沈丹丹 高頂云, 潘相敏

1.上海舜華新能源系統(tǒng)有限公司

2.上海氫能利用工程技術(shù)研究中心

0 概述

“元者，氣之始也?！?/p>

人類的燃料從固態(tài)的柴薪、煤到液態(tài)石油，再進(jìn)一步發(fā)展到氣態(tài)的天然氣、氫氣，氣態(tài)能源的利用也不斷改變著我們的生活，提供了無(wú)限的可能。

2018年11月13日，路透社根據(jù)中國(guó)海關(guān)總署的數(shù)據(jù)測(cè)算認(rèn)為，中國(guó)已超越韓國(guó)、日本成為世界第一大液化天然氣進(jìn)口國(guó)。預(yù)計(jì)2019年，天然氣供應(yīng)量將繼續(xù)穩(wěn)步增加，但隨著“煤改氣”的繼續(xù)推進(jìn)，天然氣供需仍將處于“緊平衡”狀態(tài)。氫氣，作為綠色高效的二次能源，沒(méi)有石油能源的地理差異，且在地球上資源豐富，隨著環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的壓力，氫能將是人類理想的能源之一[1]。

凡是燃料都具有能量，都隱藏著著火和爆炸的危險(xiǎn)[2]。大家談“氫”色變的主要原因在于對(duì)氫的性質(zhì)了解的欠缺。氫氣在工業(yè)領(lǐng)域的安全使用已有100多年的歷史和經(jīng)驗(yàn)；氫氣在人們生活中作為能源角色的扮演更是在天然氣普及之前，城市人工煤氣內(nèi)氫氣的體積含量高達(dá)56%[3，4]；另外，航天領(lǐng)域內(nèi)液氫用于發(fā)射火箭，氫氣在醫(yī)學(xué)界的研究應(yīng)用等，都表明了在規(guī)范的制度下，氫氣的使用風(fēng)險(xiǎn)是完全可控的[5]。

1 氫氣的特性

氫的原子質(zhì)量為1.007 94 u，在0℃和1 atm下的密度僅為空氣的1/14，是自然界已知的最輕的元素[6]。氫氣是一種無(wú)色無(wú)味的氣體，易泄漏擴(kuò)散；氫氣在常溫常壓空氣中的可燃極限為4%～75%（體積分?jǐn)?shù)），可燃范圍寬；氫氣在常溫常壓空氣中的爆轟極限為18.3%～59%（體積分?jǐn)?shù)），爆轟速度為1 480～2 150 m/s[7]，易爆炸；氫氣對(duì)金屬材料有劣化作用，易發(fā)生氫腐蝕和氫脆；氫氣又是高能燃料，當(dāng)與空氣或其他氧化劑結(jié)合著火時(shí)，會(huì)釋放出大量的能量。因此，氫的使用確實(shí)存在著較高的風(fēng)險(xiǎn)，但“知己知彼，方能百戰(zhàn)不殆”，明確辨識(shí)了氫使用的危險(xiǎn)因素，深化人們對(duì)氫氣行為和特性的認(rèn)識(shí)，對(duì)預(yù)防氫氣應(yīng)用中的危險(xiǎn)事故具有積極的指導(dǎo)意義。

1.1 氫泄漏與擴(kuò)散

氫氣的泄漏根據(jù)泄漏源的不同分為液態(tài)氫泄漏和氣態(tài)氫泄漏。目前氫氣在燃料電池汽車、加氫站、分布式能源等的運(yùn)用場(chǎng)景中主要以氣態(tài)為主，本文主要介紹氣態(tài)氫氣的性質(zhì)與特點(diǎn)。氫氣從高壓儲(chǔ)存系統(tǒng)的泄漏將在出口外形成高壓、欠膨脹射流，并形成被稱為馬赫盤的激波結(jié)構(gòu)[8，9]，其擴(kuò)散長(zhǎng)度及可燃范圍是安全距離和危險(xiǎn)區(qū)范圍的重要影響因素。氫氣在車庫(kù)、加氫站、廠房等受限空間中泄漏后，易發(fā)生積聚，形成爆炸混合物，混合氣體增長(zhǎng)速率和濃度分布是決定應(yīng)急時(shí)間和探測(cè)器分布的基本依據(jù)[10]，可為氫氣泄漏安全預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

