擴散速度是天然氣6倍！氫能真的安全嗎？
發布時間：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。氫能是雙碳目標下的重要能源之一，現如今全球的氫能產業已經進入發展快車道。
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。
在很多人的認知中，氫氣危險系數較高，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”標簽。
但事實真是如此嗎？眾多業內專家認為，恐懼源自未知。
科學認識氫氣危險性
判定一種能源的安全性首先要了解這種能源的特性。清華大學教授毛宗強認為，每種能源載體都有其物理、化學、技術性等特有的安全問題。
氫氣無色無味，具有易燃性、易爆性、擴散性、易發生氫脆等特點，氫氣泄漏后與空氣混合，遇到明火、靜電會發生燃燒或爆炸。所以業界談氫色變。但氫氣并非不可捉摸，其安全風險是可控的。氫氣爆炸極限是體積密度達到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、可擴散性及燃燒來看，與汽油、丙烷、甲烷進行比較，氫氣的安全性遠遠高于這幾種燃料。氫氣擴散很快，擴散速度是天然氣的六倍，極不易形成可爆炸的器物。
在氫能的歷史發展過程中，不可避免的會出現大大小小的安全事件。曾有相關研究機構對氫能的相關事故原因進行了統計分析，在眾多事故原因當中，排在前三位的是設備本身質量問題、氫能系統設計缺陷和人為原因，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有直接關系的設備問題。
氫能全產業鏈各個環節的安全特點和難點
氫能產業鏈分為上游制氫、中游儲氫和下游應用三大環節，產業鏈長且分布廣泛。經過數年的技術積累與政策扶持，氫燃料電池汽車已成為氫能產業重要的發展方向之一。雖然自研發運營以來，國內并未發生過嚴重的氫安全事故，但整個氫能產業鏈仍有危險點需要時刻注意。
1、制氫：目前系統、設備等安全方面比較成熟
制氫已有數年基礎。基于我國數十年的工業氣體生產經驗，已形成較為成熟的商業化技術（水電解、變壓吸附提純等）和相對完整的標準體系，以氫源安全制取為核心，明確了系統技術條件、安全要求等重點內容。
制氫提取工藝流程較多。設備設施復雜，需要經過由氣態到液態再到氣態的多種狀態轉化，一旦管道或容器的安全監測及預警技術不到位易發生泄漏事故，加之工廠的環境溫度較高，容易發生事故。
氫氣對制氫機的腐蝕。水電解制氫設備的氣液出口存在嚴重的沖蝕磨損現象，且隨著設備產氣量的增大，磨蝕現象變得更嚴重。在制氫過程中，氫氣的分子小，一旦隔膜出現問題，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，方便消費者們的日常使用，如何保證儲氫安全是重中之重。
據了解，目前全球氫能賽道中，高壓氣態儲氫是比較常用且技術發展比較成熟的儲氫方式。而高壓氣態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格按照標準和操作規范而造成的，如氫氣罐混入其他氣體，在一定條件下會產生化學反應爆炸。同時，某些儲氫材料長期在氫環境下工作，會出現性能劣化的現象，嚴重威脅設備安全。因此與氫氣相關的部件，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時監測也尤為重要。
3、輸氫：氫能實現安全應用的關鍵環節之一
目前，對于氫安全的研究領域主要集中在儲氫系統和輸氫系統，儲氫和氫能運輸的安全性，是氫能產業是否能夠徹底市場化，最終實現安全應用的兩個最關鍵環節。
輸氫系統主要包括氫氣長管拖車、氫氣管道、專用運輸船舶、液氫或氫漿槽罐車和低溫絕熱管道。因為氫氣沒有大規模的應用，目前管道運輸發展緩慢，國標、規范也沒有跟上。液氫運輸也缺少一定的規范，所以目前大多數都用的是長管拖車這種運輸方式。長管拖車運輸方式比較古老，直到現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已將氫能和燃料電池發展提升到國家戰略層面。加氫站是支撐氫燃料電池汽車發展必不可少的基礎設施，其建設數量和普及程度，在很大程度上決定了氫燃料電池汽車的產業化進程。
加氫站比加油站安全要求高，因為氫氣無色無味，這就給加氫站安全管理加大了難度。一般的加氫站主要設備包括：大容量高壓氫氣管束車，無油隔膜式氫壓機，加氫站高壓儲氣瓶組，高壓氫氣加注機，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，容易發生氫氣泄漏。
此外，由于氫氣具有擴散系數大，爆炸極限寬，點火溫度低等特點，因此一旦發生泄漏，極易引起爆炸與火災，會對加氫站周圍的生命和財產安全造成極大的損失。
