• 一是總體規劃設計，加大科技投入，形成以國家氫能安全實(shí)驗室為主體，社會(huì )科技力量積極參與的研究體制；

• 二是加快修訂完善車(chē)用氫能安全標準體系；

• 三是構建70MPa涉氫裝備制造體系。

我國燃料電池汽車(chē)（FCEV）產(chǎn)業(yè)剛進(jìn)入市場(chǎng)導入期就呈現了快速發(fā)展的態(tài)勢，截止2019年年底，累計銷(xiāo)售燃料電池汽車(chē)6184輛，建成加氫站51座，形成了涵蓋氫生產(chǎn)、氫儲運、加氫站、燃料電池、FCEV及關(guān)鍵設備和部件的產(chǎn)業(yè)鏈雛形，20多個(gè)省市發(fā)布了指導和支持FCEV產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規劃、方案和意見(jiàn)，預計到2030年我國FCEV保有量將達200萬(wàn)輛、加氫站數量達1000余座。

氫氣是易燃易爆氣體，利用過(guò)程的安全措施一旦失當，容易發(fā)生著(zhù)火爆炸事故，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，但目前對氫氣的危險性解讀存在一些誤區。

2019年，美國、韓國、挪威分別在氫運輸、儲存、加注過(guò)程發(fā)生了氫安全事故，導致當地宣布暫停加氫站運營(yíng)，引發(fā)了業(yè)界對FCEV產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的擔憂(yōu)和對氫能利用安全技術(shù)研究的重視與關(guān)注。氫能安全利用貫穿氫氣的生產(chǎn)、儲運、加注、FCEV利用等環(huán)節，是FCEV產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的首要保障。

相對于FCEV、加氫站及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我國對氫能利用安全技術(shù)的系統性研究相對匱乏，落后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現實(shí)需求，尚不具備支撐產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展的能力。

一是我國氫能安全技術(shù)研究基礎薄弱，氫能安全技術(shù)研究主要集中在氫燃料電池安全、氫行為、涉氫設備的材料相容性等基礎領(lǐng)域，研究力量分散、深度不足，涉氫設備、材料和部件的安全可靠性測試方法和檢測認證手段缺乏，燃料電池安全、整車(chē)安全、儲氫罐安全研究不能包括實(shí)際應用過(guò)程的所有事故場(chǎng)景，加氫站安全技術(shù)研究接近空白。

二是我國已建立的車(chē)用氫能安全法規標準缺少科學(xué)性和完整性。目前我國FCEV相關(guān)的標準制定由國家標準化委員會(huì )下設的若干標準技術(shù)委員會(huì )負責，主要涵蓋整車(chē)標準、燃料系統、基礎設施、通用基礎等方面。

這些標準以借鑒、參考、翻譯國外標準為主，缺乏足夠的實(shí)驗數據和必要的安全技術(shù)研究支撐。如《加氫站技術(shù)規范》（GB50516—2010）對加氫站與民用建筑的防火距離設置，我國規定為20~35m，國外采用風(fēng)險評估后確定，日本控制在8m以上。簡(jiǎn)單從嚴選擇，借鑒國外標準使標準的科學(xué)性、合理性不足，不利于我國FCEV產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

三是我國不具備國外普遍使用的FCEV供氫系統裝備的產(chǎn)業(yè)化能力，與之相關(guān)的安全技術(shù)研究處于空白狀態(tài)。

國外供氫系統壓力普遍是70MPa，由于技術(shù)和制造能力限制，我國FCEV用氫壓力為35MPa。35MPa供氫壓力極大降低了FCEV的行駛里程，增加了氫氣的儲存運輸成本，未來(lái)采用70MPa系統是必然趨勢，必須有可靠的檢驗測試標準和方法做保障。

在制定標準時(shí)雖然可以借鑒國外的研究成果，但我國應該具備自主進(jìn)行70MPa和90MPa儲氫瓶，加氫站建設使用閥門(mén)、管件、儀表、加氫槍等的安全可靠性及使用壽命測試認證的能力。

日本是FCEV技術(shù)開(kāi)發(fā)與市場(chǎng)推廣的國家，開(kāi)展了系統的安全技術(shù)研究，建立了設施完備的車(chē)用氫能安全研究測試機構，形成了系統全面的臨氫承壓儲氫瓶、閥門(mén)、儀表、管件等的安全檢測檢驗方法和標準體系，其經(jīng)驗具有一定的參考和借鑒價(jià)值。

