氢安全相关燃烧科学的最新进展：全面解析与洞察

Review of hydrogen safety during storage, transmission, andapplications processes本文章主要氢能在储存、传输及应用过程中的安全性综述，今天我们一起阅读一下，我给总结并补充并且加了相关产品的照片，便于我们理解，强烈建议阅读原文，文章写的很全面。氢气是一种可以持续使用的，能减少温室气体排放的好东西，它能量大还不排放污染物。氢气可以通过加热化学反应或者用电化学方法来制造，比如用水来电解，或者用化石燃料来重整。氢气在工业和燃料方面用得挺多的，而且它有好几种储存和运输的方法。但是，氢气能烧起来，这让人有点担心，以前也出过氢气事故。氢气的安全问题跟材料和操作都有关系，主要的风险就是氢气泄漏和点火，这可能会对人、环境和财产造成伤害。要让氢气作为清洁能源安全可靠地使用，了解它的安全问题特别重要。这篇文章把氢气在不同领域的应用和安全问题都梳理了一遍，还特别看了看CFD模型在预测氢气事故方面的应用，这样能提供更靠谱的数据来评估风险。一、关于氢内燃机图1 氢内燃机一、技术优势与产业价值氢内燃机凭借其独特的技术特性，正成为全球能源转型中的重要力量。其核心优势体现在以下几个方面：高效清洁的燃烧特性燃料适应性与成本优势可兼容纯氢、工业副产氢（纯度 90%-97%）及混合燃料（如甲醇重整氢），有效降低对高纯度氢的依赖，同时依托现有内燃机产业链，制造成本较燃料电池低 30%-50%。 快速补能与长续航能力加氢时间仅需 3-5 分钟，续航里程可达千公里级，尤其适合重载运输、工程机械等场景，解决了电动车续航焦虑问题。 二、应用场景与产业进展氢内燃机在商用车和工程机械领域展现出巨大潜力：商用车领域一汽解放、中国重汽、玉柴等企业已推出重型氢内燃机卡车，覆盖牵引、自卸、公交等场景，部分车型已实现量产并投入市场运营。例如，解放蓝途 “星熠” 牵引车成为国内首款可商业化运营的氢内燃机整车。 工程机械领域：英国 JCB 公司研发的氢内燃机已通过欧洲 11 国认证，成功应用于挖掘装载机、发电机组等设备，标志着氢能在工程机械领域的重大突破。 分布式能源：氢成绿动等企业开发的氢内燃机发电机组，可将工业副产氢转化为电力，单台年减排 CO₂超 1362 吨，为化工园区、数据中心等提供低碳能源解决方案。 三、挑战与对策储氢技术瓶颈：液态储氢成本高（液化能耗占氢能成本的 30%），高压气态储氢存在安全风险，金属氢化物储氢则面临材料衰减问题。需加速研发低成本、高安全性的储氢材料及技术。 基础设施不足：全球加氢站数量不足（中国仅千余座），且分布不均，制约氢内燃机推广。需推动 “车 - 站 - 氢” 联动模式，共享燃料电池加氢网络，降低建站成本。 政策支持与标准缺失目前氢内燃机尚未被明确纳入零排放政策体系，缺乏路权、补贴及排放认证支持。需加强政策引导，完善法规标准，推动技术创新与产业化。 关于氢气与天然气混合氢气与天然气混合已用于多种应用，包括车辆、燃气轮机和微型燃气轮机。这种混合提升了燃烧效率和速度，减少了排放，并改善了氢的储存策略。例如，向甲烷中添加5%氢可使储存能量密度提高11%。 （掺氢燃气的可燃范围宽、燃烧速度快、点火延迟时间短等特点对燃烧有明显促进作用。 在排放特性方面，可通过掺氢降低CO及CO2排放，然而掺氢带来的火焰温度升高与产生更多的OH自由基、H自由基这两方面会分别对氮氧化物的生成起促进与抑制作用，因此掺氢对NOx的影响并不确定。 此外，掺氢还可能导致燃烧器回火甚至燃具爆炸等安全问题。来源：掺氢天然气燃烧特性与应用）图2 中科院工热所：燃气轮机含氢燃料微混燃烧技术研究氢燃料船用发动机、 在LNG和氢气的混合燃料中，氢气体积比例可达30%，有助于减少NOx排放。