中國儲能網(wǎng)訊：中國車用氫能產(chǎn)業(yè)正處于快速起步階段。充分認識氫氣的危險性、安全利用氫能是我國車用氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的基礎(chǔ)。
氫氣是易燃易爆氣體，利用過程的安全措施一旦失當，容易發(fā)生著火爆炸事故，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，但目前對氫氣的危險性解讀存在一些誤區(qū)。2019 年，美國、韓國、挪威分別在氫運輸、儲存、加注過程發(fā)生了氫安全事故，導(dǎo)致當?shù)匦紩和＜託湔具\營，引發(fā)了業(yè)界對 FCEV 產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的擔憂和對氫能利用安全技術(shù)研究的重視與關(guān)注。氫能安全利用貫穿氫氣的生產(chǎn)、儲運、加注、FCEV 利用等環(huán)節(jié)，是 FCEV 產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的首要保障。
科學認識氫氣危險性，合理制定用氫安全對策
氫氣的理化性質(zhì)
氫是自然界廣泛存在的元素，煤炭、石油、天然氣、動物、植物乃至人體都含有氫元素。氫氣具有無色、無味、無毒、可燃易爆的特點，密度為 0.0899 kg/Nm3，沸點為 –252.8℃，常溫下，氫氣性質(zhì)穩(wěn)定。下表列出了汽油、天然氣、氫氣的物理化學性質(zhì)。與汽油和天然氣相比，氫氣具有三個特性。
汽油、天然氣、氫氣的物理化學性質(zhì)
一是氫氣爆炸濃度下限與燃燒濃度下限差值遠高于汽油和天然氣。為了強調(diào)其爆炸的危險性，一些文獻資料只介紹爆炸濃度范圍，甚至將燃燒濃度范圍直接作為爆炸濃度范圍。在分析氫氣的安全性時，既要關(guān)注燃燒濃度范圍，也要關(guān)注爆炸濃度范圍。兩者之間是有明顯差異的，如果將氫氣的燃燒濃度范圍當作爆炸濃度范圍，就放大了氫氣的易爆性。
二是氫氣燃燒時單位體積發(fā)熱量和單位體積爆炸能相對較低。氫氣燃燒時單位體積發(fā)熱量僅為汽油的 0.053%，單位體積的爆炸能量為汽油的 4.57%。
三是氫氣的比重最低。當空氣的比重為 1 時，汽油蒸氣的比重在 3.4~4.0，氫氣僅為 0.0695，汽油在空氣中泄漏時會積聚在地面上，氫氣泄漏至空氣中很容易向上擴散，在受限空間內(nèi)會集聚在上部，如果受限空間的上部有良好的通風措施，氫氣就不容易集聚。
氫與材料的相容性問題
氫與材料的相容性問題是高壓氫氣系統(tǒng)選擇金屬材料時必須十分重視的問題，與儲氫瓶、管線、閥門、儀表、管件使用中的安全性密切相關(guān)。
氫脆
氫氣在達到一定溫度和壓力時，會解離成直徑很小的氫原子向金屬材料中滲透，進入材料的氫原子又會在材料內(nèi)部轉(zhuǎn)化為氫分子，還會和材料中的碳發(fā)生反應(yīng)造成脫碳并生成甲烷，從而在材料內(nèi)部產(chǎn)生很大的應(yīng)力，使材料的塑性和屈服強度下降而造成材料發(fā)生裂紋與斷裂。如何選擇材料防止氫脆，提高氫氣與材料的相容性應(yīng)進行必要的研究，而且 FCEV 供氫系統(tǒng)要在升壓降壓反復(fù)循環(huán)條件下長期運行，材料選擇時還必須十分關(guān)注材料的抗疲勞性能。
氫能利用的安全對策
氫氣和天然氣均為易燃易爆氣體，對比物理化學性質(zhì)，氫氣的危險性不高于天然氣。天然氣已經(jīng)進入千家萬戶成為日常使用的清潔燃氣，像管理天然氣一樣管理氫氣，落實安全措施，氫能是可以安全利用的。鑒于氫氣的物理化學性質(zhì)和天然氣安全使用的經(jīng)驗，氫氣的安全利用應(yīng)遵守三個基本原則：
