全文要點(diǎn)：

1. 研究目的：確保煤礦井下氫燃料電池運(yùn)輸車在甲烷煤塵爆炸性環(huán)境中的應(yīng)用安全性。

2. 氫燃料電池自身風(fēng)險(xiǎn)：氫氣泄露（高壓存儲(chǔ)、難發(fā)覺(jué)）、爆炸（爆炸范圍5%-75%）、氫脆現(xiàn)象（金屬材料力學(xué)性能降低）。

3. 傳統(tǒng)防爆方案不適用：隔爆型無(wú)標(biāo)準(zhǔn)支撐（電堆有氧氣進(jìn)入）、本安型無(wú)法針對(duì)化學(xué)反應(yīng)、增安型未包含氫燃料蓄電池、正壓型氧氣濃度不符合標(biāo)準(zhǔn)。

4. 煤礦爆炸環(huán)境差異：I類（甲烷）與IIC類（氫氣）環(huán)境防爆要求不同，IIC類外殼間隙、測(cè)試參數(shù)更嚴(yán)格。

5. 核心解決方案：基于特殊型防爆的綜合方案，涵蓋外殼強(qiáng)化（強(qiáng)度、隔爆參數(shù)）、密封防護(hù)（防水防塵防腐）、散熱優(yōu)化、接地與靜電消除、安全聯(lián)鎖裝置。

6. 功能安全設(shè)計(jì)要點(diǎn)：關(guān)鍵部件冗余配置、實(shí)時(shí)故障檢測(cè)（壓力/流量/溫度等參數(shù)）、過(guò)壓過(guò)流過(guò)熱保護(hù)、軟件安全設(shè)計(jì)、可靠性評(píng)估驗(yàn)證。

7. 儲(chǔ)氫與供氫措施：采用抗氫脆材料（合成儲(chǔ)氫瓶、不銹鋼/聚合物管道），儲(chǔ)氫瓶及連接管符合規(guī)范；供氫系統(tǒng)異常時(shí)關(guān)斷電磁閥并報(bào)警，安裝泄漏傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

8. 應(yīng)急響應(yīng)策略：制定應(yīng)急操作流程（故障切換至安全狀態(tài)）、及時(shí)報(bào)警與數(shù)據(jù)上傳監(jiān)控中心。

9. 強(qiáng)調(diào)“三防兩嚴(yán)”方針：防泄漏、防集聚、防點(diǎn)火，嚴(yán)控氫氣品質(zhì)及流程管理。

10. 保障措施：需從技術(shù)、檢測(cè)、管理、人員培訓(xùn)多方面把控，制定安全措施和標(biāo)準(zhǔn)。

---

為確保煤礦井下氫燃料電池運(yùn)輸車在甲烷煤塵爆炸性環(huán)境中應(yīng)用的安全性，分析了氫燃料電池在封閉環(huán)境下的潛在風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)比隔爆型、本安型等傳統(tǒng)防爆方案的適用性，結(jié)合煤礦I類與IIC類爆炸環(huán)境的差異，提出基于特殊型防爆的綜合解決方案，涵蓋外殼強(qiáng)化、密封防護(hù)、散熱優(yōu)化、冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等多維度技術(shù)措施，并強(qiáng)調(diào)功能安全設(shè)計(jì)、儲(chǔ)氫材料優(yōu)化與應(yīng)急響應(yīng)策略的重要性。

文章來(lái)源：《智能礦山》2025年第5期“學(xué)術(shù)園地”欄目

作者簡(jiǎn)介：宋占松，高級(jí)工程師，主要從事礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志防爆電器認(rèn)證的相關(guān)工作。E-mail：25262696@qq.com

作者單位：安標(biāo)國(guó)家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心有限公司

引用格式：宋占松. 煤礦運(yùn)輸車用氫燃料電池的應(yīng)用安全研究[J]. 智能礦山，2025，6(4)：67-70.

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氫燃料電池是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)利用氫能的發(fā)電裝置，主要由燃料電池電堆和燃料電池系統(tǒng)的輔助裝置組成，氫燃料電池具有無(wú)污染、可靠性高、效率高、零排放以及原料充足的優(yōu)點(diǎn)。氫燃料電池目前已在車用領(lǐng)域及固定電站、便攜式發(fā)電等方向得到應(yīng)用。

隨著煤礦井下裝備的升級(jí)，氫燃料電池在煤礦井下運(yùn)輸車得到部分應(yīng)用，由于煤礦井下為相對(duì)封閉場(chǎng)所，且為甲烷和煤塵存在或有突出風(fēng)險(xiǎn)的場(chǎng)合，氫燃料電池的應(yīng)用會(huì)帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)，研究分析此類產(chǎn)品在煤礦井下應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)，為氫燃料電池在煤礦安全應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

