氢能利用关键技术系列--氢安全

1.氢能安全的重要性

目前，氢能在中国和全球的能源革命中显露头角，日本、韩国、美国、德国、澳大利亚等不少国家和国际团体、机构颁布了氢能规划。全世界氢燃料电池车保有量已经超过万辆，加氢站数百座。如世界氢能委员会就预测2050年氢能将贡献世界能源的18%，减排60亿吨二氧化碳，创造2.5万亿美元的产值，提供3000万就业岗位。

我国是氢能的积极倡导者、执行者。我国制氢规模已居世界首位，20余座城市开通氢燃料电池汽车示范，总运行氢燃料电池卡车和大巴车辆超过3000辆，加氢站数量排名世界第四。30多个城市发布省市级氢能发展规划。氢能利用正处于上升阶段。

然而，近期氢能的安全却频频亮起红灯。过去一年中发生多起氢能安全事故，造成人员伤亡和财产损失。

2019年5月23日傍晚，位于韩国江原道江陵市大田洞科技园区工厂的氢气罐在试验过程中突然发生爆炸，造成2人死亡、6人受伤。2019年6月1日下午，位于美国加州圣克拉拉诺曼大道1515号的一个加氢站发生爆炸，距离爆炸现场几英里（1英里=1609.344米）外的目击者感受到了爆炸的冲击波，所幸本次事故并未造成人员伤亡。2019年6月10日下午，在挪威首都奥斯陆附近的桑维卡地区，由Uno-X公司运营的一家毗邻大型购物中心的加氢站发生了爆炸事件，爆炸造成两人受伤。挪威加氢站发生爆炸的根本原因已查明，是高压储存装置中氢罐的一个特殊插头的装配错误所导致的。安全咨询公司Gexcon的初步调查显示，事故的起因是高压储存装置的一个储罐的插头发生了氢气泄漏,这次泄漏产生了氢气和空气的混合物，并被点燃爆炸。2019年12月12日下午，美国威斯康星州沃克斯沙市（Waukesha）埃尔加斯（Airgas）公司的氢气存储区域发生了爆炸事件，并明显起火。

2020年4月7日8时36分，美国北卡罗莱纳州朗维尤镇一家氢燃料工厂（One H2工厂）发生爆炸事故，造成周边多处住宅受损，但幸运的是未造成人员伤亡。事故原因在调查中。

这些氢安全事故给正在发展的氢能利用敲响了警钟。关于安全的著名法则——“海恩法则”指出：每一起严重事故的背后，必然有29次轻微事故和300起未遂先兆以及1000起事故隐患。“海恩法则”说明：任何一个事故都是有原因的，有先兆的。任何一个事故都是次级事故隐患不断积累的结果，因此“防微杜渐”，将安全隐患消灭在萌芽之中，则安全是可以保证的。氢安全也不例外，只要制定科学的规章制度，严格遵循，是能够保证氢安全的。

用于安全管理的另一定律是“墨菲定律”。该定律指出：做任何一件事情，如果客观上存在着一种错误的做法，或者存在着发生某种事故的可能性，不管发生的可能性有多小，当重复去做这件事时，事故总会在某一时刻发生。也就是说，只要发生事故的可能性存在，不管可能性多么小，这个事故迟早会发生。简言之，“墨菲定律”指出事故不可避免。 墨菲定律是一种客观存在。要在氢安全领域防范墨菲定律指出的可能导致的恶性后果，人的行为是重要因素。

2.氢能发展需要氢能安全

凡是能源材料，如木材、煤炭、天然气、原油和电力等都有能源安全问题。能源安全来源于能源原料本身的物理、化学性质和人为的管理方式方法。氢气用作化工原料已经有上百年历史，专业人士已熟练掌握氢的习性和管理方法。但是氢气作为二次能源或能源载体出现在能源领域是近几十年的新事物，氢气用于氢燃料电池车的运行、加氢站的运行都有别于先前在化学工业中的应用，有必要扩大宣传氢在不同领域的安全知识。另外，与先前只有专业人士接触氢的化工应用不同，新的能源应用领域，氢气作为能源走向千家万户，万千大众使用氢能交通工具，普通民众对氢能则比较陌生，急需普及氢安全知识。

自笔者1993年从事氢能研究开始，一直关注氢的安全。也有机会看到国外大量的氢安全的文献和著作，而我国氢安全资料则十分缺失。2015年担任“全国氢能标准化技术委员会（SAC/TC 309）”主任委员和“国际标准化组织氢能标准技术委员会（ISO/TC197）”副主席之后，便萌生编著中文“氢安全”书，让更多的人们了解氢安全，安全使用氢能。受化学工业出版社委托，笔者邀请了一批我国产业界和学术界的氢能专家，从各自熟悉的层面撰写氢安全知识，呈现给我国公众，以期帮助读者更多地了解氢安全。

