公用事业和储能系统（BESS）规范制定者在选择氢气监测器时应该关注哪些方面？
锂离子电池储能系统的氢气监测与大多数设计人员所熟悉的电池室监测有所不同。出现故障的锂离子电池会迅速释放气体，而公用设施型储能系统（BESS）的容器将大量能量集中在一个运行期间无人进入的封闭空间内。本文旨在帮助设计人员了解锂离子储能系统容器的氢气监测系统需要关注哪些方面。
这条信息非常及时。随着企业建设更多数据中心以支持人工智能，以及公用事业公司和开发商利用联邦能源存储投资税收抵免政策（第48E条）来增强电网韧性，电池储能正在快速增长。GlobalData预测，2025年至2030年间，全球电池储能容量将增长六倍。
锂离子电池是公用事业级储能系统（BESS）的主流化学体系。与铅酸电池相比，锂离子电池具有更高的能量密度和高达10倍的循环寿命。包括钠离子电池、液流电池、锌空气电池和铁空气电池在内的新型化学体系也能产生氢气，我们将在下文中进行介绍。数据中心UPS电池的应用与储能系统相关但又有所不同，其布局、维护实际情况和工程团队也各不相同。我们将在另一篇关于锂离子UPS电池氢气监测的文章中进行介绍。
为什么锂离子电池储能系统需要氢气监测
铅酸电池在充电过程中会释放氢气，因此铅酸电池监测系统旨在检测随着时间推移而积累的气体。锂离子电池则不同。它们在正常运行期间不会释放大量气体。只有在异常情况下才会释放气体，例如热失控。当机械应力、制造缺陷、电气滥用或外部高温导致电池的保护性SEI（固体电解质界面）层破裂时，电池内部开始短路并产生热量。此时会产生氢气，以及一氧化碳、二氧化碳和其他气体。氢气在空气中的体积浓度达到4%时即可燃烧甚至爆炸。
电池管理系统（BMS）监测电压、电流和温度，但并不监测氢气。因此，安全标准直接针对易燃气体。
标准要求
氢气的体积浓度达到4%时即可燃，这是其可燃下限（LFL）。LFL是指空气中可燃气体的最低浓度；低于此浓度，混合气体过稀，无法燃烧。您可能还会看到“爆炸下限”（LEL）这个术语。这两个术语描述的是同一个阈值，通常可以互换使用：NFPA标准使用LFL，而气体探测器制造商和安全数据表更常使用LEL。探测器通常以LEL的百分比显示读数，因此氢气的10% LEL读数对应于0.4%的氢气体积浓度。在美国，NFPA 855要求在气体浓度接近LFL之前就采取行动。2026版要求储能系统必须包含符合NFPA 69（爆炸预防系统标准）的爆炸控制和预防装置。如果爆燃危险性研究表明可燃气体的平均累积浓度不会超过LFL的25%，则可以豁免此要求。
单靠通风无法弥补氢气生成量的不足。IEEE 1635/ASHRAE 指南 21（固定式电池装置通风指南）针对多种运行工况计算了氢气生成量：浮充、均衡充电、充电器失控（充电器故障导致电池过充）和热失控。每种工况产生的氢气量都截然不同。许多场所仅根据浮充或均衡充电工况来设计通风系统。如果充电器发生故障或电池进入热失控状态，氢气的生成速度可能超过通风系统的排出速度。持续的氢气检测可以弥补通风系统设计工况与最坏情况之间的差距，在氢气达到危险水平之前触发警报并增加通风量。
对于锂离子电池储能系统（BESS），2026版NFPA 855默认要求进行危害缓解分析（HMA）。HMA必须证明关键安全系统（包括排气通风和可燃气体浓度降低）在故障期间仍然可靠，而持续的氢气监测是操作人员证明通风系统有效运行的方式。BESS容器通常也被视为密闭空间，因为它们并非设计用于持续占用，且出入口有限。根据美国职业安全与健康管理局（OSHA）的密闭空间许可证要求规定，可燃气体浓度超过其爆炸下限（LFL）10%即构成危险气体，任何人进入前都必须对气体浓度进行检测。主管机构（AHJ，通常是当地消防部门）负责执行NFPA 855以及NFPA 1（消防规范）、NFPA 2（氢技术规范）和国际消防规范。在适用地方法规的情况下，地方政府也可以发布自己的指令。密闭空间分类和当地主管部门的授权，使主管部门有理由要求持续进行氢气传感，以便操作人员随时了解容器内的气体水平。
