氫能產業安全風險因素分析與措施建議

中圖分類號：TQ116.2 文獻標志碼：A DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20240204

Analysis of Safety Risk Factors and Suggestions for Measures in the Hydrogen Industry

DongGe'，ZhengQi2，WuShengnan’，LiangJiaqi2 （1.China Automotive Engineering Research InstituteCo.，Ltd.， Chongqing 40410O;2.Geely Automobile Research Institute （Ningbo） Co.，Ltd.， Ningbo 315000）

【Abstract】With theaccelerationof the global energy transition，hydrogen asacleanand eficient secondaryenergy source，isgainingprominenceintheenergysystem.However，theflammableandexplosivenatureofhydrogen，andthease of leakageanddifusionmakehydrogensafetyanimportant link thatcannotbeignored inthedevelopmentof hydrogen industry.Throughin-depthanalysisof thesafetyriskfactorsinvolvedinthewholeindustrialchain，including：production， storage，transportation，refueling，fuelcellvehicles，aswellassummarizingthecurentsituationoftheconstructionof the standardsystemand theresearchof thesafety technologyof majorforeigncountries，thispaperfinallyput forward proposals formeasures tostrengthen thesafetysupervision，technologyresearchanddevelopment，educationandtraining，inorderto promote the healthy and sustainable development of the hydrogen industry.

Keywords：Hydrogen，Fuelcell vehicle，Hydrogensafety

0 引言

近年來，隨著全球對清潔能源的需求日益增長，氫能作為一種高效、清潔的能源備受關注，全球主要發達國家高度重視氫能產業發展，氫能已成為加快能源轉型升級、培育經濟新增長點的重要戰略選擇1。受頂層設計、政策利好的驅動，我國氫能產業正穩步發展，預計未來10年內將形成完整氫能產業體系，構建涵蓋交通、儲能、工業等領域的多元氫能應用生態。氫能最終將納入我國終端能源體系，對能源綠色轉型發展起到重要支撐作用。

然而，氫氣具有易燃易爆、點火能量低、擴散系數大且易對材料力學性能產生劣化等特性，在制備、儲存、運輸、加注和使用過程中均具有潛在的泄漏和爆炸危險[3。因此氫安全是氫能應用和大規模商業化推廣的重要前提之一。

本文梳理分析了氫能產業鏈各環節中涉及的風險因素，以及主要發達國家在氫安全方面的進展和措施，以便更加科學全面地看待氫能產業的安全性，從而從多個維度實現對氫能產業的安全風險進行有效管控。

1氫能產業安全風險

由于氫氣具有高度的易燃易爆性、易泄露擴散性等特點，使得氫能產業各環節，包括制取、儲存、運輸和使用等均具有一定的安全風險性。表1為氫氣與汽油、天然氣的物理化學性質對比。

表1氫氣、汽油、天然氣的物理化學性質4

1.1 氫氣的安全特性

易燃易爆性：氫氣是一種極易燃燒的氣體，燃燒反應十分劇烈，同時產生大量的熱。與空氣或氧氣混合后，一旦遇到明火或高溫極易發生爆炸，其爆炸極限為 4%～75% ○

易泄漏性：氫氣是自然界中最輕的氣體，分子直徑小，其密度僅為空氣的1/14，在相同條件下，相對于其他氣體更容易發生泄漏。

易擴散性：由于氫氣密度小，一旦泄漏，會迅速向四周擴散。這種擴散性一方面使得氫氣難以聚集形成爆炸性混合物，但另一方面也使得氫氣泄漏后難以定位和控制。

氫脆：通常情況下，氫氣沒有腐蝕性，也不與典型的容器材料發生反應。在特定的溫度和壓力條件下，可以擴散到鋼鐵和其他金屬中，導致高強鋼的強度降低或脆化，特別是在高壓氫氣系統中，隨著壓力增大，高強度鋼材長期暴露在氫環境中很容易發生氫脆。

1.2 制氫安全風險

目前氫氣主要有3種制取方式：化石燃料制氫、工業副產氫、電解水制氫。對于不同制氫方式和技術均存在一定的安全風險，制氫過程中存在的主要安全風險如表2所示。

表2制氫風險因素分析

制氫過程中，爆炸風險是最為嚴重的安全風險之一。在氫氣與空氣混合比例在 4%～75% 時，會形成可燃混合物，一旦有點火源存在即可能引發火災或爆炸。制氫裝置中涉及高溫和高壓環境，如果溫度控制不當或存在火源，可能導致氫氣燃燒，進而引發火災。此外，如果制氫設備管道、法蘭、閥門等發生泄漏，也可能引發火災。