一是不泄漏，即防止氫氣尤其是壓縮氫氣系統(tǒng)的氫氣泄漏。要確保儲氫瓶、閥門、安全閥、管件、接頭及連接件、儀表、墊圈的可靠性，選用的金屬材料與氫要有良好的相容性。
二是早發(fā)現(xiàn)，即氫氣泄漏后能及早發(fā)現(xiàn)。要在容易發(fā)生氫氣泄漏的部位設(shè)置高靈敏度的氫氣濃度自動檢測儀表及報警裝置，一旦發(fā)生泄漏能及時報警處理。
三是不積累，即防止氫氣泄漏后的積聚。受限空間如加氫站儲氫瓶的儲存間和氫氣壓縮機間要具備良好的通風性能，易發(fā)生氫氣泄漏的部位要設(shè)置與氫氣檢測報警聯(lián)動的防爆強制通風設(shè)備，氫氣泄漏時要能夠迅速啟動強制通風設(shè)備，使氫氣盡快向空中擴散。
日本氫能安全技術(shù)研究及啟示
（一）日本支持氫能發(fā)展戰(zhàn)略的安全技術(shù)研究
日本在建設(shè)氫能社會和發(fā)展 FCEV、家用燃料電池等領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位。在政府的支持下，日本企業(yè)、科研機構(gòu)和高校從 20 世紀 80 年代起就圍繞氫能利用的基礎(chǔ)理論、應(yīng)用技術(shù)、儀器儀表裝備制造等開展了系統(tǒng)研究，其中，氫能利用中的安全技術(shù)是最為重要的內(nèi)容之一。進行氫能利用安全技術(shù)研究后，日本認為其《高壓氣體保安法》可作為制定安全利用氫能標準規(guī)范的依據(jù)。
由政府與汽車企業(yè)各提供 50% 資金建設(shè)和運行的日本自動車研究所是日本開展車用氫能安全研究的重要機構(gòu)，建有世界上第一座可以進行 FCEV、電動汽車（EV）、內(nèi)燃機汽車火災(zāi)爆炸評價測試的大型試驗倉，如下圖所示，還建有高壓氫氣試驗設(shè)備、液壓試驗設(shè)備、液化氫試驗設(shè)備等。
日本自動車研究所的防爆火災(zāi)試驗倉
開展了容量為 260 L 的 70 MPa 儲氫瓶破壞性試驗、FCEV 整車火燒試驗、氫氣泄漏火災(zāi)爆炸試驗、高壓氫系統(tǒng)設(shè)備破壞性測試、容器閥門等的循環(huán)壽命和耐久性試驗、高壓氫安全加注程序研究，以及 FCEV、電動汽車和汽油車安全性對比研究等，為支撐日本車用氫能安全利用做出了重要貢獻。
（二）高壓儲氫瓶設(shè)計制造與安全可靠性檢測
日本 FCEV 采用 70 MPa 的高壓氫氣，加氫站氫氣壓縮機出口壓力及儲氫瓶最高壓力達 90 MPa，儲氫瓶制造的可靠性及安全性能測試十分重要。70 MPa、90 MPa 儲氫瓶一般采用 3 層結(jié)構(gòu)，表層采用玻璃纖維復(fù)合材料，中間層采用碳纖維復(fù)合材料，III 型瓶內(nèi)層采用鋁合金內(nèi)膽，IV 型瓶內(nèi)層采用塑料內(nèi)膽。儲氫瓶口與出口閥的結(jié)合部位通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計確保閥門在使用壓力下不會像炮彈出膛一樣被沖出，瓶身部位玻璃纖維及碳纖維復(fù)合材料采用特殊的纏繞方法確保儲氫瓶的強度達到長期使用要求。儲氫瓶設(shè)計及制造技術(shù)的可靠性要通過水壓爆破試驗、槍擊試驗和火燒試驗測試等檢測，還要通過汽車碰撞試驗測試儲氫瓶的安全性。