氢气作为无硫燃料，还能降低SOx和PM排放，并且其净热值是柴油的三倍。氢燃料内燃机的安全措施与氢燃料电池汽车相似，重点在于车载氢气储存。测试氢燃料内燃机时，安全措施至关重要。在封闭或半封闭环境中运行时，需注意氢气积聚风险。测试用氢气通常低温液态或压缩储存，因此氢气通常存于室外或专用燃料棚，并通过管道输送至测试台，这增加了氢气瓶和管道接头泄漏的风险。 氢燃料电池 - 车辆氢与氧在燃料电池中发生电化学反应，生成水、热和电能。与燃烧发电相比，燃料电池系统效率更高、排放更低，且运行无振动和噪音. 氢燃料电池 - 船舶与机车PEMFC 由电极、双极板、气体扩散层和质子膜组成（Wan 等，2014），工作温度约 80°C，电堆功率 1-100 kW。其因低排放、高效率、高功率密度和低温运行能力而广泛应用，但存在材料耐久性、酸浸蚀、腐蚀和催化剂成本高等挑战（Pei 等，2013；Qin 等，2016）。AFC 使用碱性水溶液作为电解质，无需昂贵的质子膜，具备低成本大规模生产潜力，但面临电极降解和制备困难等问题，且因使用石棉存在健康风险（Gülzow，1996）。SOFC 和 MCFC 分别采用固体和液态电解质，适合固定式发电，但高温运行导致启动时间较长（Zhang 等，2015）。DMFC 直接将甲醇转化为电能，无需重整器，具有加注方便、寿命长、体积小、重量轻等优点。PAFC 使用浓磷酸作为电解质，因成本高、效率低于其他类型，发展受限。不同类型车辆对加氢基础设施的需求不同。常见的加氢压力为 350 bar 和 700 bar。轻型车辆通常使用碳纤维缠绕容器在 700 bar 下储存 4-6 kg 气态氢，而卡车、叉车等燃料电池车多采用 350 bar 储存。燃料电池车成本高于传统车辆。 1.质子交换膜燃料电池（PEMFC） 2.碱性燃料电池（AFC） 3.固体氧化物燃料电池（SOFC） 4.熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 5.直接甲醇燃料电池（DMFC） 6.磷酸燃料电池（PAFC） 氢燃料电池 - 船舶与机车 与基于燃烧的能量转换系统和其他储能技术相比，燃料电池具有更高的总效率和体积能量密度。多项研究探讨了燃料电池在船舶中的应用（de-Troya 等，2016；Ahn 等，2018；Tronstad 等，2017；Bassam 等，2017），表明低温和高温 PEMFC 及 SOFC 最具潜力。尽管取得进展，船舶燃料电池技术仍处于试验和早期设计阶段。与传统柴油发电机相比，燃料电池体积能量密度较低，需更大空间。预计使用液氢的低温燃料电池可提供高密度动力解决方案，但加氢基础设施不足限制了其直接应用。已有氢燃料电池机车案例。Vehicle Projects LLC 和 FuelCell Propulsion Institute 研究表明，氢燃料电池机车净功率约为电池机车的 2 倍（Dincer，2002）。东日本铁路公司测试了混合动力柴油发电机与氢燃料电池驱动的客运列车，功率 65 kW。 压缩氢 液氢（LH₂） 液氢为无色、无腐蚀性液体，储存密度 0.07 kg/L，高于压缩氢的 0.03 kg/L（Niaz 等，2015）。氢液化需在 - 253°C 以下进行，低温储存的最大挑战是维持极低温度。液化过程能耗高（约 40% 能量损失），而压缩储存能量损失约 10%（Barthelemy 等，2017）。此外，液氢存在蒸发损失（大型储罐 0.2%/ 天，小型容器 2-3%/ 天），需持续消耗以避免压力过高导致排放。