根据NFPA 69爆燃研究，当使用气体检测来启动可燃气体浓度降低系统（例如排气通风系统）时，NFPA 855要求使用经认证的连续气体检测系统，该系统在可燃气体浓度不超过爆炸下限（LFL）的10%时启动系统（氢气为0.4%）。通风系统必须保持开启状态，以确保可燃气体平均浓度不超过爆炸下限的25%（氢气为1%）。通风系统及其组件被视为关键安全系统，并且两个系统都会向监控站发出警报。
既然限值是 25%，为什么氢气浓度达到 10% 就启动通风系统？锂离子电池和水系电池的氢气浓度上限实际上是一样的：1% 的氢气体积浓度相当于氢气爆炸下限 (LFL) 4% 的 25%。区别在于达到这个上限的方式。铅酸电池和其他水系电池在充电过程中以稳定、可预测的速率释放氢气，因此可以在氢气浓度达到 1% 时启动通风系统，并且由于氢气积累缓慢，可以轻松清除气体。锂离子电池在电池单元失效之前几乎不释放气体，一旦失效，就会一次性释放大量气体。当检测到气体并启动通风系统时，氢气浓度会持续积累，直到检测器做出响应，风扇转速加快，空气开始在机箱内流动。在达到 LFL 的 10% 时启动通风系统可以弥补这种延迟，因此氢气浓度峰值会低于 25%。检测器响应的每一秒都会减少这个缓冲空间。
国际上，有两种IEC标准适用。IEC 62485-5涵盖电压高达1,500V直流的固定式锂离子电池的安全安装、运行和维护，包括防止气体泄漏、火灾和爆炸。IEC 62933-5-2涵盖并网电化学储能系统在其整个生命周期（从设计到报废）内的安全。两者都与NFPA 855的目标相同，即防止可燃气体积聚，但它们采用的是基于风险的方法。两者都不设定气体检测触发点。相反，它们要求进行系统级风险分析和评估，并根据评估结果选择通风、气体吹扫以及使排放气体远离点火源等保护措施。NFPA 855更具规范性，规定了具体的阈值，例如当气体浓度不超过爆炸下限的10%时启动通风，并将气体浓度保持在25%以下。这也是美国以外的项目通常会同时参考NFPA 855和IEC标准的原因之一。无论采用哪种框架，响应迅速且准确的氢气监测器都有助于表明可燃气体处于控制之下。
其他产生氢气的电池化学体系
锂离子电池并非唯一一种有望应用于电网储能的电池类型。钠离子电池、液流电池、锌空气电池和铁空气电池目前都在部署或进行试点，它们都能产生氢气。这些电池可分为两类。钠离子电池的工作原理与锂离子电池类似，主要在单体电池发生故障时释放氢气。而水系电池（液流电池、锌空气电池和铁空气电池）的工作原理更接近铅酸电池，在正常充电过程中甚至静置时都会产生氢气作为副反应。
钠离子电池。钠离子电池的工作原理与锂离子电池非常相似，都使用类似的易燃有机电解液，但它用储量丰富、成本更低的钠代替了锂。许多钠离子电池的设计比锂离子电池具有更高的热稳定性，但它们仍然可能发生热失控。发生热失控时，它们会排出与锂离子电池类似的混合气体，包括氢气、一氧化碳、二氧化碳和电解液蒸汽。在一项针对大型商用钠离子电池的研究中，满电状态下，氢气在排放气体中的占比高达 42%。钠离子电池的氢气监测应与锂离子电池相同，响应速度应放在首位。
