公用事業和儲能係統（BESS）規範制定者在選擇氫氣監測器時應該關注哪些方面？
鋰離子電池儲能係統的氫氣監測與大多數設計人員所熟悉的電池室監測有所不同。故障的鋰離子電池會迅速釋放氣體，而公用設施型儲能係統（BESS）的容器將大量能量集中在一個運作期間無人進入的封閉空間內。本文旨在幫助設計人員了解鋰離子儲能係統容器的氫氣監測系統需要關注哪些面向。
這則訊息非常及時。隨著企業建造更多資料中心以支援人工智慧，以及公用事業公司和開發商利用聯邦能源儲存投資稅收抵免政策（第48E條）來增強電網韌性，電池儲能正在快速成長。 GlobalData預測，2025年至2030年間，全球電池儲能容量將成長六倍。
鋰離子電池是公用事業級儲能係統（BESS）的主流化學體系。與鉛酸電池相比，鋰離子電池具有更高的能量密度和高達10倍的循環壽命。包括鈉離子電池、液流電池、鋅空氣電池和鐵空氣電池在內的新型化學系統也能產生氫氣，我們將在下文中介紹。資料中心UPS電池的應用與儲能係統相關但又有所不同，其佈局、維護實際情況和工程團隊也各不相同。我們將在另一篇關於鋰離子UPS電池氫氣監測的文章中介紹。
為什麼鋰離子電池儲能係統需要氫氣監測
鉛酸電池在充電過程中會釋放氫氣，因此鉛酸電池監測系統旨在檢測隨著時間推移而累積的氣體。鋰離子電池則不同。它們在正常運作期間不會釋放大量氣體。只有在異常情況下才會釋放氣體，例如熱失控。當機械應力、製造缺陷、電氣濫用或外部高溫導致電池的保護性SEI（固體電解質界面）層破裂時，電池內部開始短路並產生熱量。此時會產生氫氣，以及一氧化碳、二氧化碳和其他氣體。氫氣在空氣中的體積濃度達到4%時即可燃燒甚至爆炸。
電池管理系統（BMS）監測電壓、電流和溫度，但不監測氫氣。因此，安全標準直接針對易燃氣體。
標準要求
氫氣的體積濃度達到4%時即可燃，這是其可燃下限（LFL）。 LFL是指空氣中可燃氣體的最低濃度；低於此濃度，混合氣體過稀，無法燃燒。您可能還會看到“爆炸下限”（LEL）這個術語。這兩個術語描述的是同一個閾值，通常可以互換使用：NFPA標準使用LFL，而氣體偵測器製造商和安全資料表更常使用LEL。偵測器通常以LEL的百分比顯示讀數，因此氫氣的10% LEL讀數對應於0.4%的氫氣體積濃度。在美國，NFPA 855要求在氣體濃度接近LFL之前就採取行動。 2026版要求儲能係統必須包含符合NFPA 69（爆炸預防系統標準）的爆炸控制和預防裝置。如果爆燃危險性研究顯示可燃氣體的平均累積濃度不會超過LFL的25%，則可以豁免此要求。
單靠通風無法彌補氫氣生成量的不足。 IEEE 1635/ASHRAE 指南 21（固定式電池裝置通風指南）針對多種運作工況計算了氫氣生成量：浮充、均衡充電、充電器失控（充電器故障導致電池過度充電）和熱失控。每種工況產生的氫氣量都截然不同。許多場所僅根據浮充或均衡充電工況來設計通風系統。如果充電器發生故障或電池進入熱失控狀態，氫氣的生成速度可能超過通風系統的排出速度。持續的氫氣檢測可以彌補通風系統設計工況與最壞情況之間的差距，在氫氣達到危險水平之前觸發警報並增加通風量。
對於鋰離子電池儲能係統（BESS），2026版NFPA 855預設要求進行危害緩解分析（HMA）。 HMA必須證明關鍵安全系統（包括排氣通風和可燃氣體濃度降低）在故障期間仍然可靠，而持續的氫氣監測是操作人員證明通風系統有效運作的方式。 BESS容器通常也被視為密閉空間，因為它們並非設計用於持續佔用，且出入口有限。根據美國職業安全與健康管理局（OSHA）的密閉空間許可證要求規定，可燃氣體濃度超過其爆炸下限（LFL）10%即構成危險氣體，任何人進入前都必須對氣體濃度進行檢測。主管機關（AHJ，通常是當地消防部門）負責執行NFPA 855以及NFPA 1（消防規範）、NFPA 2（氫技術規範）和國際消防規範。在適用地方法規的情況下，地方政府也可以發布自己的指令。密閉空間分類和當地主管機關的授權，使主管機關有理由要求持續進行氫氣感測，以便操作人員隨時了解容器內的氣體水平。
