作者：曹湘洪，魏志強
來源：氫能利用安全技術研究與標準體系建設思考[J].中國工程科學
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。
氫能安全利用的原則是什么？目前國內(nèi)外氫能安全利用方面的技術有哪些？我國應如何安全利用氫能？
近期，中國工程院曹湘洪院士科研團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》撰文，在分析氫氣的物理化學性質和氫氣與材料相容性問題后，提出了實現(xiàn)氫氣安全利用的三項基本原則，即不泄露、早發(fā)現(xiàn)、不積累。
文章系統(tǒng)介紹了日本在高壓氫能安全利用方面的研究成果與安全技術措施，提出了我國燃料電池汽車發(fā)展中安全利用氫能的建議：
一是總體規(guī)劃設計，加大科技投入，形成以國家氫能安全實驗室為主體，社會科技力量積極參與的研究體制；
二是加快修訂完善車用氫能安全標準體系；
三是構建70MPa涉氫裝備制造體系。
一、前言
我國燃料電池汽車（FCEV）產(chǎn)業(yè)剛進入市場導入期就呈現(xiàn)了快速發(fā)展的態(tài)勢，截止2019年年底，累計銷售燃料電池汽車6184輛，建成加氫站51座，形成了涵蓋氫生產(chǎn)、氫儲運、加氫站、燃料電池、FCEV及關鍵設備和部件的產(chǎn)業(yè)鏈雛形，20多個省市發(fā)布了指導和支持FCEV產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)劃、方案和意見，預計到2030年我國FCEV保有量將達200萬輛、加氫站數(shù)量達1000余座。
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研究的重視與關注。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。
相對于FCEV、加氫站及相關產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我國對氫能利用安全技術的系統(tǒng)性研究相對匱乏，落后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實需求，尚不具備支撐產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展的能力。
一是我國氫能安全技術研究基礎薄弱，氫能安全技術研究主要集中在氫燃料電池安全、氫行為、涉氫設備的材料相容性等基礎領域，研究力量分散、深度不足，涉氫設備、材料和部件的安全可靠性測試方法和檢測認證手段缺乏，燃料電池安全、整車安全、儲氫罐安全研究不能包括實際應用過程的所有事故場景，加氫站安全技術研究接近空白。
二是我國已建立的車用氫能安全法規(guī)標準缺少科學性和完整性。目前我國FCEV相關的標準制定由國家標準化委員會下設的若干標準技術委員會負責，主要涵蓋整車標準、燃料系統(tǒng)、基礎設施、通用基礎等方面。
這些標準以借鑒、參考、翻譯國外標準為主，缺乏足夠的實驗數(shù)據(jù)和必要的安全技術研究支撐。如《加氫站技術規(guī)范》（GB50516—2010）對加氫站與民用建筑的防火距離設置，我國規(guī)定為20~35m，國外采用風險評估后確定，日本控制在8m以上。簡單從嚴選擇，借鑒國外標準使標準的科學性、合理性不足，不利于我國FCEV產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。
三是我國不具備國外普遍使用的FCEV供氫系統(tǒng)裝備的產(chǎn)業(yè)化能力，與之相關的安全技術研究處于空白狀態(tài)。
國外供氫系統(tǒng)壓力普遍是70MPa，由于技術和制造能力限制，我國FCEV用氫壓力為35MPa。35MPa供氫壓力極大降低了FCEV的行駛里程，增加了氫氣的儲存運輸成本，未來采用70MPa系統(tǒng)是必然趨勢，必須有可靠的檢驗測試標準和方法做保障。
在制定標準時雖然可以借鑒國外的研究成果，但我國應該具備自主進行70MPa和90MPa儲氫瓶，加氫站建設使用閥門、管件、儀表、加氫槍等的安全可靠性及使用壽命測試認證的能力。
日本是世界上FCEV技術開發(fā)與市場推廣領先的國家，開展了系統(tǒng)的安全技術研究，建立了設施完備的車用氫能安全研究測試機構，形成了系統(tǒng)全面的臨氫承壓儲氫瓶、閥門、儀表、管件等的安全檢測檢驗方法和標準體系，其經(jīng)驗具有一定的參考和借鑒價值。
本文首先指出應科學認識氫氣的危險性，并根據(jù)氫氣的物理化學性質，合理制定用氫安全對策；然后以較大篇幅詳細介紹了日本的氫能利用安全技術研究情況及啟示；最后提出了加強我國氫能利用安全技術研究與標準體系建設的建議，以支撐我國FCEV產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。
二、科學認識氫氣危險性，合理制定用氫安全對策
（一）氫氣的物理化學性質
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0.0899kg/Nm3 ，沸點為-252.8℃，常溫下，氫氣性質穩(wěn)定。表1列出了汽油、天然氣、氫氣的物理化學性質。
與汽油和天然氣相比，氫氣具有三個特性：
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。易燃易爆氣體與空氣混合后遇明火引燃，當其濃度即單位體積能量密度達到引爆需要的能量時，才會發(fā)生爆炸，所以燃燒與爆炸的濃度范圍理論上是有差異的，但是不少易燃易爆氣體的燃燒濃度范圍限值與爆炸濃度范圍限值差異不大，準確測定困難，如汽油和天然氣的燃燒濃度范圍下限與爆炸濃度下限差值較小，汽油為0.1v%，天然氣為1.0v%。
