据储能界了解到，今年10月12日-13日，主题报告环节，应急管理部天津消防研究所副研究员 许晓元博士发表主题演讲《储能系统液氮灭火及全浸没抑制技术》。
应急管理部天津消防研究所副研究员 许晓元博士
【以下为演讲实录】：
大家好！我是来自应急管理部天津消防研究所的许晓元，今天给大家汇报的题目是《储能系统液氮灭火及全浸没抑制技术》，将从四个方面来进行汇报：
壹
研究背景
2023年：全球新型储能累计装机规模达91.3GW，是2022年同期的近两倍。其中，锂电池继续高速增长，年增长率超过100%；我国新型储能累计装机规模达到34.5GW，近似呈指数增长。电化学储能是实现能源革命的重要支撑技术，但近年来频频发生储能电站火灾，这也提醒我们消防安全是行业面临的最严峻的挑战。
据不完全统计，全球共发生近100起储能电站的火灾事故，由于电池热失控发生的气体是易燃易爆的，所以在救援过程当中爆炸造成了救援人员的伤亡，并且因为电池燃烧是内部的电化学反应，不易被阻止，因此，在扑救的过程当中是极其困难的，很多起事故都是长达十天以上，非常容易发生复燃。比如今年5月份美国储能电站发生火灾，从分析来看，它中间复燃了近三次，连续扑救将近15天，最终火灾控制是因为扑灭救援、还是自然燃烧结束也不尽知道。
锂电池储能系统火灾抑制的难点是，不仅要灭火，还要防止复燃、抑制爆炸。正是因为储能系统，它是由上万块电池这种高能量聚集体组合而成，火灾的负荷是很大的，而且它燃烧时呈喷射的射流状，灭火并不容易。同时，电池燃烧是内产热、内蓄热，灭火剂降温是比较困难的，所以它非常容易复燃。而且热失控气体产生大量的易燃易爆的、含氢气的混合气体，它的爆炸极限范围是非常宽的，非常容易爆炸。
目前，我们缺乏适用锂电池火灾特性的灭火、降温和抑爆协同技术。对于主要的传统灭火技术的灭火性能，我们进行了一个对比试验，其中包括七氟丙烷、全氟己酮、细水雾和F-500。结果表明，现有的技术基本能够扑灭明火的，但是对热失控的电池和模组，它的降温效果是显著不足，因此它是非常容易发生复燃，而且几乎是没有抑制爆炸的效能。
贰
液氮灭火技术
介绍一下应急管理部天津消防研究所在液氮灭火技术开展的各项研究。液氮分离于空气之中，因此它是具备本质上的清洁环保，即GWP、ODS值为零。液氮的沸点非常低-196.56℃，气液比则高达696（21℃），而且气化潜热也比较高。目前液氮在电子、冶金等工业领域都是应用广泛。
在灭储能系统火灾时，液氮有灭火、冷却、抑爆协同的作用。首先在灭火的机理上，因为液氮释放后会形成大量的氮气充满整个空间，降低氧气的浓度，因此它有隔氧窒息的作用。在汽化过程中，液氮会吸收大量的热，有持续降温的作用。同时，氮气是惰性气体，大量氮气会稀释空间当中的可燃气体的浓度，最后使得热失控气体，比如氢气、一氧化碳等混合气体的爆炸极限变窄，不容易被点爆。
对液氮灭火，我们开展了很多不同层级的实体实验。首先介绍液氮在灭火和冷却方面的一些实验研究。
01
液氮灭火特性研究
针对IP67液冷机箱的电池模组，我们开展了多次实验。灭火时间大约是4秒到27秒，模组内部的最低温度可以达到 -99.3℃。可以看出来，液氮可以有效地扑灭因外部触发主动点火引起来的电池火焰，并且没有发生电池的热扩展，也就是说，其他没有被触发的电池是没有发生热失控的。
除了针对液冷机箱，我们还对风冷机箱的电池模组的灭火开展了研究，灭火时间大约是3秒钟。我们知道，热失控的电池如果不被抑制的话，它的表面温度能达到几百度，但是我们在灭火的过程当中，热失控电池的最高温度仅仅达到了70.6℃，而且电池的平均温度是39.2℃。通过结果可以看出，液氮是可以高效扑灭因为过充触发主动点火引燃的电池的火焰，并且也没有发生热失控的扩展。
除了对模组的研究，我们还对电池簇灭火进行了实验研究。可以看到，在灭火的过程当中，灭火的时间仅仅是4秒，并且电池簇电池所触发的Pack最低温度在30分钟的时候达到-53℃。