氫燃料電池自身風(fēng)險(xiǎn)

1.1 泄露風(fēng)險(xiǎn)

氫氣密度小多采用高壓存儲(chǔ)，無(wú)色無(wú)味泄漏后難發(fā)覺(jué)。氫燃料電池存儲(chǔ)的高壓氫氣瓶管路接口和彎頭較多存在氫氣泄露風(fēng)險(xiǎn)。氫燃料電池是利用氫氣和氧氣氧化還原反應(yīng)，存在氫氣不充分燃燒的可能，作為廢氣排放到周圍空氣中，在煤礦井下應(yīng)用時(shí)增加了氫氣濃度，如果遇到電氣火花或機(jī)械火花，易造成爆炸等事故。

1.2 爆炸風(fēng)險(xiǎn)

氫氣活性高、爆炸范圍寬，濃度為5%~75%存在發(fā)生爆炸危險(xiǎn)，在煤礦井下相對(duì)封閉的環(huán)境中，氫氣不易擴(kuò)散，在有限空間增加了氫氣爆炸的危險(xiǎn)性。

1.3 氫脆現(xiàn)象

氫和金屬材料相互作用會(huì)產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象，氫原子進(jìn)入金屬內(nèi)部導(dǎo)致材料力學(xué)性能降低，易發(fā)生失效斷裂。高壓氫氣瓶是氫燃料電池的一部分，高壓氫氣瓶因高壓及連接閥等是薄弱的位置，如果高壓氫氣瓶和反應(yīng)釜發(fā)生氫脆現(xiàn)象，存在氫燃料電池系統(tǒng)破壞風(fēng)險(xiǎn)。

氫燃料電池電堆的防爆設(shè)計(jì)難點(diǎn)

氫燃料電池的核心部件為發(fā)生氧化還原反應(yīng)的電堆，通常由外殼、管路、電極、電解液和催化劑等組成，氫燃料電池的電堆通過(guò)氫氣和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)輸出電能，在煤礦井下存在甲烷等爆炸風(fēng)險(xiǎn)的場(chǎng)所，氫燃料電池電堆的防爆設(shè)計(jì)是重點(diǎn)和難點(diǎn)，煤礦井下爆炸性環(huán)境中的防爆設(shè)計(jì)包括隔爆型、本安型、增安型、正壓型和特殊型，氫燃料電池電堆原理如圖1所示。

圖1 氫燃料電池電堆原理

2.1 隔爆型方案分析

隔爆型設(shè)備執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 3836.1-2021、GB/T 3836.2-2021，原理為把帶電體放入隔爆外殼內(nèi)，使內(nèi)部電氣火花不會(huì)傳播到外部，保證不會(huì)發(fā)生煤礦井下爆炸事故。但GB/T 3836.2-2021附錄E中規(guī)定了隔爆外殼中電池類型包括原電池和蓄電池，蓄電池中主要為鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子蓄電池，不包括氫燃料電池。電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為隔爆型，隔爆外殼內(nèi)有管路，從外部到內(nèi)部通氫氣和氧氣，形成隔爆外殼內(nèi)部的釋放源，同時(shí)存在水排出隔爆外殼，形成內(nèi)置系統(tǒng)。GB/T 3836.2-2021附錄E對(duì)內(nèi)置系統(tǒng)的要求為內(nèi)部釋放源氧濃度不大于正?？諝?，氫燃料電池有純氧氣進(jìn)入電堆不符合本要求規(guī)定，因此，氫燃料電池電堆設(shè)計(jì)成隔爆型沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)支撐。

2.2 本安型方案分析

本安型設(shè)備執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 3836.1-2021、GB/T 3836.4-2021，原理是通過(guò)限制電氣設(shè)備火花或能量使電氣設(shè)備無(wú)法點(diǎn)燃周圍甲烷。該防爆型式針對(duì)電氣設(shè)備電路，對(duì)于氫燃料電池的電堆，存在氫氣和氧氣的氧化反應(yīng)，無(wú)法通過(guò)本安設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)防爆。

2.3 增安型方案分析

增安型設(shè)備執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 3836.1-2021、GB/T 3836.3-2021，原理是通過(guò)采取附加措施保證安全型，防止溫度過(guò)高和產(chǎn)生電弧和火花的保護(hù)方式。防爆型式應(yīng)用范圍主要包括電動(dòng)機(jī)、燈具、測(cè)量?jī)x表、互感器、接線盒、加熱器，對(duì)電池要求主要針對(duì)鎳氫、鎳鎘、鉛酸類的電化學(xué)蓄電池，增安型標(biāo)準(zhǔn)里是未包含氫燃料蓄電池。

