氫安全研究現狀及面臨的挑戰

世界能源需求的不斷增長和化石能源引起的環境汙染問題都迫切呼喚著新能源的開發與利用。氫能具有來源多樣、儲運便捷、利用高效、清潔環保等特點，氫既是清潔能源，又是支撐化石能源清潔高效利用、可再生能源大規模儲能的重要手段。21世紀以來，發達國家爭相出臺氫能技術發展規劃，以便在未來的新能源競爭中佔據主動權。

我國也高度重視氫能燃料電池汽車的發展，《中國製造2025》(2015—2025年)將節能與新能源汽車列為十大重點發展領域之一，提出「實現大規模、低成本氫氣製取、存儲、運輸、應用一體化」的戰略目標，要大力發展氫能、燃料電池等新一代能源科技。2016年發布的《「十三五」國家科技創新規劃(2016—2020)》中將氫能、燃料電池列為新一代引領產業變革的顛覆性能源技術。

2019年《政府工作報告》強調「推動充電、加氫等設施建設」等內容，氫能首次被寫入《政府工作報告》。截至2018年底，世界範圍內已建成加氫站369座，其中我國已建成加氫站23座，佔比約6%。根據《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書(2016)》，2020年我國加氫站將達100座，2030年達到1000座。

氫氣易燃易爆、燃燒範圍寬(4%～75%)、點火能量低、擴散係數大且易對材料力學性能產生劣化，在製備、儲存、運輸、加注和使用過程中均具有潛在的洩漏和爆炸危險，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，並在世界範圍內引起了廣泛的關注。

許多國家成立了專門的研究機構開展氫安全研究，以期在氫能產業化過程中佔據主動權和制高點，如日本供氫及氫應用技術協會(HySUT)、日本氫能檢測研究中心(HyTＲeC)、美國聖地亞國家實驗室(SNL)、歐盟燃料電池和氫氣聯合協會(FCH2JU)、北愛爾蘭氫安全工程研究中心(HySAFEＲ)、加拿大電力科技實驗室(PowerTech)等。國際上也專門成立了國際氫安全協會(IA-Hysafe)來推動氫安全的發展。

IA-Hysafe每兩年組織一次國際氫安全會議(ICHS)，為展示和探討氫安全領域的最新研究成果，以及分享氫安全相關信息、政策和數據提供了一個開放的平臺。同時，國際氫能協會(IAHE)創立了《國際氫能雜誌》(International Journal of HydrogenEnergy)，該雜誌涵蓋了氫的製取、儲輸、應用、標準化等各個領域，現階段已成為氫能領域研究成果交流的主流期刊。

為了保障氫能產業快速健康發展，我國相關機構也在氫安全領域開展了大量研究，如浙江大學成立了氫安全研究實驗室，在氫氣洩漏爆炸、氫與材料相容性、高壓氫氣快充溫升、車載儲氫氣瓶耐火性能、氫風險評價等方面開展了較為系統的研究，並取得了重要的階段性成果。

鄭津洋等在2016年首次對國內外氫安全研究現狀進行了系統性總結，本文在其基礎上，依次從氫洩漏與擴散、氫燃燒與爆炸、氫與金屬材料相容性、氫風險評價4個方面介紹國內外近3年來氫安全研究的最新進展，明確氫安全發展面臨的挑戰與難點，並針對我國氫安全的發展提出建議。

01

氫洩漏與擴散

氫是自然界最輕的元素，具有易洩漏擴散的特性。氫氣無色無味，洩漏後很難發覺，若在受限空間內洩漏，易形成氫氣的積聚，存在引發著火爆炸事故的潛在威脅。液氫能量密度高，沸點低，洩漏後會造成周邊空氣的冷凝，若大規模洩漏易在地面形成液池，蒸發擴散後會與空氣形成可燃氣雲，增加了發生著火爆炸的可能性。研究氫洩漏及擴散規律，明確上述領域的研究現狀和挑戰，對氫能的大規模應用具有重要意義。