國(guó)內(nèi)外對(duì)氫氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律方面的研究，因?qū)嶒?yàn)研究高危險(xiǎn)、高費(fèi)用不易開(kāi)展等因素，目前多為數(shù)值模擬，清華大學(xué)柯道友等[11]對(duì)不同尺寸泄漏口的水平和垂直方向的兩種射流進(jìn)行了研究，預(yù)測(cè)了基于可燃極限計(jì)算的儲(chǔ)罐周圍的安全區(qū)域；李雪芳等[12]利用二維軸對(duì)稱幾何模型模擬了儲(chǔ)存壓力為10 MPa和20 MPa的高壓氫氣通過(guò)直徑為1 mm的小孔向周圍環(huán)境泄漏的問(wèn)題，得到了不同滯止壓力下氫氣的最低可燃輪廓和泄漏出口外的危險(xiǎn)區(qū)域范圍；楊燦劍[12]等利用MATLAB高斯擴(kuò)散程序得到爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的濃度曲線，利用CFD模擬了加氫站氫氣泄漏場(chǎng)景，得出在無(wú)風(fēng)和有風(fēng)（10 m/s）情況下氫氣的擴(kuò)散特點(diǎn)及爆炸危險(xiǎn)區(qū)域；余照[13]針對(duì)高壓儲(chǔ)氫容器在氫損傷條件下的受力特點(diǎn)，分析了高壓氫氣環(huán)境下裂紋穩(wěn)定性及裂紋擴(kuò)展的基礎(chǔ)上，數(shù)值模擬量展現(xiàn)了氫氣泄漏擴(kuò)散流場(chǎng)特點(diǎn)。

德國(guó)核能源技術(shù)研究所[14]對(duì)氫氣泄漏初始階段較大速度的動(dòng)量驅(qū)動(dòng)型氫射流開(kāi)發(fā)了non-Boussinesq工程模型；Denisenko[15]等總結(jié)了氫氣在受限空間內(nèi)分為Filing box和Fading up box兩種擴(kuò)散模式；Prasad[16]，Pitts[17]等研究了通風(fēng)條件、障礙物（如車輛等）對(duì)氫氣在受限空間內(nèi)擴(kuò)散的影響。

1.2 氫燃燒與爆炸

高壓儲(chǔ)氫發(fā)生泄漏釋放后，易引發(fā)火災(zāi)爆炸事故，氫氣的燃燒爆炸會(huì)產(chǎn)生較高的溫度場(chǎng)或壓力場(chǎng)，對(duì)周圍的人員、財(cái)產(chǎn)產(chǎn)生巨大危害。對(duì)燃燒爆炸問(wèn)題的有效預(yù)測(cè)對(duì)于確定安全距離、保證安全操作、保護(hù)人身財(cái)產(chǎn)安全具有重大意義[18]。

關(guān)于氫氣泄漏自燃的機(jī)制，目前國(guó)際普遍接受的是氫氣的負(fù)焦湯效應(yīng)（inverse effect of Joule-Thompson）、靜電釋放（electrostatic discharge）、擴(kuò)散點(diǎn)燃（diffusion ignition）、瞬間絕熱壓縮（sudden adiabatic compression）和熱表面點(diǎn)燃（ignition by hot surface）[19]。

泄漏自燃多由多個(gè)自燃機(jī)理共同作用導(dǎo)致的，對(duì)于加氫站泄漏事故而言，擴(kuò)散點(diǎn)燃是研究側(cè)重點(diǎn)，主要探究在這種機(jī)理下氫氣泄漏自燃發(fā)生所需的條件及影響因素。