根據NFPA 69爆燃研究，當使用氣體檢測來啟動可燃氣體濃度降低系統（例如排氣通風系統）時，NFPA 855要求使用經認證的連續氣體檢測系統，該系統在可燃氣體濃度不超過爆炸下限（LFL）的10%時啟動通風系統（氫氣為0.4%）。通風系統必須保持開啟狀態，以確保可燃氣體平均濃度不超過爆炸下限的25%（氫氣為1%）。通風系統及其組件被視為關鍵安全系統，並且兩個系統都會向監控站發出警報。
既然限值是 25%，為什麼氫氣濃度達到 10% 就啟動通風系統？鋰離子電池和水系電池的氫氣濃度上限實際上是一樣的：1% 的氫氣體積濃度相當於氫氣爆炸下限 (LFL) 4% 的 25%。差別在於達到這個上限的方式。鉛酸電池和其他水系電池在充電過程中以穩定、可預測的速率釋放氫氣，因此可以在氫氣濃度達到 1% 時啟動通風系統，並且由於氫氣積累緩慢，可以輕鬆清除氣體。鋰離子電池在電池單元失效前幾乎不釋放氣體，一旦失效，就會一次釋放大量氣體。當偵測到氣體並啟動通風系統時，氫氣濃度會持續積累，直到偵測器做出反應，風扇轉速加快，空氣開始在機殼內流動。在達到 LFL 的 10% 時啟動通風系統可以彌補這種延遲，因此氫氣濃度峰值會低於 25%。偵測器響應的每一秒鐘都會減少這個緩衝空間。
國際上，有兩種IEC標準適用。 IEC 62485-5涵蓋電壓高達1,500V直流的固定式鋰離子電池的安全安裝、運作和維護，包括防止氣體洩漏、火災和爆炸。 IEC 62933-5-2涵蓋併網電化學儲能係統在其整個生命週期（從設計到報廢）內的安全。兩者都與NFPA 855的目標相同，即防止可燃氣積聚，但它們採用的是基於風險的方法。兩者都不設定氣體偵測觸發點。相反，它們要求進行系統級風險分析和評估，並根據評估結果選擇通風、氣體吹掃以及使排放氣體遠離點火源等保護措施。 NFPA 855更具規範性，規定了具體的閾值，例如當氣體濃度不超過爆炸下限的10%時啟動通風，並將氣體濃度保持在25%以下。這也是美國以外的計畫通常同時參考NFPA 855和IEC標準的原因之一。無論採用哪種框架，響應迅速且準確的氫氣監測器都有助於表明可燃氣體處於控制之下。
其他產生氫氣的電池化學體系
鋰離子電池並非唯一有望應用於電網儲能的電池類型。鈉離子電池、液流電池、鋅空氣電池和鐵空氣電池目前都在部署或進行試點，它們都能產生氫氣。這些電池可分為兩大類。鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池類似，主要在單體電池故障時釋放氫氣。而水系電池（液流電池、鋅空氣電池和鐵空氣電池）的工作原理更接近鉛酸電池，在正常充電過程中甚至靜置時都會產生氫氣作為副反應。
鈉離子電池。鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池非常相似，都使用類似的易燃有機電解液，但它們用儲量豐富、成本更低的鈉取代了鋰。許多鈉離子電池的設計比鋰離子電池具有更高的熱穩定性，但它們仍然可能發生熱失控。當熱失控時，它們會排出與鋰離子電池類似的混合氣體，包括氫氣、一氧化碳、二氧化碳和電解液蒸氣。在一項針對大型商用鈉離子電池的研究中，在滿電狀態下，氫氣在排放氣體中的佔比高達 42%。鈉離子電池的氫氣監測應與鋰離子電池相同，反應速度應放在首位。