1.1 氫氣洩漏與擴散

根據氫氣洩漏源與周圍環境大氣壓之間壓力比值的不同，氫氣洩漏可分為亞聲速射流和欠膨脹射流。亞聲速射流在洩漏出口處已經充分膨脹，壓力與周圍環境壓力相等，氣流速度低於當地聲速，洩漏後的氫濃度分布滿足雙曲線衰減規律;欠膨脹射流在洩漏口處速度等於當地聲速，出口外射流氣體繼續膨脹加速，形成複雜的激波結構，氫濃度分布也更為複雜。

SNL通過試驗研究了穩態氫氣欠膨脹射流出口處的激波結構，並測量了馬赫盤的位置，結果表明，馬赫盤的位置只與噴嘴直徑和壓力比有關。Takeno、Okabayashi等通過試驗測量了不同壓力和洩漏孔直徑下氫濃度的分布，給出了射流方向上氫平均濃度、濃度波動和可燃概率的經驗計算公式。

由於欠膨脹射流真實濃度場的複雜性，氫氣射流數值模擬研究通常採用「虛噴管」的方法進行簡化，即假設所有氣流均由一個等效於實際洩漏出口的虛擬管出口流出，出口壓力與環境壓力相等。

Han等證明了虛噴管法計算得到的氫濃度分布滿足雙曲線衰減規律，但計算結果較真實值偏大。Andrei將直接數值模擬方法(DNS)與虛噴管法的射流計算結果進行對比，同樣表明虛噴管法得到的可燃區域結果較DNS結果大30%左右。為了提高模擬結果的準確性，Tang等採用自適應網格細化技術(AMＲ)，在洩漏口處採用DNS方法，使得計算結果與試驗結果具有很好的一致性。

隨著氫燃料電池汽車和小型儲氫容器的市場化應用，很多學者針對氫在車庫、隧道、維修站、儲氫間等受限空間內的洩漏開展了大量研究。研究表明:當洩漏率一定時，受限空間內氫濃度的分布主要取決於空間受限程度和通風狀況;氫在可通風室內空間洩漏後存在壓力峰值現象，即使未被點燃仍會產生較大超壓。

近年來，壓力峰值現象愈發受到科研人員的關注。Brennan等研究了儲氫壓力、超壓洩放裝置(PＲD)直徑、通風口大小對峰值壓力的影響，並依據上述參數得出了判斷峰值壓力的工程算圖;Makarov等開展了不同通風條件下氫在車庫內的洩漏試驗，驗證了壓力峰值CFD模型的有效性。另外，FCH2JU開展了室內氫洩漏的基礎性安全研究項目，給出了洩漏事故的預防和後果減緩措施。

氫氣洩漏與擴散研究主要面臨的挑戰如下:

1)洩漏口形狀、障礙物、氫濃度梯度及空氣浮力對氫洩漏擴散的影響規律;

2)基於虛噴管法的洩漏模型優化及多個通風口情形下峰值壓力的預測方法;

3)氫氣/空氣分層對PＲD洩放過程的影響;

4)氫發生多處洩漏時，不同氫射流之間的相互作用與影響。

1.2 液氫洩漏與擴散

液氫的意外洩漏擴散規律研究是保障液氫安全使用的重點。美國國家航空航天局(NASA)、德國聯邦材料研究與測試學會(BAM)和英國健康安全實驗室(HSL)都成功開展了液氫的大規模洩漏試驗，得到了可燃蒸汽雲濃度、地面溫度、蒸汽雲耗散時間等寶貴數據，其中HSL液氫試驗形成的地面空氣冷凝見圖1。

液氫大規模洩漏試驗的模擬研究也在進行中，國內外很多學者建立了一系列液氫洩漏模型，並利用上述試驗數據進行了模型有效性驗證，同時研究了洩漏率、風速條件、大氣壓力、地面溫度等參數對液氫可燃蒸汽雲形成和擴散的影響。