本文首先指出應科學(xué)認識氫氣的危險性，并根據氫氣的物理化學(xué)性質(zhì)，合理制定用氫安全對策；然后以較大篇幅詳細介紹了日本的氫能利用安全技術(shù)研究情況及啟示；最后提出了加強我國氫能利用安全技術(shù)研究與標準體系建設的建議，以支撐我國FCEV產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

（一）氫氣的物理化學(xué)性質(zhì)

氫是自然界廣泛存在的元素，煤炭、石油、天然氣、動(dòng)物、植物乃至人體都含有氫元素。氫氣具有無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒、可燃易爆的特點(diǎn)，密度為0.0899kg/Nm3 ，沸點(diǎn)為-252.8℃，常溫下，氫氣性質(zhì)穩定。表1列出了汽油、天然氣、氫氣的物理化學(xué)性質(zhì)。

與汽油和天然氣相比，氫氣具有三個(gè)特性：

一是氫氣爆炸濃度下限與燃燒濃度下限差值遠高于汽油和天然氣。易燃易爆氣體與空氣混合后遇明火引燃，當其濃度即單位體積能量密度達到引爆需要的能量時(shí)，才會(huì )發(fā)生爆炸，所以燃燒與爆炸的濃度范圍理論上是有差異的，但是不少易燃易爆氣體的燃燒濃度范圍限值與爆炸濃度范圍限值差異不大，準確測定困難，如汽油和天然氣的燃燒濃度范圍下限與爆炸濃度下限差值較小，汽油為0.1v%，天然氣為1.0v%。

為了強調其爆炸的危險性，一些文獻資料只介紹爆炸濃度范圍，甚至將燃燒濃度范圍直接作為爆炸濃度范圍。在分析氫氣的安全性時(shí)，既要關(guān)注燃燒濃度范圍，也要關(guān)注爆炸濃度范圍。

氫氣的爆炸濃度范圍是18.3v%~59.0v%，燃燒濃度范圍是4.0v%~75.0v%，兩者之間是有明顯差異的，如果將氫氣的燃燒濃度范圍（4.0v%~75.0v%）當作爆炸濃度范圍，就放大了氫氣的易爆性。

二是氫氣燃燒時(shí)單位體積發(fā)熱量和單位體積爆炸能相對較低。氫氣燃燒時(shí)單位體積發(fā)熱量?jì)H為汽油的0.053%，單位體積的爆炸能量為汽油的4.57%。

三是氫氣的比重低。當空氣的比重為1時(shí)，汽油蒸氣的比重在3.4~4.0，氫氣僅為0.0695，汽油在空氣中泄漏時(shí)會(huì )積聚在地面上，氫氣泄漏至空氣中很容易向上擴散，在受限空間內會(huì )集聚在上部，如果受限空間的上部有良好的通風(fēng)措施，氫氣就不容易集聚。熟悉和了解氫氣的三個(gè)特性，對制定氫能安全利用對策十分重要。

表1 汽油、天然氣、氫氣的物理化學(xué)性質(zhì)

（二）氫與材料的相容性問(wèn)題

氫與材料的相容性問(wèn)題是高壓氫氣系統選擇金屬材料時(shí)必須十分重視的問(wèn)題，與儲氫瓶、管線(xiàn)、閥門(mén)、儀表、管件使用中的安全性密切相關(guān)。

氫氣在達到一定溫度和壓力時(shí)，會(huì )解離成直徑很小的氫原子向金屬材料中滲透，進(jìn)入材料的氫原子又會(huì )在材料內部轉化為氫分子，還會(huì )和材料中的碳發(fā)生反應造成脫碳并生成甲烷，從而在材料內部產(chǎn)生很大的應力，使材料的塑性和屈服強度下降而造成材料發(fā)生裂紋與斷裂。

前人對高溫高壓臨氫環(huán)境下如何防止氫脆與金屬材料的選擇開(kāi)展了大量研究工作。

圖1顯示了溫度范圍在150~820℃臨氫作業(yè)用鋼防止脫碳和微裂的操作極限，可以作為目前FCEV供氫系統金屬材料選擇的參考，但是FCEV供氫系統壓力高，溫度不高，部分環(huán)節是低溫環(huán)境，使用的氫氣純度高，如何選擇材料防止氫脆，提高氫氣與材料的相容性應進(jìn)行必要的研究，而且FCEV供氫系統要在升壓降壓反復循環(huán)條件下長(cháng)期運行，材料選擇時(shí)還必須十分關(guān)注材料的抗疲勞性能。