低温下材料脆性增加，容器失效风险上升。液氢储存适用于中大规模供应，如洲际运输和卡车配送。液氢槽车可运输 5000 kg 氢，约为压缩氢管束拖车的 5 倍。低温压缩氢储存 Aceves 等（2010）首次提出低温压缩氢储存技术，将氢在 - 233°C 下压缩为超临界流体，无需液化。该方法因真空封装安全性高，且储存密度大、加注快，但基础设施成本高，技术仍处于开发阶段（Moradi 和 Groth，2019）类别核心要点核心优势1. 高能量密度（体积能量密度为气态氢的 800 倍）2. 清洁零排放（仅生成水）3. 高效储运（液态便于大规模运输）4. 特殊领域刚需（航天、重卡、工业） 主要挑战1. 生产能耗高（液化耗能占氢能 30%-40%）2. 储运成本高且安全风险大（超低温设备、易泄漏）3. 基础设施不足（加氢站、管道缺乏）4. 技术瓶颈（氢脆、液化效率低） 未来潜力与趋势1. 绿氢协同发展（可再生能源制氢闭环）2. 技术突破方向（新型材料、智能化安全技术）3. 政策驱动（各国氢能战略推动产业链发展） 氢的传输 氢可通过液态、气态和金属氢化物形式，经海洋、公路和管道传输。低压氢（金属氢化物储存）仅适合短途小量运输，而大量液氢通过管道输送。管道长度 1 km 至数百公里，运行压力 10-30 bar。利用现有天然气管道输送氢具有地理覆盖广、互联性强、容量大、维护体系成熟、安全程序完善等优点，但需对管道进行改造以适应纯氢输送（Cerniauskas 等，2020）。天然气供应链包含多级传输和处理环节。高压下氢与管材的相互作用（尤其是压力循环）尚未完全明确，材料耐久性受高压和压力循环影响显著。传输管道多为钢和聚乙烯材质，需开发新型涂层防止钢管道氢脆（Reddi 等，2016）。终端用户系统也需适应更高氢混合比例：家庭用户可安全使用氢浓度≤28% 的混合燃料，而工业燃烧用户需进行个案评估。 氢能安全问题 氢的燃烧特性（如宽可燃极限、低最小点火能、高燃烧速度）使其成为优质燃料，但也带来安全挑战（Molnarne 和 Schroeder，2019；Royle 和 Willoughby，2011）。表 3 列出氢的关键物理性质：沸点极低、密度小、点火温度 585°C（Najjar，2013），扩散系数高，最小点火能 0.017 MJ，燃烧潜热 141.6 MJ/kg（Huang 等，2015）。氢 - 空气混合物在 4%-75% 体积浓度范围内可燃，20%-59% 浓度可爆（Ball 和 Weeda，2015）。此外，氢对多种材料渗透性强。由于氢无色、无味、无臭，人类无法感知，因此精确检测技术对泄漏事故至关重要（Dutta，2014）。氢脆（HE） 氢脆是金属暴露于氢环境后机械性能下降、发生失效和泄漏的现象，尤其对氢储存和传输管道构成威胁。当材料承受足够应力（包括服役应力和制造残余应力）时，氢脆可能引发裂纹。氢脆与金属纯度、表面状态、氢暴露时间、环境压力和温度相关。氢纯度越高，钢的脆化敏感性越强。Barthélemy（2007）研究发现，AISI 321 钢在氢分压 20-100 bar 时脆化最严重。X100、X65 和 X52 钢在高压氢环境下的行为表明，合金强度和氢压力越高，脆化越严重；屈服强度较低时，裂纹和缺口根部的应力集中减小。氢脆的时间依赖性在测试中需特别注意，例如 ASTM F1624 标准要求测试持续 30 小时或更短（Murakami 等，2010）。 一、氢脆问题的核心机制氢脆（Hydrogen Embrittlement）是氢气分子渗透进入金属材料晶格后，导致材料韧性下降、易开裂的现象。主要诱因包括：氢扩散：氢原子在应力作用下向缺陷处聚集，形成高压气泡。 