液流电池。钒液流电池和锌溴液流电池将能量储存在液态电解液中，电解液由储罐泵送至电池堆。水基电解液不会导致热失控，但负极的副反应会产生氢气，尤其是在高充电状态或系统过充或失衡时。氢气会积聚在电解液储罐的顶部空间和电池外壳内，因此监测通常需要同时覆盖储罐和电池堆上方的空间。
锌空气电池。可充电锌空气电池将锌电极与从空气中提取的氧气结合在碱性水基电解液中。锌在电解液中缓慢腐蚀并释放氢气，充电过程中会产生更多氢气作为副反应。氢气是缓慢释放的，而不是突然喷射的。
铁空气电池。铁空气电池专为长时间、多天储能而设计。其工作原理是可逆氧化：电池放电时铁被氧化，充电时铁又被氧化回铁。给铁电极充电会与一种寄生反应竞争，该反应会分解水并释放氢气，而且即使电池处于闲置状态，也会产生一些氢气。由于这些系统需要大规模部署并长时间充电，因此氢气管理是系统设计的一部分。
对于水基化学品而言，其危险在于氢气的持续积累而非突然释放，这与铅酸电池和镍基电池类似。通风和持续监测可使氢气浓度远低于其爆炸下限 (LFL)，因此，低浓度下的长期精度以及无需日常维护至关重要。不同化学品的要求也可能有所不同，因此请确认适用版本的 NFPA 855 以及主管机构如何对您所在场所的技术进行分类。无论采用何种化学品，相同的优先事项都适用：响应速度、不会悄无声息地降低的精度以及无需日常维护。
为什么容器会改变规格
锂离子电池储能系统通常采用专用集装箱式结构，并用标准卡车拖车运送到现场。集装箱式结构有助于限制火势从一个集装箱蔓延到另一个集装箱，并远离建筑物。
储能系统（BESS）容器通常并非为人员居住而设计，大部分工作都在外部进行。许多设计在外部设有门，方便检修控制装置和传感器。即便如此，开门进行维护的人员通常也必须是具备资质的电工，并佩戴防电弧闪光防护装备。可居住的房间和舱体，例如数据中心UPS安装，情况则有所不同，我们将在另一篇文章中讨论。维护和校准传感器需要经验丰富的工人，且人工成本高昂，通常需要在偏远地区进行。因此，用于储能系统的氢气监测器应设计成无需校准或日常维护。
由于氢气比空气轻，气体探测器通常安装在容器顶部，一般位于电池组上方。根据容器的布局，可能需要多个探测器。如果容器内部设有冷热通道，NFPA 855 标准要求气体检测系统必须在检测到通道或子隔间内存在可燃气体时立即启动。
Response speed of monitor
一旦锂离子电池开始排气，密闭容器内的环境会迅速变化，检测延迟的每一秒都会缩短启动通风和做出反应的时间。FM Global 的报告显示，在其废气检测测试中，从电池开始排气到热失控之间的时间间隔约为 5 到 20 分钟。响应速度快的监测器能够利用这段时间，而不是浪费掉它。铅酸电池的监测器可以容忍几分钟的响应时间，而不会对安全性产生负面影响。对于锂离子电池而言，响应速度是规格参数中最重要的部分之一，因为快速可靠的氢气检测是锂电池防火的关键环节。
速度也取决于监测器的测量对象。NFPA 855 标准围绕气体积聚而非气体存在来制定，因为爆炸危险取决于外壳内积聚的可燃气体的量。混合物只有达到其爆炸下限 (LFL) 才能点燃，因此该规范将其要求与浓度挂钩：当浓度不超过 LFL 的 10% 时启动通风，并将气体浓度保持在 25% 以下。检测电解液蒸汽或其他挥发性有机化合物 (VOC) 的废气传感器可以发出电池开始排气的早期预警，许多系统利用该信号停止充电或隔离机架。但这些传感器通常报告气体的存在，而且通常以相对指数的形式呈现，而不是外壳距离 LFL 的接近程度。它们无法显示通风是否有效，也无法显示何时达到 10% 的阈值。氢气易燃，可在很宽的浓度范围内燃烧，并且占锂离子电池排气的大部分，因此快速读取氢气浓度可以直接测量这一裕度。废气检测是对氢气监测的补充；它并不能取代它。