但由於液氫的複雜特性，其洩漏模型的建立比氣態氫更為困難，現階段仍不成熟，模擬結果與試驗結果存在一定的偏差。除了大規模洩漏試驗外，邊界條件更明確的小型液氫洩漏試驗對於模型的驗證具有重要意義。卡爾斯魯厄理工學院(KIT)的小型液氫洩漏試驗表明液氫的濃度衰減速度小於氣態氫。

圖1液氫洩漏試驗(HSL)

液氫洩漏與擴散研究主要面臨的挑戰如下:1)蒸汽擴散對液氫液池擴展、蒸發過程的影響及液氫閃蒸蒸汽分數的評估方法;2)考慮氫的非理想特性的液氫洩漏模型;3)從空氣、地面到低溫蒸汽的熱輻射研究及該部分熱輻射對整體熱量傳遞的作用;4)邊界條件明確的小規模液氫洩漏試驗;5)液氫容器耐火性能的提高。

02

氫燃燒與爆炸

氫燃燒範圍寬，點火能量低，若洩漏後被立即點燃會形成射流火焰，稱為氫噴射火。依據洩漏狀態的不同，氫噴射火可分為亞聲速噴射火和欠膨脹射流噴射火。

SNL、HySAFEＲ等機構開展了一系列氫噴射火試驗，得到了火焰長度和熱輻射值等試驗數據，並總結出基於弗雷德數Fr、雷諾數Ｒe和馬赫數Ma計算不同噴射火類型下火焰長度的經驗公式，但試驗所用噴嘴形狀均為圓形。

Mogi等通過試驗對比研究了不同噴嘴類型下的氫氣噴射火特性，見表1，結果表明噴嘴形狀對火焰長度具有顯著的影響。氫噴射火模擬的研究重點為熱輻射模型的建立。

付佳佳等基於OpenFOAM平臺，嵌入基於大渦模擬思想的fvDOM輻射計算模型，對氫亞聲速噴射火中火焰長度的影響因素進行了基礎性研究。Brennan等同樣基於大渦模擬方法，採用基於概率密度函數的混合分數燃燒模型，結合「虛噴管」概念，對氫欠膨脹噴射火火焰長度、寬度進行了基礎性研究。

Cirrone等採用渦流耗散燃燒模型和DO熱輻射模型，對氫欠膨脹噴射火熱輻射危害進行了基礎性研究。雖然有不少學者開展了氫噴射火的模擬研究，但總體而言相關燃燒模型和熱輻射模型仍不成熟，模擬結果具有一定的不確定性。

表1不同噴嘴類型下的氫氣噴射火試驗

氫在受限空間內洩漏後，易發生氫氣的積聚，形成可燃氫氣雲。若可燃雲團被意外點燃，由於障礙物的影響，火焰與障礙物之間產生的循環激勵效應加劇了燃燒過程。

在燃燒初始階段，燃燒波與衝擊波分離且速度低於衝擊波，稱為爆燃;隨著火焰的加速，當燃燒波與衝擊波以同樣的速度向前傳播時，稱為爆轟，整個過程稱為爆燃爆轟轉變(DDT)。

爆轟波的形成會嚴重加劇事故後果，因此DDT一直是氫燃燒爆炸研究的熱點。研究重點為DDT的產生機理及障礙物尺寸、空間受限程度、燃料氣體成分、燃料濃度梯度和反應邊界條件對火焰加速過程和DDT發生位置的影響。

研究表明，火焰傳播經歷緩燃、爆燃、爆燃轉強爆轟、強爆轟衰減及穩定爆轟等階段，火焰、主導激波和反射激波間的相互作用是影響DDT的主要因素。

高壓氫氣洩漏後在沒有點火源的情況下會發生自燃，但目前國際上對氫自燃機理尚無定論，相關機理主要包括逆焦耳-湯普遜效應、擴散點火機理、靜電點火機理、熱表面點火機理和催化反應點火機理。

Mogi、Yamada等分別通過試驗和模擬研究了高壓氫氣通過管道洩放的自燃過程，論證了擴散點火機理的合理性。Duan等基於擴散點火機理，利用試驗和理論分析方法對高壓氫氣洩漏激波傳播特性、自燃機理及自燃火焰發展規律進行了系統性研究。