应力集中：材料内部或表面存在尖锐缺口、焊接残余应力等。 二、解决方案与技术路径技术方向具体措施材料优化1. 选用抗氢材料- 奥氏体不锈钢（如 316L）、镍基合金（如 Inconel 718）、钛合金（如 Ti-6Al-4V）- 新型材料：纳米晶合金、表面合金化材料（如 Cr、Ni 镀层）2. 降低材料氢溶解度- 通过合金化（如添加 Ti、Zr）形成稳定氢化物，减少游离氢含量 设计与工艺改进1. 避免应力集中- 优化结构设计（如避免尖角、采用圆弧过渡）- 焊接工艺优化（减少残余应力，如使用激光焊接）2. 表面处理技术- 涂覆防护层（如陶瓷涂层、石墨烯膜）- 表面氮化 / 渗碳（提高表面硬度，抑制氢扩散） 氢管理与监测1. 脱氢处理- 热处理（如在 150-200℃下烘烤 24 小时）去除材料内部氢2. 氢浓度控制- 降低环境湿度（减少腐蚀产氢）- 采用干燥气体（如氮气）吹扫系统3. 实时监测技术- 氢传感器（如钯基电阻传感器）监测设备内部氢浓度- 无损检测（如超声波探伤、X 射线衍射）检测微裂纹 操作条件优化1. 温度与压力控制- 避免在材料氢脆敏感温度区间（如 - 100℃至室温）运行- 降低系统压力波动，减少动态应力2. 介质净化- 去除氢气中的杂质（如 H₂S、H₂O），防止腐蚀产氢 氢渗透 氢分子因尺寸小，可能渗透材料或导致材料脆化。在压缩气态氢储存系统中，渗透定义为氢通过储罐壁、接口材料或管道的泄漏速率。这是标准化和监管活动中的重要安全问题。渗透速率随材料老化、温度和储存压力升高而增加。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 型容器渗透率较低，氢损失可忽略不计；而 Ⅳ 型容器（聚合物内衬）渗透率较高（Friedrich 等，2004）。汽车应用中，通过研究氢释放行为计算渗透速率上限，需考虑安全等级、环境场景、车辆场景和氢扩散行为。新型容器的碳纤维护层可显著降低渗透率，而老化容器因树脂 / 碳纤维基体微裂纹增加，渗透率上升。表 7 列出部分标准和法规中的允许氢渗透率（Adams 等，2011）。 氢渗透的解决方案技术方向具体措施材料选择1. 低氢扩散系数材料- 奥氏体不锈钢（如 316L、304L）- 镍基合金（如 Inconel 625）、钛合金（如 Ti-6Al-4V）2. 氢陷阱材料- 添加稀土元素（La、Ce）或活性金属（Ti、Zr）形成氢化物，固定氢原子 表面防护技术1. 涂层阻隔- 陶瓷涂层（如 Al₂O₃、Cr₂O₃）- 碳基涂层（如石墨烯、类金刚石碳膜）- 金属镀层（如 Ni-P、Cr）2. 表面改性- 渗氮（提高表面硬度，抑制氢扩散）- 激光熔覆（形成致密防护层） 结构与工艺优化1. 降低表面缺陷- 抛光处理减少表面微裂纹- 避免焊接应力集中（如采用摩擦搅拌焊）2. 密封设计- 使用氟橡胶、金属波纹管等耐氢密封材料- 多层复合结构（如金属 - 聚合物 - 金属）增强阻隔性 环境控制1. 干燥处理- 降低氢气湿度（露点≤-40℃）- 使用分子筛、硅胶等干燥剂2. 杂质去除- 脱除 H₂S、HCl 等腐蚀性气体（防止腐蚀产氢） 动态监测与修复1. 在线监测- 电化学氢渗透测试（如 Devanathan-Stachurski 法）- 光纤传感器实时检测涂层完整性2. 原位修复- 通过热处理（150-200℃）释放材料内部氢- 注入抑制剂（如苯并三氮唑）阻断氢扩散路径 低温下材料性能变化 低温下材料行为需关注延性 - 脆性转变、异常塑性变形模式及晶体结构相变对弹性和机械性能的影响。液氢设备材料需承受低温，因此选择材料时需考虑这些性能变化。低温下的关键热特性包括低温热收缩和低温脆化。