圖1 臨氫作業(yè)用鋼防止脫碳和微裂的操作極限

（三）氫能利用的安全對策

氫氣和天然氣均為易燃易爆氣體，對比物理化學(xué)性質(zhì)，氫氣的危險性不高于天然氣。天然氣已經(jīng)進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)成為日常使用的清潔燃氣，像管理天然氣一樣管理氫氣，落實(shí)安全措施，氫能是可以安全利用的。

鑒于氫氣的物理化學(xué)性質(zhì)和天然氣安全使用的經(jīng)驗，氫氣的安全利用應遵守三個(gè)基本原則：

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(mén)、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(fā)現，即氫氣泄漏后能及早發(fā)現。要在容易發(fā)生氫氣泄漏的部位設置高靈敏度的氫氣濃度自動(dòng)檢測儀表及報警裝置，一旦發(fā)生泄漏能及時(shí)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(fēng)性能，易發(fā)生氫氣泄漏的部位要設置與氫氣檢測報警聯(lián)動(dòng)的防爆強制通風(fēng)設備，氫氣泄漏時(shí)要能夠迅速啟動(dòng)強制通風(fēng)設備，使氫氣盡快向空中擴散。

（一）日本支持氫能發(fā)展戰略的安全技術(shù)研究

日本在建設氫能社會(huì )和發(fā)展FCEV、家用燃料電池等領(lǐng)域處于地位。2014年日本發(fā)布了建設氫能社會(huì )的路線(xiàn)圖，2017年發(fā)布了氫能發(fā)展戰略，明確了2020年和2030年的戰略發(fā)展目標（見(jiàn)表2），成為一個(gè)提出建設氫能社會(huì )的國家。

在政府的支持下，日本企業(yè)、科研機構和高校從20世紀80年代起就圍繞氫能利用的基礎理論、應用技術(shù)、儀器儀表裝備制造等開(kāi)展了系統研究，其中，氫能利用中的安全技術(shù)是最為重要的內容之一。進(jìn)行氫能利用安全技術(shù)研究后，日本認為其《高壓氣體保安法》可作為制定安全利用氫能標準規范的依據。

表2 日本氫能發(fā)展戰略目標

由政府與汽車(chē)企業(yè)各提供50%資金建設和運行的日本自動(dòng)車(chē)研究所是日本開(kāi)展車(chē)用氫能安全研究的重要機構，建有一座可以進(jìn)行FCEV、電動(dòng)汽車(chē)（EV）、內燃機汽車(chē)火災爆炸評價(jià)測試的大型試驗倉，如圖2所示，還建有高壓氫氣試驗設備、液壓試驗設備、液化氫試驗設備等。

開(kāi)展了容量為260L的70MPa儲氫瓶破壞性試驗、FCEV整車(chē)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(mén)等的循環(huán)壽命和耐久性試驗、高壓氫安全加注程序研究，以及FCEV、電動(dòng)汽車(chē)和汽油車(chē)安全性對比研究等，為支撐日本車(chē)用氫能安全利用做出了重要貢獻。

圖2 日本自動(dòng)車(chē)研究所的防爆火災試驗倉

（二）高壓儲氫瓶設計制造與安全可靠性檢測

日本FCEV采用70MPa的高壓氫氣，加氫站氫氣壓縮機出口壓力及儲氫瓶壓力達90MPa，儲氫瓶制造的可靠性及安全性能測試十分重要。70MPa、90MPa儲氫瓶一般采用3層結構，表層采用玻璃纖維復合材料，中間層采用碳纖維復合材料，III型瓶?jì)葘硬捎娩X合金內膽，IV型瓶?jì)葘硬捎盟芰蟽饶憽?/p>

儲氫瓶口與出口閥的結合部位通過(guò)特殊的結構設計確保閥門(mén)在使用壓力下不會(huì )像炮彈出膛一樣被沖出，瓶身部位玻璃纖維及碳纖維復合材料采用特殊的纏繞方法確保儲氫瓶的強度達到長(cháng)期使用要求。

