隨著各國(guó)對(duì)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的不斷投入，燃料電池汽車(chē)技術(shù)逐漸成熟，已經(jīng)有多個(gè)汽車(chē)廠商推出燃料電池商用車(chē)型，各國(guó)及各區(qū)域燃料電池汽車(chē)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也在不斷制定和完善中。在燃料選擇方面，以氫氣作為燃料具有環(huán)保、可再生、來(lái)源廣泛的優(yōu)勢(shì)。但是，由于氫氣本身的物化特性，使得車(chē)載氫氣系統(tǒng)存在著一定的安全隱患，也使得人們對(duì)于燃料電池車(chē)的安全性普遍存在顧慮。

 

氫氣是最不容易形成可爆炸的氣霧的燃料，只要建立有效的防控手段，氫氣的安全性還是十分出眾的。與常規(guī)能源相比，氫氣有很多特性。其中既有有利于安全的屬性，也有不利于安全的屬性。有利于安全的屬性有：更大的擴(kuò)散系數(shù)和浮力，單位體積或單位能量的爆炸能更低等；不利于安全的屬性有：更寬的爆炸極限范圍，更容易泄漏，更高的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?。本文就人們普遍關(guān)心的幾個(gè)氫能安全問(wèn)題，結(jié)合氫氣的特性進(jìn)行分析比較。

 

將氫氣的主要特性和其它常見(jiàn)燃料作對(duì)比，建立四個(gè)坐標(biāo)分別是擴(kuò)散、浮力、爆炸下限和燃燒速度的倒數(shù)，越靠近坐標(biāo)原點(diǎn)越危險(xiǎn)。可以看出，就擴(kuò)散、浮力和爆炸下限而言，氫氣都遠(yuǎn)比其它燃料安全，但氫氣的燃燒速度是常見(jiàn)燃料中最快的。

 

泄露性：泄露速度快于常見(jiàn)燃料，但泄露總能量不高

 

氫氣相對(duì)比液體燃料和其他氣體更容易從小孔中泄露，因此氫氣相對(duì)于其他燃料的泄露速度更快。對(duì)于透過(guò)薄膜的擴(kuò)散，氫氣的擴(kuò)散速度是天然氣的3.8倍。實(shí)際當(dāng)中，氫氣易泄漏更多的是通過(guò)燃料管線、閥門(mén)、高壓儲(chǔ)罐上出現(xiàn)的微小裂縫。通過(guò)對(duì)燃料運(yùn)輸系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，可以避免采用厚度很薄的材料。

 

根據(jù)燃料電池車(chē)泄漏位置和泄露時(shí)機(jī)的不同，氫氣的泄漏狀態(tài)是不同的：（1）儲(chǔ)氫瓶（35MPa）直接發(fā)生泄漏將直接以湍流的形式發(fā)生，此時(shí)發(fā)生泄漏的氫氣速度可達(dá)聲速的3倍多（1308mps）。相比之下，天然氣汽車(chē)由于氣瓶?jī)?nèi)壓力為20MPa左右，發(fā)生泄漏時(shí)的速度僅為聲速的1.2倍多（449mps），氫氣顯然的泄漏要比天然氣快。（2）如果氫氣在供給電堆時(shí)發(fā)生泄露，將以層流的形式發(fā)生。這是由于氫瓶后端由于有減壓器，一般一級(jí)壓力將降為1.5MPa左右；在氫氣進(jìn)入燃料電池系統(tǒng)之前會(huì)再進(jìn)行二級(jí)減壓，最終供給電堆的氫氣壓力為100kPa左右。

 

相同時(shí)間內(nèi)泄漏的氫氣體積總是大于天然氣，但泄漏的天然氣的能量將大于氫氣的能量。由于天然氣和氫氣都是儲(chǔ)存在汽車(chē)的高壓氣罐中，如果發(fā)生泄漏，都是以湍流的形式，此時(shí)氫氣的相對(duì)泄漏率是天然氣的2.83倍。一般在20MPa壓力下的壓縮天然氣的體積能量密度僅相當(dāng)于汽油能量密度的30%，而國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的35MPa壓力下的壓縮氫氣其體積能量密度是汽油的16.7%。但是泄漏之后的氣體處于常溫常壓的狀態(tài)，此時(shí)氫氣的體積能量密度為12.74MJ/Nm3，而天然氣為39.82MJ/Nm3，所以在相同時(shí)間內(nèi)，泄露的氫氣體積雖然更多，但是根據(jù)泄露情況的不同，泄漏后天然氣攜帶的能量大約為泄漏氫氣1.11-2.48倍，下圖模擬的是氫氣和天然氣泄漏時(shí)體積和能量對(duì)比：

 

擴(kuò)散性：具有很高的擴(kuò)散系數(shù)和浮力，泄漏時(shí)可迅速降低濃度

 

氫與汽油、丙烷和天然氣相比，氫氣具有更大的浮力（快速上升）和更大的擴(kuò)散性（橫向移動(dòng)）。氫氣的密度僅為空氣的7%，而天然氣的密度是空氣的55%。所以即使在沒(méi)有風(fēng)或不通風(fēng)的情況下，它們也會(huì)向上升，而且氫氣會(huì)上升的更快一些。但丙烷和汽油氣都比空氣重，所以它們會(huì)停留在地面，擴(kuò)散的很慢。氫的擴(kuò)散系數(shù)是天然氣的3.8倍、丙烷的6.1倍、汽油氣的12倍。這么高的擴(kuò)散系數(shù)表明，即使在通風(fēng)不暢的環(huán)境下，泄漏的氫氣也將會(huì)很快上升并向各個(gè)方向快速擴(kuò)散，迅速降低濃度。

 

在戶外，氫的快速擴(kuò)散對(duì)安全是有利的。但在相對(duì)密閉的環(huán)境中，這如果氫氣的泄漏量很小，氫氣會(huì)快速與空氣混合，保持在爆炸極限濃度以下；如果氫氣的泄漏量很大，快速擴(kuò)散會(huì)使得混合氣濃度很容易達(dá)到爆炸極限，不利于安全。

 

爆炸性：爆炸極限范圍寬，但爆炸能很低且不產(chǎn)生濃煙和灰霾

 

在空氣中，氫的爆炸范圍很寬，而且點(diǎn)火能不高。氫氣的爆炸極限范圍（體積分?jǐn)?shù)）是4%-75.6%，最小點(diǎn)火能僅為0.02mJ。而其他燃料的爆炸極限范圍則要窄得多，點(diǎn)火能也要高得多。一般來(lái)說(shuō)，氫氣爆炸要達(dá)到兩個(gè)條件，除了要滿足氫氣的爆炸極限，還要施加靜電、明火或混合空氣溫度達(dá)到527oC及以上。氫氣爆燃的條件是有先后順序的，首先要滿足濃度，然后再滿足點(diǎn)燃條件。如果已經(jīng)有點(diǎn)燃條件，那么氫氣只會(huì)排出多少就燃燒多少，不會(huì)爆燃，就像煤氣灶燃燒燃?xì)庖粯印?/div>