许多材料在低温下发生延性 - 脆性转变，可能导致储罐或管道失效引发事故（Rigas 和 Amyotte，2012）。1994 年美国俄亥俄州某 LNG 储罐因低温脆化破裂，导致 200-400 人受伤、128 人死亡及巨大财产损失。大多数金属从室温到氢液化温度的收缩率 < 1%，而常见结构塑料收缩率为 1%-2.5%（Guy，2000）。 压力容器内衬起泡 Ⅳ 型压力容器由碳纤维复合材料缠绕、聚合物内衬和封头组成。高压下氢溶解于塑料内衬，若泄压速率超过氢扩散逸出速率，内衬可能起泡（Moradi 和 Groth，2019）。Yersak 等（2017）开发了预测 Ⅳ 型氢储罐内衬起泡的模型，通过参数化研究揭示了起泡与泄压速率和内衬厚度的关系，可减少实验次数并降低开发成本。Pépin 等（2018）搭建实验台模拟内衬起泡，发现内衬失效发生在未有效粘结的内衬 / 复合材料界面，起泡高度在泄压后 7 天从 1.54 mm 降至 0.51 mm。高压氢容器配备热激活泄压装置（TPRD），在温度升高时释放氢气以避免爆炸（Ng 和 Lee，2008；Li 等，2019）。TPRD 开启直径对氢释放安全性和火焰长度有显著影响（Ruban 等，2012）。尽管 TPRD 是车载高压氢容器的必要安全装置，但其释放氢可能引发火灾风险。Li 和 Sun（2020）提出可旋转 TPRD 设计，通过调整氢释放方向降低火灾风险。Yamazaki 和 Tamura（2017）开发了一种基于氢浓度测量的 TPRD 激活验证方法，使用催化燃烧式氢密度计可连续监测 Ⅳ 型容器氢浓度≥3000 ppm 达 24 小时，Ⅲ 型容器可达 1 个月。 4.1.5 碳纤维损伤 复合材料压力容器结构复杂，性能受多因素影响。设计安全可靠的容器需深入理解基体开裂、分层、纤维断裂、封头几何对爆破压力的影响及抗冲击机制。Wu 等（2017）通过实验和数值模拟分析了碳纤维损伤机制。Demir 等（2015）研究发现，玻璃纤维增强容器经单次和重复冲击后，爆破压力下降 47%。由于复合材料性能受纤维密度、铺层顺序等影响显著，概率方法可用于预测纤维失效（Ramirez 等，2015）。 4.1.6 储存容器耐火性 聚合物和树脂比金属更易受高温影响，最高工作温度是其应用的安全限制。因此，评估复合材料在火灾中的行为及防火机制对车载应用至关重要。Ruban 等（2012）对全复合材料容器进行耐火测试，发现泄漏或爆破前压力仅上升 12.7%，但爆破延迟 6-12 分钟，无法满足安全要求。Saldi 和 Wen（2017）结合 CFD 和有限元法（FEM）模拟 Ⅳ 型容器在火灾中的响应，准确预测了爆破延迟。Zheng 等（2012b）使用三维 CFD 模型评估 700 bar 氢复合材料容器在局部火灾中的传热特性，发现暴露 600 秒内压力和温度上升缓慢，火焰冲击区域远离泄压装置时，容器内氢的对流传热强于壁面导热。此外，Ⅲ 型容器传热速度快于 Ⅳ 型。Zheng 等（2013）通过实验和数值模拟研究 Ⅲ 型容器在局部火灾中的行为，发现随着暴露时间增加，泄压装置激活时间延长。 4.2 氢操作相关安全问题 液氢和压缩氢储罐在运行中可能发生 “containment loss”（LOC），即物料从主容器意外释放，包括泄漏和溢出。表 8 总结了气态和液态氢 LOC 后的潜在事故场景（Delvosalle 等，2006）。 类型 后果 压缩氢储存 火球、超压、抛射物、喷射火、闪火、蒸气云爆炸（VCE）、点燃的气体团、气体扩散、点燃的气体射流、火灾 液氢（LH₂） 火球、超压、抛射物、喷射火、闪火、蒸气云爆炸（VCE）、点燃的气体团、气体扩散、点燃的气体射流、火灾、点燃的气溶胶团、气溶胶团、两相射流、液池扩散、点燃的液池、液池形成 4.2.1 气态氢泄漏 氢分子小，易通过管道或储罐泄漏。