儲氫瓶設計及制造技術(shù)的可靠性要通過(guò)水壓爆破試驗、槍擊試驗和火燒試驗測試等檢測，還要通過(guò)汽車(chē)碰撞試驗測試儲氫瓶的安全性。

日本70MPa儲氫瓶水壓爆破試驗壓力為200MPa，90MPa儲氫瓶水壓爆破試驗壓力為300MPa，高于ISO/TS15869、ISO11439等關(guān)于高壓儲氫瓶的破壞性試驗壓力為操作壓力2.25倍合格值的規定。用7.62mm穿甲彈正面槍擊儲氫瓶，彈卡在儲氫瓶殼層內，不能擊穿瓶體。

當暴露在火災中的儲氫瓶?jì)葴囟冗_到105℃后，儲氫瓶熔斷安全閥會(huì )迅速打開(kāi)，朝預先設定的熔斷閥出口方向快速泄放，70MPa容積為60L的儲氫瓶大約需要1min排空氫氣，瓶?jì)葰怏w噴射的氫氣迅速燃燒不發(fā)生爆炸，火焰長(cháng)度最長(cháng)可達10m。

豐田MiraiFCEV被80km/h車(chē)輛追尾碰撞造成車(chē)身?yè)p毀時(shí)儲氫瓶完好無(wú)損。

（三）高壓氫系統設備材料安全性能評價(jià)測試

高壓氫氣系統使用的金屬材料必須經(jīng)過(guò)材料安全性能測試（見(jiàn)圖3）。加氫槍使用的軟管在高壓下要能反復經(jīng)受低溫（-40℃）到高溫（85℃）的循環(huán)測試。截止閥、流量調節閥、緊急切斷閥、安全閥、高壓氣瓶熔斷閥等閥門(mén)和管件墊圈都要在高壓氫環(huán)境下進(jìn)行長(cháng)期使用性能測試。

加氫槍加氫時(shí)充注的氫氣溫度高于85℃時(shí)，必須立即停止加氫的溫度傳感器和光纖要進(jìn)行穩定性和可靠性測試。加氫使用的流量計要經(jīng)過(guò)高壓氫環(huán)境下計量準確性測試。氫氣泄漏或著(zhù)火后自動(dòng)檢測報警的傳感器要進(jìn)行靈敏性準確可靠性測試。

• 在氫氣容易泄漏的部位都設有高靈敏度氫氣泄漏檢測器，氫氣體積濃度高于1% 時(shí)及時(shí)報警，設有多臺火焰檢測器，能及時(shí)發(fā)現站內氫氣著(zhù)火并進(jìn)行報警。

• 高壓儲氫間、氫壓縮機間等建筑物要考慮氫氣泄漏后不積聚，采用既防雨水又易排氣的屋頂設計，室外加氫機頂棚設計要有利于氫氣向高空擴散。

（一）總體規劃設計，加大科技投入，形成以國家氫能安全重點(diǎn)實(shí)驗室為主體，社會(huì )科技力量積極參與的研究體制

氫能安全技術(shù)是實(shí)現FCEV發(fā)展目標的重要支撐性公用技術(shù)，應由國家安全生產(chǎn)主管部門(mén)總體規劃設計并籌建氫能安全國家重點(diǎn)實(shí)驗室。

要借鑒國外經(jīng)驗，明確氫能安全技術(shù)必須覆蓋的研究項目、必須建設的實(shí)驗設施和裝備，建設投資和日常研究經(jīng)費應列入中央財政，確保適時(shí)投入。

氫能安全國家重點(diǎn)實(shí)驗室的研究工作應由國家安全生產(chǎn)主管部門(mén)管理，氫能安全利用的標準規范制定應由國家實(shí)驗室負責。

氫能安全利用技術(shù)研究還需要發(fā)揮地方政府和企業(yè)的積極性，允許有條件的省市和企業(yè)建設氫能檢測與研究機構，機構應由國家安全生產(chǎn)主管部門(mén)審定批準，測試儀器設備設施和技術(shù)力量應滿(mǎn)足國家標準規范的要求，可有償接受氫能系統設備、材料、閥門(mén)、管件、儀器、儀表、加氫槍的檢測鑒定認證。

逐步形成以氫能安全國家重點(diǎn)實(shí)驗室為主體，社會(huì )科技力量積極參與的研究體制。

（二）加快修訂完善車(chē)用氫能安全標準體系

建立先進(jìn)完整的車(chē)用氫能安全標準體系，是支撐FCEV及相關(guān)產(chǎn)業(yè)科學(xué)、健康發(fā)展的迫切需要。車(chē)用氫能的開(kāi)發(fā)利用涉及制氫、氫氣壓縮或液化儲存、運輸、加注、燃料電池、FCEV等諸多環(huán)節，既要確保安全又要有利于FCEV的發(fā)展。

