擴(kuò)散速度是天然氣6倍！氫能真的安全嗎？

發(fā)布時間：2022-01-11 14:20:51

要說2021年新能源賽道中什么概念最火熱？答案莫過于氫能。氫能是雙碳目標(biāo)下的重要能源之一，現(xiàn)如今全球的氫能產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入發(fā)展快車道。

盡管氫能概念如此火熱，但有一個話題卻無法回避——氫能的安全性。

在很多人的認(rèn)知中，氫氣危險系數(shù)較高，畢竟氫氣球爆炸、儲氫罐爆炸等事故讓許多人談氫色變。正因如此，氫燃料電池汽車也被貼上了是一枚裝在輪子上的“氫彈”標(biāo)簽。

但事實(shí)真是如此嗎？眾多業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，恐懼源自未知。

科學(xué)認(rèn)識氫氣危險性

判定一種能源的安全性首先要了解這種能源的特性。清華大學(xué)教授毛宗強(qiáng)認(rèn)為，每種能源載體都有其物理、化學(xué)、技術(shù)性等特有的安全問題。

氫氣無色無味，具有易燃性、易爆性、擴(kuò)散性、易發(fā)生氫脆等特點(diǎn)，氫氣泄漏后與空氣混合，遇到明火、靜電會發(fā)生燃燒或爆炸。所以業(yè)界談氫色變。但氫氣并非不可捉摸，其安全風(fēng)險是可控的。氫氣爆炸極限是體積密度達(dá)到4.0%～75%，即氫氣在空氣中的體積濃度在4.0%～75%之間時，遇火源就會爆炸，而當(dāng)氫氣濃度小于4.0%或大于75%時，即使遇到火源，也不會爆炸。

如果從爆炸極限、可擴(kuò)散性及燃燒來看，與汽油、丙烷、甲烷進(jìn)行比較，氫氣的安全性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于這幾種燃料。氫氣擴(kuò)散很快，擴(kuò)散速度是天然氣的六倍，極不易形成可爆炸的器物。

在氫能的歷史發(fā)展過程中，不可避免的會出現(xiàn)大大小小的安全事件。曾有相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對氫能的相關(guān)事故原因進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，在眾多事故原因當(dāng)中，排在前三位的是設(shè)備本身質(zhì)量問題、氫能系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷和人為原因，比例分別為40%、10%和9%，加起來占到了事故原因總比例的59%，而且主要原因還是與氫系統(tǒng)有直接關(guān)系的設(shè)備問題。

氫能全產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)的安全特點(diǎn)和難點(diǎn)

氫能產(chǎn)業(yè)鏈分為上游制氫、中游儲氫和下游應(yīng)用三大環(huán)節(jié)，產(chǎn)業(yè)鏈長且分布廣泛。經(jīng)過數(shù)年的技術(shù)積累與政策扶持，氫燃料電池汽車已成為氫能產(chǎn)業(yè)重要的發(fā)展方向之一。雖然自研發(fā)運(yùn)營以來，國內(nèi)并未發(fā)生過嚴(yán)重的氫安全事故，但整個氫能產(chǎn)業(yè)鏈仍有危險點(diǎn)需要時刻注意。

1、制氫：目前系統(tǒng)、設(shè)備等安全方面比較成熟

制氫已有數(shù)年基礎(chǔ)?；谖覈鴶?shù)十年的工業(yè)氣體生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，已形成較為成熟的商業(yè)化技術(shù)（水電解、變壓吸附提純等）和相對完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，以氫源安全制取為核心，明確了系統(tǒng)技術(shù)條件、安全要求等重點(diǎn)內(nèi)容。

制氫提取工藝流程較多。設(shè)備設(shè)施復(fù)雜，需要經(jīng)過由氣態(tài)到液態(tài)再到氣態(tài)的多種狀態(tài)轉(zhuǎn)化，一旦管道或容器的安全監(jiān)測及預(yù)警技術(shù)不到位易發(fā)生泄漏事故，加之工廠的環(huán)境溫度較高，容易發(fā)生事故。

氫氣對制氫機(jī)的腐蝕。水電解制氫設(shè)備的氣液出口存在嚴(yán)重的沖蝕磨損現(xiàn)象，且隨著設(shè)備產(chǎn)氣量的增大，磨蝕現(xiàn)象變得更嚴(yán)重。在制氫過程中，氫氣的分子小，一旦隔膜出現(xiàn)問題，氫分子將向氧室滲透，就會引起氫氣純度下降和制氫設(shè)備的危險。

2、儲氫：保證儲氫安全是重中之重

眾所周知，要想保證氫能如煤炭、石油等能源一般，方便消費(fèi)者們的日常使用，如何保證儲氫安全是重中之重。

據(jù)了解，目前全球氫能賽道中，高壓氣態(tài)儲氫是比較常用且技術(shù)發(fā)展比較成熟的儲氫方式。而高壓氣態(tài)儲氫想要安全有效使用，離不開一個小小的零部件——瓶口組合閥。

儲氫容器也容易因操作失誤、材料問題而發(fā)生安全事故。“高壓儲氫容器屬于壓力容器，事故往往是由于在使用過程中沒有嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)范而造成的，如氫氣罐混入其他氣體，在一定條件下會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)爆炸。同時，某些儲氫材料長期在氫環(huán)境下工作，會出現(xiàn)性能劣化的現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅設(shè)備安全。因此與氫氣相關(guān)的部件，管路、閥門、泵、儲氫容器必須防止氫氣泄漏，安裝氫氣傳感器并實(shí)時監(jiān)測也尤為重要。