泄漏可能由管道损坏、接头松动或阀门故障引起，小裂纹或变形会导致氢快速喷出，与空气混合形成 4.0%-75%（体积）的可燃混合气，18%-59% 浓度可爆。泄漏后即时点火引发喷射火，延迟点火导致爆炸（Ehrhart，2018），对人类、环境、建筑和财产造成直接或间接影响（Cashdollar 等，2000）。即使未着火，氢泄漏在封闭空间也可能导致窒息，因氢置换氧气使氧浓度降至 19.5% 以下。Giannissi 等（2020）使用 CFD 模拟封闭设施内氢扩散，发现低雷诺数释放下仍会形成湍流，LES 和 RANS 模型能准确预测气体分布，层流模型高估了释放阶段的分层现象。Hussein 等（2020）研究 700 bar 车载氢在自然通风停车场的泄漏扩散，发现 TPRD 释放角度和直径影响可燃云形成及人员疏散，0.5 mm 直径 TPRD 在 700 bar 储存下更安全。氢气泄漏检测技术技术类型原理与应用电化学传感器1. 原理：通过电极反应检测氢浓度（如燃料电池型、金属氧化物半导体型）2. 特点：响应快（<10 秒）、精度高（0-1000ppm），适用于室内或封闭空间3. 代表产品：Alphasense H2-AF、Figaro TGS826 红外光谱检测1. 原理：利用氢气对特定波长（如 2.4μm）的红外光吸收特性2. 特点：非接触式、可远程检测（距离 > 50 米），适合大面积泄漏监测3. 代表产品：FLIR GF320、Optris PI 640 激光吸收光谱1. 原理：通过激光束在空气中的衰减量计算氢浓度2. 特点：高灵敏度（ppm 级）、实时在线监测，适用于管道或储氢罐3. 代表产品：Picarro G2201、Lumasense H2-LDS 超声波检测1. 原理：泄漏气体产生的超声波信号（20-100kHz）被传感器捕获2. 特点：可定位泄漏点，受环境干扰小，适合工业现场3. 代表产品：UE Systems Ultraprobe 15,000 光纤传感技术1. 原理：氢敏感材料（如钯合金）与光纤结合，通过光信号变化检测氢浓度2. 特点：抗电磁干扰、可分布式监测（长距离管道）3. 代表产品：Fibercore H2Sense 4.2.2 氢喷射火 氢泄漏后即时点火形成喷射火，即高速湍流火焰。加压容器内氢与环境压力差导致释放氢动量高，迅速与湍流空气混合。点火源可能是电火花、快速关闭阀门或静电。氢燃料电池车储氢罐压力 350-700 bar（Folkson，2014），远高于 LPG 罐的 2.5-21 bar（Martyr 和 Plint，2012），因此事故风险更高。氢火焰清洁无烟，肉眼难以察觉，燃烧速度和热释放率高，火势蔓延快。美国国家消防协会（NFPA）将氢的可燃性评级定为 4 级（最高级）。 Brennan 等（2009）使用层流火焰面模型和 LES 方法模拟高压氢喷射火，与大规模垂直喷射火实验（Schefer 等，2007）对比发现，喷嘴出口湍流强度 0-20% 时对火焰长宽影响有限，超过 20% 时火焰长度缩短、宽度增加。网格细化后，湍流强度 25%、长度尺度 7% 等效直径的模拟结果与实验最吻合。Jang 等（2015）利用 Kameleon FireEx（KFX）代码模拟化工厂管道架高压氢喷射火的辐射热、温度和热流分布，分析热损伤后果。Gu 等（2020）研究隧道内氢喷射火，发现纵向通风可有效降低整体温度，但高温层会降至安全高度以下，需足够横向和纵向通风控制 hazard。 