Sensor accuracy, calibration and testing
无论储能系统（BESS）容器位于公用变电站还是偏远的太阳能电站，关键在于运营商能否可靠且经济高效地维护安全系统。任何需要进行冲击测试或校准的气体监测器最终都会迫使用户在放弃维护和承担风险之间做出选择。而自校准传感器则避免了这种选择。由于传感器能够持续进行自校准，因此无需携带校准气体，也无需安排校准服务。
要谨慎对待那些宣称“无需校准”的监测器。通常，这意味着校准漂移被减缓了，而不是精度得到了检查，因此精度可能会悄无声息地下降，直到发生故障。其他设计通过要求定期更换传感器来限制漂移，但这本身就是一项维护工作，会增加成本。监测器还应该检查自身的电子元件状态并报告结果，这样就不会有人仅仅因为绿灯亮起就认为它工作正常。自检的有效性取决于其背后的证据。一种行之有效的方法是获得UL 2075认证，UL 2075是气体和蒸汽探测器及传感器的安全标准，它测试探测器能否识别并报告故障情况。认证可以让规范制定者独立地确信监测器的自检功能确实有效。
为储能系统选择合适的氢气监测器
在所有电池储能系统部署中，锂离子电池安全和锂离子电池监控都归结为以下四点：
- 氢气传感器的响应速度与锂离子电池的失效速度相匹配。
- 氢气传感器精度高，且不会在不知不觉中下降。
- 无需校准或日常维护的氢气监测，因此无需任何人打开容器进行维护。
- 一种无需触碰即可使用 10 年或更长时间的氢气传感器。
这些功能决定了总拥有成本，甚至决定了安全系统在最关键的时刻能否正常运行。
这些要求指导了 H2scan锂离子电池气体监测系统 HY-GUARD® RS的开发。
HY-GUARD RS氢气监测系统：
- 专为锂离子电池速度而设计： 显示器响应时间不到10秒。
- 持续进行自校准： 无需打开容器门，也无需校准瓶。专利固态传感器技术可持续进行自校准。
- 自检技术： 该显示器会检查自身电子元件的健康状况，避免了仅凭绿灯亮起就断定显示器正常工作的风险。HY-GUARD RS 已完成 UL 2075 测试，目前正在申请认证。
- 免维护： 使用寿命超过 10 年，无需例行现场重新校准。
- 通过 Modbus 总线将最多四个单元串联起来： 通过一条 Modbus 菊花链最多可连接四个 HY-GUARD RS 监控器，以覆盖需要多个监控点的集装箱。每个单元都是一个完整的监控器，可独立运行。
- 内置通信和安全输出： 每个监视器提供 Modbus RTU、4-20 mA 和直接继电器输出，以连接到现场的监控系统，无论是 BESS 中的能源管理系统 (EMS)、数据中心中的楼宇管理系统还是变电站中的 SCADA，并发送警报、启动风扇和其他功能安全控制装置。
HY-GUARD RS 系统完全自主运行，无需显示器或控制器。对于需要更多功能的操作人员，可选的 HY-SIGHT™ 控制器可添加触摸屏显示器，从多达四个 HY-GUARD RS 或标准 HY-GUARD 监控器采集数据。该显示器连接到连接各监控器的同一条 Modbus 菊花链。使用时，该 Modbus 链专用于显示器，而每个监控器的 4-20 mA 和继电器输出仍继续为现场监控系统和安全控制供电。HY-SIGHT 控制器可实现对已连接监控器的快速概览。它还增加了历史记录和数据记录等功能，以便进行分析。
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