氢能利用安全技术研究与标准体系建设思考

李昆鹏，徐 鹏，熊联友，杨 坤，王青青，李 璐

（北京中科富海低温科技有限公司，北京 100190）

随着能源需求持续增长，能源对环境造成的污染等一系列问题逐渐凸显出来，这就要认识到利用、开发新能源的迫切性。氢能来源广泛又便于储存和运输，它是清洁型能源，使用过程高效又环保，又可以使化石能源的使用过程更加高效，也是可再生能源能够大规模使用的助推剂。氢在自然界中的重量是最轻的，它易泄漏、扩散，本身又无色无味因而一旦泄露不容易发现，如果在空间有限的环境发生氢气泄露，氢气会聚集，容易发生爆炸。液氢沸点低，密度高，一旦泄露会使周围的空气遇冷发生凝结，若是泄露面积过大就会导致地面出现液池，氢液在蒸发遇到空气后就成了可燃气云，加剧了爆炸的可能性。进入21世纪，许多发达国家都规划了氢能的发展，我国想占据能源竞争的主动地位，还需加大对氢能技术的研究，健全氢能技术领域的标准。

1 氢安全研究概况

安全用氢体现在氢的生产和储运、应用等方面，安全性是确保氢实现商业化发展与应用的关键。美国国航局正致力于氢能在结构、绝热方面的优化研究，分析温度骤变和振动、波动载荷等对装液氢的容器在真空隔热性和结构完整方面的影响。中国特检院重点研究液氢、LNG等低温压力容器领域，主要是研究材料性能和在用检测评估技术；北航101所自主开发了响应速度快、精度高的氢浓度传感器，动作时间仅需1 s，国际领先；中国安全生产科学研究院研发了区域性定量风险评价软件，已成为国内许多安全评价机构必须配备的风险定量软件，也使DNV、TNO不再为国外所垄断。放眼国内外，研究氢安全已从经验、半经验化迈向经验化，核心就是实现氢安全可度量、可防范、可遵照。

液氢项目是近年来国家的重点科研方向，对氢的安全使用提出了标准的要求，2019年重点是供储氢系统的监测和实时预警以及液体储供氢系统，2020年重点是氢气液化过程的风险量化和应急分析以及安全防护、预警，开发优化液氢加氢站的工艺流程，在气氢与液氢加氢站的风险性、安全性及对比量化分析等方面明确了考核标准，北京航天试验技术研究所、中国特种设备检测研究院、西安交通大学等在液氢的安全研究领域都有一定的科研优势。

2 氢与材料的相容性问题

高压氢气系统在选择金属原料时一个重要问题就是氢与材料的相容性，这与安全使用储氢瓶、管线和阀门、仪表、管件等息息相关。在特定的温度和压力下，氢气会解离成为氢原子，氢原子很小可以渗入金属材料，在金属材料内部变化成为氢分子，由于材料中有碳，氢遇碳会出现脱碳反应生成甲烷气体，在材料内部会就出现很大的压力，这降低材料的屈服强度、塑性从而发生裂纹、断裂。人们一直在持续研究高温、高压、临氢环境下的金属选择与预防氢脆工作。在150～820 ℃温度范围内进行的临氢作业用钢材料来预防微裂、脱碳的极限，可视为FCEV供氢系统下选择金属材料的参考，但FCEV供氢系统的特点是压力高而温度不高，有一部分是低温环境，所用的是高纯度氢气，研究如何才能选好材料预防氢脆、加强氢与材料的相容性是十分必要的，由于FCEV供氢系统要长期处在升压、降压循环往复的环境，在选择材料时对材料的抗疲劳性也要重点注意。

3 氢气的安全利用原则

氢气、天然气都易燃易爆，就物理、化学性质而言氢气要比天然气的危险性低。天然气早已成为人们日常使用的燃气，氢气若能像天然气一样实现安全管理、做好安全防护措施，就能安全利用氢能。结合氢气的物理化学特点以及天然气使用的安全经验，实现安全利用氢气应抓好三个原则：一是不泄漏，就是预防氢气特别是压缩后的氢气出现泄漏，要保证储氢瓶和阀门、安全阀以及管件、连接件、仪表、接头、垫圈的可靠运行就要选择那些与氢相容性较好的材料。二是早发现，就是一旦氢泄漏要尽早发现，易出现氢泄漏的地方要设置敏感度较高的氢气浓度检测仪和自动报警设备，氢泄漏一旦出现能立即自动报警。三是不积累，就是预防氢气泄漏导致大面积聚积，氢气压缩机间和存放加氢站储氢瓶的受限空间要通风良好，容易产生氢泄漏的地方还要加设防爆炸强制通风仪器，它与氢气的检测报警设备同时运行，一旦氢气泄漏要能立即强制通风，加快氢气扩散向空气的速度。

