氫作為一種高密度的能量載體，在其制取、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加注、使用過程中往往面臨著許多安全問題。氫氣自身的物理特性很大程度上決定了其各環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。總體而言，與氫氣安全性相關(guān)的物理特征主要有以下幾點(diǎn)：一是易泄漏擴(kuò)散。氫氣密度小，多采用高壓存儲(chǔ)，無色無味，泄漏后又很難發(fā)覺，導(dǎo)致氫氣較易泄漏。二是易燃易爆。氫氣燃燒范圍大，點(diǎn)火能量小，遇火易燃易爆，在有限空間更容易引發(fā)爆炸。三是容易引發(fā)氫脆。氫和金屬材料相互作用會(huì)產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象，導(dǎo)致材料的力學(xué)性能降低從而發(fā)生失效斷裂的現(xiàn)象，造成安全風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)損失。

一、氫安全事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

多年來，涉氫安全事件幾乎覆蓋了氫的全產(chǎn)業(yè)鏈。根據(jù)氫安全事故數(shù)據(jù)庫H2LL統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，1999-2019年間，發(fā)生了120起氫安全事故。從事故原因看，導(dǎo)致事故的主要原因是設(shè)備故障，占比35.78%。此外，人為失誤（如錯(cuò)誤的拆卸、組裝、移動(dòng)和更換等）和設(shè)計(jì)缺陷（如傳感器誤報(bào)、設(shè)備壽命短等）分別占14.22%和12.07%。

圖 1 事故原因占比及可能事故原因數(shù)

從事故設(shè)備看，管道/配件/閥門、存儲(chǔ)瓶、燃料電池汽車是引發(fā)安全事故的主要設(shè)備，分別占事故的32.28%、15.51%、12.66%。

圖 2 事故設(shè)備占比及設(shè)備類型事故數(shù)量

從事故地點(diǎn)看，高校實(shí)驗(yàn)室占比最高，達(dá)到38.3%，加氫站和與氫相關(guān)的商業(yè)設(shè)施，分別占事故的10.64%和9.04%。

圖 3 事故發(fā)生場所占比及場所類型事故數(shù)量

從事故損失看，僅31.18%的涉氫事故未產(chǎn)生損失，多數(shù)情況下可能會(huì)產(chǎn)生財(cái)產(chǎn)損失、人身傷亡、生產(chǎn)生活設(shè)施關(guān)閉等一系列嚴(yán)重后果。

圖 4 事故損失占比及損失類別數(shù)量

數(shù)據(jù)來源：H2LL, The Pacific Northwest National Laboratory

二、典型的氫安全事故事例

近年來，氫能產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的安全事故逐漸增加，給產(chǎn)業(yè)長足發(fā)展敲響了警鐘。如在氫氣制取環(huán)節(jié)，2019年5月23日韓國發(fā)生一起氫氣制取儲(chǔ)存過程中儲(chǔ)氫罐爆炸事故，造成2人死亡、6人受傷。在氫氣儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)，2019年6月1日美國空氣產(chǎn)品公司氫轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)施發(fā)生高壓氫氣泄漏事故，隨即發(fā)生爆炸并產(chǎn)生高壓噴射火焰，導(dǎo)致管道損壞。2021年8月4日，我國沈陽發(fā)生一起長管拖車卸氣軟管斷裂引發(fā)著火事故，所幸未造成人員傷亡。在氫氣加注環(huán)節(jié)，2019年6月10日，挪威一處加氫站發(fā)生爆炸，導(dǎo)致兩人受傷。在用氫環(huán)節(jié)雖然尚未發(fā)生重大事故，但也存在一系列風(fēng)險(xiǎn)隱患。氫燃料電池汽車氫氣管路接口和彎頭多，可能因道路工況復(fù)雜、交通事故引發(fā)氫系統(tǒng)故障，全生命周期中出現(xiàn)氫意外泄漏難以避免，且被電氣意外點(diǎn)火風(fēng)險(xiǎn)較大。若車輛出現(xiàn)氫泄漏后，由于乘客艙相對(duì)封閉，可能導(dǎo)致車內(nèi)人員窒息，且發(fā)動(dòng)機(jī)艙半封閉、通風(fēng)散熱條件差，還易產(chǎn)生局部高溫及電氣火花，從而引發(fā)燃燒爆炸。2022年4月，因存在氫燃料泄漏風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)代汽車召回54輛Nexo氫燃料電池汽車。

圖 5 氫安全典型事故

三、氫燃料電池汽車氫安全風(fēng)險(xiǎn)與防控

氫燃料電池汽車是一種將車載燃料電池裝置產(chǎn)生的電力作為動(dòng)力的汽車，其中車載燃料電池裝置所使用的燃料為高純度氫氣或含氫燃料經(jīng)重整所得到的高含氫重整氣。《氫燃料電池汽車全球技術(shù)法規(guī)》將氫燃料電池汽車劃分為加氫系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、供氫系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、電驅(qū)動(dòng)和動(dòng)力管理系統(tǒng)五個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)。

氫燃料電池汽車儲(chǔ)氫供氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示：

圖 6氫燃料電池汽車儲(chǔ)氫供氫系統(tǒng)示意圖

1. 儲(chǔ)氫系統(tǒng)