國(guó)外進(jìn)行了高壓氫氣通過(guò)爆破片從管道噴射至空氣中的擴(kuò)散點(diǎn)火試驗(yàn)研究。Mogi[18]等通過(guò)對(duì)高壓氫氣從下游管道泄漏到空氣中的自燃實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，自燃發(fā)生所需最小爆破壓力隨著管道長(zhǎng)度的增加而降低；Gloub[20]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出影響高壓氫氣自燃的條件有初始?jí)毫Α⒊跏紲囟?、管道長(zhǎng)度、管道直徑、形狀以及高壓儲(chǔ)罐與噴出管道接口形狀等。Golovastov[21]等通過(guò)試驗(yàn)研究了爆破片破裂過(guò)程對(duì)氫氣脈沖泄放過(guò)程自燃的影響，爆破片破裂速率越快，激波形成越早，自燃產(chǎn)生速度越快，當(dāng)爆破片破裂時(shí)間最短為5 μs時(shí)，氫氣在泄漏后23 μs便發(fā)生自燃。俄國(guó)Golub，Bazhenova等研究了亞音速氫氣射流自燃現(xiàn)象，團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步對(duì)高壓氫氣射向空氣的自燃現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值分析。

國(guó)內(nèi)的研究基本偏向于數(shù)值模擬。段強(qiáng)領(lǐng)[22]等運(yùn)用擴(kuò)散點(diǎn)火理論，建立了高壓氫氣泄漏到下游管道后激波傳播速度、均勻區(qū)溫度和壓力的數(shù)學(xué)方程，以及判斷是否發(fā)生自燃點(diǎn)火的函數(shù)表達(dá)式，探討了高低壓段初始?jí)毫Ρ取⑾掠喂艿缼缀螀?shù)、隔膜破裂過(guò)程等因素影響；茍小龍[23]等利用開(kāi)源程序包Open FOAM對(duì)激波管內(nèi)的高壓氫氣泄漏自燃現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬，得出氫氣的初始?jí)毫统跏紲囟?，下游管道的直徑和長(zhǎng)度等條件均會(huì)影響管內(nèi)激波的產(chǎn)生與傳播，從而對(duì)高壓氫氣泄漏自燃現(xiàn)象產(chǎn)生重要的影響。

氫氣點(diǎn)燃后，劇烈的燃燒可能引起爆燃爆轟，爆燃過(guò)程中，火焰的不斷加速形成爆轟，引起的超壓可能帶來(lái)比氫氣燃燒本身更大的危害。區(qū)別在前者的沖擊波爆燃是亞音速的，而爆轟則是超音速的。浙江大學(xué)鄭津洋教授詳細(xì)總結(jié)了國(guó)內(nèi)外的研究成果，得出由氫氣與空氣形成的蒸氣可燃云爆炸過(guò)程中火焰加速(FA)和爆燃爆轟轉(zhuǎn)變(DDT)是影響爆炸強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，而引發(fā)火焰加速的多個(gè)原因中，傳播過(guò)程中的空間受限程度和障礙物的影響更為顯著，為預(yù)測(cè)氫氣事故后果奠定了基礎(chǔ)。

1.3 氫與金屬材料的相容性

氫環(huán)境下金屬材料性能試驗(yàn)是氫氣相關(guān)容器設(shè)計(jì)選型的基本依據(jù)，試驗(yàn)類型主要含拉伸試驗(yàn)、斷裂韌性、裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)和圓盤試驗(yàn)等。全球范圍內(nèi)主要測(cè)試平臺(tái)見(jiàn)表1。

ASME BPVCⅧ-3 KD-10《臨氫容器的特殊要求》、ASME B31.12—2011《氫氣管線及管道》、ANSI/CSA CHMC1—2014《高壓氫氣環(huán)境中材料與氫相容性評(píng)估試驗(yàn)方法》等規(guī)范均在氫材料作了具體規(guī)定[18]。

1.4 氫與其他燃料的特性對(duì)比

氫氣與天然氣、汽油常規(guī)燃料與安全有關(guān)的物性參數(shù)比較見(jiàn)表2。

由表2可知，與天然氣、汽油相比，氫氣可燃范圍寬，點(diǎn)火能小，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，但是氫氣密度小，只要泄放裝置完好，氫氣比天然氣和汽油的安全性要高[26-28]。

表1 全球范圍內(nèi)主要測(cè)試平臺(tái)[10]

表2 物性參數(shù)表[24，25]

另外，氫氣在空氣中擴(kuò)散系數(shù)大，散逸能力強(qiáng)，有利于泄漏后的迅速擴(kuò)散，不易發(fā)生可爆炸氣霧，燃燒后火焰向上，生成物無(wú)毒。