氫燃燒與爆炸研究主要面臨的挑戰如下:

1)噴嘴形狀、障礙物對噴射火焰長度、熱輻射的影響，以及氫濃度梯度對火焰加速和DDT的影響;

2)氫噴射火產生的微火焰對材料性能的影響;

3)典型生產工況下的氫爆燃爆轟試驗及液氫洩漏瞬態脈動噴射火試驗;

4)氫自燃機理及複雜形狀管道下的氫自燃試驗;

5)可燃氫在典型工況下的點火概率及氫濃度對點火概率的影響。

03

氫與金屬材料相容性

金屬材料長期在氫環境下工作，會出現性能劣化的現象，嚴重威脅氫系統的服役安全。

氫環境下應用的金屬材料要求與氫具有良好的相容性，需進行氫與材料之間的相容性試驗，主要包括慢應變速率拉伸試驗、斷裂韌度試驗、疲勞裂紋擴展試驗、疲勞壽命試驗、圓片試驗等，相關試驗標準主要包括國際標準ISO111144:2017《移動氣瓶———氣瓶及瓶閥材料與盛裝氣體的相容性》、美國標準ASMEBPVC-Ⅷ3KD10《臨氫容器的特殊要求》、ANSI/CSACHMC1—2014《金屬材料與高壓氫氣環境相容性試驗方法》、ASTMG142—98(2016年修訂)《高壓或高溫條件下金屬材料與氫環境相容性的標準試驗方法》和我國國家標準GB/T34542.2—2018《氫氣儲存輸送系統———第2部分:金屬材料與氫環境相容性試驗方法》、GB/T34542.3—2018《氫氣儲存輸送系統———第3部分:金屬材料氫脆敏感度試驗方法》。

被廣泛認可的氫與材料相容性檢測方式是高壓氫環境中的原位檢測。世界各國正積極搭建氫環境原位測試平臺，以實現將材料直接置於高壓氫環境下進行相關力學試驗。

日本產業技術綜合研究所最高試驗壓力可達210MPa，最高試驗溫度可達190℃。我國浙江大學利用自有專利技術研發了我國首套140MPa高壓氫環境耐久性試驗裝置，並在此基礎上進一步成功研製了國際首套140MPa快開式高低溫高壓氫脆試驗裝置，為我國金屬材料與氫相容性研究提供了有力的硬體支撐。

金屬材料在高壓氫環境中服役時，氫分子能夠分解成氫原子進入金屬材料內部，在微觀和宏觀層面上造成材料的性能劣化，稱為氫脆。目前國內外學者普遍接受的氫脆機理為弱鍵理論(HEDE)和氫促進局部化塑性變形理論(HELP)。

系統地開展氫與金屬材料的相容性研究，在高壓氫環境中獲得材料的抗氫脆性能試驗數據，對氫脆的預防和控制具有十分重要的意義。世界範圍內有很多學者針對4130鉻鉬低合金鋼、300系列奧氏體不鏽鋼、6061鋁合金、API5LX42-X80管線鋼等材料，開展了其在高壓氫環境下的相容性試驗，為高壓臨氫設備材料的選擇提供了基礎數據。

在973計劃項目等的持續支持下，浙江大學利用金屬材料在高壓氫環境中的試驗數據，建立了我國首個國產金屬材料與高壓氫環境相容性資料庫。

將可再生能源產生的無法併網利用的電能通過電解水轉化為氫能儲存起來並應用，是重要的發展方向，稱之為可再生能源電力制氫(Powerto-Hydrogen)。將可再生能源製得的氫氣摻入現有的天然氣管線進行輸送，能夠大幅度地節約管道建設成本，但材料與摻氫天然氣之間的相容性需要系統深入地評估。

趙永志等總結了摻氫天然氣與配送管道、長距離輸送管道及管網其他設備(儲存設備、動設備)的相容性，認為摻入的氫氣對低壓配送管道產生的影響較小，而對長距離高壓輸送管道的影響程度主要取決於管道操作壓力和摻氫比例。蒙波等針對摻氫天然氣高壓輸送管道的安全性問題進行研究，得到了X70、X80管線鋼在不同摻氫比例下的力學性能劣化規律。

