认识氢气以及应用安全、消除“谈氢色变”

氢气作为一种新型的二次能源，尽管大众对其名称很熟悉，但是对其使用过程中的一些安全保障还不够了解，部分民众谈“氢”色变，甚至形容氢燃料车辆为移动的“氢弹”，引起这样的担忧主要来自于以下几个基本的认知：

1.国之重器”氢弹“真的是威力无比，一旦投入使用能带来毁灭性的灾难。

2.氢气的爆炸极限为4%~75%，比较宽泛容易发生燃爆。（先简单这样理解，实际上氢气燃烧、爆燃、爆炸等现象在不同的环境下有不同的学术定义）

3.氢气分子量小，密度低。容易渗透到存储材料里面，发生所谓的“氢脆”，氢脆会导致容器脆化，造成破裂或泄露，会引发进一步的灾难。

4.车载气瓶压力大。35/70MPa,高压容器本身会有一定的危险性。在车辆高速行驶过程中发生碰撞等极端情况下可能会发生爆炸等状况。

以下我们就从这几个层面展开一些简单的论述。

一、关于氢弹的基本常识。

又称热核武器，属于核武器的一种。主要利用氢的同位素（氘、氚）的核聚变反应所释放的能量来进行杀伤破坏，属于威力强大的大规模杀伤性武器。核聚变（nuclear fusion），是指由质量小的原子核（一般指氘），在极高的温度和压力下核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核（如氦），由于中子不带电，因此能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。车载用氢只有单一的高纯氢（一般纯度为99.99%以上），不存在核聚变的条件和环境，如果氢弹那么容易制造，也不可能成为“大国重器”了。所以不要再说车载氢瓶是移动的“氢弹”了，就当打个比方都有点儿欠妥。

氢弹爆炸图

二、关于氢气的易燃易爆。

根据爆炸理论，可燃气体在空气中燃爆必须具备以下条件：一是可燃气体与空气形成的混合物浓度达到爆炸极限，形成爆炸性混合气；二是有能够点燃爆炸性混合气的点火源；三是需要在相对封闭的区域燃烧产生的能量得不到及时释放。实质上因为氢气自然界密度最小的气体，具有很强的逃逸性，车辆在空旷的户外行驶状态下几乎是不具备第一个和第三个条件的，在空旷的状态下形不成聚集。但在相对密闭不利于扩散的空间比如车库等场所，如果发生泄漏理论上存在爆炸的风险。

下图左图为氢气泄漏着火图片，右图为汽油泄漏着火图片。

开阔地燃烧对比实验

三、关于氢气带来的金属氢脆现象。

氢脆是指在有氢的环境中，因为氢原子的介入，而使得材料的强度显著降低的过程。具体形成原因：由于氢是元素周期表中最小的原子，氢原子很容易进入金属并在晶格中移动，氢原子可以在一些晶格缺陷中重新化合为氢气分子，氢气分子的体积是氢原子的26倍，从而在材料内部产生高达1000bar的压力，从而导致材料的缺陷和延迟裂缝导致材料强度降低。氢脆对于金属材料来说几乎没法避免，但高性能强度的材料如316不锈钢、铝合金6061等对氢脆有较好的抑制作用，在III 型氢气瓶的国标GB/T 35544-2017《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》里面明确规定，气瓶内胆只能用铝合金6601，并且做出了明确的材料成分要求。IV型瓶的团标T/CATSI 02007—2020《车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶》明确规定采用聚乙烯、聚酰胺或改性聚酰胺，并对材料与氢气的相容性做了具体要求；瓶阀座部分则明确采用铝合金6061或者奥氏体S31603（316不锈钢）。关于材料的性能在标准界定如下：

指定材料要求

氢脆形成机理示意

四、关于高压氢气瓶的安全。

在第二部分提到的两个规范里面都对氢气瓶的设计、材料、工艺、公差以及型式认证和合格测试做了明确的定义，常规项目我们不再讨论，下面重点说明三项可能和车辆行驶途中意外状况的情形。

题外说明：氢气瓶阀是个非常重要的部件，进气、排气、电磁开关、TPRD等功能集成在一体的一体阀。曾经何时我们都依赖于进口。目前国内研发试制已经有了初步的成果，上海舜华研制的阀门已经获得德国交通部KBA型式认证；长城汽车的瓶阀已经试制完成，接近量产状态。

气瓶安全测试项目表

1.火烧：如表格所示，在规定的时间内升到指定的温度，瓶阀根据感受到的温度PRD功能开启，氢气自动泄掉为合格。说明：TPRD阀门由于温度升高会自动熔断阀门会打开，让氢气自动排空。有效模拟车辆在发生燃烧事故状态下应急措施的有效性。

火烧实验参数表

火烧后未发生爆炸

2.枪击：气瓶内填充氢气（或氮气、氦气）到公称工作压力（35MPa/70MPa），然后直径为7.62的穿甲弹以850米/秒的速度90度方向射击（射击距离≤45m）；或采用维氏硬度≥870HV，直径为6.08~7.62mm，质量为3.8~9.75kg的锥形钢制子弹以850米/秒的速度90度方向射击，射击能量≥3300J。合规条件为不发生破裂。

枪击实验具体参数要求

枪击未发生爆炸图片

3.跌落：在1.8米的高度，不同的角度，保证在气瓶在具有等于或大于488J的势能下撞击坚硬地面。合规条件为在3000次的跌落循环内不得发生泄漏或瓶体破裂。

跌落要求示意图

结语：除了以上具体层面的论述外，氢气作为一种燃料物质，和其他如汽油、甲烷、丙烷等常用可燃物相比它的整体安全性要优于其他燃料。

氢气和其他传统燃料相比，与安全相关的物性对比图如下：

四种常见燃料影响安全性能的示意对比，离坐标中心越远越安全

另外在整车或者其他应用领域，在可能出现泄漏以及可能存在氢气聚集隐患的位置都有安装漏氢感测器以及系统监控措施，会根据氢气含量PPM会分级做出相应的应急措施。

世上没有绝对安全的东西，我们需要正确认识，严格管理，尽可能对可能出现的隐患或失效模式做出预防和管控，在逐步推广的过程中展示给大众，证明给大众氢能源利用是安全的、可行的，消除大众基本认知面的恐慌也是非常必要！

原文始发于微信公众号（氢眼所见）：认识氢气以及应用安全、消除“谈氢色变”