液流電池。釩液流電池和鋅溴液流電池將能量儲存在液態電解液中，電解液由儲存槽泵送至電池堆。水基電解液不會導致熱失控，但負極的副反應會產生氫氣，尤其是在高充電狀態或系統過充或失衡時。氫氣會積聚在電解液儲罐的頂部空間和電池外殼內，因此監測通常需要同時覆蓋儲罐和電池堆上方的空間。
鋅空氣電池。可充電鋅空氣電池將鋅電極與從空氣中提取的氧氣結合在鹼性水基電解液中。鋅在電解液中緩慢腐蝕並釋放氫氣，充電過程中會產生更多氫氣作為副反應。氫氣是緩慢釋放的，而不是突然噴射的。
鐵空氣電池。鐵空氣電池專為長時間、多天儲能而設計。其運作原理是可逆氧化：電池放電時鐵被氧化，充電時鐵又被氧化回鐵。為鐵電極充電會與一種寄生反應競爭，該反應會分解水並釋放氫氣，即使電池處於閒置狀態，也會產生一些氫氣。由於這些系統需要大規模部署並長時間充電，因此氫氣管理是系統設計的一部分。
對於水性化學物質而言，其危險在於氫氣的持續累積而非突然釋放，這與鉛酸電池和鎳基電池類似。通風和持續監測可使氫氣濃度遠低於其爆炸下限 (LFL)，因此，低濃度下的長期精度以及無需日常維護至關重要。不同化學品的要求也可能有所不同，因此請確認適用版本的 NFPA 855 以及主管機關如何對您所在場所的技術進行分類。無論採用何種化學品，相同的優先事項都適用：響應速度、不會悄無聲息地降低的精度以及無需日常維護。
為什麼容器會改變規格
鋰離子電池儲能係統通常採用專用貨櫃式結構，並用標準卡車拖車運送到現場。貨櫃式結構有助於限制火勢從一個貨櫃蔓延到另一個貨櫃，並遠離建築物。
儲能係統（BESS）容器通常並非為人員居住而設計，大部分工作都在外部進行。許多設計在外部設有門，方便檢修控制裝置和感測器。即便如此，開門進行維護的人員通常也必須是具備資質的電工，並且穿戴防電弧閃光防護裝備。可居住的房間和艙體，例如資料中心UPS安裝，情況則有所不同，我們將在另一篇文章中討論。維護和校準感測器需要經驗豐富的工人，且人工成本高昂，通常需要在偏遠地區進行。因此，用於儲能係統的氫氣監測器應設計成無需校準或日常維護。
由於氫氣比空氣輕，因此氣體偵測器通常安裝在容器頂部，一般位於電池組上方。根據容器的佈局，可能需要多個探測器。如果容器內部設有冷熱通道，NFPA 855 標準要求氣體偵測系統必須在偵測到通道或子隔間內存在可燃氣體時立即啟動。
Response speed of monitor
一旦鋰離子電池開始排氣，密閉容器內的環境會迅速變化，偵測延遲的每一秒都會縮短啟動通風和反應的時間。 FM Global 的報告顯示，在其廢氣檢測測試中，從電池開始排氣到熱失控之間的時間間隔約為 5 到 20 分鐘。響應速度快的監測器能夠利用這段時間，而不是浪費掉它。鉛酸電池的監測器可以容忍幾分鐘的反應時間，而不會對安全性產生負面影響。對於鋰離子電池而言，反應速度是其性能指標中最重要的部分之一，因為快速可靠的氫氣檢測是鋰電池防火的關鍵環節。
速度也取決於監測器的測量對象。 NFPA 855 標準是圍繞氣體積聚而非氣體存在來製定，因為爆炸危險取決於外殼內積聚的可燃氣體的量。混合物只有達到其爆炸下限 (LFL) 才能點燃，因此該規範將其要求與濃度掛鉤：當濃度不超過 LFL 的 10% 時啟動通風，並將氣體濃度保持在 25% 以下。檢測電解液蒸氣或其他揮發性有機化合物 (VOC) 的廢氣感測器可以發出電池開始排氣的早期預警，許多系統利用該訊號停止充電或隔離機架。但這些感測器通常會報告氣體的存在，而且通常以相對指數的形式呈現，而不是外殼與 LFL 的接近程度。它們無法顯示通風是否有效，也無法顯示何時達到 10% 的閾值。氫氣易燃，可在很寬的濃度範圍內燃燒，並且佔鋰離子電池排氣的大部分，因此快速讀取氫氣濃度可以直接測量此裕度。廢氣檢測是氫氣監測的補充；它並不能取代它。