為了強調其爆炸的危險性，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，既要關注燃燒濃度范圍，也要關注爆炸濃度范圍。
氫氣的爆炸濃度范圍是18.3v%~59.0v%，燃燒濃度范圍是4.0v%~75.0v%，兩者之間是有明顯差異的，如果將氫氣的燃燒濃度范圍（4.0v%~75.0v%）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。熟悉和了解氫氣的三個特性，對制定氫能安全利用對策十分重要。
表1 汽油、天然氣、氫氣的物理化學性質
（二）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。
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)部轉化為氫分子，還會和材料中的碳發(fā)生反應造成脫碳并生成甲烷，從而在材料內(nèi)部產(chǎn)生很大的應力，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。
前人對高溫高壓臨氫環(huán)境下如何防止氫脆與金屬材料的選擇開展了大量研究工作。
圖1顯示了溫度范圍在150~820℃臨氫作業(yè)用鋼防止脫碳和微裂的操作極限，可以作為目前FCEV供氫系統(tǒng)金屬材料選擇的參考，但是FCEV供氫系統(tǒng)壓力高，溫度不高，部分環(huán)節(jié)是低溫環(huán)境，使用的氫氣純度高，如何選擇材料防止氫脆，提高氫氣與材料的相容性應進行必要的研究，而且FCEV供氫系統(tǒng)要在升壓降壓反復循環(huán)條件下長期運行，材料選擇時還必須十分關注材料的抗疲勞性能。
圖1 臨氫作業(yè)用鋼防止脫碳和微裂的操作極限
（三）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，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和天然氣安全使用的經(jīng)驗，氫氣的安全利用應遵守三個基本原則：
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置與氫氣檢測報警聯(lián)動的防爆強制通風設備，氫氣泄漏時要能夠迅速啟動強制通風設備，使氫氣盡快向空中擴散。
三、日本氫能安全技術研究及啟示
（一）日本支持氫能發(fā)展戰(zhàn)略的安全技術研究
日本在建設氫能社會和發(fā)展FCEV、家用燃料電池等領域處于世界領先地位。2014年日本發(fā)布了建設氫能社會的路線圖，2017年發(fā)布了氫能發(fā)展戰(zhàn)略，明確了2020年和2030年的戰(zhàn)略發(fā)展目標（見表2），成為世界上第一個提出建設氫能社會的國家。
在政府的支持下，日本企業(yè)、科研機構和高校從20世紀80年代起就圍繞氫能利用的基礎理論、應用技術、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是最為重要的內(nèi)容之一。進行氫能利用安全技術研究后，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)。
表2 日本氫能發(fā)展戰(zhàn)略目標
由政府與汽車企業(yè)各提供50%資金建設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，建有世界上第一座可以進行FCEV、電動汽車（EV）、內(nèi)燃機汽車火災爆炸評價測試的大型試驗倉，如圖2所示，還建有高壓氫氣試驗設備、液壓試驗設備、液化氫試驗設備等。
開展了容量為260L的70MPa儲氫瓶破壞性試驗、FCEV整車火燒試驗、氫氣泄漏火災爆炸試驗、高壓氫系統(tǒng)設備破壞性測試、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。
圖2 日本自動車研究所的防爆火災試驗倉
（二）高壓儲氫瓶設計制造與安全可靠性檢測
日本FCEV采用70MPa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90MPa，儲氫瓶制造的可靠性及安全性能測試十分重要。70MPa、90MPa儲氫瓶一般采用3層結構，表層采用玻璃纖維復合材料，中間層采用碳纖維復合材料，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合部位通過特殊的結構設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。
儲氫瓶設計及制造技術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70MPa儲氫瓶水壓爆破試驗壓力為200MPa，90MPa儲氫瓶水壓爆破試驗壓力為300MPa，高于ISO/TS15869、ISO11439等關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7.62mm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，朝預先設定的熔斷閥出口方向快速泄放，70MPa容積為60L的儲氫瓶大約需要1min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10m。
