氢能安全技术研究与标准体系

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1、氢能利用安全技术研究与标准体系建设一、前言我国燃料电池汽车（FCEV）产业刚进入市场导入期就呈现了快速发展的态势，截止2019年年底，累计销售燃料电池汽车6184辆，建成加氢站51座，形成了涵盖氢生产、氢储运、加氢站、燃料电池、FCEV及关键设备和部件的产业链雏形，20多个省市发布了指导和支持FCEV产业发展的规划、方案和意见，预计到2030年我国FCEV保有量将达200万辆、加氢站数量达1000余座。氢气是易燃易爆气体，利用过程的安全措施一旦失当，容易发生着火爆炸事故，造成人员伤亡和财产损失 [1]，但目前对氢气的危险性解读存在一些误区。2019年，美国、韩国、挪威分别在氢运输

2、、储存、加注过程发生了氢安全事故，导致当地宣布暂停加氢站运营，引发了业界对FCEV产业健康发展的担忧和对氢能利用安全技术研究的重视与关注。氢能安全利用贯穿氢气的生产、储运、加注、FCEV利用等环节，是FCEV产业健康发展的首要保障。相对于FCEV、加氢站及相关产业的快速发展，我国对氢能利用安全技术的系统性研究相对匮乏，落后于产业发展的现实需求，尚不具备支撑产业健康快速发展的能力。一是我国氢能安全技术研究基础薄弱，氢能安全技术研究主要集中在氢燃料电池安全、氢行为、涉氢设备的材料相容性等基础领域[2~5]，研究力量分散、深度不足，涉氢设备、材料和部件的安全可靠性测试方法和检测认证手段

3、缺乏，燃料电池安全、整车安全、储氢罐安全研究不能包括实际应用过程的所有事故场景，加氢站安全技术研究接近空白。二是我国已建立的车用氢能安全法规标准缺少科学性和完整性。目前我国FCEV相关的标准制定由国家标准化委员会下设的若干标准技术委员会负责，主要涵盖整车标准、燃料系统、基础设施、通用基础等方面。这些标准以借鉴、参考、翻译国外标准为主，缺乏足够的实验数据和必要的安全技术研究支撑。如《加氢站技术规范》（GB50516—2010）对加氢站与民用建筑的防火距离设置，我国规定为20~35m，国外采用风险评估后确定，日本控制在8m以上。简单从严选择，借鉴国外标准使标准的科学性、合理性不足，不

4、利于我国FCEV产业的健康发展。三是我国不具备国外普遍使用的FCEV供氢系统装备的产业化能力，与之相关的安全技术研究处于空白状态。国外供氢系统压力普遍是70MPa，由于技术和制造能力限制，我国FCEV用氢压力为35MPa。35MPa供氢压力极大降低了FCEV的行驶里程，增加了氢气的储存运输成本，未来采用70MPa系统是必然趋势，必须有可靠的检验测试标准和方法做保障。在制定标准时虽然可以借鉴国外的研究成果，但我国应该具备自主进行70MPa和90MPa储氢瓶，加氢站建设使用阀门、管件、仪表、加氢枪等的安全可靠性及使用寿命测试认证的能力。日本是世界上FCEV技术开发与市场推广领先的国家

5、，开展了系统的安全技术研究，建立了设施完备的车用氢能安全研究测试机构，形成了系统全面的临氢承压储氢瓶、阀门、仪表、管件等的安全检测检验方法和标准体系，其经验具有一定的参考和借鉴价值。为此，本文首先指出应科学认识氢气的危险性，并根据氢气的物理化学性质，合理制定用氢安全对策；然后以较大篇幅详细介绍了日本的氢能利用安全技术研究情况及启示；最后提出了加强我国氢能利用安全技术研究与标准体系建设的建议，以支撑我国FCEV产业的健康发展。二、科学认识氢气危险性，合理制定用氢安全对策（一）氢气的物理化学性质氢是自然界广泛存在的元素，煤炭、石油、天然气、动物、植物乃至人体都含有氢元素。氢气具有无色

6、、无味、无毒、可燃易爆的特点，密度为0.0899kg/Nm3，沸点为–252.8℃，常温下，氢气性质稳定[6,7]。表1列出了汽油、天然气、氢气的物理化学性质。与汽油和天然气相比，氢气具有三个特性。一是氢气爆炸浓度下限与燃烧浓度下限差值远高于汽油和天然气。易燃易爆气体与空气混合后遇明火引燃，当其浓度即单位体积能量密度达到引爆需要的能量时，才会发生爆炸，所以燃烧与爆炸的浓度范围理论上是有差异的，但是不少易燃易爆气体的燃烧浓度范围限值与爆炸浓度范围限值差异不大，准确测定困难，如汽油和天然气的燃烧浓度范围下限与爆炸浓度下限差值较小，汽油为0.1v%，天然气为1.0v%。为了强调其爆炸的

7、危险性，一些文献资料只介绍爆炸浓度范围，甚至将燃烧浓度范围直接作为爆炸浓度范围。在分析氢气的安全性时，既要关注燃烧浓度范围，也要关注爆炸浓度范围[7,8]。氢气的爆炸浓度范围是18.3v%~59.0v%，燃烧浓度范围是4.0v%~75.0v%，两者之间是有明显差异的，如果将氢气的燃烧浓度范围（4.0v%~75.0v%）当作爆炸浓度范围，就放大了氢气的易爆性。二是氢气燃烧时单位体积发热量和单位体积爆炸能相对较低。氢气燃烧时单位体积发热量仅为汽油的0.053%，单位体积的爆炸能量为汽