本书从氢能基本性能入手，对氢的基本性质以及氢气的生产、储存、运输和使用各环节的安全都加以介绍。首先介绍了氢安全的普遍性知识、氢气测量原理。在制氢部分介绍了水电解制氢、化石能源重整制氢的安全问题；在氢储存部分介绍了高压气体储存、金属储氢体系和具有近期愿景的液氢安全。没有提及有机液体加氢脱氢过程，没有提及绿氢制甲醇和绿氢制氨气过程，因为这一操作犹如石油化工加氢脱氢单元操作，已经广为工程技术人员所熟知。 在氢能的储运部分，介绍了高压氢气输运、含氢合金储运和液氢运输的安全问题。在氢能应用部分，重点介绍了燃料电池的氢安全，特别是氢燃料电池车辆的安全。氢燃料电池船舶也将是氢在交通领域的重要应用，故特别列出，单独成章。加氢站是发展氢能交通的关键，特别列出专门一章，予以相应介绍。氢的非燃料电池应用也是氢的另一重要应用方面，本书设章讨论了氢锅炉、氢燃气轮机和氢氧混合气发生器的氢安全问题。氢管理与法规、标准是保障氢能安全的重要方面，特别撰写了国内外氢能管理机构和标准，希望给读者一个完整的氢安全图画。

正如墨菲定律所强调的人是保障安全的重要因素，人受思想、道德、伦理支配，为此本书后列出“氢安全伦理”供读者参考。“氢安全伦理”是作者在国内外首次提出，并作较为系统的阐述。“氢安全伦理”是氢伦理的重要组成部分，氢伦理是应用伦理学新芽，是指氢在其全产业链氢制备、储运和使用过程中应该遵循的道理和准则，以及氢与人、氢与社会、氢与环境之间应该遵循的道理和准则。诚挚欢迎读者思考与批评本书第十二章“氢安全伦理”，共同助力氢伦理发展、成长。

本书结构与作者如下：

第1章氢安全基础（合肥工业大学王昌建 李权 於星）

第2章氢气生产安全（张家港氢云新能源研究院有限公司魏蔚 严岩 王学圣）

第3章氢储运安全（浙江大学花争立 刘自亮）

第4章氢燃料电池及系统安全（武汉理工大学潘牧 李赏）

第5章氢燃料电池车安全（清华大学张剑波 小野圭 李红）

第6章氢燃料电池船舶安全（同济大学马天才 范晶 朱东）

第7章氢其他应用安全（毛宗强 毛志明）

第8章加氢站安全（潘相敏 梁阳 李冬梅）

第9章氢安全监测与设备（清华大学高帷韬 王诚 雷一杰）

第10章国际氢安全标准法规概况及发展（国家电力投资集团有限公司常华键 李涛 陈炼）

第11章我国氢安全管理机构与国家标准（北京华氢科技有限公司毛志明）

第12章氢安全伦理（清华大学毛宗强）

应该指出，一些有前景的氢能技术，如氢气地下储气井、太阳液体燃料（绿氢与二氧化碳制造绿色甲醇）、太阳气体燃料（绿氢与氮气制造合成氨气）、氢能飞机等由于篇幅限制，这次编写未能列入，留待以后补充。

3.如何使用本书？

本书定位于氢安全，是宣传氢安全、介绍氢安全的入门书，对于读者有很好的参考价值。对于氢能工程人员，在具体承接氢能项目和工程时，则可依据本书指引，对有关项目的氢安全有初步了解之后，再进一步查阅、参考相应的国家标准和规范，严格执行。氢能标准和法规会不断修正、更新，读者得到本书的提示后，还需查阅资料，以确保所承担的项目符合的国家法规和标准。

4.致谢

本书编写过程中得到许多专业人士的帮助，特别感谢积极支持氢能的中国工程院副院长、车辆工程专家钟志华院士，知名火灾安全科学与工程专家范维澄院士热心为本书作序。

本书编著者衷心感谢氢能产业的广大拓荒者和参与者，你们辛勤的劳动、得到的实践经验和总结为各位作者提供了基本信息。特别是上海华西化工科技有限公司纪志愿、吴芳和燕巍提供了有关氢安全监测与设备的资料，感谢雪人股份有限公司、浙江大学郑津洋教授和“中日氢能系统共性问题合作研究（编号 2018YFE0202000）”的专家支持。