氫氣的單位質(zhì)量能量密度很高，但是單位體積能量密度非常低，即使儲(chǔ)存壓力極高，氫氣的單位體積能量密度也遠(yuǎn)低于天然氣、汽油等傳統(tǒng)能源。

邁阿密大學(xué)[29]試驗(yàn)比較了分別使用氫氣和汽油為燃料的汽車在發(fā)生燃料泄漏及點(diǎn)燃后所存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析。燃料泄漏后，氫氣由于浮力的作用，氫氣火焰幾乎是垂直向上的，從而沒(méi)有在車輛底部等相對(duì)狹窄的空間內(nèi)形成高濃度的可燃混合氣，而汽油車則由于車輛底部的汽油聚集而發(fā)生了劇烈燃燒，見(jiàn)圖1。

圖1 氫氣車和汽油車泄漏并點(diǎn)燃后不同時(shí)刻的情景[29]

浙江大學(xué)劉延雷博士[30]曾模擬計(jì)算了高壓氫氣管道和天然氣管道的泄漏擴(kuò)散情況，模擬參數(shù)為：管徑1 m，泄漏管長(zhǎng)200 m，埋深1 m，泄漏孔徑0.05 m，環(huán)境及管內(nèi)溫度30℃，環(huán)境壓力0.1 MPa，管內(nèi)介質(zhì)絕對(duì)壓力為1 MPa，環(huán)境風(fēng)速0 m/s，模擬區(qū)域范圍長(zhǎng)×高=200 m×350 m。

圖2

由圖2曲線可知，泄漏初始，氫氣泄漏速度遠(yuǎn)大于天然氣的泄漏速度，接近8 s時(shí)，兩者速度一致；隨后兩者速度不斷減小，但氫氣減小幅度更大，更為快速達(dá)到0 m/s。泄漏云團(tuán)擴(kuò)散距地高度定義為寬度大于10 m云團(tuán)的距地面高度，當(dāng)大于5 s后，隨著氣體逐漸擴(kuò)散，氫氣的擴(kuò)散危險(xiǎn)區(qū)域主要集中在高空位置，泄漏后天然氣在近地區(qū)域危險(xiǎn)性大于氫氣。

2 氫能源的利用及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

目前，氫能源主要以高壓氣體的形式被利用在加氫站和車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)。

從全球加氫站建設(shè)情況來(lái)看，截至2018年底，全球加氫站數(shù)目達(dá)到369座，其中對(duì)外商業(yè)營(yíng)業(yè)的加氫站共有273座[31]，全球加氫站分地區(qū)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖3。

圖3 全球加氫站分地區(qū)統(tǒng)計(jì)圖[31，32]

其中，日本、德國(guó)和美國(guó)的加氫站數(shù)量位居前三位，三國(guó)加氫站共有198座，占全球總數(shù)的54%。中國(guó)排名第四，大陸加氫站保有量為28座（含2座臨時(shí)加氫站），主要集中在廣東、江蘇、上海[33]。

2018年全球加氫站新增48座，同時(shí)，各國(guó)在短期內(nèi)都有部署更多加氫站計(jì)劃，其中，德國(guó)38座、荷蘭17座、法國(guó)12座、加拿大7座、韓國(guó)27座、中國(guó)18座[34]。

加氫站作為一個(gè)集壓縮、高壓儲(chǔ)存、高壓加注氫氣于一體的場(chǎng)所[35]，為盡可能降低危險(xiǎn)性，加氫站從建設(shè)安全設(shè)計(jì)、設(shè)備本質(zhì)安全、安防控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電氣防爆設(shè)計(jì)、防爆墻安全間距等五個(gè)層次進(jìn)行安全防范。除此之外，有著完善的安全規(guī)章制度和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟僮饕?guī)范。