4.2.3 延迟点火与爆炸 泄漏后延迟点火可能引发爆炸，氢与空气充分混合形成闪火或蒸气云爆炸（VCE）。延迟点火概率与释放条件密切相关（Zhang 等，2020）。Li 等（2012）研究液氢连续和瞬间释放的危害，发现 VCE 破坏力最大，可作为确定液氢容器安全距离的依据。Daubech 等（2015）在 12 mm 喷嘴、36 bar 压力下，发现氢浓度 30% 时在射流中心线下游点火，爆炸超压在 2.5 m 处达 0.08 bar。Vyazmina 等（2016）通过数值模拟确定高压氢射流的最坏点火位置，提出预测延迟点火爆炸强度的新方法。 4.2.4 热辐射与热危害 设备和建筑暴露于热辐射和火焰可能受损。表 9 列出不同热辐射强度的影响。氢本身热辐射对设备影响有限，但其火灾热辐射可能极具破坏性。氢泄漏引发的喷射火热辐射可能导致人员伤亡和财产损失（Dagdougui 等，2010）。氢储存容器暴露于高热辐射可能引发机械爆炸，常见点火源包括邻近火灾或静电火花。这种多米诺效应可能导致容器爆炸，内容物以火球或喷射火形式燃烧（Dincer，2002；Schulte 等，2004）。液氢容器运行压力低（<20 bar），器壁设计压力较低，火灾中金属受热强度下降。与液态相比，蒸气比热容低，容器蒸气区壁温因受热升高更快，导致金属弱化（Kumar，1994）。液氢容器过热可能导致液体过热，超过过热极限温度后，液体内部随机分子密度波动形成气泡，引发爆炸，容器碎片可飞射百米，内容物形成火球燃烧（Rigas 和 Sklavounos，2005）。 热辐射强度（kW/m²） 损伤类型 4 玻璃破裂（暴露 30 分钟） 12.5-15 木材引燃、塑料熔化（暴露 > 30 分钟） 18-20 电缆绝缘层降解（暴露 > 30 分钟） 10 或 20 燃油引燃（分别需 120 秒或 40 秒） 25-32 木材自燃、钢结构变形（暴露 > 30 分钟） 35-37.5 工艺设备和建筑损坏（包括储罐）（暴露 > 30 分钟） 100 钢结构倒塌（暴露 > 30 分钟） 温度变化 压缩气体充装需快速完成以缩短加注时间，但压缩功会导致气体温度升高。反之，气体排放是冷却过程。温度变化显著影响碳纤维和环氧树脂性能：低温下环氧树脂断裂韧性骤降，高温下复合材料层间剪切强度严重下降，同时容器复合材料层和铝内衬产生热应力（Pei 等，2013）。高温可能危及储存系统结构完整性（Melideo 等，2014），长期温度波动影响容器寿命（Moradi 和 Groth，2019）。温度变化源于三个热力学现象：（1）高压罐内氢动能转化为内能；（2）氢通过加注装置节流升温；（3）充装过程中高压氢持续压缩。尽管部分热量向环境散失，仍有部分储存在容器材料中（Kuroki 等，2018b）。 已有研究表明，储罐类型和充装条件影响温度升高。Ⅲ 型容器充装时温度低于 Ⅳ 型（Hirotani 等，2007），加注口直径越小，罐内温度分布越均匀且峰值温度越低（Terada 等，2008）。容器长径比减小也可降低温度上升（Li 等，2012）。充装起始压力越高，罐内气体最高温度越低（Kim 等，2010；Zhao 等，2010；Liu 等，2010）。降低充装流量（Zhao 等，2010；Liu 等，2010；Cebolla 等，2014）、环境温度（Pei 等，2013；Melideo 等，2014；Zhao 等，2010；Liu 等，2010；Cebolla 等，2014）和进气温度（Melideo 等，2014）可降低气体最高温度。但氢容器在车载使用（充装、保压）中的罐体与内部气体热交换机制仍存在不确定性，现有法规和标准尚未明确车载容器温度测点位置。 