本书编写期间，适逢新型冠状病毒疫情肆虐全国。感谢清华大学图书馆、核研院和家人的支持，使我跨界完成“氢安全伦理”的初稿。

本书编著者感谢化学工业出版社责任编辑和她同事们的辛勤劳动，使本书高质量与读者见面。

本书编著者还借此机会致谢“清华大学-张家港氢能与先进锂电技术联合研究中心”的资助，使本书顺利出版。

氢安全是内容广博而不断更新的重要课题，在本书编写过程中，编者尽量收集国内外资料，力求叙述准确明了。由于编者水平有限，书中难免存在不妥和疏漏之处，恳请读者批评指正。

毛宗强

2020年3月2日

清华大学荷清苑

《氢安全》介绍氢气利用过程中的安全原理、策略，为目前国内外日益高涨的氢能健康利用提供安全理论保障。按照氢能利用的全流程从氢制取、储运、应用和氢能基础设施等环节阐述全氢产业链的安全问题及其对策。

本书还介绍了有关氢安全的基础知识，涉及氢泄漏扩散、氢火灾爆炸、氢与材料相容性、氢风险评估、氢安全仪器设备和标准规范等，以及氢安全的国际国内现状与发展方向。

全书内容丰富,系统性和科学性强，适合从事或准备进入氢能行业的企业家、投资家，政策决策者，工程技术人员阅读,也适合高校和研究院所的教师、研究人员和学生参考,还可供从事能源领域的工程管理人员参考。