基于目前初級(jí)發(fā)展階段，加氫站的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)往往更注重人員傷亡情況，安全第一。人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)主要為第一方加氫站員工風(fēng)險(xiǎn)、第二方顧客風(fēng)險(xiǎn)、第三方周邊鄰居及路人所面臨的風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)際慣用的評(píng)價(jià)方法有定性的快速風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)（RRR）和定量的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)(QRA)[36]。RRR即由一組有經(jīng)驗(yàn)的專家對(duì)氫能設(shè)施分析討論，速度上會(huì)有優(yōu)勢(shì)，但主觀性較強(qiáng)，不能對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高的事故作更細(xì)致的評(píng)價(jià)；QRA是量化分析科學(xué)地評(píng)價(jià)設(shè)施或某一具體事故的風(fēng)險(xiǎn)，可為降低風(fēng)險(xiǎn)提供建議，更可用于直接制定氫能安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程[36]見(jiàn)圖 4。

圖4 氫能設(shè)施量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程

Zhiyong L[37]等對(duì)安亭加氫站、世博加氫站均作了QRA風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。以世博加氫站為例，該站位于世博園區(qū)附近，壓力為35 MPa，主要為2010年世博會(huì)的燃料電池汽車加油。平面布置圖見(jiàn)圖5。加氫站位于濟(jì)陽(yáng)路西側(cè)，長(zhǎng)60 m，寬50 m。車站的北側(cè)和西側(cè)是露天場(chǎng)地。南面是東體育場(chǎng)的臨時(shí)辦公樓。濟(jì)陽(yáng)路東側(cè)有幾棟民居?？梢钥闯?，站外有三個(gè)潛在的易受傷害目標(biāo)：臨時(shí)辦公樓的工人、濟(jì)陽(yáng)路的行人和道路對(duì)面的城市居民。

圖5 世博加氫站位置圖

采用HAZOP危險(xiǎn)辨識(shí)技術(shù)，事件樹(shù)分析，建模計(jì)算后得到風(fēng)險(xiǎn)概率值見(jiàn)表3，數(shù)據(jù)表明了壓縮機(jī)和氫氣加注機(jī)的泄漏對(duì)站內(nèi)控制室和加氫機(jī)這兩個(gè)地點(diǎn)造成的風(fēng)險(xiǎn)最大。因此，為降低風(fēng)險(xiǎn)，在壓縮機(jī)上實(shí)施的附加安全屏障系統(tǒng)包括壓縮機(jī)的泄漏檢測(cè)和關(guān)閉系統(tǒng)、靠近壓縮機(jī)并連接至電站自動(dòng)緊急關(guān)閉（ESD）系統(tǒng)的氫氣傳感器，以及分布在加氫站不同位置的手動(dòng)ESD按鈕。氫氣加注機(jī)的附加安全屏障系統(tǒng)類似于壓縮機(jī)。

表3 站內(nèi)人員控制室和加氫機(jī)旁風(fēng)險(xiǎn)概率

隨著安全措施的增加，對(duì)各方風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，第三方風(fēng)險(xiǎn)示意圖見(jiàn)圖6。

表4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)概率結(jié)果

根據(jù)E1HP2（European Integrated Hydrogen Programmer 2即歐盟整體氫計(jì)劃第二階段）風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于第一方風(fēng)險(xiǎn)，加氫站員工個(gè)人死亡概率不應(yīng)超過(guò)每年10-4；對(duì)于第二方風(fēng)險(xiǎn)，每年造成客戶一人或多人死亡的重大事故概率不得超過(guò)10-4；對(duì)第三方而言，應(yīng)考慮個(gè)人和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)，個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)為10-6，社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)可接受FN曲線可表示為每年F≤10-3N-2，見(jiàn)圖7。

因此，增加安全措施后，世博加氫站的風(fēng)險(xiǎn)是在可接受標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的，低于風(fēng)險(xiǎn)接受標(biāo)準(zhǔn)的值。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求見(jiàn)表5。

圖6 加氫站個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)輪廓線（風(fēng)險(xiǎn)概率10-6/a）

表5 滿足風(fēng)險(xiǎn)概率10-6/a的加氫站安全距離及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求

圖7 社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)FN曲線圖

油氣站有關(guān)風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)有限，目前獲得的數(shù)據(jù)為如1萬(wàn)座加油站統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，單個(gè)加油站火災(zāi)的發(fā)生頻率為7.4×10-2/a，其中多數(shù)由車輛著火引起，約為4.6×10-2/a，占比62%，由汽油泄漏引起的約為3×10-3/a，占比4%；單個(gè)加油站每年發(fā)生的事故中由火災(zāi)導(dǎo)致的致死風(fēng)險(xiǎn)為2×10-5/(a人)，致傷風(fēng)險(xiǎn)為7×10-4/(a人)[38]。