氫氣雖然無毒，但在高濃度下會使人室息。同時，制氫過程中使用的其他化學品，如酸、堿等，具有毒性和腐蝕性，一旦泄漏，不僅會對操作人員造成傷害，還可能對環境造成污染。在制氫和運輸過程中，氫氣與設備、管道等摩擦可能產生靜電，如果沒有接地或接地不良，積聚的靜電荷可能引發靜電火花，從而引發爆炸。此外，操作人員的失誤或不當操作也可能引發安全事故。例如，操作人員在未采取安全措施的情況下進行設備的維修和檢查，可能導致氫氣泄漏或爆炸[8]。

1.3儲氫安全風險

儲氫的安全性與儲氫方式有關。目前，儲氫技術主要包括高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫、有機液態儲氫和金屬固態儲氫等。每種儲氫方式都有其特定的安全風險，不同儲氫方式存在的主要安全風險如表3所示。

表3儲氫風險因素分析

高壓氣態儲氫的工作壓力較高，這使得儲存容器需要承受一定的壓力。在高壓狀態下，氫氣的泄漏速度更快，擴散范圍更廣，一旦發生火災或爆炸，后果可能更為嚴重。在超溫、充裝過量等情況下，如果儲氫設備的強度不足，就可能發生超壓爆炸。頻繁的充放氣操作也可能導致設備裂紋擴展或出現新的裂紋，從而引發疲勞破壞，增加安全風險。此外，氫氣的分子體積小，容易與儲氫容器的金屬產生反應，導致“氫脆”現象。氫脆可能使金屬材料的性能劣化，降低設備的強度和韌性，增加設備在高壓下的破裂風險。其次，高壓氣態儲氫設施的材質和密封性要求極高。

如果設備存在缺陷或密封不嚴，就可能導致氫氣泄漏。氫氣泄漏不僅可能引發火災或爆炸，還可能對周圍環境造成污染，對人員安全構成威脅[10]

液氫是由氫氣經過降溫而得到的無色、無味的高能低溫液體燃料，其沸點約為 。由于液氫的溫度極低，與人體接觸可能導致嚴重的冷燒傷。液氫具有高度的可燃性，一旦接觸到火源或靜電可能引發爆炸。在儲存和使用過程中，如果氫氣濃度超過爆炸極限，也可能導致爆炸事故。此外，液氫在氣化時體積會劇烈膨脹，在密閉或受限空間內，少量的液氫泄露可能導致氧氣不足，進而引發室息風險[]。

有機液態儲氫是利用氫氣與有機介質進行可逆化學反應實現氫的儲存和釋放。這些有機介質，如烯烴、炔烴、芳烴等不飽和液態有機物，具有復雜的化學性質[12]。在儲存和運輸過程中，如果發生不當的化學反應，可能導致儲氫介質的穩定性下降，甚至可能產生有毒或易燃的副產物，從而引發安全風險。其次，有機液態儲氫的充氫和放氫過程需要特定的催化劑和反應條件。在小型空間如汽車內部實現氫分子的逆向“釋放反應”，對催化劑、化學反應條件的要求都比較高[13]，操作不當或設備故障可能導致反應失控，進而引發火災、爆炸等安全事故。

與傳統的氣態和液態儲氫方式相比，金屬固態儲氫不需要高壓或低溫條件，因此安全性相對較高。但金屬氫化物等固態儲氫材料在儲氫和放氫過程中，其晶體結構可能發生變化，這可能導致材料性能下降，從而引發安全隱患；或放氫溫度過高，導致高溫燙傷。

1.4 運氫安全風險

運氫的方式主要有3種：長管拖車運輸、液氫運輸和管道輸氫，每種方式都有其特定的安全風險，不同的運氫方式存在的主要安全風險如表4所示。

長管拖車運輸是國內常見的氫氣儲運方式，一般壓力為 20MPa ，主要用于短途和應急情況，由一系列高壓氫氣罐和牽引車組成。在運輸過程中，長管拖車容易因為車輛行駛、管道振動等因素造成管殼松動，從而導致泄漏，更可能造成人身傷亡和環境破壞。此外，由于拖車的長管較長，一旦發生管道爆裂等情況，會造成嚴重的事故后果[14]。

液氫運輸是將氫氣液化后利用槽罐車進行運輸，每次可運輸大量氫氣，從而提高運輸效率。然而，液氫的儲存和運輸需要極低的溫度，且液氫的泄漏和蒸發也存在一定的安全隱患。如果發生泄漏，操作人員不慎接觸將會引起凍傷；此外，液氫可能迅速蒸發形成大量的氫氣，與空氣混合后形成爆炸性混合物[15]此外，液氫的低溫也可能對運輸設備造成冷脆現象，增加設備損壞的風險。