液氢（LH₂）泄漏 液氢（-251.35°C，数 bar 压力）因体积密度高，广泛用于内燃机（尤其是船舶发动机）。液氢意外泄漏涉及两相流喷射扩散，随后在地面或水面形成液池，蒸发形成可燃气体云，可能对设备、建筑和人员造成危害。泄漏过程包括闪蒸、部分或完全蒸发、低温液池形成及空气成分冷凝和冻结。储存压力与大气压差异导致液氢在喷口瞬间汽化，引发储罐或管道内闪蒸。液氢与环境温差导致燃料蒸发并与空气混合，部分蒸发时形成低温液池，吸收地面和大气热量，形成沸腾层并冻结地面。极低温度可能导致空气中的氮、氧和水蒸气冷凝或冻结，形成液滴或固体颗粒，增加云团密度（负浮力），而相变放热又产生正浮力，共同影响可燃云的形成和扩散。表 10 列出液氢安全相关标准。 CFD 模型广泛用于液氢泄漏模拟（Liu 等，2021）。Giannissi 和 Venetsanos（2018）基于健康安全实验室（HSL）实验，使用 CFD 模拟液氢扩散，考虑空气成分（氧、氮）、环境湿度冷凝和瞬态风场。模拟风场变化、相间滑移及湿度和氧氮相变的模型与实验吻合更好。Ichard 等（2012）模拟了垂直向下和水平液氢释放实验，发现空气冷凝产生的上升气流将冷氢带至高处，CFD 模型在预测传感器位置氢浓度时存在不足。Giannissi 等（2014）使用 ADREA-HF 代码模拟 HSL 2010 年液氢泄漏实验，发现大气湿度和风向波动显著影响蒸气扩散，非均相平衡模型（考虑滑移）和湿度模型（humid-slip）预测更准确。 标准 内容 ISO 13985:2006 液氢陆用车辆燃料罐安全标准，包括设计、测试和防火防爆要求 ISO 13984:1999 液氢陆用车辆加注系统安全标准，规范加注过程风险控制 NFPA 55 压缩气体和低温流体安全规范，涵盖氢储存、运输和使用 CGA G-5.1 氢系统设计、安装和操作标准 液氢应急处理流程阶段操作要点现场隔离1. 立即疏散半径 500 米内人员，设置警戒区2. 切断泄漏区域电源及所有点火源（如关闭手机、禁止金属碰撞） 泄漏控制1. 关闭上游阀门：优先使用远程控制或防爆工具操作2. 局部堵漏- 小型泄漏：采用液氮预冷的金属夹具或密封胶（如陶氏化学 Silastic 732）- 管道裂缝：包裹低温胶带（如 3M™ Super 33+）并注入液态密封剂3. 泄压排放：通过安全泄压阀将剩余液氢导入火炬系统 泄漏物处理1. 蒸发控制：使用液氮喷雾（-196℃）降低蒸发速率，形成局部惰性环境2. 气体驱散：开启防爆风机（风速 > 5m/s）向高空引导氢气扩散3. 地面吸附：撒布硅藻土或蛭石吸附残留液氢 人员防护1. 穿戴全封闭式低温防护服（如 DuPont™ Tychem® TK）2. 使 4.2.7 沸腾液体膨胀蒸汽爆炸（BLEVE） 液氢系统可能发生 BLEVE，即储罐因温度高于沸点、压力骤升导致破裂，引发物理爆炸。爆炸产生压力波、火球（若燃料可燃且有点火源）和抛射物。压力波可能导致超压伤害、建筑损坏（Baker 等，2012）。抛射物由罐体破裂碎片形成，携带爆炸释放的部分机械能。若燃料可燃且有点火源，可能形成火球；否则可能在地面起火。Bader 等（1971）研究火箭推进剂 BLEVE，定义了形成火球的临界质量。Ustolin 等（2020b）通过分析和理论模型评估了液氢 BLEVE 的后果类型（火球、碎片、压力波），并利用宝马安全测试数据验证模型，为 SH₂IFT 项目液氢 BLEVE 实验预测提供方法。Ustolin 等（2020）还比较了超临界和亚临界液氢 BLEVE 的后果，计算了爆炸超压和机械能，但液氢 BLEVE 现象仍存在知识 来源：气瓶设计的小工程师