除了模组层级和簇层级，我们还针对20尺储能仓实体灭火实验开展了研究，采用的电池是280Ah的磷酸铁锂的电池，灭火的时间大约也是3秒钟。我们通过探测电池箱里面的电池温度达到了-146℃。并且还探测了两种指标：首先是氧气的浓度低于14%的时间达到了40分钟以上，这是因为氧气的浓度越低，它几乎就不会被点燃、点爆，这是它的燃烧机理，而氮气的浓度高于90%的时间是达到了23分钟以上。
因为的电池越来越大，可能第三代的储能电池能达到625Ah，而目前市场上是280Ah、314Ah，包括有个别厂家的320Ah的。对放在20尺集装箱内部的320Ah大容量电池组成的液冷机箱，我们开展了一个实体的火灾实验，实验表明，它的灭火时间非常短，仅仅是3秒，而且箱内最高的温度是-15.6℃，最低的温度达到-184℃。氧气浓度低于14%的时间、氮气浓度高于90%的时间也都是均大于100分钟，可以保证它完全不复燃，不会被点爆。除了对正常的电池研究之外，我们还对梯次利用的电池也开展了大量研究。
02
氮气惰化抑爆特性研究
前面讲到液氮在灭火和冷却降温方面的作用，下面讲一下液氮在惰化抑爆方面的特性。电池PACK爆炸现象及危害实验中，仅仅是触发了一块280Ah的磷酸铁锂电池，就会发生强烈的爆炸把完好的集装箱就给炸开。
在一个关于模拟储能仓内爆炸现象及危害的实验中，这四个视频几乎都是同一个工况，均在27m、模拟20尺集装箱、专门做爆炸的实验平台里面，我们触发了3块280Ah电池，仅仅是3块，我们给它一个点火源发生的爆炸。同时我们做了一个对比实验（抑爆浓度和抑爆时间），也是触发3块280Ah的电池，让它产生易燃易爆的气体，我们同时给它充液氮，不断地点火，结果没有发生被点爆的情况。这说明氮气已经把可燃可爆气体的浓度大大降低，消除了爆炸的风险。
基于一个国家重点专项，以应急管理部天津消防研究所为主，联合科大、南方电网等多个单位，研发了单元式液氮灭火抑爆装置。目前，该装置已经发展到了第四代机，并研发了一些关键的构件，比如高效低耗制冷的组件、承压液氮储存装置、系列液氮专用的喷嘴、控制的联动系统等。除了这些系统的研发之外，我们还做了很多关于液氮管道输送的实验研究，建立了水力计算模型公式，解决了工程应用的一些难题。
03
液氮灭火冷伤害研究
液氮是超低温的环境，所以我们对液氮灭火冷伤害做了多次研究。这一组典型的实验，应用了计算机、UPS电源，含管理系统的储能电源、电池单体等等，我们持续喷射了6分钟的液氮，它的温度最低达到了-63.5℃。实验发现，这个台式的计算机在-52℃的时候停止工作了，以后也没有恢复工作。但是除了计算机之外，其他的电池或者电器元件都是正常工作，也是在模拟真实运行的环境。
下面这一组视频是做的电池Pack里边，我们给它充液氮去研究冷伤害对电池和里边的电池管理系统的影响，箱内温度可以达到-188℃。研究发现，电池在被冷伤害了之后还能正常使用，电池管理系统的性能也没有发生任何改变。
同时，我们也对液氮的经济性做了比较深入的比较和研究，包括四个方面：设备灭火剂的价格、工程材料、施工的价值以及运营的成本，对比对象是我们目前常用的传统灭火系统，比如七氟丙烷、全氟己酮等。
设备和工程材料施工基本上是相同的，但是比较灭火剂的价格，液氮的价格就远远低于全氟己酮和七氟丙烷。运营的成本方面，因为液氮是超低温的，它需要耗电的制冷的设备，但得益于现在制冷的技术已经得到一个非常好的发展，在医疗行业也得到了常规的应用，所以它每天耗电大约是5度电，而且液氮会有一个汽化的过程，但是它每一年液氮质量损耗仅仅达到1%，是在我们工程可接受范围之内。
对液氮系统的正常运用，我们做了大量真实运行的测验，有的是90天，有的是30天。30天的实验结果表明，它的平均日消耗电度是4度电，因为制冷的机箱不是24小时都在运动的，它是间歇的，大约工作的时间是4.6小时，30天平均液氮质量损失率是0.008%。液氮灭火系统在我们所的大力推崇之下也已经进行了非常好的转化，而且是多个项目进行了应用，在广东、惠州、南宁的储能电站已经工程应用了。
近两年，液氮灭火技术在各个大型的比赛上面也得到了非常好的评价，首先是工信部主办的第二届先进储能技术创新挑战赛得了一等奖，第八届国际储能创新大赛得了优秀奖，第一届新能源电子产业创新大赛得的是银奖。
叁
全浸没抑制技术
