H2 fire safety

氢燃料车辆的着火安全性问题

清华大学电动车辆研究室朱家琏编

氢燃料车辆正在步入人们的视线，许多人由于对氢不熟悉，并出于对使用氢的畏惧和风险心理，加上一些非常鲜活和广泛宣传的事故，如兴登堡飞艇和挑战者号事件，尽管氢对这两起惨剧没有任何责任，但还是增加了人们对使用氢的担心，经常有人提出氢燃料电池车辆安全吗？这样的问题。

如果能对氢的固有特性有所认识并认真对待的话，可以说，氢在使用中是很安全的，氢作为运输燃料，其安全性与石油、压缩天然气、液化天然气等是相同的。但是它们各自属性不同，为了保证安全性，需要采取的技术措施各自不同。在工业领域里，氢每天都在使用，而且已有很长的历史，氢的制造、运输、安全等方面的技术问题已广为人知。世界各地，每天都在使用几百万公斤的氢，却极少发生因氢而发生的事故。然而，直到目前为止，氢作为运输燃料使用，还缺少指导性的法律法规，目前世界各国及国际组织正在加紧制定有关的法规、标准等，以迎接氢燃料车辆大范围安全使用时代的到来。

氢有如下一些特性：

l 氢无色、无味、无毒，但很难凭人的感觉发现, 氢在生产、贮存和使用过程中易造成泄漏。氢泄漏入空气，超过一定量后，通过稀释空气使氧气减少，从而可以引起窒息

l 氢气与空气混合形成的易燃混合气的混合比（或氢浓度）范围很宽，按体积比为4-75%。而且其点燃能量很低，是汽油-空气混合物点火能量的十分之一。见图一。LEL与UEL分别点火浓度的下限和上限。

l 氢燃烧时产生的的火焰是无色的，如果氢燃烧时，产生任何可见的火焰，则都是由于混合气中的杂质引起的。

l 液态和气态氢都特别容易泄漏，因为它的分子量和粘度都很低。液氢泄漏速度大约是水的50倍，气态氢泄漏速度约是空气的2倍。微量的氢气泄漏，可以在空气中很快稀释成安全的混合气。

l 常温下，气态氢比空气轻，它向上升漂浮，其运动方向受风向的影响。而且氢在空气中极易扩散（扩散速度很快），如果往空气中倾入2.25立方米的液氢，约1分钟后就能扩散成不会爆炸的混合气。因此，只要保证氢燃料泄漏后，马上消散，稀释成安全的混合气，就不会有危险。这是氢燃料区别于汽油等其他燃料的一大特点。而常温下汽油泄漏后，会沉向地面，并逐渐蒸发、扩散，较长时间后才稀释成安全的油气混合气。汽油泄漏后造成的着火危险比氢大得多。

l 氢与一些材料接触，会产生材料的氢脆现象。

表一是氢与汽油等其他燃料的属性比较。

表一：

属性	汽油	甲醇	氢
密度(Kg/M3)	4.40	0.65	0.084
空气中扩散系数(Cm2/Sec)	0.05	0.16	0.610
常压下的比热(J/Gk)	1.20	2.22	14.89
空气中的点火极限(vol %)	1.0-7.6	5.3-15.0	4.0-75.0
空气中的点火能量(Mj)	0.24	0.29	0.02
点火温度(°C)	228-471	540	585
空气中燃烧温度(°C)	2197	1875	2045
爆炸能量(G TNT/kj)	0.25	0.19	0.17

图一

接着来谈一下兴登堡飞艇事件，1937年兴登堡灾难发生的原因，过去一般认为是由于飞艇里充了氢而引起的，但是，几十年后， NASA的一位氢项目创始管理者，Addison Bain，研究发现并非如此，以下几点事实值得注意：

l 图一是当时目击者拍摄的照片，显示飞艇并没有爆炸，有明显可见的火焰，事实上，氢消散得非常快，故是非氢物质在燃烧。

l 发事时，气象为雷暴天气。

l 登堡飞艇的气袋，用易燃的化合物处理过，导电性差（易保持电位差）且极易着火（不容易熄灭）。

l 艇与地、艇上之间有电位差，由于放电而产生火花。

由此得出结论，兴登堡惨案不是因为氢燃烧引起的，而是由于兴登堡飞艇的气袋，用易燃的、导电性很差的化合物涂料处理过，在雷暴天气条件下，气袋材料被放电火花引燃着火，从而酿成悲剧。有35位乘客由于从飞船上跳下来而丧生。

图二图三

对于挑战者号的爆炸，则是由于固态燃料助推火箭上的密封圈失效，首先在助推火箭侧面产生火苗，破坏了主燃料箱供应管路，引起泄漏和着火，同时也使其他燃料箱中燃料着火，最终导致事故发生。

当今世界上一些大学、研究机构和公司都在进行氢燃料车辆着火安全性的深入试验研究，这里介绍美国迈阿密大学Dr Michael Swain，2001年五月五日，在美国的国家氢协会NHA会议上，发表的工作。其研究工作有两个目的，一是制作一部，氢燃料与汽油燃料汽车的燃料泄漏并点燃后，比较这两种汽车着火严重性的录像。第二是测定为什么录像带中的氢火焰是如此的容易看到。录像带大约经历了3.5分钟时间，完成其摄制。在以往的氢动力车辆氢泄漏燃烧的试验里，已显示出氢火焰是带有黄颜色的，这与夹带相对较纯氮/氧混合物的氢火焰不相一致，由此推想存在未知的不纯物质。为此试验中安排了对氢火焰的光谱测试。

造成汽油泄漏事故，设想是由单一失效模式引起的：

对汽油车，在车子中部下面的燃油管路上，冲出一个直径1/16英寸的孔，让燃油泄漏出来，在3.5分钟的时间内，泄漏了5品脱的汽油（近似有70,000BTU热量）。

对于氢燃料车辆，其设计完全符合现有的制造规范，车上具有一个可使装在氢燃料箱上的电磁阀动作的传感器，如果氢燃料的流量超过燃料电池要求的流量，或流量达到预定量时，计算机程序会关闭燃料供应。氢燃料车辆的燃料箱上还装有一个压力释放装置，当氢泄漏引起持续的火焰时，此压力释放装置就会使燃料箱中的氢在100秒内逃逸出来。在摄像期间，有3.4磅氢泄漏掉。（近似175,000BTU热量）

对氢燃料车辆，四种失效会产生严重的氢泄漏事故：

l 燃料管路或元件的密封失效。

l 探测氢和关断氢流量的氢传感系统失效。

l 制造规范要求的、装在燃料箱上的流量超值阀失效。

l 用于比较氢流量与燃料电池需要消耗的氢流量的计算机程序失效。

三分钟的录像带，给出如下结论：汽油燃料车遭受严重损坏，而氢动力车辆没有损坏。对氢动力车辆进行温度测量，后窗玻璃上的最大温度为117F°，后窗与后座位之间的塔板上温度为67 F°。

另外试验时，还对氢火焰作了光谱分析，火焰的清晰可见，是由于空气中含有钠的物质微粒，增强了火焰可见度。

这项安全性模拟试验表明，密度很低的氢，在安全性方面比起汽油，具有一定的优点，当氢向一个敞开的空间泄漏后，它会迅速地散开，但是汽油燃料泄漏后，向地面滴漏，还会渗入缝隙，产生的着火事故是灾难性的。试验证明为燃料电池车辆开发的氢储存技术，实际上比汽油储存还安全。氢用作为车用燃料是安全的。