日本在車(chē)用氫能領(lǐng)域建立了先進(jìn)、完整的標準體系，如針對FCEV，高壓氫系統（包括高壓儲氫瓶和容器主閥）適用《高壓氣體保安法》，其余車(chē)輛系統適用《道路運送車(chē)輛法》。針對加氫站遵循的法律標準、規范主要有：《高壓氣體保安法》《消防法》《建筑基準法》《加氫站安全檢查標準》等。

目前我國發(fā)展FCEV的熱度不比日本低，但與FCEV安全有關(guān)的國家強制性標準缺少完整性，有些標準也缺少先進(jìn)性。如《加氫站技術(shù)規范》，是十年前借鑒國外標準組織相關(guān)規范，經(jīng)國內有關(guān)專(zhuān)家討論后制定的，與國外加氫站現行的技術(shù)標準相比，先進(jìn)性存在不足。

近十多年來(lái)，國際氫能利用快速進(jìn)步，安全標準也在實(shí)踐中不斷修改完善，我們需要在系統研究安全技術(shù)和借鑒國外進(jìn)標準的基礎上不斷修改完善我國車(chē)用氫能安全標準體系。

（三）重視構建70MPa涉氫裝備制造體系

構建70MPa涉氫裝備制造體系，是發(fā)展FCEV的一項重要基礎性工作。我國70MPa以上壓縮氫系統裝備制造能力與日本、歐美存在較大差距，儲氫瓶、FCEV及加氫站涉及的關(guān)鍵設備、儀表、閥門(mén)、加氫槍、壓縮機等均不具備產(chǎn)業(yè)化能力，*依靠進(jìn)口。不脫除此瓶頸約束，FCEV成為我國經(jīng)濟未來(lái)的增長(cháng)點(diǎn)是不可能實(shí)現的。

70MPa涉氫系統的裝備制造與我國新材料研發(fā)與生產(chǎn)、高裝備開(kāi)發(fā)與制造能力密切相關(guān)，是裝備制造業(yè)邁向高質(zhì)量發(fā)展的重要標志。

應加大科研投入，開(kāi)展70MPa、90MPa儲氫瓶和氫氣壓縮機及關(guān)鍵零部件如閥門(mén)、儀表、高靈敏氫氣檢測傳感器、氫氣火焰傳感器的制造能力攻關(guān)，盡快實(shí)現70 MPa涉氫裝備由中國制造。

長(cháng)期從事石油化工企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)與管理工作，組織實(shí)施過(guò)三十多項石油化工裝置的重大術(shù)改造和重大技術(shù)攻關(guān)。

參加順丁橡膠技術(shù)攻關(guān)，開(kāi)發(fā)出了順丁聚合裝置長(cháng)周期運行和穩定產(chǎn)品質(zhì)量的核心技術(shù)；負責、參加並完成了我國套溶聚丁苯橡膠裝置的工業(yè)化；決策引進(jìn)實(shí)驗室技術(shù)，組織、參加並完成了我國套丁基橡膠的工業(yè)化；指導了稀土順丁膠和稀土異戊膠的工業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)；推動(dòng)了我國合成橡膠工業(yè)的發(fā)展。

提出和決策釆用未經(jīng)工業(yè)驗證的新技術(shù)，組織乙烯、裂解汽油加氫、異丙苯、乙二醇等石油化工裝置的技術(shù)改造；提出、組織、參加并完成了低壓聚乙烯裝置工藝與關(guān)鍵設備、髙壓聚乙烯裝置超髙壓反應器、合成樹(shù)脂大型擠壓造粒機組等的國產(chǎn)化；開(kāi)拓了我國石化工業(yè)內涵發(fā)展及工藝技術(shù)、重大裝備國產(chǎn)化之路。

提出、組織並參加減壓渣油催化裂化、多產(chǎn)乙烯原料的蠟油中壓加氫裂化等煉油新技術(shù)開(kāi)發(fā)；主持並參與完成了我國國二、國三、國四、國五、國六汽柴油標準的研究與制定。

為我國煉油與石油化工技術(shù)進(jìn)步作出了杰出貢獻。