下面介绍一个市场上非常火的前沿技术，叫全浸没抑制技术。全浸没抑制技术的意思是我们把电池浸泡在一个绝缘的液体里面，不仅在冷却和它发生热失控的消防的抑制上面，有一个非常好的处置。
* 电池热失控浸没液应急处置技术
我们开发了一个平台，这个平台可以在热失控发生后，我们紧急将这些液体注入到Pack箱里面，去看看它抑制的效果。首先开展的研究是模拟电池已经发生热失控了，我们40秒紧急注入，把它给注满浸没，大约在160秒的时候就已经能够遏制电池的产烟。它在浸没40秒浸满的时候，电池的温度能够瞬间下降200℃，最大的降温速率也能达到将近80℃/秒，整个过程中电池的表面温度小于300度。
刚才是电池已经发生热失控的情况，如果监测到电池开阀就开始40秒注入，把浸没液注满浸泡电池，它又是一个什么情况？通过实验研究发现，在这种紧急处置的情况下，后来电池是没有发生热失控，电压维持比较正常的3.3V，而且它的降温速率能达到将近18℃，电池表面的温度持续保持在120℃以下。
* 全浸没电池模组热安全测试
我们也做了一些产品的性能测试研究。这个产品是某大型生产厂商委托我们做的测试，目标就是想知道全浸没液把这些电池浸没的情况下，它的热失控扩展抑制的能力。第一组是一个模组，串联起15块280Ah的电池，触发最中间的那块电池，并且根据36276最新的要求，我们是保持电池电器的连接。大约在1000秒的时候，触发电池开阀了，在将近1200秒的时候，出现了少量的青烟，这和我们原来没有浸泡的电池是有很大的区别。一般情况下，这个电池在未触发热失控之后，开阀之后就有大量的白烟。在1246秒的时候，出现了一些浓稠的烟雾，在3000秒它的烟气完全结束。
分析结果还是非常好的，我们触发的这块电池全程温度最高仅仅是105℃，而且它周围的电池紧紧相连，没有做任何蔓延阻隔的，温度是68℃，浸没液的温度也是慢慢上升到了52℃，中间没有发生任何起火爆炸的迹象和现象，24小时后去检查，除了被触发的那块电池已经开阀，其他的电池都是完好无损的。
* 全浸没电池簇热安全测试
这一次实验也是用了相同的电池，只不过它的产品更加超过我们的想象，他把7个模组的1500V的电池串联起来的，给它浸没到浸没油里面。为了加大对它考核的能力，我们同时触发了3块电池。实验中，大约在1400秒的时候出现轻微冒泡，1537秒开始冒烟、开始积聚多上部的气箱空间里边，在1562秒慢慢蔓延到了储能柜外部，1784秒的时候产烟完全结束。通过我们外部的观测和数据的测量，这个产烟是非常少的。
这个结果比较良好，因为同时触发了3块电池，触发电池最高的温度达到190℃，远远低于我们没有用抑制这种技术的温度。周围其他的电池达到72℃，浸没液的最高温度达到53℃。从外面来观看这个储能柜，它外部的温度仅仅提高了7℃，也是没有发生电池热失控的扩展。
* 高压拉弧浸没液产气特性研究
由于电池在高压的环境里边，它有可能因为极端的情况高压拉弧，产生对浸没液的一些分解产生气体，我们专门做了一个高压拉弧浸没液产气的平台。这个平台我们在这上面已经开展了三类变压器绝缘油的一些不同电压下、不同温度下产气的特性。这个变压器浸没油被分解产生出来的气体大约是氢气、乙烯、甲烷、二氧化碳和乙烷。通过图表可以看出来，氢气的浓度大约占到了85%到90%之间。通过分析这些数据，氢气所占的浓度随着浸没液油的温度上升而下降，随着电压的上升，先下降后上升。
肆
资源与平台
我们建立了一个国内领先、国际知名的新能源火灾研究中心，它包括氢气、动力电池、储能、光伏、风力发电等等，我们还联合中国电力成功申报了电化学、能源、应急管理部的重点实验室。
我们从事锂电池火灾的团队一共有4个，分别是锂电池火灾抑制团队、锂电池火灾分级和评价的团队，还有专门的火灾调查团队，灭火装置、灭火系统有效性评价的研究团队。
建立了非常完善的各种级别的平台，针对电池热失控特性，电池热失控气体的组分、气体燃爆的特性，因为我们这个团组原来就是做气体爆炸的以及大型量热的仪器，针对这个模组簇的火灾热失控速率演变的过程，都可以进行研究。除了这些，还对模组簇层级建立了储能灭火系统研究的实验平台。
我的汇报到此结束，谢谢！
评论