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(rèn)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(dāng)，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(yùn)輸、儲存、加注過程發(fā)生了氫安全事故，導(dǎo)致當(dāng)?shù)匦紩和＜託湔具\(yùn)營，引發(fā)了業(yè)界對 FCEV 產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的擔(dān)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(yùn)、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(xué)認(rèn)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(diǎn)，密度為 0.0899 kg/Nm3，沸點(diǎn)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(xué)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(xué)性質(zhì)
一是氫氣爆炸濃度下限與燃燒濃度下限差值遠(yuǎn)高于汽油和天然氣。為了強(qiáng)調(diào)其爆炸的危險性，一些文獻(xiàn)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(dāng)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(dāng)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(kuò)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(fēng)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(dá)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)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(yùn)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(xué)性質(zhì)，氫氣的危險性不高于天然氣。天然氣已經(jīng)進(jìn)入千家萬戶成為日常使用的清潔燃?xì)?，像管理天然氣一樣管理氫氣，落?shí)安全措施，氫能是可以安全利用的。鑒于氫氣的物理化學(xué)性質(zhì)和天然氣安全使用的經(jīng)驗(yàn)，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(jī)間要具備良好的通風(fēng)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(qiáng)制通風(fēng)設(shè)備，氫氣泄漏時要能夠迅速啟動強(qiáng)制通風(fēng)設(shè)備，使氫氣盡快向空中擴(kuò)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(jī)構(gòu)和高校從 20 世紀(jì) 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(jìn)行氫能利用安全技術(shù)研究后，日本認(rèn)為其《高壓氣體保安法》可作為制定安全利用氫能標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)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(jī)構(gòu)，建有世界上第一座可以進(jìn)行 FCEV、電動汽車（EV）、內(nèi)燃機(jī)汽車火災(zāi)爆炸評價測試的大型試驗(yàn)倉，如下圖所示，還建有高壓氫氣試驗(yàn)設(shè)備、液壓試驗(yàn)設(shè)備、液化氫試驗(yàn)設(shè)備等。
日本自動車研究所的防爆火災(zāi)試驗(yàn)倉
開展了容量為 260 L 的 70 MPa 儲氫瓶破壞性試驗(yàn)、FCEV 整車火燒試驗(yàn)、氫氣泄漏火災(zāi)爆炸試驗(yàn)、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(yàn)、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(xiàn)。
（二）高壓儲氫瓶設(shè)計(jì)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(jī)出口壓力及儲氫瓶最高壓力達(dá) 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(jì)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(qiáng)度達(dá)到長期使用要求。儲氫瓶設(shè)計(jì)及制造技術(shù)的可靠性要通過水壓爆破試驗(yàn)、槍擊試驗(yàn)和火燒試驗(yàn)測試等檢測，還要通過汽車碰撞試驗(yàn)測試儲氫瓶的安全性。
日本70 MPa 儲氫瓶水壓爆破試驗(yàn)壓力為200 MPa，90 MPa 儲氫瓶水壓爆破試驗(yàn)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(yàn)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(dāng)暴露在火災(zāi)中的儲氫瓶內(nèi)溫度達(dá)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(dá) 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(jìn)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(jìn)行穩(wěn)定性和可靠性測試。加氫使用的流量計(jì)要經(jīng)過高壓氫環(huán)境下計(jì)量準(zhǔn)確性測試。氫氣泄漏或著火后自動檢測報警的傳感器要進(jìn)行靈敏性準(zhǔn)確可靠性測試。
需要進(jìn)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(shí)驗(yàn)室，其中包括抗爆試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室，他們既研究測試試驗(yàn)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(jī)、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(jìn)行報警。高壓儲氫間、氫壓縮機(jī)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(jì)，室外加氫機(jī)頂棚設(shè)計(jì)要有利于氫氣向高空擴(kuò)散。
（五）FCEV 安全設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(jì)，利于氫氣擴(kuò)散，確保氫氣泄漏后不積聚。
加強(qiáng)我國車用氫能安全技術(shù)研究與標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)的建議
（一）總體規(guī)劃設(shè)計(jì)，加大科技投入，形成以國家氫能安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn) FCEV 發(fā)展目標(biāo)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(jì)并籌建氫能安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。要借鑒國外經(jīng)驗(yàn)，明確氫能安全技術(shù)必須覆蓋的研究項(xiàng)目、必須建設(shè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)施和裝備，建設(shè)投資和日常研究經(jīng)費(fèi)應(yīng)列入中央財政，確保適時投入。氫能安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定應(yīng)由國家實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)。
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(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)應(yīng)由國家安全生產(chǎn)主管部門審定批準(zhǔn)，測試儀器設(shè)備設(shè)施和技術(shù)力量應(yīng)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)證。逐步形成以氫能安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)體系
建立先進(jìn)完整的車用氫能安全標(biāo)準(zhǔn)體系，是支撐 FCEV 及相關(guān)產(chǎn)業(yè)科學(xué)、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(yùn)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(jìn)、完整的標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)送車輛法》。針對加氫站遵循的法律標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范主要有：《高壓氣體保安法》《消防法》《建筑基準(zhǔn)法》《加氫站安全檢查標(biāo)準(zhǔn)》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(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)缺少完整性，有些標(biāo)準(zhǔn)也缺少先進(jìn)性。如《加氫站技術(shù)規(guī)范》，是十年前借鑒國外標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)相比，先進(jìn)性存在不足。近十多年來，國際氫能利用快速進(jìn)步，安全標(biāo)準(zhǔn)也在實(shí)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(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上不斷修改完善我國車用氫能安全標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)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(jī)等均不具備產(chǎn)業(yè)化能力，完全依靠進(jìn)口。不脫除此瓶頸約束，F(xiàn)CEV 成為我國經(jīng)濟(jì)未來的增長點(diǎn)是不可能實(shí)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(biāo)志。應(yīng)加大科研投入，開展70 MPa、90 MPa 儲氫瓶和氫氣壓縮機(jī)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(shí)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(tuán)有限公司