3、輸氫：氫能實(shí)現(xiàn)安全應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一

目前，對于氫安全的研究領(lǐng)域主要集中在儲氫系統(tǒng)和輸氫系統(tǒng)，儲氫和氫能運(yùn)輸?shù)陌踩?，?a href="/industry.html" target="_blank" class="autolink">氫能產(chǎn)業(yè)是否能夠徹底市場化，最終實(shí)現(xiàn)安全應(yīng)用的兩個最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

輸氫系統(tǒng)主要包括氫氣長管拖車、氫氣管道、專用運(yùn)輸船舶、液氫或氫漿槽罐車和低溫絕熱管道。因?yàn)闅錃鉀]有大規(guī)模的應(yīng)用，目前管道運(yùn)輸發(fā)展緩慢，國標(biāo)、規(guī)范也沒有跟上。液氫運(yùn)輸也缺少一定的規(guī)范，所以目前大多數(shù)都用的是長管拖車這種運(yùn)輸方式。長管拖車運(yùn)輸方式比較古老，直到現(xiàn)在液化天然氣都采用這種方式，非常安全。

4、加氫站：安全要求高，管理難度大

近年來多個國家和地區(qū)已將氫能和燃料電池發(fā)展提升到國家戰(zhàn)略層面。加氫站是支撐氫燃料電池汽車發(fā)展必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，其建設(shè)數(shù)量和普及程度，在很大程度上決定了氫燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

加氫站比加油站安全要求高，因?yàn)闅錃鉄o色無味，這就給加氫站安全管理加大了難度。一般的加氫站主要設(shè)備包括：大容量高壓氫氣管束車，無油隔膜式氫壓機(jī)，加氫站高壓儲氣瓶組，高壓氫氣加注機(jī)，高壓氫氣專用閥件等，其中高壓儲氣瓶因儲氫時間長，容量大，壓力高等原因，容易發(fā)生氫氣泄漏。

此外，由于氫氣具有擴(kuò)散系數(shù)大，爆炸極限寬，點(diǎn)火溫度低等特點(diǎn)，因此一旦發(fā)生泄漏，極易引起爆炸與火災(zāi)，會對加氫站周圍的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成極大的損失。

加氫站目前在國內(nèi)處在發(fā)展階段，加氫站的管理辦法和審批辦法等各地尚未統(tǒng)一，加氫站及氫能行業(yè)相關(guān)的國家規(guī)范仍不全面，近幾年氫能相關(guān)國家規(guī)范也在不斷更新和補(bǔ)充。隨著氫能行業(yè)的發(fā)展，加氫站的建設(shè)速度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前，而加氫站的建設(shè)和運(yùn)營，尤其是運(yùn)營安全是后續(xù)加氫站管理的重中之重。

5、燃料汽車：保障車載供氫系統(tǒng)安全性

對于氫能主要應(yīng)用領(lǐng)域之一——燃料汽車，車載供氫系統(tǒng)是燃料電池汽車的重要組成部分。該系統(tǒng)主要由高壓儲氫瓶、加注口、安全閥、溢流閥、減壓閥、壓力和溫度傳感器等組成。

一般來說，氫氣爆炸要滿足燃燒的三要素，即達(dá)到氫氣爆炸極限，還要施加靜電、明火或混合空氣溫度達(dá)到一定值。而車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶在使用過程中處于完全封閉狀態(tài)，發(fā)生安全事故的可能性極小。

“保障車載供氫系統(tǒng)安全性主要從預(yù)防與監(jiān)控兩方面著手。技術(shù)設(shè)計(jì)方面，不僅具備過溫保護(hù)、低壓報警、過壓保護(hù)、過流保護(hù)等功能，還考慮到了碰撞安全、氫氣泄漏的控制等因素；零部件制造方面，儲氫瓶和系統(tǒng)管路必須選擇合適的材料以及保護(hù)結(jié)構(gòu)。”

氫能源在安全性上的優(yōu)點(diǎn)

凡事有利就有弊，氫能源在安全性上的優(yōu)點(diǎn)也很重要：

氫氣具有很高的擴(kuò)散系數(shù)和浮力，泄露時濃度會迅速降低。

如果發(fā)生爆炸，氫氣的爆炸能量是常見燃?xì)庵凶畹偷?，就單位體積爆炸能而言，氫氣爆炸能僅為汽油氣的1/22。

氫能安全利用的三個原則：

不泄露、早發(fā)現(xiàn)、不積累

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。

正所謂安全無小事，隨著氫能源技術(shù)的發(fā)展，這也鞭策氫能產(chǎn)業(yè)鏈不同環(huán)節(jié)的企業(yè)，以及國內(nèi)相關(guān)部門，在加快發(fā)展的同時必須提升對安全問題的重視，將潛在風(fēng)險消滅在萌芽狀態(tài)。

中國汽車工程學(xué)會秘書長張進(jìn)華曾表示，人們已經(jīng)習(xí)慣于汽油作為燃料，對氫氣這種燃料缺乏了解，如果有必要的保護(hù)措施，安全使用是完全可以做到的。所以，氫能的安全使用不僅要從技術(shù)上保障，還要提高大眾對于氫能安全性的認(rèn)識。

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