氫燃料電池汽車的儲(chǔ)氫系統(tǒng)主要是壓縮氣體儲(chǔ)存系統(tǒng)，包括氫氣瓶、溫度驅(qū)動(dòng)壓力泄放裝置、組合閥（單向閥、截止閥）及配件等。由于氫氣在高壓下容易從非金屬內(nèi)膽向外泄漏，且金屬材質(zhì)的瓶口閥與非金屬內(nèi)膽的連接強(qiáng)度難以保證，所以容易發(fā)生“非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶”爆炸事故。

2. 加氫系統(tǒng)

由于氫燃料電池汽車多采用高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫方式，故在高壓氫氣加注過程中，車載氫瓶內(nèi)氫氣容易快速升溫，存在安全隱患，需要在加注過程中檢測車載壓縮氫氣存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)的壓力、容量、溫度及授權(quán)指令等數(shù)據(jù)。

3. 供氫系統(tǒng)

當(dāng)車載氫瓶供氫時(shí)，氫系統(tǒng)控制器檢測到壓力超過或低于設(shè)定值時(shí)，會(huì)立即關(guān)斷電磁閥，并將管路超壓或管路低壓的報(bào)警信息發(fā)送給整車管理系統(tǒng)請(qǐng)求結(jié)束正常工作，同時(shí)聲光報(bào)警提示司機(jī)采取必要措施。當(dāng)氫系統(tǒng)控制器檢測到氣瓶溫度超過或低于設(shè)定溫度時(shí)，也會(huì)立即關(guān)閉電磁閥，并將氫瓶內(nèi)溫度過高或過低的報(bào)警信息發(fā)送給整車管理系統(tǒng)請(qǐng)求結(jié)束正常工作，同時(shí)信息提示故障氣瓶編號(hào)，通過聲光報(bào)警方式通知司機(jī)，立即采取相應(yīng)措施。

供氫系統(tǒng)在將車載高壓壓縮儲(chǔ)氫氣瓶內(nèi)的氫氣經(jīng)減壓閥減壓后送至燃料電池電堆，在為燃料電池電堆提供合適壓力、溫度和流量的氫氣時(shí)，瓶口閥和減壓閥等關(guān)鍵零部件存在失效風(fēng)險(xiǎn)，管路系統(tǒng)接頭存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)氫意外泄漏情況，在儲(chǔ)氫瓶口、乘客艙及燃料電池系統(tǒng)易于聚集和泄漏處均放置多個(gè)氫氣泄漏傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測車內(nèi)的氫含量，一旦發(fā)生氫泄漏立即采取響應(yīng)處置，確保乘客安全。

4. 燃料電池系統(tǒng)

燃料電池電堆主要存在制造商設(shè)計(jì)問題，導(dǎo)致運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和供氫純度不符合要求。同時(shí)，軟件、控制電路或保護(hù)/安全元器件的失效或加工不良或誤動(dòng)作也會(huì)引起運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。氫燃料電池汽車的燃料電池系統(tǒng)可輸出300-600V的高壓電，易出現(xiàn)短路或電擊風(fēng)險(xiǎn)。氫燃料電池汽車發(fā)生碰撞時(shí)除可能有氫氣泄漏外，還可能發(fā)生高壓電漏電風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)上述問題，可以通過安全設(shè)計(jì)來提高本質(zhì)安全化程度，利用系統(tǒng)功率電壓/電流傳感器監(jiān)控過壓/流，利用溫度傳感器監(jiān)控電堆冷卻液出入口溫度，利用FCU多級(jí)調(diào)節(jié)控制與診斷實(shí)現(xiàn)冷卻、過溫保護(hù)，利用系統(tǒng)絕緣檢測、冷卻液離子濃度傳感器、聯(lián)結(jié)整車HVIL回路（如空壓機(jī)、水泵、加熱器）、橙色高壓線路、金屬殼體接地等方法防止電氣高壓泄漏。

5. 儲(chǔ)氫材料與電氣元件

針對(duì)儲(chǔ)氫供氫等系統(tǒng)出現(xiàn)氫脆效應(yīng)從而導(dǎo)致氫泄漏的問題，當(dāng)下主要是通過選擇合適材料防止出現(xiàn)氫脆。目前，高壓儲(chǔ)氫瓶選擇鋁合金或合成材料，各種燃料管道以及閥件也都采用適用于氫介質(zhì)的材料，如抗氫脆的不銹鋼、鋁合金材料或聚合物，并且在對(duì)儲(chǔ)瓶、管道及閥件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)中留有足夠的安全余量，儲(chǔ)氫瓶的安裝及高壓氫氣連接管材質(zhì)均應(yīng)符合相關(guān)國家規(guī)范的安全要求。由于氫燃料電池汽車中涉及諸多電氣元件，極可能引燃意外泄漏的氫氣，燃料電池汽車的電氣元件、管路、閥體宜采用相應(yīng)的防爆、防靜電、阻燃、防水材料。同時(shí)，還可利用氫系統(tǒng)控制器實(shí)現(xiàn)電氣元件短路監(jiān)控，在電氣元件發(fā)生短路時(shí)，立即關(guān)閉氫系統(tǒng)所有電磁閥并使氫系統(tǒng)斷電，同時(shí)通過聲光報(bào)警提示司機(jī)短路，采取相應(yīng)的安全措施。