豐田MiraiFCEV被80km/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經(jīng)受低溫（-40℃）到高溫（85℃）的循環(huán)測試。截止閥、流量調節(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。
圖3 需要進行可靠性測試的加氫系統(tǒng)關鍵組件
為做好上述高壓氫氣系統(tǒng)的設備儀表材料安全性能的評價測試，福岡市政府投資建設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)建設加氫站，即油氫混合站。還允許加氫站內(nèi)建設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施的距離不小于8m，加氫站和民宅、公共設施設置厚10cm 的隔離墻。
為確保加氫站的安全，采取的安全技術措施主要有：
在氫氣容易泄漏的部位都設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計，室外加氫機頂棚設計要有利于氫氣向高空擴散。
（五）FCEV安全設計與安全性能測試
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（見圖4），SORA公共汽車的10個儲氫瓶設置在車頂，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)（見圖5）。
車身安裝碰撞傳感器，檢測到碰撞時會自動關閉儲氫瓶出口閥門。Mirai在車身設置2臺氫氣探測器，SORA設置4臺氫氣探測器，檢測到氫氣泄漏時也會立刻關閉儲氫瓶出口閥門，確保氫氣泄漏后可檢測、可及時終止泄漏。
車身采用流線型設計，利于氫氣擴散，確保氫氣泄漏后不積聚。
圖4 豐田Mirai氫燃料關聯(lián)零部件設置示意圖
圖5 豐田SORA氫燃料關聯(lián)零部件設置示意圖
為評價氫氣泄漏對FCEV安全性能的影響，開展了氫氣擴散模擬試驗、氫氣著火時的燃燒動態(tài)試驗、管路等有微小泄漏點火試驗、氫氣泄漏后滯留在汽車某部位點火試驗、假設氫氣充滿在車廂點火試驗、通過安全閥放出的氫氣著火試驗、車輛著火試驗等。
氫氣泄漏后滯留在汽車某部位點火試驗以131L/min向汽車前后軸中間部位釋放氫氣，約100s后氫濃度達到23.8%，用電火花打火發(fā)生燃爆，前擋風玻璃附近和車體下部有高溫部位，燃爆壓沒有導致車體變形，熱輻射是地面太陽光熱量的1/10以下，沒有觀測到?jīng)_擊壓強，聲音壓強遠低于傷害耳膜的等級。
在氫氣充滿車廂點火試驗中，氫濃度在12%以下，電火花打火，瞬間氫氣著火，但不足以點燃車廂內(nèi)餐巾紙（燃燒發(fā)熱量小）；能使車玻璃破碎的爆炸沖擊波需要氫濃度達到40%以上。
在破壞FCEV儲氫瓶和汽油車油箱漏油后的車輛著火試驗中，F(xiàn)CEV的儲氫瓶氫氣泄放并向上燃燒，約1min后熄火。汽油油箱向下漏油，持續(xù)燃燒，導致輪胎和車體著火，車輛燒毀。電動汽車因電池溫度失控、隔膜破裂導致火災無法撲滅，著火時間約1h，車輛燒毀。試驗結果表明：FCEV的安全性與燃油車、天然氣車相當，優(yōu)于電動汽車。
四、加強我國車用氫能安全技術研究與標準體系建設的建議
（一）總體規(guī)劃設計，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
氫能安全技術是實現(xiàn)FCEV發(fā)展目標的重要支撐性公用技術，應由國家安全生產(chǎn)主管部門總體規(guī)劃設計并籌建氫能安全國家重點實驗室。
要借鑒國外經(jīng)驗，明確氫能安全技術必須覆蓋的研究項目、必須建設的實驗設施和裝備，建設投資和日常研究經(jīng)費應列入中央財政，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)范制定應由國家實驗室負責。
氫能安全利用技術研究還需要發(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)建設氫能檢測與研究機構，機構應由國家安全生產(chǎn)主管部門審定批準，測試儀器設備設施和技術力量應滿足國家標準規(guī)范的要求，可有償接受氫能系統(tǒng)設備、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《加氫站技術規(guī)范》，是十年前借鑒國外標準組織相關規(guī)范，經(jīng)國內(nèi)有關專家討論后制定的，與國外加氫站現(xiàn)行的技術標準相比，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)研究安全技術和借鑒國外先進標準的基礎上不斷修改完善我國車用氫能安全標準體系。
（三）重視構建70MPa涉氫裝備制造體系
構建70MPa涉氫裝備制造體系，是發(fā)展FCEV的一項重要基礎性工作。我國70MPa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及加氫站涉及的關鍵設備、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。
70MPa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，是裝備制造業(yè)邁向高質量發(fā)展的重要標志。
應加大科研投入，開展70MPa、90MPa儲氫瓶和氫氣壓縮機及關鍵零部件如閥門、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，盡快實現(xiàn)70 MPa涉氫裝備由中國制造。
