科普 | 交通领域液氢燃料应用安全性保障

人类首次在实验室获得液氢至今已有100余年历史，实现工业生产及应用以来，液氢作为火箭高能燃料，在航天领域发挥着举足轻重的作用。上世纪60年代开始，在液氢成功作为火箭燃料应用的同时，科学家们就开始探索液氢在地面交通、航空、航海等领域的应用，美国、德国、英国、日本、挪威等国家，先后在飞机、家用轿车、客车、货车、轮船等交通工具上开展了不少的尝试和技术积累。

我国于近几年开始液氢在重型运输车辆、船舶、飞机等交通工具上的应用研究，其中液氢燃料重载卡车原理样机已完成研制并在试车场进行了功能验证。航天科技集团六院北京航天试验技术研究所先后研制了30千克、100千克储量的车用液氢系统，在32吨、49吨的重卡上进行了搭载和测试。随着可再生能源规模的进一步增大和氢电经济的发展，液氢作为日常重型交通运输的燃料有望在近两年得以实现和快速推广。

北京航天试验技术研究所参研的全球首款液氢重卡

一种新型燃料进行大量推广使用前，其危险性必须进行充分辨识和论证，并制定完善的安全管理及应急处理措施，形成与其推广程度相适应的安全体系，才能确保社会面应用风险可控。在火箭发动机试验研究及发射活动中，科研人员对液氢的特性、相关技术装备、对应安全措施及管理方法等都进行了深入的研究，确保了在相对封闭管理的场所内对液氢的安全应用。而若将液氢作为日常交通工具使用的燃料，其需要面对社会道路行驶、公共场所停放、维修维护等各种应用场景，所处环境更为复杂，随机性更大，存在的潜在风险因素也更多，因而需要更为严格的管理措施。

确保液氢的使用安全，首先要深入了解液氢的理化性质。根据其安全相关性质从设备研制、检定、操作、维护、标准体系等全方位进行管控。液氢跟安全相关的性质主要包括两个方面，一是液态氢的极低温特性，二是氢气的易燃易爆特性，针对这两个方面介绍如下：

一、液氢极低温带来的挑战及应对措施

常压状态下氢气密度极低，不利于其存储、输送和使用，只有采用压缩、低温液化、化合或材料吸附等方式来提升体积能量密度，实现氢的使用经济性，其中液氢质量密度最高，是提高储运效率的最重要形态之一。在常压下，氢气通过多级制冷，被冷却到-253°C时才能被完全液化。

由于液氢同外界环境巨大的温差，由环境向液氢的漏热而导致其温度升高不可避免，为了维持其液相状态，液氢必须保持在其临界温度-240°C以下，并适当保持压力，因此盛装液氢的储罐必须是耐压和超级绝热的密闭容器。常压氢气与液氢的体积比是825：1，充满液氢的密闭储罐在存储空间不变的情况下，如果温度升至常温，储罐的最终压力将上升至超过170MPa，这是一般压力容器无法承受的。

重卡车用百公斤级储量液氢系统-赛道1000

在陆地重载卡车上存储液氢的装置通常称为低温绝热气瓶，为确保其安全使用，设计上往往采取两方面措施：一是采用双层不锈钢高真空辐射绝热结构，减小外界向气瓶内的热量传递，从而延缓漏热引起的压力升高速率，使气瓶在车辆停放时因外界温度导致气瓶内升压至安全控制压力的时限能达到3天甚至更长；二是在气瓶内容器上设置两级安全泄放阀门，车辆长期停放或由于故障而导致的压力持续升高的情况下，在压力到达气瓶内胆破坏压力前，确保安全阀自动开启进行压力泄放而使压力得以保持在安全范围，从而避免超压导致的气瓶、管路爆破等无管理排放事故发生。

二、氢气燃爆风险认识及防止

与空气混合的情况下，氢气具有极易燃爆的特点：一是氢气的最小点火能量非常低，在空气中最小点火能量约0.02mJ，而人体摩擦产生的放电便可以达到10mJ，就连高压氢气在向空气高速喷出时，空气中粉尘粒子摩擦产生的静电也能成为一个点火源；二是其可燃浓度范围非常宽（在1个大气压和环境温度下的干燥空气中，氢可燃浓度下限：4.1%，可燃浓度上限：74.8%）。由于可燃浓度下限仅4.1%，且极低的点火能量又令事先混合的氢气-空气极易被点燃而产生火灾或爆炸。

但另一面，氢气又具有极易扩散的特点，在开放空间氢气泄漏停止后，1分钟内就可扩散至可燃浓度下限以下，可见避免封闭空间使用和及时制止泄漏是避免氢空混合气体燃爆的重要手段。

液氢泄漏后，与常温氢气略有不同。少量泄漏时，液氢同空气混合很快温度升高并形成低密度气团向上扩散，下方区域安全影响较小。当大量泄漏时，将在地面积聚成液氢池，由于液氢的蒸发在液氢池表面也会形成低温的氢云，与空气混合产生爆炸性混合气体环境，而当泄漏结束，爆炸性气体混合环境也会很快消失。相较于LNG及汽油等燃料的泄漏，液氢大量泄漏横向扩散范围更窄，形成可燃可爆的混合气空间范围更小，滞留时间也更短。从这个角度进行评判，在路面等开阔空间发生液氢泄漏而带来的安全隐患比前述燃料更低。

防止液氢及氢气的意外泄漏，创造开放使用条件，阻止长时间形成可爆燃的氢空气混合气体，是用氢安全的关键所在。为减少液氢及氢气泄漏，车载液氢系统的重要连接部位需尽可能采用焊接结构，若要采用其他连接方式则需要经过严格的论证。

车载液氢燃料存储系统整体还要经过严格的测试和考核认证，只有符合国家特种设备监察及车辆零部件公告标准后，才能进入社会道路行驶。这些测试和考核项目包括火烧、跌落、振动、压力控制等等，覆盖车辆运行的几乎所有极端工况，以确保以上情况发生时司乘人员有足够时间逃生，从而保障人员生命安全。

液氢气瓶火烧试验考核

综上，基于航天领域在液氢研究、生产和使用等方面所积累的丰富经验，开发重载交通工具用液氢储供系统，充分开展系统试验考核验证，扩大示范场景样本，从而形成完整科学的装备可靠性评价及安全控制体系，可以为社会面液氢有序规模推广应用提供更大的安全保障。