4 氢能源安全风险控制措施

4.1 各环节落实消防安全控制责任

对生产加工氢能源的企业而言，从消防安全责任人到安全管理人到企业一线员工都必须接受消防安全培训，只有人人都主动做好消防安全，践行好消防安全职责，才能形成良好的企业安全气氛，就不会发生火灾。因此，从事氢能源加工的企业，其消防安全责任人要严格遵守国务院《消防安全责任制实施办法》的各种要求，依据法律、法规、制度，扎实落实安全责任并制定企业内部的消防安全工作办法，统一做好消防经费预算和计划，从上至下守好消防安全责任关。企业的消防负责人主要做好单位消防工作的贯彻和落实，严格贯彻公安部61号令的规定，定期进行防火检查、巡查工作，保证企业的消防工具全面、好用，定期进行消防知识培训，举办消防演练，让员工充分了解火灾的危害以及自己的法定安全职责。定期或不定期对消防设施进行突击检查，重点检查火灾报警系统、火灾报警探测器的运行情况，保证其能够正常使用，按时完成检验、校正消防工具的工作，定期检查火灾报警系统的联锁运行状况。

4.2 提升氢能源安全工程消防技术水平

常温常压的环境下氢是气态，发生火灾就属于C类火灾，液体状态下的氢发生火灾就属于B类火灾。扑救B、C类火灾时只能采用气体灭火剂。目前我国常见的气体灭火剂是二氧化碳灭火剂、IG541灭火剂，缺点是存储容量较小、灭火速度慢。可以预想，氢能源未来会在许多领域当中得到广泛使用，国家也会不断建设存储容量较大的加氢站，传统的灭火剂对未来出现的新能源火灾可能无计可施，氢能源的厂房一旦发生大规模火灾，传统的气体灭火剂的扑救工作就会显得“杯水车薪”。 另外在生产、使用火灾探测器方面也都不同程度出现了相似问题。在升级消防器材、材料和电气、自控消防系统的过程中要考虑到当前氢能源产业的市场需求，有针对性地研发、生产灭火剂和消防器械，重点是提升氢能源可燃气体的监测和红外火焰、光纤测温和火焰图像探测技术以及消防联动操控技术，提高氢燃烧、氢爆炸事故中的消防器材使用效果以及火灾前期的监控、预防和灭火设施使用过程中的效果，确保氢能源的使用安全可以得到有效的消防保护。

4.3 应根据时代发展完善氢能源消防安全法规

我国快速发展经济和科技，但是相关法律和规章还没有得到有效的完善，在利用氢能的过程中要依照特定的管理办法和组织体系来发展技术、更新设备，但是整体上对储运、使用氢能源的管理办法较少，行业内没有形成一套有权威的制度体系，整体上对氢能源的管理还需要加强细节把控，在跨地区运输氢能源时还有着管理制度同管理工作不协调的尴尬局面，在实际落实氢能源安全管理层面也有一定的局限和障碍。国家、政府在未来要对新型能源领域加强关注，保证其安全使用、生产，分析氢能源的生产、储运环节和消防需要，制定规范使其可以很好地指导消防安全工作，全力确保氢能源使用过程中生产厂房、库房的消防工程应用效果，针对氢的生产、储运过程做出明确的消防指导，列明其生产的原材料、消防设施配备数量，并详实规定氢能源行业中间衍生物的储存办法等消防规定。建立健全氢能源领域的消防安全评价细则，结合企业消防工作开展情况为企业进行综合打分，对规定时间内得分较低的企业实行停顿、整改，使氢能源行业的消防安全要求得到最根本的保证。