表4運氫風險因素分析

管道輸氫是通過純氫或天然氣摻氫管道進行長距離、大規模的輸氫。這種方式可以有效降低氫氣運輸成本，但前期投資大，建設難度高。如果管道材料選擇不當或施工質量不佳，可能導致管道在使用過程中發生破裂或泄漏[，或與其他管道的交叉干擾等。此外，管道沿線的地形、氣候等環境因素也可能對管道的安全運行造成影響。

1.5 加氫站安全風險

加氫站是燃料電池汽車加注氫氣的特有場所，其安全性至關重要。加氫站的安全涉及多個方面，包括設備安全、操作安全、人員安全、作業環境安全等，加氫站及加氫過程存在的主要安全風險如表5所示。

加氫站的核心設備，如儲氫罐、壓縮機、加氫機、閥門、管道等，在制造、安裝、運行和維護過程中都可能存在設備破裂、失效和氫氣泄漏的風險。氫氣泄漏后若未能及時擴散，容易形成可燃氣云，一旦遇到點火源，就可能發生火災，進而引發爆炸事故。因此，對這些設備進行定期維護、檢查及更新是保障加氫站安全的關鍵[18]。

表5加氫站風險因素分析

在加注過程中，會出現加氫站因探頭布置、環境因素導致未及時發現泄漏的情況，并且氫氣泄漏初期溢散出的濃度極低，如未達到報警閾值或探頭處于故障狀態，可能會導致錯過最佳處置時間而產生爆炸的風險[19]。

加氫站的操作人員需要接受專業培訓和嚴格管理，如果操作不當或者管理不善，就可能引發危險。例如，對氫氣泄漏檢測的不到位、對安全生產規章制度和安全操作規程不熟悉等都可能導致事故的發生。同時，加氫作業環境中還存在高溫、高壓、高電壓等危險因素，如果沒有正確的防護措施，員工可能會受到嚴重的傷害[18]。

由于加氫站涉及氫氣的存儲、加注、燃料電池汽車，甚至制取等多個環節，為保障加氫站的安全性，2021年由住建部發布的《加氫站技術規范》GB50516—2010（2021年版）中更新了加氫站等級劃分，完善了氫氣儲存系統及設備、氫氣系統運行管理以及接地和防靜電等技術要求，將有助于提升加氫站設計與建設的安全性，強化加氫站運行管理的安全性。2024年4月，《加氫站通用要求》（GB/T43674—2024）正式批準發布，明確規定了加氫站的設備及組件、氫品質、電氣、控制系統、交付資料、加氫站測試、標志與銘牌、運行管理、檢查和維護等方面的要求，為加氫站的建設、運營和維護提供了全面的安全標準和規范，有助于確保加氫站的安全性。

1.6燃料電池汽車安全風險

氫燃料電池汽車是指由儲氫瓶中的氫氣和空氣中的氧氣在燃料電池電堆中發生氧化還原反應，產生電能驅動車輛行駛。燃料電池汽車的氫安全性主要包括燃料電池汽車運行過程中涉氫部分的安全性，涉氫部分主要是燃料電池系統和車載儲氫系統20，燃料電池汽車存在的主要安全風險如表6所示。

在燃料電池汽車運行過程中，燃料電池系統作為車輛動力性能的提供源，具有氫氣流量大、產熱較多和輸出高電壓高電流等工作特點，其安全性能涉及到機械、電氣、熱和化學等多種因素。車輛行駛中燃料電池電堆還會受到振動、沖擊、雨塵及環境溫度大幅變化等影響因素，將對電堆的安全性產生一定的影響[21]。燃料電池系統可輸出300～600V的高壓電，易出現短路或電擊風險。此外，燃料電池汽車發生碰撞時除可能有氫氣泄漏外，還可能發生高壓電漏電風險[22]。

車載氫系統作為燃料電池汽車的重要組成部分，實現了氫氣的加注、儲存與供應。其主要部件包括加氫口、氫氣過濾器、單向閥、減壓閥、電磁閥、排空口、限流閥、安全閥、針閥、溫度傳感器、壓力傳感器和氫系統控制器等，典型的車載氫系統示意如圖1所示。在氫氣加注的過程中，儲氫瓶內由于氫氣的高流速和壓縮容易導致溫度驟升，若溫度超過設備的安全規定范圍，就會造成設備損壞和介質泄露，甚至爆炸[23]。供氫系統在將車載高壓壓縮儲氫氣瓶內的氫氣經減壓閥減壓后送至燃料電池電堆，在為燃料電池電堆提供合適壓力、溫度和流量的氫氣時，瓶口閥和減壓閥等關鍵零部件存在失效風險、管路系統接頭存在泄漏風險[24]。

表6燃料電池汽車風險因素分析

圖1燃料電池氫系統示意

2國外氫安全及標準現狀

氫能已成為“全球脫碳時代\"能源競爭的新焦點，美、日、韓等發達國家高度重視氫能產業的發展，相繼出臺發布產業支持政策，并建立了較為完善的安全標準體系和安全管理體系，且高度重視氫安全技術研究。

