氢能安全实验室担当氢能安全应急管理战略支撑力量

编者按：青岛安全工程研究院建设的氢能安全实验室，近期被纳入应急管理部重点实验室运行序列。实验室以满足我国氢能产业安全发展和安全监管面临的重大科技需求为牵引，聚焦氢致材料及设备失效机制、氢泄漏燃爆致灾规律等问题与难点，全力支撑应急管理部氢能产业安全监管。在全国安全生产月期间，本版聚焦氢能安全推出专题，敬请关注。

前不久，应急管理部重点实验室新增挂牌名单公布，依托青岛安全工程研究院（以下简称：安工院）建设的氢能安全实验室位列其中。

安工院新能源安全装备研发测试基地。

氢能安全实验室以满足我国氢能产业安全发展和安全监管面临的重大科技需求为牵引，聚焦氢致材料及设备失效机制、氢泄漏燃爆致灾规律等问题与难点，围绕氢能产业链安全风险评估、高压临氢材料及装备安全、氢泄漏感知及燃爆防护、氢能安全标准体系构建等方面开展系统研究，着力构建氢能产业本质安全、风险系统防控、智能化管控技术支撑体系，打造我国氢能安全创新中心、战略咨询与政策规制研究智库、高端科技人才培养基地及氢安全标准供给基地，担当氢能安全应急管理战略支撑力量。

打造氢能安全科研创新平台

与甲烷、汽油等传统能源相比，氢能安全风险主要体现在两个方面：一是因氢气本身的属性所引发的安全风险。氢分子小且无色无味，容易发生泄漏且难以察觉，同时最小点火能低、燃烧/爆炸浓度范围宽，泄漏积聚后易引发燃爆风险。二是氢致材料及部件损伤问题。高压临氢设施长期服役于高压、高纯氢环境中，易产生金属材料氢脆、非金属材料溶胀开裂及部件疲劳失效等现象，特别是我国当前缺乏针对关键零部件质量可靠性的测试平台及方法标准，难以实现全生命周期的风险管控。

针对上述安全风险，基于保护层安全防护理念，氢能安全实验室提出“不泄漏、早发现、不积聚、防燃爆”的氢能安全四原则，布局“氢能安全风险评估技术”“临氢材料及装备安全”“氢能安全防护技术”“氢能安全标准体系构建”4个研究方向，在应急管理部及集团公司的大力支持下，持续推动氢能安全研究平台建设。

针对高压氢用金属/非金属材料氢损伤机理研究不足、国内零部件安全测试平台缺乏的问题，自主设计建成0~140兆帕、-50~150摄氏度高压临氢材料与零部件测试平台，有力支撑材料及部件高压氢损伤机理及国产化研究；针对高压氢泄漏泄放自燃机理不明、氢气云爆炸后果实测数据缺失等问题，建立高压氢泄漏-扩散-自燃-喷射火-云爆炸全过程实验装备，形成从微观到宏观真实尺度高压氢泄漏喷射及燃爆实验能力，支撑高压氢泄漏泄放自燃机理及燃爆毁伤后果等基础研究；针对氢敏功能材料可控制备及微纳结构表征技术开发需求，搭建先进的氢敏功能材料分析测试平台，实现对氢敏纳米材料微观结构、颗粒聚集状态、表面形貌等高分辨率、高精度分析测试，指导高性能氢敏功能材料开发；针对管道内氢气燃爆发展机理及阻火测试的研究需求，建设国内最大DN1000氢气爆燃/爆轰测试实验及研发平台，支撑大尺度氢气爆燃、爆轰机理研究及防控技术开发。

依托高压氢安全实验平台，实验室牵头承担国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”重点专项“氢能工厂和车辆应用过程中氢气释放扩散研究及安全标准规范构建”，聚焦氢能产业安全发展重大科技需求，开展制氢工厂、加氢站等典型场景下氢气泄漏扩散行为特征与事故链演化规律研究，旨在明确氢气释放扩散的安全限值与防护要求，开发新型系统化防护技术并指导相关安全标准制修订。

在应急管理部及集团公司指导下，实验室依托安工院组织召开氢能安全学术交流研讨会，来自行业内15家国内外知名高校、氢能安全研究机构及氢能产业链企业的70余位专家学者受邀参加会议。会议聚焦“双碳”背景下氢能产业高质量发展面临的安全挑战与难题，深入探讨氢能安全领域“卡脖子”关键科学问题和技术难点，共享前沿技术和创新成果，为氢能产业高质量发展积极建言献策。

