，存在爆炸事故风险。
氢燃料电池电堆的防爆设计解决方案
氢燃料电池反应釜的防爆设计
采用基于矿用隔爆型为基础的特殊型防爆方式，主要包括6 个设计要点，反应釜防爆设计流程如图2所示。
图2 反应釜防爆设计流程
（1） 外壳设计
外壳应具有足够的强度和刚度，能够承受内部爆炸产生的压力， 隔爆外壳接合面宽度、间隙和粗糙度等参数应符合相关标准及表1 规定，外壳材料应具有良好的耐腐蚀性和机械性能。
（2） 电气设计
选用符合防爆要求的电气元件，如防爆电机、防爆开关、本安传感器等，布线符合防爆规范，避免产生火花和过热。
（3） 密封与防护
确保外壳密封性能，防止爆炸性物质进入，采取防护措施，主要包括防水、防尘、防腐等。
（4） 散热设计
考虑产品在正常运行时的散热需求，避免因过热引发危险。
（5） 接地与静电消除
建立可靠接地系统，及时导出静电和雷电电流。
（6） 安全联锁装置
设计必要的安全联锁装置，确保在特定条件下产品不能启动或停止运行。
功能安全设计
氢燃料电池的功能安全设计是确保在各种运行条件下可靠、安全工作的关键环节，主要包括7 个方面，功能安全设计流程如图3所示。
图3 功能安全设计流程
（1） 系统架构设计
关键部件和子系统采用冗余配置，如多个传感器监测相同参数，当1 个传感器出现故障时，其他参数仍能保证正常监测和控制。合理分区和隔离，将不同功能和安全等级的部件分区设计，通过物理隔离或电气隔离，防止故障传播。
（2） 故障检测与诊断
实时监测关键参数，设置氢气压力、流量、温度、电池电压、电流等阈值，超出范围即判定为故障。采用先进的诊断算法，利用数据分析和机器学习算法， 精准识别潜在故障模式和早期故障迹象。
（3） 安全保护机制
采用过压、过流保护，防止电路中的电压和电流过高，损坏部件或引发危险；设计过热保护，当温度过高时，采取冷却措施或停止系统运行；采取氢气泄漏检测与防护，安装灵敏的氢气泄漏传感器，若检测到泄漏，立即采取通风、切断氢气供应等措施。
（4） 应急响应策略
制定明确的应急操作流程，在发生严重故障时，系统自动或手动切换到安全状态；故障报警与通信及时向操作人员发送故障报警信息，并将相关数据上传至监控中心采取进一步的措施。
（5） 软件安全设计
采用严格的软件开发流程，进行代码审查、测试和验证，确保软件的稳定性和可靠性；防篡改和加密保护软件免受未经授权的访问和修改。
（6） 可靠性评估与验证
故障模式与影响分析（FMEA） 和故障树分析（FTA），识别潜在的风险和薄弱环节；通过模拟实验、实际测试和现场运行数据，验证系统的功能安全性能。
（7） 人员培训与操作规范
对操作人员进行专业培训，熟悉系统操作和应急处理流程；制定严格的操作规范和维护手册，确保系统正确使用和维护。
氢气储存和使用措施
（1） 在储氢系统方面，采用合适的材料防止氢脆，如高压储氢瓶选择合成材料，各种燃料管道以及阀件采用抗氢脆的不锈钢或聚合物，并在强度设计中留有足够的安全余量，且储氢瓶的安装及高压氢气连接管材质须符合相关国家规范的安全要求。
（2） 加氢系统方面，在高压氢气加注过程中检测车载压缩氢气存储系统内的压力、容量、温度及授权指令等数据，以降低安全隐患。
（3） 供氢系统方面，当检测到压力或温度异常时，系统立即关断电磁阀，并向整车管理系统发送报警信息，通过声光报警提示司机采取必要措施。针对氢意外泄漏，在储氢瓶口及燃料电池系统易于聚集和泄漏处安装多个氢气泄漏传感器，实时监测氢含量，发生泄漏立即采取响应处置。
结 语
煤矿氢燃料电池车在井下使用带来便利也存在一定隐患，从技术、检测、管理以及人员培训等多方面进行把控，严格贯彻防泄漏、防集聚、防点火，严控氢气品质的及严格流程管理的“三防两严”方针，制定相关安全措施和标准，通过防爆和功能安全等排除潜在风险因素，以保证氢燃料电池设备在井下安全使用。
策划：李金松 编辑：李雅楠