氫與金屬材料相容性研究主要面臨的挑戰如下:

1)臨氫環境下裂紋萌生和擴展機理，主要包括低應力強度因子變化範圍△K下疲勞裂紋萌生的測試和評估方法，以及氫氣壓力對應力強度因子門檻值△Kth的影響;

2)氫環境與材料相容性資料庫的完善，氫環境包括氫氣環境和摻氫天然氣環境，材料包括金屬材料和非金屬材料;

3)零部件材料和製造工藝對其抗氫脆性能的影響，包括材料中雜質含量、焊接殘餘應力和表面粗糙度等;

4)國際統一的氫與材料相容性試驗標準、摻氫天然氣儲輸標準等。

04

氫風險評價

4.1風險評價方法

氫風險評價方法主要分為快速風險評級(ＲapidＲiskＲanking，ＲＲＲ)和量化風險評價(QuantitativeＲiskAssessment，QＲA)。ＲＲＲ為經驗式的定性風險評估，將專家分析討論後得到的結果與風險矩陣進行對比，以獲得相應的風險等級，可快速確定主要危險源;QＲA是對風險的定量評價，可以科學地評價氫能系統或某一具體事故的風險值(個人風險和社會風險)，為風險減緩措施提供指導和建議，還可以直接應用到氫安全相關標準的制定，如安全距離的確定，現階段已成為氫風險評價的主流方法，評價流程見圖2。

圖2 量化風險評價流程

氫燃料電池汽車和加氫站的安全應用受到人們的普遍關注。Kikukawa等綜合分析了液氫加氫站可能發生的事故類型，採用ＲＲＲ方法對加氫站進行了風險評估。

Dadashzadeh等針對火災事故中的氫燃料電池汽車，給出了火災情景下車載儲氫氣瓶的QＲA方法。Middha等針對氫燃料電池汽車在隧道內的洩漏，開展了事故後果量化研究，為受限空間內氫洩漏QＲA方法建立提供了支撐。

Li等針對上海世博加氫站開展了QＲA研究，明確了對站內員工、加氫顧客和第三方人員的風險值。李靜媛等同樣以上海世博加氫站為例，定量研究了加氫站內高壓儲氫氣瓶發生洩漏爆炸的事故後果，並提出了事故減緩措施。

QＲA結果依託於氫洩漏、擴散、燃燒、爆炸等數值模型的精度，以及網格尺寸、邊界條件等模擬條件的設置，即使對於相同的事故類型，由於模型精度和條件設置的不同，往往會得出不同的風險評估結果，因此提高模型的準確性及模擬條件設置的合理性對氫風險評價具有重要意義。

為解決上述問題，FCH2JU推出了SUSANA項目，對氫行為(洩漏、擴散、燃燒、爆炸)相關數值模型進行了大量的驗證工作，同時給出了氫數值模擬研究的推薦方法。

氫風險評價方法研究面臨的主要挑戰如下:

1)加氫站設施真實幾何形狀建模及包含事故緩解措施的加氫站QＲA方法;

2)受限空間內氫燃料電池汽車洩漏事故的QＲA方法;

3)更多典型氫應用場景(高壓氫氣儲輸、液氫儲輸、摻氫天然氣儲輸等)下氫事故的QＲA方法。

4.2風險評價工具

風險評價工具是指基於驗證過的工程概率模型和事故後果模型建立的、具有良好用戶交互界面的平臺，用戶能夠輸入特定的信息和邊界條件並在短時間內獲得風險評價的數據。

2014年，SNL和IAHysafe共同推出了名為「HyＲAM」的首個風險評價工具，該工具基於QＲA方法，在對氫加注、儲存等氫能設施進行安全性評估的同時，有效縮短了計算時間。