日本70 MPa 儲氫瓶水壓爆破試驗壓力為200 MPa，90 MPa 儲氫瓶水壓爆破試驗壓力為300 MPa，高于 ISO/TS15869、ISO11439 等關(guān)于高壓儲氫瓶的破壞性試驗壓力為操作壓力 2.25 倍合格值的規(guī)定。用 7.62 mm 穿甲彈正面槍擊儲氫瓶，子彈卡在儲氫瓶殼層內(nèi)，不能擊穿瓶體。當暴露在火災(zāi)中的儲氫瓶內(nèi)溫度達到 105 ℃后，儲氫瓶熔斷安全閥會迅速打開，朝預(yù)先設(shè)定的熔斷閥出口方向快速泄放，70 MPa 容積為 60 L 的儲氫瓶大約需要 1 min 排空氫氣，瓶內(nèi)氣體噴射的氫氣迅速燃燒不發(fā)生爆炸，火焰長度最長可達 10 m。豐田 Mirai FCEV 被 80 km/h 車輛追尾碰撞造成車身損毀時儲氫瓶完好無損。
（三）高壓氫系統(tǒng)設(shè)備材料安全性能評價測試
高壓氫氣系統(tǒng)使用的金屬材料必須經(jīng)過材料安全性能測試（見圖 3）。加氫槍使用的軟管在高壓下要能反復(fù)經(jīng)受低溫（–40℃）到高溫（85℃）的循環(huán)測試。截止閥、流量調(diào)節(jié)閥、緊急切斷閥、安全閥、高壓氣瓶熔斷閥等閥門和管件墊圈都要在高壓氫環(huán)境下進行長期使用性能測試。加氫槍加氫時充注的氫氣溫度高于 85℃時，必須立即停止加氫的溫度傳感器和光纖要進行穩(wěn)定性和可靠性測試。加氫使用的流量計要經(jīng)過高壓氫環(huán)境下計量準確性測試。氫氣泄漏或著火后自動檢測報警的傳感器要進行靈敏性準確可靠性測試。
需要進行可靠性測試的加氫系統(tǒng)關(guān)鍵組件
為做好上述高壓氫氣系統(tǒng)的設(shè)備儀表材料安全性能的評價測試，福岡市政府投資建設(shè)了福岡氫能測試研究中心，該中心有齊全且專業(yè)的測試實驗室，其中包括抗爆試驗倉、高壓氫用閥門耐久性測試、加氫高壓軟管低溫循環(huán)測試、O 型圈疲勞測試、加氫站儲氫瓶破壞性測試等測試實驗室，他們既研究測試試驗的方法，還接受設(shè)備及材料制造商和用戶的委托開展安全性能測試，合格后方可投放市場。
（四）加氫站安全技術(shù)措施
日本的加氫站一般建在交通便利、方便用戶的地段，或在人口稠密處或在交通要道上。日本允許在加油站內(nèi)建設(shè)加氫站，即油氫混合站。還允許加氫站內(nèi)建設(shè)集裝箱式天然氣或以丙烷為原料的制氫裝置，即在線制氫加氫站。加氫站內(nèi)既有大容量高壓儲氫瓶，也有高壓壓縮機、氫氣接卸設(shè)施。加氫站與周邊建筑物的安全距離只要求遵守《高壓氣體安全法》的規(guī)定，和居民住宅及各類公共設(shè)施的距離不小于 8 m，加氫站和民宅、公共設(shè)施設(shè)置厚10 cm 的隔離墻。
為確保加氫站的安全，采取的安全技術(shù)措施主要有：在氫氣容易泄漏的部位都設(shè)有高靈敏度氫氣泄漏檢測器，氫氣體積濃度高于 1% 時及時報警，設(shè)有多臺火焰檢測器，能及時發(fā)現(xiàn)站內(nèi)氫氣著火并進行報警。高壓儲氫間、氫壓縮機間等建筑物要考慮氫氣泄漏后不積聚，采用既防雨水又易排氣的屋頂設(shè)計，室外加氫機頂棚設(shè)計要有利于氫氣向高空擴散。
（五）FCEV 安全設(shè)計與安全性能測試
豐田 Mirai 的 2 個儲氫瓶用底盤和車體內(nèi)部空間實現(xiàn)隔離，SORA 公共汽車的 10 個儲氫瓶設(shè)置在車頂，靠頂板實現(xiàn)氫氣和汽車內(nèi)部空間的隔離，防止氫氣泄漏到車廂內(nèi)。
豐田 SORA 氫燃料關(guān)聯(lián)零部件設(shè)置示意圖
車身安裝碰撞傳感器，檢測到碰撞時會自動關(guān)閉儲氫瓶出口閥門。Mirai 在車身設(shè)置 2 臺氫氣探測器，SORA設(shè)置 4 臺氫氣探測器，檢測到氫氣泄漏時也會立刻關(guān)閉儲氫瓶出口閥門，確保氫氣泄漏后可檢測、可及時終止泄漏。車身采用流線型設(shè)計，利于氫氣擴散，確保氫氣泄漏后不積聚。
加強我國車用氫能安全技術(shù)研究與標準體系建設(shè)的建議
（一）總體規(guī)劃設(shè)計，加大科技投入，形成以國家氫能安全重點實驗室為主體，社會科技力量積極參與的研究體制