正壓型設(shè)備執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 3836.1-2021、GB/T 3836.5-2021，原理為電氣設(shè)備設(shè)置正壓外殼，保持外殼內(nèi)部保護(hù)氣體的壓力高于外部壓力，以阻止外部爆炸性氣體進(jìn)入外殼的防爆型式。氫氣和氧氣管路使正壓外殼內(nèi)形成了內(nèi)釋放源，無(wú)法滿足靜態(tài)正壓形式，只能通過(guò)設(shè)計(jì)為內(nèi)釋放源的正壓防爆型式。根據(jù)GB/T 3836.5-2021第13.2.2條，可燃性物質(zhì)中的氧氣濃度不應(yīng)超過(guò)2%，氫燃料電池是空氣或純氧氣輸入，不符合正壓標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，正壓外殼內(nèi)是否適用于化學(xué)反應(yīng)的電堆也需進(jìn)一步研究和論證。

氫燃料電池電堆對(duì)煤礦防爆電氣設(shè)備影響

煤礦用防爆電氣是基于煤礦井下爆炸性環(huán)境設(shè)計(jì)，煤礦井下的爆炸性氣體主要是甲烷I類環(huán)境，主要防爆標(biāo)志為Ex db I Mb。氫氣則是IIC類爆炸性環(huán)境，產(chǎn)品防爆設(shè)計(jì)要求不同。

（1）針對(duì)目前主流防爆電氣外殼結(jié)合面的最小寬度和最大間隙，I類防爆電氣和IIC類防爆電氣標(biāo)準(zhǔn)要求見(jiàn)表1。相同防爆電氣設(shè)備，I類設(shè)備間隙要求可放大到II類設(shè)備的3～10倍，圓筒隔爆面和滾動(dòng)軸承隔爆面的寬度不能小于25 mm，IIC類設(shè)備不允許使用滑動(dòng)軸承，表明IIC類設(shè)備設(shè)計(jì)要求更加嚴(yán)格。

（2）內(nèi)部點(diǎn)燃不傳爆的測(cè)試參數(shù)IIC類設(shè)備的要求和測(cè)試均比I類設(shè)備高。氫燃料電池由于尾氣存在氫氣泄露風(fēng)險(xiǎn)，帶來(lái)煤礦井下新的氫氣爆炸性環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，如果形成爆炸三要素，I類設(shè)備考核的防爆電氣設(shè)備無(wú)法抵抗氫氣環(huán)境爆炸，存在爆炸事故風(fēng)險(xiǎn)。

表1 I類和IIC類外殼隔爆結(jié)合面要求

氫燃料電池電堆的防爆設(shè)計(jì)解決方案

4.1 氫燃料電池反應(yīng)釜的防爆設(shè)計(jì)

采用基于礦用隔爆型為基礎(chǔ)的特殊型防爆方式，主要包括6個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，反應(yīng)釜防爆設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 反應(yīng)釜防爆設(shè)計(jì)流程

（1）外殼設(shè)計(jì)

外殼應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠承受內(nèi)部爆炸產(chǎn)生的壓力， 隔爆外殼接合面寬度、間隙和粗糙度等參數(shù)應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及表1規(guī)定，外殼材料應(yīng)具有良好的耐腐蝕性和機(jī)械性能。

（2）電氣設(shè)計(jì)

選用符合防爆要求的電氣元件，如防爆電機(jī)、防爆開(kāi)關(guān)、本安傳感器等，布線符合防爆規(guī)范，避免產(chǎn)生火花和過(guò)熱。

（3）密封與防護(hù)

確保外殼密封性能，防止爆炸性物質(zhì)進(jìn)入，采取防護(hù)措施，主要包括防水、防塵、防腐等。

（4）散熱設(shè)計(jì)

考慮產(chǎn)品在正常運(yùn)行時(shí)的散熱需求，避免因過(guò)熱引發(fā)危險(xiǎn)。

（5）接地與靜電消除

建立可靠接地系統(tǒng)，及時(shí)導(dǎo)出靜電和雷電電流。

（6）安全聯(lián)鎖裝置

設(shè)計(jì)必要的安全聯(lián)鎖裝置，確保在特定條件下產(chǎn)品不能啟動(dòng)或停止運(yùn)行。

4.2 功能安全設(shè)計(jì)

氫燃料電池的功能安全設(shè)計(jì)是確保在各種運(yùn)行條件下可靠、安全工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要包括7個(gè)方面，功能安全設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 功能安全設(shè)計(jì)流程

