科普 | 氢能源的潜藏安全风险

第二研究室

（文章图片来源于网络）

1 引言

氢气，宇宙中最丰富的元素，正逐渐成为清洁能源的代名词。燃烧后只排放水，不产生任何污染，它被称为解决气候危机的“终极答案”。氢燃料电池车、加氢站、绿色工业革命……人类对氢能源的未来充满期待。

国家发改委印发《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，其强调氢能是未来国家能源体系的重要组成部分，是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体；氢能产业是战略性新兴产业和未来产业重点发展方向。《十四五能源体系规划》指出：“新型储能和氢能有望规模化发展并带动能源系统形态根本性变革，构建新能源占比逐渐提高的新型电力系统蓄势待发，能源转型技术路线和发展模式趋于多元化“。

氢气，轻如空气却易燃易爆，看不见、闻不到，却可能在瞬间引发致命事故。“宽燃烧范围”和“超低点火能量”让它比传统燃料更难驾驭——一场不起眼的泄漏，可能变成难以扑灭的灾难。是未来的希望，还是隐藏的危机？在追逐能源革命的路上，氢能源的风险远比想象中更复杂。

氢燃料汽车（左）与传统油车（右）的事故对比^[1]

2 什么是氢气？为什么它会有风险？

氢气是一种非常轻的气体，比空气轻十四倍，无色、无味、无毒，但却极其容易燃烧。这种气体因其燃烧后只会产生水而不产生二氧化碳，被认为是清洁能源的典型代表。随着全球能源转型的发展，氢气在燃料电池、电力储存以及工业化学领域的应用正在不断扩大。然而，其独特的物理化学特性也为其使用带来了不少安全挑战。以下从易泄漏、易燃易爆、氢脆三方面，解析氢气的潜在风险。

氢气与天然气的属性对比^[2]

易泄漏：微小裂缝下的“逃逸者”

氢气是宇宙中最轻的气体，其分子量仅为2 g/mol，相比空气（平均分子量约为29 g/mol）要小得多。正因如此，氢气具有极强的扩散性和渗透性：扩散速度快，氢气在空气中的扩散速度是天然气的3倍，泄漏后迅速形成扩散羽流，难以控制其扩散范围。渗透性强：氢气分子极小，能够穿透储存容器或管道中的微小裂缝，甚至造成密封件失效。

一旦发生泄漏，氢气在高压下会以高速喷射，与空气迅速混合。这种行为带来两大问题：难以察觉，氢气无色无味，无法像天然气那样通过气味剂快速识别泄漏，容易被忽视。快速扩散，即使是微小泄漏，也可能迅速扩散至整个空间，尤其是在密闭环境中形成危险的可燃气云。

大规模液氢泄漏所产生的氢气云团^[3]

易燃易爆：一触即发的“危险分子”

宽广的可燃可爆浓度范围：当氢气与空气的体积比达到4%~75%时，可形成可燃混合物；而在18%~59%的浓度范围内，混合物则极易发生爆炸。

点火能量极低：氢气的点火能量仅为0.017毫焦耳，远低于汽油和天然气等传统燃料的点火能量。这意味着微小火花（例如静电放电或电气设备故障）便可点燃氢气。

氢气泄漏后所产生的射流火焰^[4]

泄漏后的氢气云团如达到一定浓度范围（4%-75%），在遇到火源时可能引发爆燃或爆炸。瞬间点燃-射流火焰：在泄漏后如果立即点燃，氢气会形成高速湍流火焰，即所谓的喷射火灾。火焰温度可高达2000°C，对周围环境造成严重威胁。延迟点燃-爆燃或爆震：如果泄漏的氢气在一定时间后才被点燃，混合物中的火焰传播速度可能加速，导致爆燃，甚至发展为爆震（DDT，爆燃向爆震转化）。爆震会产生强大的冲击波，对人、建筑物和设备造成毁灭性破坏。

氢气在车库泄漏后的爆炸情形^[5]

氢脆：金属材料的“隐形杀手”