HyＲAM將目前國際上較為先進的理論研究、工程模型和氫安全相關數據集成為一個工業化的綜合性分析體系，有助於國際氫安全標準的制定和各國相關政策的實施。

後果量化評價作為QＲA的重要一環，其功能的實現亦離不開軟體的支撐，現階段常用於氫安全研究的量化風險評價軟體主要包括FLACS和PHAST。FLACS為Gexcon公司開發的、基於CFD技術的專業模擬氣體擴散、燃燒和爆炸的軟體，能夠耦合火焰與裝置、管道等設備的相互作用和影響，實現對洩漏爆炸後果的量化分析與計算。

Middha、Vyazmina等開展了一系列氫洩漏、擴散、燃燒、爆炸等試驗，對氫相關行為模型進行了驗證，證明FLACS可用於氫安全研究。PHAST為DNV公司開發的基於CFD技術的軟體，包含多種常見的壓力管道、容器等洩漏、擴散、池火、爆炸等數值模型，且已在多個領域(化工、建築)內得到大範圍應用。現階段已有學者利用PHAST軟體開展氫氣洩漏及爆炸的研究，但相關數值模型對氫氣的適用性仍需進一步的試驗驗證。

風險評價工具主要面臨的挑戰如下:1)若干氫行為數值模型的建立與驗證，包括液氫洩漏、開放環境下氫氣爆燃爆轟、爆燃爆轟轉變(DDT)、氫點火、流體與火焰界面相互作用等模型;2)數值模型的準確性及氫系統結構失效、洩漏頻率等方面的有效數據。

05

結論與建議

本文主要從氫洩漏與擴散、氫燃燒與爆炸、氫與金屬材料相容性和氫風險評價4個方面介紹了國內外氫安全的研究現狀，明確了氫安全研究仍面臨的挑戰。

在氫洩漏與擴散研究方面，洩漏口形狀、氫濃度梯度及空氣浮力對氫氣洩漏擴散的影響規律仍需進一步研究，考慮液氫非理想特性的兩相洩漏模型的建立仍存在較大困難。

在氫燃燒與爆炸研究方面，火焰加速(FA)和爆燃爆轟轉變(DDT)的機理仍不明確，氫自燃機理及試驗研究仍需加強。

在氫與金屬材料相容性方面，材料在高壓氫環境下的試驗數據較為缺乏，國際統一的氫與材料相容性試驗標準、摻氫天然氣儲輸標準尚未建立。

在氫風險評價方面，更多典型氫應用工況下洩漏事故的QＲA方法仍需建立，氫系統結構失效、洩漏頻率等方面的有效數據相對較少。

政府的高度重視和資本的不斷湧入為我國氫能的發展提供了前所未有的契機，我國氫安全研究近年來也取得了快速的發展。但相較於日本、美國、德國等發達國家，我國氫安全研究起步較晚，研究機構目前主要集中在少數高等院校和科研院所，研究能力仍存在較大的差距。針對我國氫安全研究的發展提出以下建議。

1）系統開展氫洩漏、擴散、燃燒、爆炸等相關試驗研究，為氫風險評價所需模型的建立與驗證提供充足的基礎數據;完善金屬和非金屬材料的抗氫脆性能資料庫，為我國高壓臨氫承載件材料選擇、設計製造、安全評估、標準制訂提供依據。

2）加強氫能基礎設施運行安全技術研究，形成氫系統綜合風險評價方法，針對氫的製備、儲輸和加氫站建設，形成氫能基礎設施服務網絡重大危險源辨識方法，構建風險量化計算與評價指標體系，同時建立有效的事故緩解方法和應急安全響應機制，為我國氫燃料電池汽車的商業化發展提供支撐。

3)進一步完善我國氫安全質量體系(包括標準、計量、合格評定等方面)，為氫能產業鏈各個環節的安全運行提供支撐，同時組建具有第三方公正地位的氫安全檢測研究中心，提升氫能裝備安全檢測能力，為氫能產品安全檢驗和認證、臨氫容器設計製造、氫安全規範標準制訂、氫能設施定量風險評價、進口氫能產品安全檢測提供技術支持。

來源 | 《安全與環境學報》

文 |浙江大學化工機械研究院（鄭津洋）