依托氢能安全重点实验室等创新平台，安工院建立“氢能安全研究机构协同支撑工作机制”，积极组织氢能安全科研机构、企事业单位、社会组织等开展交流协作，构建开放合作的创新生态，形成产学研用一体化创新平台，更好地推进氢能安全前沿基础理论研究，推动先进氢能安全防护及应急技术研发应用，重点聚焦氢能安全风险评估技术、临氢材料及装备安全技术、氢能安全防护技术及氢能安全标准体系构建。

开展氢能安全风险评估技术研究

为研究真实场景下的氢气燃爆行为，围绕氢能安全风险评估，实验室在国内率先开展了针对加氢站加注单元、压缩单元等真实尺度氢气燃爆实验，揭示了氢气燃爆火焰和超压的时空演变规律，阐明火焰失稳传播导致超压增强的作用机制，为高压临氢装置的安全布局及抗爆设计提供依据；针对高压临氢场景不同压力等级泄放装置自燃规律不明的问题，首次开展140兆帕高压氢气泄放自燃实验，研究经爆破片、安全阀泄放后，高压氢气的激波、自燃及喷射火自持行为，为高压氢气泄放安全设计提供理论指导和数据支撑；为探明高压氢气喷射进入不同约束环境后的自燃行为，开展氢气泄漏压力高至30兆帕及多种不同约束条件下的高压氢气泄漏自燃实验，为高压氢泄漏风险管控及临氢设备设施安全布局提供指导；聚焦我国氢能全产业链安全监管，制定氢能设施多源数据融合及传输标准规范，研发氢能风险感知、量化评估及分级预警技术，创建全国氢能安全风险监测预警与分级管控技术平台，建立氢能安全大数据中心，支撑构建应急管理部-省-市-县-企业氢能安全监管分级体系。

开展临氢材料及装备安全研究

聚焦临氢材料与装备安全，针对氢气管道氢脆失效问题，开展典型管材及焊接接头氢脆敏感性及失效机理研究，明确氢气管道焊接接头应力分布及氢扩散、氢富集规律，提出控制局部氢富集方案，开发输氢管道氢脆防控技术；针对高压储氢容器在线监测技术不完善的问题，揭示氢-疲劳耦合作用下材料损伤演化规律并开发剩余寿命评估技术，开展储氢容器早期损伤声学监测，建立健康监测预警系统并完成现场应用，助力高压储氢容器安全长周期运行；针对加氢站常用氢气阀门、加氢软管和卸氢软管等高压临氢零部件质量可靠性问题，利用测试平台参照相关标准开展真实服役工况的测试验证，包括耐压性、静水压强度、氢气气密性及氢循环耐久性，获取零部件/设备关键失效数据，建立高压临氢零部件/设备全生命周期可靠性数据库和安全指标体系，为加氢站高可靠性设备选型、本质安全化研发提供有力支撑。

开展氢能安全防护技术研究及标准体系构建

针对氢能安全防护技术，为解决临氢设施泄漏位点多、现有技术探测覆盖率低、无法快速定位的问题，实验室研发室温低功耗、高灵敏度电学氢敏传感材料与室温快速响应、高对比度光学氢敏变色材料，通过器件集成与柔性成型，形成光-电协同氢气泄漏检测技术，室温下1秒快速响应，检测覆盖率>95%，已在20余处临氢场景现场示范应用；针对现有波纹板式氢气阻火器阻火性能差、压降大、阻火单元易堵塞等问题，开发基于爆轰诱导消减技术的颗粒型氢气爆轰阻火器，阻火等级IIC，阻火速度＞2000米/秒；针对氢气燃爆反应速度快、升压快的风险及现有气相燃爆防护材料与结构重量大、施工难、周期长等特点，开发多元复合轻质化抗爆材料，建立多元载荷工程化防护设计模型和折叠型快速装配抗爆工程结构，为氢能发展提供安全保障和技术支持。

围绕氢能安全标准体系，向应急管理部、国务院国资委等部门提交氢能产业安全咨询报告，为我国《氢能产业发展中长期规划》《氢能产业标准体系建设指南（2023版）》《中国氢能发展技术路线图》编制提供支撑，为产业顶层设计发挥重要作用；参与编制氢能相关国家、行业标准等14项；针对泄漏燃爆防护、氢能设备安全等开展标准研究，完成5项氢能安全国家标准草案编制并通过标委会审查，推动成立氢能安全标准化分技术委员会。