第1章氢安全基础/1

1.1氢气性质/1

1.1.1氢安全基本特性/1

1.1.2点火源/3

1.1.3氢燃烧极限/4

1.2氢安全通则/7

1.3氢事故种类/7

1.3.1氢泄漏扩散/8

1.3.2氢火灾/11

1.3.3氢爆炸/16

1.4氢脆/27

1.4.1氢脆机理/27

1.4.2氢脆类型/27

1.4.3氢脆导致力学性能劣化/28

1.4.4氢脆的主要影响因素/28

1.4.5氢脆的防控/28

1.5氢风险评估/28

1.5.1定量风险评价方法概述/29

1.5.2风险矩阵计算/29

1.5.3场景模型/29

1.5.4气态氢泄漏扩散的频率/30

1.5.5后果模型/31

1.5.6伤害和损失模型/31

1.5.7事故频率和概率数据/32

参考文献/34

第2章氢气生产安全/36

2.1水电解制氢安全/36

2.1.1水电解制氢过程安全性分析/37

2.1.2水电解制氢系统的安全体系/39

2.2重整制氢安全/41

2.3氢气提纯安全/44

2.3.1氢气提纯的方法/44

2.3.2氢气纯度对安全性的影响/46

2.4液氢生产安全/46

2.4.1液氢生产/46

2.4.2液氢储存与运输/50

2.4.3液氢装卸/56

参考文献/58

第3章氢储运安全/60

3.1氢压力容器安全/60

3.1.1固定式氢压力储罐/60

3.1.2车用轻质高压氢气瓶/63

3.2氢输送管道安全/66

3.2.1氢气管道安全/66

3.2.2掺氢天然气管道安全/68

3.3氢储运设备风险评价/71

3.3.1风险评价方法/71

3.3.2风险控制策略/73

参考文献/74

第4章氢燃料电池及系统安全/77

4.1氢燃料电池氢气的安全性/77

4.2燃料电池汽车氢系统的安全性/77

4.2.1材料安全防护/78

4.2.2元器件防护/79

4.2.3氢系统安全防护/79

4.2.4氢系统安全监控/80

4.2.5碰撞安全防护/81

4.2.6日常安全维护/81

4.3燃料电池车载氢系统安全性现状/82

4.3.1加氢系统/83

4.3.2供氢系统/84

4.3.3储氢系统/86

4.3.4燃料电池系统氢气子系统/91

4.4燃料电池堆的安全性/91

4.4.1正常和非正常运行条件下的特性/92

4.4.2管路和管件装配/93

4.4.3接线端子和电气连接件/93

4.4.4安全监控方法/94

4.5电安全/98

4.5.1高压互锁的设计/98

4.5.2碰撞保护及绝缘检测设计/98

4.5.3手动隔离开关/100

4.5.4调试状态及漏电检测设计/100

4.6直接甲醇燃料电池安全/100

4.6.1通用安全要求/100

4.6.2物理环境与运行条件/101

4.6.3材料安全要求/102

4.6.4泄漏安全要求/102

4.6.5废气排放要求及防护措施/102

4.6.6电气安全要求/103

4.6.7高温暴露/103

4.6.8振动/103

4.6.9跌落/103

4.6.10湿度/104

4.6.11淋雨/104

参考文献/104

第5章氢燃料电池车安全/105

5.1引言/105

5.2氢气安全/107

5.2.1氢气扩散特性/107

5.2.2氢气燃烧/爆炸时的危害/107

5.3车辆设计安全/108

5.3.1氢气安全的设计指南/108

5.3.2氢气安全的试验方法/109

5.3.3高压防护/111

5.3.4保护机构的设计/113

5.4生产阶段的安全管理/114

5.4.1车载式诊断装置的开发/114

5.4.2单体试验/114

5.4.3模块试验、整车试验/115

5.5车辆运输安全/115

5.5.1船舶运输/115

5.5.2铁路运输/115

5.6使用阶段的安全措施/116

5.6.1报警、诱导、通报/116

5.6.2对于修理业人员的指导/116

5.6.3定期检查制度/116

5.7多种使用场景下的事故与危害/118

5.7.1氢气泄漏事故可能发生的场景与危害/118

5.7.2安全研究机构与设施/118

5.7.3研究实例/119

5.8社会安全管理体系的建立/123

5.8.1对使用者进行教育——驾驶培训制度/123

5.8.2社会教育/123

5.8.3对监督和管理者实施教育(消防当局、行政机关)/123

5.8.4检查部门·设备的整备/124

5.8.5监督部门的重组/124

5.9总结与建议/126

5.9.1总结/126

5.9.2建议/127

参考文献/127

第6章氢燃料电池船舶安全/128

6.1氢燃料电池船舶安全规范和设计原则/128

6.1.1氢能安全标准规范/128

6.1.2船舶气体燃料规范/129

6.1.3氢安全设计原则/129

6.2氢燃料电池船舶布置安全性设计/130

6.2.1船体布置安全性原则/130

6.2.2燃料舱/130

6.2.3燃料电池室/131

6.2.4空气闸/131

6.3材料安全性/132

6.4压力容器和管路安全性设计/132

6.4.1压力容器/132

6.4.2管路系统/132

6.4.3排气系统/133

6.4.4气体传输部件/134

6.5供氢系统安全设计/134

6.5.1氢气储存/134

6.5.2氢气加注/135

6.6消防安全设计/135

6.6.1防火/135

6.6.2灭火/136

6.6.3火灾探测和报警系统/136

6.7电气系统安全性设计/136

6.7.1危险区域划分/136

6.7.2危险区域内的电气设备和电缆选型/137

6.8监控系统和安保系统设计/138

6.8.1概述/138

6.8.2监控系统/139

6.8.3安保系统/140

参考文献/140

第7章氢其他应用安全/141

7.1氢氧混合发生器/141

7.1.1氢氧混合发生器概况/141

7.1.2氢氧混合发生器安全要求/143

7.2氢锅炉/149

7.2.1氢锅炉概况/149

7.2.2氢锅炉安全要求/151

7.3氢燃气轮机/151

7.3.1氢燃气轮机概况/151

7.3.2氢燃气轮机安全要求/153

参考文献/154

第8章加氢站安全/155

8.1加氢站安全设计/155

8.1.1安全设计理念及相关标准/155

8.1.2加氢站站址选择和平面布置要求/156

8.1.3加氢站关键设备的安全考量/159

8.2加氢站安全运行与事故防范/164

8.2.1安全运行管理体系/164

8.2.2事故应急防范/166

8.3加氢站风险评价/167

8.3.1加氢站定性风险评价/168

8.3.2加氢站半定量风险评价/169

8.3.3加氢站定量风险评价/169

8.4加氢站风险评价案例/176

8.4.1大连加氢站定量风险评价/176

8.4.2日本加氢站定性风险评价/182

参考文献/187

第9章氢安全监测与设备/188

9.1氢气异嗅剂/188

9.1.1异嗅剂的两个重要量化参数/188

9.1.2常用异嗅剂/189

9.1.3现有氢气异嗅剂的局限性/190

9.1.4小结/192

9.2氢气传感器/192

9.2.1氢气传感器类型/192

9.2.2氢气传感器的要求/194

9.2.3常用的氢气传感器工作原理/195

9.2.4小结/198

9.3氢气报警装置/198

9.3.1氢气报警装置的分类/198

9.3.2氢气报警装置的标定校准要求/201

9.3.3氢气报警点设置/201

9.3.4小结/202

参考文献/202

第10章国际氢安全标准法规概况及发展/204

10.1国际氢安全组织/204