Sensor accuracy, calibration and testing
無論儲能係統（BESS）容器位於公用變電站還是偏遠的太陽能電站，關鍵在於營運商能否可靠且經濟高效地維護安全系統。任何需要進行衝擊測試或校準的氣體監測器最終都會迫使使用者在放棄維護和承擔風險之間做出選擇。而自校準感測器則避免了這種選擇。由於感測器能夠持續進行自校準，因此無需攜帶校準氣體，也無需安排校準服務。
要謹慎對待那些宣稱「無需校準」的監視器。通常，這意味著校準漂移被減緩了，而不是精度得到了檢查，因此精度可能會悄無聲息地下降，直到發生故障。其他設計透過要求定期更換感測器來限制漂移，但這本身就是一項維護工作，會增加成本。監測器還應該檢查自身的電子元件狀態並報告結果，這樣就不會有人僅僅因為綠燈亮起就認為它工作正常。自檢的有效性取決於背後的證據。一種行之有效的方法是獲得UL 2075認證，UL 2075是氣體和蒸汽探測器及感測器的安全標準，它測試探測器能否識別並報告故障情況。認證可以讓規範制定者獨立確信監測器的自我檢測功能確實有效。
為儲能係統選擇合適的氫氣監測器
在所有電池儲能係統部署中，鋰離子電池安全和鋰離子電池監控都歸結為以下四點：
- 氫氣感測器的響應速度與鋰離子電池的失效速度相符。
- 氫氣感測器精度高，且不會在不知不覺中下降。
- 無需校準或日常維護的氫氣監測，因此無需任何人打開容器進行維護。
- 一種無需觸碰即可使用 10 年或更長時間的氫氣感測器。
這些功能決定了總擁有成本，甚至決定了安全系統在最關鍵的時刻能否正常運作。
這些要求指導了 H2scan鋰離子電池 HY-GUARD® RS 氣體監測系統的開發。
HY-GUARD RS氫氣監測系統：
- 專為鋰離子電池速度而設計： 顯示器反應時間不到10秒。
- 持續進行自我校準： 無需打開容器門，也無需校準瓶。專利固態感測器技術可持續進行自校準。
- 自檢技術： 此顯示器會檢查自身電子元件的健康狀況，避免了僅憑綠燈亮起就斷定顯示器正常運作的風險。 HY-GUARD RS 已完成 UL 2075 測試，目前正在申請認證。
- 免維護： 使用壽命超過 10 年，無需例行現場重新校準。
- 透過 Modbus 總線將最多四個單位串聯起來： 透過一條 Modbus 菊花鏈最多可連接四個 HY-GUARD RS 監視器，以覆蓋需要多個監控點的貨櫃。每個單元都是完整的監控器，可獨立運作。
- 內建通訊和安全輸出： 每個監視器提供 Modbus RTU、4-20 mA 和直接繼電器輸出，以連接到現場的監控系統，無論是 BESS 中的能源管理系統 (EMS)、資料中心中的樓宇管理系統或變電站中的 SCADA，並發送警報、啟動風扇和其他功能安全控制裝置。
HY-GUARD RS 系統完全自主運行，無需顯示器或控制器。對於需要更多功能的操作人員，選購的 HY-SIGHT™ 控制器可新增觸控螢幕顯示器，從多達四個 HY-GUARD RS 或標準 HY-GUARD 監視器擷取資料。此顯示器連接到連接各監視器的同一條 Modbus 菊花鏈。使用時，此 Modbus 鏈專用於顯示器，而每個監視器的 4-20 mA 和繼電器輸出仍繼續為現場監控系統和安全控制供電。 HY-SIGHT 控制器可實現已連接監控器的快速概覽。它還增加了歷史記錄和數據記錄等功能，以便進行分析。
與專家探討您的氫氣監測情況，並了解如何在提高安全性的同時消除日常感測器維護。