加氫站目前在國內處在發展階段，加氫站的管理辦法和審批辦法等各地尚未統一，加氫站及氫能行業相關的國家規范仍不全面，近幾年氫能相關國家規范也在不斷更新和補充。隨著氫能行業的發展，加氫站的建設速度將遠遠超過目前，而加氫站的建設和運營，尤其是運營安全是后續加氫站管理的重中之重。
5、燃料汽車：保障車載供氫系統安全性
對于氫能主要應用領域之一——燃料汽車，車載供氫系統是燃料電池汽車的重要組成部分。該系統主要由高壓儲氫瓶、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，即達到氫氣爆炸極限，還要施加靜電、明火或混合空氣溫度達到一定值。而車用壓縮氫氣鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶在使用過程中處于完全封閉狀態，發生安全事故的可能性極小。
“保障車載供氫系統安全性主要從預防與監控兩方面著手。技術設計方面，不僅具備過溫保護、低壓報警、過壓保護、過流保護等功能，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，儲氫瓶和系統管路必須選擇合適的材料以及保護結構。”
氫能源在安全性上的優點
凡事有利就有弊，氫能源在安全性上的優點也很重要：
氫氣具有很高的擴散系數和浮力，泄露時濃度會迅速降低。
如果發生爆炸，氫氣的爆炸能量是常見燃氣中最低的，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、早發現、不積累
一是不泄漏，即防止氫氣尤其是壓縮氫氣系統的氫氣泄漏。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。
二是早發現，即氫氣泄漏后能及早發現。要在容易發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，易發生氫氣泄漏的部位要設置與氫氣檢測報警聯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。
正所謂安全無小事，隨著氫能源技術的發展，這也鞭策氫能產業鏈不同環節的企業，以及國內相關部門，在加快發展的同時必須提升對安全問題的重視，將潛在風險消滅在萌芽狀態。
中國汽車工程學會秘書長張進華曾表示，人們已經習慣于汽油作為燃料，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上保障，還要提高大眾對于氫能安全性的認識。
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。
在很多人的認知中，氫氣危險系數較高，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”標簽。
但事實真是如此嗎？眾多業內專家認為，恐懼源自未知。
科學認識氫氣危險性
判定一種能源的安全性首先要了解這種能源的特性。清華大學教授毛宗強認為，每種能源載體都有其物理、化學、技術性等特有的安全問題。
氫氣無色無味，具有易燃性、易爆性、擴散性、易發生氫脆等特點，氫氣泄漏后與空氣混合，遇到明火、靜電會發生燃燒或爆炸。所以業界談氫色變。但氫氣并非不可捉摸，其安全風險是可控的。氫氣爆炸極限是體積密度達到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、可擴散性及燃燒來看，與汽油、丙烷、甲烷進行比較，氫氣的安全性遠遠高于這幾種燃料。氫氣擴散很快，擴散速度是天然氣的六倍，極不易形成可爆炸的器物。
在氫能的歷史發展過程中，不可避免的會出現大大小小的安全事件。曾有相關研究機構對氫能的相關事故原因進行了統計分析，在眾多事故原因當中，排在前三位的是設備本身質量問題、氫能系統設計缺陷和人為原因，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有直接關系的設備問題。
氫能全產業鏈各個環節的安全特點和難點
氫能產業鏈分為上游制氫、中游儲氫和下游應用三大環節，產業鏈長且分布廣泛。經過數年的技術積累與政策扶持，氫燃料電池汽車已成為氫能產業重要的發展方向之一。雖然自研發運營以來，國內并未發生過嚴重的氫安全事故，但整個氫能產業鏈仍有危險點需要時刻注意。
1、制氫：目前系統、設備等安全方面比較成熟
制氫已有數年基礎。基于我國數十年的工業氣體生產經驗，已形成較為成熟的商業化技術（水電解、變壓吸附提純等）和相對完整的標準體系，以氫源安全制取為核心，明確了系統技術條件、安全要求等重點內容。
制氫提取工藝流程較多。設備設施復雜，需要經過由氣態到液態再到氣態的多種狀態轉化，一旦管道或容器的安全監測及預警技術不到位易發生泄漏事故，加之工廠的環境溫度較高，容易發生事故。