4.4 强化氢能源行业人员消防安全培训的效力

氢能源行业需要各企业较多的生产人员，生产工人对于消防工序的操作和控制都极大影响到了氢能源的安全生产，当前的社会背景，人们普遍不能正确认识和足够重视消防安全知识，一些企业的员工还存在侥幸心理和经验主义，导致不规范操作。结合氢能源各安全方面的风险分析和评价结果，做好氢能源生产、存储运输和使用过程中的安全培训对保证人员操作的安全、规范具有促进作用，由于培训会紧密围绕消防事故的讲解作为培训内容，也能对从事氢能源的工作人员起到积极的安全从业教育，提高规范操作的认知能力，确保在生产一线能有效落实消防安全规程，并且培训组织者在培训时还要做好对消防设施、药剂的使用方式的培训，保证氢能源行业全流程的工作人员可以熟练掌握消防器材的操作方法和消防知识。

5 氢能安全技术研究与标准体系建设的建议

5.1 总体规划设计，加大科技投入

要建立以实验室为主导地位，其他社会力量广泛参与的科研体系，实现氢的安全使用才能实现FCEV发展目标，发展氢能应该由国家的安全部门来设计总体规划部署并建立国家氢能安全重点试验示范点。学习外国的经验，了解氢能技术发展要涉及的研究项目和必不可少的实验器材、设备，建设所需资金以及维持研究所需经费都应纳入国家财政支出，保证资金适时投入。实验室的科研工作应该由国家安全主管部门进行管理，国家实验室负责制定氢能安全使用的标准和规范。

实现氢能的安全利用与研究还需要地方政府、企业的支持，面向省市、企业放开氢能建设条件允许其进行氢的检测，研究机构要得到国家安全部门的审核通过，相关仪器设施和技术水平要满足国家规范的规定，可以有条件的接受氢能建设所需的检测合格的设备、材料、阀门和管件、加氢枪、仪器仪表等。逐渐建立以国家重点科研室为主体地位、社会力量参与其中的科研体系。

5.2 加快修订完善车用氢能安全标准体系

车用氢能的相关制度可以有力支撑FCEV产业和其他产业，促进产业健康、科学发展，在开发、利用车用氢能技术时涵盖到制氢技术和压缩氢气技术以及氢液化后的储运、加注和燃料电池、FCEV等许多层面，要保证安全还要发展FCEV 行业。在车用氢能方面日本的组织体系相对先进和完整，建立了适用FCEV、高压氢系统（涵盖高压储氢瓶和高压容器的总阀门在内）的《高压气体保安法》，适用于车辆行业的《道路运送车辆法》。适用于加氢站的法律规范有：《消防法》《建筑基准法》《高压气体保安法》《加氢站安全检查标准》等。我国在FCEV 领域的探索也在持续升温，但和FCEV 安全相关的强制性规范和准则还不够完整，先进性不足。比如《加氢站技术规范》，还是十年前结合国外的制度规范经过国内专家组论证后编写制定的。近十年，国际上氢能产业快速发展，安全规程也在被改进和完善，应在系统研究氢能技术和学习国外先进经验的基础上发展我国的车用氢能技术。

5.3 重视构建 70 MPa 涉氢装备制造体系

建立70 MPa 涉氢装备的组织制度，可以有效支撑起FCEV发展需要。我国制造70 MPa以上的氢气压缩装备的能力还远远赶不上日本和欧美国家，还不具备系统生产FCEV、储氢瓶和建设加氢站所需要的设备和仪表、阀门以及压缩机、加氢枪的能力，还依赖于进口。不破解这个技术上的制约，依托FCEV发展实现经济的大幅增长是不可能的。制造70 MPa 涉氢装备与我国开发、生产高端设备和新材料息息相关，也是检验装备制造行业发展水平的指标。要在科研层面加大投入，开展科研攻坚，使得生产70 MPa、90 MPa储氢瓶、氢气压缩机及关键零部件，如阀门和仪表、氢气火焰传感器、高灵敏氢气检测传感器的能力大幅提升，早日完成中国独立生产 70 MPa 涉氢装备。

6 结束语

氢能作为清洁能源之一被广泛使用在工业生产、航空航天以及汽车驱动等方面，关于氢能源安全运行牵涉的范围和内容很多，要重点研究氢气的物理性质、化学性质以及氢气是否和材料相容的问题，掌握安全使用氢气的三个要点；在高压氢能的安全使用领域努力向日本取经，学习其科研成果、安全措施。要从三个方面入手开展氢能的建设，一是总体规划分析，在科技方面的投入要继续加大，在氢能安全领域建立以国家实验室为主导、其他社会科研力量为辅的科研体系；二是对车用氢能的制度和标准进行修立、完善；三是建立70 MPa 涉氢装备科研体系。