（1）系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

關(guān)鍵部件和子系統(tǒng)采用冗余配置，如多個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)相同參數(shù)，當(dāng)1個(gè)傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，其他參數(shù)仍能保證正常監(jiān)測(cè)和控制。合理分區(qū)和隔離，將不同功能和安全等級(jí)的部件分區(qū)設(shè)計(jì)，通過(guò)物理隔離或電氣隔離，防止故障傳播。

（2）故障檢測(cè)與診斷

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)置氫氣壓力、流量、溫度、電池電壓、電流等閾值，超出范圍即判定為故障。采用先進(jìn)的診斷算法，利用數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，精準(zhǔn)識(shí)別潛在故障模式和早期故障跡象。

（3）安全保護(hù)機(jī)制

采用過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)，防止電路中的電壓和電流過(guò)高，損壞部件或引發(fā)危險(xiǎn)；設(shè)計(jì)過(guò)熱保護(hù)，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，采取冷卻措施或停止系統(tǒng)運(yùn)行；采取氫氣泄漏檢測(cè)與防護(hù)，安裝靈敏的氫氣泄漏傳感器，若檢測(cè)到泄漏，立即采取通風(fēng)、切斷氫氣供應(yīng)等措施。

（4）應(yīng)急響應(yīng)策略

制定明確的應(yīng)急操作流程，在發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)或手動(dòng)切換到安全狀態(tài)；故障報(bào)警與通信及時(shí)向操作人員發(fā)送故障報(bào)警信息，并將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心采取進(jìn)一步的措施。

（5）軟件安全設(shè)計(jì)

采用嚴(yán)格的軟件開(kāi)發(fā)流程，進(jìn)行代碼審查、測(cè)試和驗(yàn)證，確保軟件的穩(wěn)定性和可靠性；防篡改和加密保護(hù)軟件免受未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)和修改。

（6）可靠性評(píng)估與驗(yàn)證

故障模式與影響分析（FMEA）和故障樹(shù)分析（FTA），識(shí)別潛在的風(fēng)險(xiǎn)和薄弱環(huán)節(jié)；通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)、實(shí)際測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，驗(yàn)證系統(tǒng)的功能安全性能。

（7）人員培訓(xùn)與操作規(guī)范

對(duì)操作人員進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，熟悉系統(tǒng)操作和應(yīng)急處理流程；制定嚴(yán)格的操作規(guī)范和維護(hù)手冊(cè)，確保系統(tǒng)正確使用和維護(hù)。

4.3 氫氣儲(chǔ)存和使用措施

（1）在儲(chǔ)氫系統(tǒng)方面，采用合適的材料防止氫脆，如高壓儲(chǔ)氫瓶選擇合成材料，各種燃料管道以及閥件采用抗氫脆的不銹鋼或聚合物，并在強(qiáng)度設(shè)計(jì)中留有足夠的安全余量，且儲(chǔ)氫瓶的安裝及高壓氫氣連接管材質(zhì)須符合相關(guān)國(guó)家規(guī)范的安全要求。

（2）加氫系統(tǒng)方面，在高壓氫氣加注過(guò)程中檢測(cè)車載壓縮氫氣存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)的壓力、容量、溫度及授權(quán)指令等數(shù)據(jù)，以降低安全隱患。

（3）供氫系統(tǒng)方面，當(dāng)檢測(cè)到壓力或溫度異常時(shí)，系統(tǒng)立即關(guān)斷電磁閥，并向整車管理系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警信息，通過(guò)聲光報(bào)警提示司機(jī)采取必要措施。針對(duì)氫意外泄漏，在儲(chǔ)氫瓶口及燃料電池系統(tǒng)易于聚集和泄漏處安裝多個(gè)氫氣泄漏傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氫含量，發(fā)生泄漏立即采取響應(yīng)處置。

結(jié) 語(yǔ)

煤礦氫燃料電池車在井下使用帶來(lái)便利也存在一定隱患，從技術(shù)、檢測(cè)、管理以及人員培訓(xùn)等多方面進(jìn)行把控，嚴(yán)格貫徹防泄漏、防集聚、防點(diǎn)火，嚴(yán)控氫氣品質(zhì)的及嚴(yán)格流程管理的“三防兩嚴(yán)”方針，制定相關(guān)安全措施和標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)防爆和功能安全等排除潛在風(fēng)險(xiǎn)因素，以保證氫燃料電池設(shè)備在井下安全使用。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國(guó)科技核心期刊11種、中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國(guó)法院士

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聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

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