氢脆是氢气特有的一种现象，指的是氢分子对金属材料的破坏作用。当金属接触氢气，尤其是高压氢气时，氢分子可能进入金属内部结构，引发材料性能下降甚至失效。

氢脆的主要表现为：金属脆化：氢分子渗入金属晶格后，弱化了金属内部的键合强度，导致金属失去韧性，变得脆弱易裂；裂纹扩展：在高压氢气环境下，金属容器或管道可能出现微裂纹，这些裂纹随着氢气的渗透逐渐扩展，最终导致破裂。由于氢脆的长期影响，储氢设备可能出现材料疲劳，增加事故风险。

特殊的氢脆现象^[6]

3 使用氢时应该注意什么？

a. 储存

存储环境：氢气瓶应存放在阴凉、干燥且通风良好的专用仓库中。仓库温度不得超过40℃，务必避免阳光直射，以防气瓶受热变形或气体膨胀增加危险性。

分区存储：氢气必须与氧气、爆炸物、毒性物质、放射性物质、有机过氧化物及其他易燃材料分区存放，避免因接触不兼容物质而引发危险。

安全设施：仓库内的照明灯具及通风装置必须选用防爆设备，严禁使用普通器材，以避免由于电火花引爆氢气。

b. 远离火源和热源

避免引燃风险：储存、运输或使用氢气时，应远离火焰、热源，以及氟、氯、溴等强氧化性物质，避免因化学反应或高温引发事故。

保持通风：在室内操作或存储氢气时，确保通风设施有效运转，防止氢气积聚并形成爆炸性混合气体。

c. 防止泄漏

设备密封性：所有仪表、阀门及配件接头应完全密封，避免渗漏。管道与设备连接处建议安装止回阀，同时在界区间设置有效隔离措施。

特殊功能接口：管道设计时应配备取样口和吹扫口，便于对氢气进行取样和置换；最高点则需安装排气管，并在排气管出口处安装阻火器，以控制火焰回流风险。

d. 防护装备

个人防护：操作人员在接触氢气时，应佩戴自给正压式呼吸器，并穿戴防静电工作服，以防止氢气泄漏引发火灾、爆炸或窒息等意外情况。

静电防护：避免穿易产生静电的衣物，确保操作环境中无静电火花产生的可能。

4 氢气泄漏后怎么办？

a. 迅速撤离：发现氢气泄漏后，应立即组织现场人员迅速撤离，撤离时确保避开低洼地和密闭空间，选择上风方向前往安全区域。

b. 隔离区域：划定泄漏危险区域，设置警戒线或标识，禁止无关人员进入。

c. 切断火源：关闭附近的火源和热源（如电气设备、明火、吸烟等）。停止一切可能引起火花的操作，避免摩擦、撞击。

d. 加强通风：使用自然通风或强制通风（如排风扇）加速泄漏氢气的扩散，但通风设备必须具备防爆功能，避免电气设备产生火花。

e. 检测浓度：重点检测泄漏区域、下风向以及较低的空间（因氢气密度比空气小，容易向上扩散，但局部可能形成积聚）。

f. 处置泄漏物：使用专门的吸附材料（如吸附剂、活性炭等）对可能附着的氢气进行吸附。

相关链接：

[1] National Highway Traffic Safety Administration. Analysis of Published Hydrogen Vehicle Safety Research.

[2] 程崇律, 单聪慧, 张孟凡, 等. 氢安全建模研究进展[J/OL]. 化工进展,1-14.

[3]  Witcofski R D，Chirivella J E. Experimental and ana‐ lytical analyses of the mechanisms governing the dispersion of flammable clouds formed by liquid hydrogen spills. International Journal of Hydrogen Energy, 1984, 9(5): 425-435.

[4] Det Norske Veritas (DNV). Jet fire. https://mysoftware-dev.dnv.com/download/public/phast/technical_documentation/07_fire_models.

[5] Hu Q, Zhang X, Hao H. A review of hydrogen-air cloud explosions: The fundamentals, overpressure prediction methods, and influencing factors. International Journal of Hydrogen Energy, 2023, 48(36): 13705-13730.

[6] https://www.nhml.com/single-post/2016/05/03/Cutting-costs-maximizing-results-1.