由上述數(shù)據(jù)可見(jiàn)，只要有合理的保障措施，加氫站的危險(xiǎn)性并不高于常規(guī)的加油站。

Shigeki Kikukawa[39]等對(duì)70 MPa等級(jí)的加氫站也進(jìn)行了模擬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，采用HAZOP（危險(xiǎn)和可操作性研究）和FMEA（失效模式和影響分析）相結(jié)合的識(shí)別失效場(chǎng)景方法，分析721個(gè)故障場(chǎng)景，還估計(jì)了所有失效情況的后果嚴(yán)重性等級(jí)和概率等級(jí)。通過(guò)外推法，估算了80 MPa沖擊壓力和射流火焰發(fā)生率的影響。此外，還根據(jù)評(píng)估為處于高風(fēng)險(xiǎn)水平的故障情況，對(duì)安全措施進(jìn)行了檢查。研究結(jié)果表明，在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估期間確定的安全措施，如果準(zhǔn)確應(yīng)用于氫燃料站，將提供高度的安全性，并且安全距離為6 m（與35 MPa氫燃料站相同）是足夠的。

同時(shí)，Hirayama Makoto[40]等通過(guò)結(jié)合FMEA和HAZOP的方法，分別識(shí)別出28個(gè)和31個(gè)與加氫機(jī)、加油機(jī)模型相關(guān)的潛在事故場(chǎng)景。對(duì)每個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并將結(jié)果組織成風(fēng)險(xiǎn)矩陣。通過(guò)對(duì)加氫機(jī)、加油機(jī)與安全措施風(fēng)險(xiǎn)矩陣的比較分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的安全措施（如防火墻、安全間距、消除靜電、探測(cè)器和切斷閥等）是有效的，風(fēng)險(xiǎn)水平是相當(dāng)?shù)?。因此，可以得出在公共區(qū)域安裝加氫機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)是可以接受的，見(jiàn)圖8和圖9。

對(duì)于氫燃料電池汽車而言，已形成初具規(guī)模的產(chǎn)業(yè)鏈。在制氫儲(chǔ)氫方面，有成熟的商業(yè)化技術(shù)（電解、天然氣裂解、煤氣制取、脫氫技術(shù)）和完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，幾十年的工業(yè)氣體工業(yè)化生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和十多年的燃料氫氣經(jīng)驗(yàn)。在加氫站方面，有成熟的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)，十幾個(gè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、成熟建站能力和安全營(yíng)運(yùn)歷史。在車輛研發(fā)方面，截至2018年12月，已有17家車企共開(kāi)發(fā)有77款車型氫燃料電池汽車納入工信部新能源車輛管理體系，2018年以客車和專用車為主的氫燃料電池汽車產(chǎn)量達(dá)到了1 619輛[41]；國(guó)內(nèi)外對(duì)燃料電池汽車自身儲(chǔ)氫系統(tǒng)、防泄漏安全系統(tǒng)、汽車碰撞模擬等氫安全問(wèn)題上均有較多的研究，推動(dòng)著氫燃料電池汽車的發(fā)展。因此，在現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)鏈安全體系前提下，可以按照燃油車使用習(xí)慣使用氫燃料電池。

3 國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

隨著氫能技術(shù)在我國(guó)的逐漸發(fā)展，我國(guó)對(duì)于氫能利用的相關(guān)規(guī)范也在不斷制定發(fā)展，表6羅列了我國(guó)近年來(lái)制定的一些加氫站相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。截至2018年底，現(xiàn)有燃料電池領(lǐng)域國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)36項(xiàng)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)性技術(shù)文件3項(xiàng)，團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)，燃料電池汽車方面的標(biāo)準(zhǔn)共計(jì)14項(xiàng)，車用高壓燃料氣瓶標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)，加氫站相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范14項(xiàng)。