氫氣對制氫機的腐蝕。水電解制氫設備的氣液出口存在嚴重的沖蝕磨損現象，且隨著設備產氣量的增大，磨蝕現象變得更嚴重。在制氫過程中，氫氣的分子小，一旦隔膜出現問題，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，方便消費者們的日常使用，如何保證儲氫安全是重中之重。
據了解，目前全球氫能賽道中，高壓氣態儲氫是比較常用且技術發展比較成熟的儲氫方式。而高壓氣態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格按照標準和操作規范而造成的，如氫氣罐混入其他氣體，在一定條件下會產生化學反應爆炸。同時，某些儲氫材料長期在氫環境下工作，會出現性能劣化的現象，嚴重威脅設備安全。因此與氫氣相關的部件，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時監測也尤為重要。
3、輸氫：氫能實現安全應用的關鍵環節之一
目前，對于氫安全的研究領域主要集中在儲氫系統和輸氫系統，儲氫和氫能運輸的安全性，是氫能產業是否能夠徹底市場化，最終實現安全應用的兩個最關鍵環節。
輸氫系統主要包括氫氣長管拖車、氫氣管道、專用運輸船舶、液氫或氫漿槽罐車和低溫絕熱管道。因為氫氣沒有大規模的應用，目前管道運輸發展緩慢，國標、規范也沒有跟上。液氫運輸也缺少一定的規范，所以目前大多數都用的是長管拖車這種運輸方式。長管拖車運輸方式比較古老，直到現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已將氫能和燃料電池發展提升到國家戰略層面。加氫站是支撐氫燃料電池汽車發展必不可少的基礎設施，其建設數量和普及程度，在很大程度上決定了氫燃料電池汽車的產業化進程。
加氫站比加油站安全要求高，因為氫氣無色無味，這就給加氫站安全管理加大了難度。一般的加氫站主要設備包括：大容量高壓氫氣管束車，無油隔膜式氫壓機，加氫站高壓儲氣瓶組，高壓氫氣加注機，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，容易發生氫氣泄漏。
此外，由于氫氣具有擴散系數大，爆炸極限寬，點火溫度低等特點，因此一旦發生泄漏，極易引起爆炸與火災，會對加氫站周圍的生命和財產安全造成極大的損失。
加氫站目前在國內處在發展階段，加氫站的管理辦法和審批辦法等各地尚未統一，加氫站及氫能行業相關的國家規范仍不全面，近幾年氫能相關國家規范也在不斷更新和補充。隨著氫能行業的發展，加氫站的建設速度將遠遠超過目前，而加氫站的建設和運營，尤其是運營安全是后續加氫站管理的重中之重。
5、燃料汽車：保障車載供氫系統安全性
對于氫能主要應用領域之一——燃料汽車，車載供氫系統是燃料電池汽車的重要組成部分。該系統主要由高壓儲氫瓶、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，即達到氫氣爆炸極限，還要施加靜電、明火或混合空氣溫度達到一定值。而車用壓縮氫氣鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶在使用過程中處于完全封閉狀態，發生安全事故的可能性極小。
“保障車載供氫系統安全性主要從預防與監控兩方面著手。技術設計方面，不僅具備過溫保護、低壓報警、過壓保護、過流保護等功能，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，儲氫瓶和系統管路必須選擇合適的材料以及保護結構。”
氫能源在安全性上的優點
凡事有利就有弊，氫能源在安全性上的優點也很重要：
氫氣具有很高的擴散系數和浮力，泄露時濃度會迅速降低。
如果發生爆炸，氫氣的爆炸能量是常見燃氣中最低的，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、早發現、不積累
一是不泄漏，即防止氫氣尤其是壓縮氫氣系統的氫氣泄漏。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。
二是早發現，即氫氣泄漏后能及早發現。要在容易發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，易發生氫氣泄漏的部位要設置與氫氣檢測報警聯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。
正所謂安全無小事，隨著氫能源技術的發展，這也鞭策氫能產業鏈不同環節的企業，以及國內相關部門，在加快發展的同時必須提升對安全問題的重視，將潛在風險消滅在萌芽狀態。
中國汽車工程學會秘書長張進華曾表示，人們已經習慣于汽油作為燃料，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上保障，還要提高大眾對于氫能安全性的認識。
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