氫能安全技術(shù)是實現(xiàn) FCEV 發(fā)展目標的重要支撐性公用技術(shù)，應(yīng)由國家安全生產(chǎn)主管部門總體規(guī)劃設(shè)計并籌建氫能安全國家重點實驗室。要借鑒國外經(jīng)驗，明確氫能安全技術(shù)必須覆蓋的研究項目、必須建設(shè)的實驗設(shè)施和裝備，建設(shè)投資和日常研究經(jīng)費應(yīng)列入中央財政，確保適時投入。氫能安全國家重點實驗室的研究工作應(yīng)由國家安全生產(chǎn)主管部門管理，氫能安全利用的標準規(guī)范制定應(yīng)由國家實驗室負責。
氫能安全利用技術(shù)研究還需要發(fā)揮地方政府和企業(yè)的積極性，允許有條件的省市和企業(yè)建設(shè)氫能檢測與研究機構(gòu)，機構(gòu)應(yīng)由國家安全生產(chǎn)主管部門審定批準，測試儀器設(shè)備設(shè)施和技術(shù)力量應(yīng)滿足國家標準規(guī)范的要求，可有償接受氫能系統(tǒng)設(shè)備、材料、閥門、管件、儀器、儀表、加氫槍的檢測鑒定認證。逐步形成以氫能安全國家重點實驗室為主體，社會科技力量積極參與的研究體制。
（二）加快修訂完善車用氫能安全標準體系
建立先進完整的車用氫能安全標準體系，是支撐 FCEV 及相關(guān)產(chǎn)業(yè)科學、健康發(fā)展的迫切需要。車用氫能的開發(fā)利用涉及制氫、氫氣壓縮或液化儲存、運輸、加注、燃料電池、FCEV 等諸多環(huán)節(jié)，既要確保安全又要有利于 FCEV 的發(fā)展。日本在車用氫能領(lǐng)域建立了先進、完整的標準體系，如針對FCEV，高壓氫系統(tǒng)（包括高壓儲氫瓶和容器主閥）適用《高壓氣體保安法》，其余車輛系統(tǒng)適用《道路運送車輛法》。針對加氫站遵循的法律標準、規(guī)范主要有：《高壓氣體保安法》《消防法》《建筑基準法》《加氫站安全檢查標準》等。目前我國發(fā)展FCEV 的熱度不比日本低，但與 FCEV 安全有關(guān)的國家強制性標準缺少完整性，有些標準也缺少先進性。如《加氫站技術(shù)規(guī)范》，是十年前借鑒國外標準組織相關(guān)規(guī)范，經(jīng)國內(nèi)有關(guān)專家討論后制定的，與國外加氫站現(xiàn)行的技術(shù)標準相比，先進性存在不足。近十多年來，國際氫能利用快速進步，安全標準也在實踐中不斷修改完善，我們需要在系統(tǒng)研究安全技術(shù)和借鑒國外先進標準的基礎(chǔ)上不斷修改完善我國車用氫能安全標準體系。
（三）重視構(gòu)建 70 MPa 涉氫裝備制造體系
構(gòu)建 70 MPa 涉氫裝備制造體系，是發(fā)展 FCEV的一項重要基礎(chǔ)性工作。我國 70 MPa 以上壓縮氫系統(tǒng)裝備制造能力與日本、歐美存在較大差距，儲氫瓶、FCEV 及加氫站涉及的關(guān)鍵設(shè)備、儀表、閥門、加氫槍、壓縮機等均不具備產(chǎn)業(yè)化能力，完全依靠進口。不脫除此瓶頸約束，F(xiàn)CEV 成為我國經(jīng)濟未來的增長點是不可能實現(xiàn)的。70 MPa 涉氫系統(tǒng)的裝備制造與我國新材料研發(fā)與生產(chǎn)、高端裝備開發(fā)與制造能力密切相關(guān)，是裝備制造業(yè)邁向高質(zhì)量發(fā)展的重要標志。應(yīng)加大科研投入，開展70 MPa、90 MPa 儲氫瓶和氫氣壓縮機及關(guān)鍵零部件如閥門、儀表、高靈敏氫氣檢測傳感器、氫氣火焰?zhèn)鞲衅鞯闹圃炷芰リP(guān)，盡快實現(xiàn) 70 MPa 涉氫裝備由中國制造。
本文來源：中國石油化工集團有限公司