圖8 安全措施前后加氫機(jī)風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖

圖9 安全措施前后加油機(jī)風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖

另外，早在2013年我國(guó)首次發(fā)布了《氫系統(tǒng)安全的基本要求》，內(nèi)容涵蓋了氫脆、燃燒和爆炸等影響氫系統(tǒng)安全的所有因素及指導(dǎo)氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造和使用等風(fēng)險(xiǎn)控制方法，對(duì)促進(jìn)氫能技術(shù)發(fā)展及提高其市場(chǎng)和社會(huì)認(rèn)可度等方面發(fā)揮積極作用[42]。

4 國(guó)內(nèi)外加氫站規(guī)范安全距離對(duì)比

根據(jù)世界上主要國(guó)家制定的加氫站法規(guī)，包括中國(guó)的加氫站技術(shù)規(guī)范、美國(guó)NFPA2、德國(guó)VdTüV Merkblatt、日本的“高壓氣體保安法”、英國(guó)的BCGA CP33，參照ISO分類，對(duì)規(guī)范中的安全距離整理見(jiàn)表7。

由表7可見(jiàn)，各國(guó)對(duì)于加氫站安全距離有較為明顯的差異?？傮w而言，我國(guó)對(duì)于加氫站的安全距離較為保守，強(qiáng)調(diào)絕對(duì)值控制，缺乏操作靈活性[43]。

歐美各國(guó)為利于推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，ISO TC 197制定了ISO TO 19880-1：2016《氣態(tài)氫之加氫站》。日本原法規(guī)規(guī)定加氫站應(yīng)建設(shè)在工業(yè)區(qū)，且要求加氫站與道路的安全距離至少為8 m，否則要設(shè)防護(hù)圍欄，2012年法規(guī)修訂，允許加氫站建在住宅區(qū)且靠近加氣站；2014年，日本法規(guī)對(duì)于材料、距離、建置地點(diǎn)、營(yíng)運(yùn)、運(yùn)輸?shù)确矫婢髁诵薷模艑捔思託湔旧虡I(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定[44]。

表6 我國(guó)加氫站相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范列表

表7 國(guó)內(nèi)外規(guī)范內(nèi)主要安全距離對(duì)比分析[43，44]

5 結(jié)語(yǔ)

氫氣易燃易爆、無(wú)色無(wú)味，在我國(guó)至今仍作為?；范嬖冢枕n德美等國(guó)對(duì)于氫能的積極發(fā)展態(tài)勢(shì)及日本等對(duì)氫利用安全規(guī)范的逐步放寬，讓我們不得不重新去審視過(guò)往對(duì)于氫氣利用安全性的“偏見(jiàn)”。

本文總結(jié)介紹了氫氣泄漏與擴(kuò)散、燃燒與爆炸、與金屬相容性這三個(gè)主要特性及國(guó)內(nèi)外對(duì)其的研究現(xiàn)狀，并將氫氣與常規(guī)能源天然氣和汽油進(jìn)行了對(duì)比分析，因氫氣密度最小，擴(kuò)散性強(qiáng)的特點(diǎn)，而使氫氣在實(shí)際運(yùn)用中某些方面安全性并不低于常規(guī)能源。同時(shí)，針對(duì)氫氣主要用于加氫站和燃料電池汽車的使用現(xiàn)狀，總結(jié)分析了國(guó)內(nèi)加氫站的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及日本的相關(guān)研究，表明加氫站的風(fēng)險(xiǎn)是可以達(dá)到可接受范圍的，加氫機(jī)與加油機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)相當(dāng)。氫氣并非不可捉摸，其安全風(fēng)險(xiǎn)可控。

氫能利用的安全研究、安全科普任重道遠(yuǎn)，希望專家學(xué)者進(jìn)一步加強(qiáng)氫能的制、儲(chǔ)、運(yùn)、用各環(huán)節(jié)的安全性的技術(shù)研究，對(duì)于安全性的研究要在理論的基礎(chǔ)上更多試驗(yàn)?zāi)M研究，使之更好地為工程運(yùn)用服務(wù)；加快完善并努力踐行關(guān)于氫能應(yīng)用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系和安全技術(shù)法規(guī)體系；加強(qiáng)行業(yè)監(jiān)管，使氫能應(yīng)用健康有序地發(fā)展；再者，加強(qiáng)氫安全的科普宣傳，消除大眾對(duì)氫的恐懼心理。