美國是全球較早提出氫能研究和應用的國家，已經形成“制氫一儲氫一運氫一加氫一用氫\"的全技術鏈能力，標準體系建設方面也全面覆蓋了所有類別。其中美國汽車工程師協會（SAE）下設的燃料電池標準委員會，專門負責氫能應用的燃料電池汽車領域，標準具體涉及到氫安全、急救、加氫通訊、碰撞安全、能耗測試等方面，已形成國際上比較全面的燃料電池汽車標準體系。此外，美國高度重視氫能應用場景的安全風險評估，開發了商業化軟件FLACS-Hydrogen、Phast及HyRAM工具包來識別氫氣泄漏、燃爆事故特征并進行風險評估；和氫事故數據庫（HIAD）用于儲存與氫有關的事故和事件的數據集，并監測分析氫生產、運輸及其供應和使用中的不同危險因素。

日本的氫能技術標準也基本覆蓋了標準體系的所有類別，其中日本汽車研究所（JARI）在氫安全、氫能應用技術等領域確立了一系列安全、性能與耐久性方面的針對性行業標準。在加氫站法規標準方面，日本發布了《加氫站安全檢查標準》《氫氣充裝性能確認》等標準指南來確保加氫站的安全可靠性。在安全科學技術研究方面，日本政府與企業聯合設立的日本汽車研究所建有世界上第一座可以進行氫燃料電池汽車火災爆炸評價測試的大型試驗倉，并且包含高壓氫氣試驗設備、液壓試驗設備、液化氫試驗設備等。可開展容量為260L的 70MPa 儲氫瓶破壞性試驗、整車火燒試驗、氫氣泄漏火災爆炸試驗、高壓氫系統設備破壞性測試、容器閥門等的循環壽命和耐久性試驗、高壓氫安全加注程序研究，以及氫燃料電池汽車、電動汽車和汽油車安全性對比研究等，為支撐日本氫燃料電池汽車安全做出了重要貢獻。

為確保氫能經濟的穩定發展，韓國在氫能生產、存儲、運輸、加注、使用的全過程構建了切實有效的安全管理體系，按照國際標準制定及修訂相應氫安全標準，如《燃料電池公路車輛一安全規范一壓縮氫氣燃料車輛的氫氣危害防護》（KSRISO23273）等。同時，韓國政府還制定了氫能安全管理專門法令，于2020年2月頒布了全球首部《促進氫能經濟和氫安全管理法》，在產業發展、組織機構、安全監管、教育培訓等方面做出了具體要求，旨在系統、有效地促進氫能產業健康發展，為氫能供應和及其基礎設施的安全管理提供必要支持。

3氫安全措施與建議

（1）建立完善的氫能安全管理制度：對氫氣的制取、儲存、運輸、加注和應用等環節，企業和機構應建立完善的氫氣安全管理制度，提升全過程安全管理水平。制度應涵蓋與安全相關的所有內容，并明確責任部門和人員。

（2）修訂完善氫能安全標準體系：組織專門團隊，梳理我國已有的和正在制定過程的氫能安全國家標準，從氫能全產業鏈現狀和發展對氫能安全管控的要求出發，進行頂層設計，制定、修訂、完善標準的規劃，盡早形成系統完整的標準體系。

（3）加強氫能全鏈條安全監管：建立和完善氫能源安全監管體系，落實企業安全生產主體責任和部門安全監管責任。相關部門應加強對氫氣的生產、運輸和使用企業的監管力度，確保其符合相關的安全標準和規定。加強事故預防能力和突發事件應急處理能力，確保氫能利用安全可控。

（4）加強氫能安全技術研發：通過深人研究氫氣的理化特性、儲存和運輸技術、安全管理等方面的問題，提出更加安全、高效的解決方案。例如，開發臨氫設備關鍵影響因素監測與檢測先進技術，加強氫氣泄漏檢測報警以及氫能相關特種設備的檢驗、檢測等先進技術研發。

（5）建立氫能安全監控平臺：建立可覆蓋氫能全產業鏈的綜合運行監控平臺，實現數據的實時采集、傳輸、分析和展示。利用互聯網、大數據、人工智能等先進技術手段，對采集的數據進行深度挖掘和處理，發現異常情況和潛在風險，并及時發出預警和報警。

（6）加強安全培訓與教育：對從事氫氣相關工作的人員進行定期的安全培訓和教育，提高操作人員的安全意識和操作技能。通過開展安全知識講座、組織應急演練等形式多樣的活動，確保他們熟悉氫能的安全特性，能夠正確、安全地進行操作，從而減少氫安全事故的發生。

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（責任編輯明慧）