聚焦产业强根基，瞄准前沿开新篇

近年来，我国氢能产业步入快速发展期，除了制氢工厂、供氢母站、加氢站等氢能场景，大规模绿电制氢、加氢站/供氢母站站内制氢（甲醇、氨等）、掺氢天然气管道输送、液氢储运等多种新型场景不断涌现。对这些新业态的积极探索及示范应用，一方面加速了我国氢能产业技术迭代和产业升级，另一方面也带来诸多新的挑战，如安全风险辨识不清、安全防护技术较为缺乏、安全标准体系不够健全等问题，亟待开展系统的氢能安全基础研究和安全防护技术研发。

针对氢能产业发展过程中面临的新的安全风险，实验室将持续开展科研装备平台建设，围绕氢能新场景下的安全风险识别、临氢设备可靠性运行、氢能安全防护技术装备等开展科研攻关，特别是深入强化氢能安全前瞻性基础研究及应急实战技术开发，明晰不同应用场景下氢泄漏扩散燃爆致灾机理，形成氢气早期泄漏检测定位、氢气燃爆抑制等应急处置技术装备，推进氢能产业科技进步及应急管理体系完善，服务我国氢能产业安全发展。

为推动构建我国氢能安全研究生态圈，依托氢能安全研究机构协同支撑工作机制，通过召开氢能安全学术交流研讨会等方式，实验室研究提出氢能安全国家级项目指南，集聚国内优势力量开展集中攻关，提升对氢能产业的安全认知及风险防控水平；强化与国际领先氢能安全研究机构合作创建氢能安全创新平台，开展技术交流与氢能安全国际合作，共同推进全球氢能产业安全高质量发展；积极开展氢能安全标准制修订、国内外氢能安全监管制度跟踪、涉氢事故总结分析等工作，全力支撑应急管理部氢能产业安全监管及我国氢能产业链安全发展。

产业链创新链深度融合 推动氢能产业健康发展

嘉宾：中国石化发展计划部 氢能项目室经理 李家强

问：在推动氢能产业高质量发展方面，中国石化有哪些布局和规划？

答：中国石化将氢能作为新能源业务发展的核心，以打造“中国第一氢能公司”为目标，积极布局燃料电池氢供应中心，同时加快绿氢炼化示范工程布局和建设。虽然通过示范实践证明了氢能利用安全性整体可控，但目前仍面临许多挑战，如氢能应用场景有待丰富，装备技术自主化、国产化水平有待提高，风光制氢项目绿电并网及利用政策有待突破，绿氢碳足迹管理体系有待完善，绿氢绿色价值属性有待转化，绿氢成本竞争力有待提高等问题需进一步解决。下一步，中国石化将按照“加氢引领、绿氢示范、双轮驱动、助力减碳”的思路，聚焦氢能交通、绿氢炼化两大领域，大力发展氢能一体化业务，推动我国氢能产业高质量发展。

嘉宾：德国卡尔斯鲁厄理工学院 教授 肖建军

问：当前欧洲氢能有哪些战略布局？中德两国在氢能安全领域开展了哪些合作？

答：氢安全对于全球氢能产业健康有序发展至关重要。近年来，欧盟高度重视氢能发展，出台了《欧盟氢能战略》，将绿氢视为交通、运输、化工、冶炼等行业低碳转型的终极方案，提出构建欧洲可再生氢能生态系统的战略目标，相关国家基于欧盟清洁氢能伙伴关系平台在氢安全研究领域积极开展合作研究。国际交流合作对提高氢安全整体研究水平具有积极推动作用，中德两国的合作提供了很好的范例，德国卡尔斯鲁厄理工学院与中国石化安全工程研究院合作申报了政府间科技创新合作项目，开展制氢工厂、加氢站等典型场景下氢气泄漏扩散行为特征与事故链演化规律研究，旨在明确氢气释放扩散的安全限值与防护要求，开发新型系统化防护技术并指导相关安全标准的制修订。

嘉宾：南京工业大学 教授 潘旭海

问：在高压储氢泄漏事故演化规律等方面有哪些研究进展？

答：为防范高压储氢装备事故风险，需要开展氢泄漏、燃爆、喷射火等相关事故演化规律、预防技术及应急处置技术等方面的研究。随着氢能产业规模快速扩大，临氢设备设施基数增加将导致事故发生概率增大，制氢、储能设备等大型项目设备组合后的多米诺效应值得警惕。我们针对高压氢气自燃机理、临界条件及氢气泄漏、传播及火焰发展和爆炸等过程开展了实验研究，并基于氢能燃爆事故动力学模型，模拟了燃烧形成后的爆炸超压发展规律，揭示火焰前沿与射流前沿相对运动规律及其与爆炸超压峰值的关联性。根据相关研究结果，开发能够防止自燃演变成喷射式火灾和爆炸的安全装置，以减少事故造成的损失，这为高压储氢系统的事故风险评估提供了理论依据。