第1章氫安全基礎/1

1.1氫氣性質/1

1.1.1氫安全基本特性/1

1.1.2點火源/3

1.1.3氫燃燒極限/4

1.2氫安全通則/7

1.3氫事故種類/7

1.3.1氫洩漏擴散/8

1.3.2氫火災/11

1.3.3氫爆炸/16

1.4氫脆/27

1.4.1氫脆機理/27

1.4.2氫脆類型/27

1.4.3氫脆導致力學性能劣化/28

1.4.4氫脆的主要影響因素/28

1.4.5氫脆的防控/28

1.5氫風險評估/28

1.5.1定量風險評價方法概述/29

1.5.2風險矩陣計算/29

1.5.3場景模型/29

1.5.4氣態氫洩漏擴散的頻率/30

1.5.5後果模型/31

1.5.6傷害和損失模型/31

1.5.7事故頻率和概率數據/32

參考文獻/34



第2章氫氣生產安全/36

2.1水電解制氫安全/36

2.1.1水電解制氫過程安全性分析/37

2.1.2水電解制氫繫統的安全體繫/39

2.2重整制氫安全/41

2.3氫氣提純安全/44

2.3.1氫氣提純的方法/44

2.3.2氫氣純度對安全性的影響/46

2.4液氫生產安全/46

2.4.1液氫生產/46

2.4.2液氫儲存與運輸/50

2.4.3液氫裝卸/56

參考文獻/58



第3章氫儲運安全/60

3.1氫壓力容器安全/60

3.1.1固定式氫壓力儲罐/60

3.1.2車用輕質高壓氫氣瓶/63

3.2氫輸送管道安全/66

3.2.1氫氣管道安全/66

3.2.2摻氫天然氣管道安全/68

3.3氫儲運設備風險評價/71

3.3.1風險評價方法/71

3.3.2風險控制策略/73

參考文獻/74



第4章氫燃料電池及繫統安全/77

4.1氫燃料電池氫氣的安全性/77

4.2燃料電池汽車氫繫統的安全性/77

4.2.1材料安全防護/78

4.器件防護/79

4.2.3氫繫統安全防護/79

4.2.4氫繫統安全監控/80

4.2.5踫撞安全防護/81

4.2.6日常安全維護/81

4.3燃料電池車載氫繫統安全性現狀/82

4.3.1加氫繫統/83

4.3.2供氫繫統/84

4.3.3儲氫繫統/86

4.3.4燃料電池繫統氫氣子繫統/91

4.4燃料電池堆的安全性/91

4.4.1正常和非正常運行條件下的特性/92

4.4.2管路和管件裝配/93

4.4.3接線端子和電氣連接件/93

4.4.4安全監控方法/94

4.5電安全/98

4.5.1高壓互鎖的設計/98

4.5.2踫撞保護及絕緣檢測設計/98

4.5.3手動隔離開關/100

4.5.4調試狀態及漏電檢測設計/100

4.6直接甲醇燃料電池安全/100

4.6.1通用安全要求/100

4.6.2物理環境與運行條件/101

4.6.3材料安全要求/102

4.6.4洩漏安全要求/102

4.6.5廢氣排放要求及防護措施/102

4.6.6電氣安全要求/103

4.6.7高溫暴露/103

4.6.8振動/103

4.6.9跌落/103

4.6.10濕度/104

4.6.11淋雨/104

參考文獻/104



第5章氫燃料電池車安全/105

5.1引言/105

5.2氫氣安全/107

5.2.1氫氣擴散特性/107

5.2.2氫氣燃燒/爆炸時的危害/107

5.3車輛設計安全/108

5.3.1氫氣安全的設計指南/108

5.3.2氫氣安全的試驗方法/109

5.3.3高壓防護/111

5.3.4保護機構的設計/113

5.4生產階段的安全管理/114

5.4.1車載式診斷裝置的開發/114

5.4.2單體試驗/114

5.4.3模塊試驗、整車試驗/115

5.5車輛運輸安全/115

5.5.1船舶運輸/115

5.5.2鐵路運輸/115

5.6使用階段的安全措施/116

5.6.1報警、誘導、通報/116

5.6.2對於修理業人員的指導/116

5.6.3定期檢查制度/116

5.7多種使用場景下的事故與危害/118

5.7.1氫氣洩漏事故可能發生的場景與危害/118

5.7.2安全研究機構與設施/118

5.7.3研究實例/119

5.8社會安全管理體繫的建立/123

5.8.1對使用者進行教育——駕駛培訓制度/123

5.8.2社會教育/123

5.8.3對監督和管理者實施教育(消防當局、行政機關)/123

5.8.4檢查部門·設備的整備/124

5.8.5監督部門的重組/124

5.9總結與建議/126

5.9.1總結/126

5.9.2建議/127

參考文獻/127



第6章氫燃料電池船舶安全/128

6.1氫燃料電池船舶安全規範和設計原則/128

6.1.1氫能安全標準規範/128

6.1.2船舶氣體燃料規範/129

6.1.3氫安全設計原則/129

6.2氫燃料電池船舶布置安全性設計/130

6.2.1船體布置安全性原則/130

6.2.2燃料艙/130

6.2.3燃料電池室/131

6.2.4空氣閘/131

6.3材料安全性/132

6.4壓力容器和管路安全性設計/132

6.4.1壓力容器/132

6.4.2管路繫統/132

6.4.3排氣繫統/133

6.4.4氣體傳輸部件/134

6.5供氫繫統安全設計/134

6.5.1氫氣儲存/134

6.5.2氫氣加注/135

6.6消防安全設計/135

6.6.1防火/135

6.6.2滅火/136

6.6.3火災探測和報警繫統/136

6.7電氣繫統安全性設計/136

6.7.1危險區域劃分/136

6.7.2危險區域內的電氣設備和電纜選型/137

6.8監控繫統和安保繫統設計/138

6.8.1概述/138

6.8.2監控繫統/139

6.8.3安保繫統/140

參考文獻/140



第7章氫其他應用安全/141

7.1氫氧混合發生器/141

7.1.1氫氧混合發生器概況/141

7.1.2氫氧混合發生器安全要求/143

7.2氫鍋爐/149

7.2.1氫鍋爐概況/149

7.2.2氫鍋爐安全要求/151

7.3氫燃氣輪機/151

7.3.1氫燃氣輪機概況/151

7.3.2氫燃氣輪機安全要求/153

參考文獻/154



第8章加氫站安全/155

8.1加氫站安全設計/155

8.1.1安全設計理念及相關標準/155

8.1.2加氫站站址選擇和平面布置要求/156

8.1.3加氫站關鍵設備的安全考量/159

8.2加氫站安全運行與事故防範/164

8.2.1安全運行管理體繫/164

8.2.2事故應急防範/166

8.3加氫站風險評價/167

8.3.1加氫站定性風險評價/168

8.3.2加氫站半定量風險評價/169

8.3.3加氫站定量風險評價/169

8.4加氫站風險評價案例/176

8.4.1大連加氫站定量風險評價/176

8.4.2日本加氫站定性風險評價/182

參考文獻/187



第9章氫安全監測與設備/188

9.1氫氣異嗅劑/188

9.1.1異嗅劑的兩個重要量化參數/188

9.1.2常用異嗅劑/189

9.1.3現有氫氣異嗅劑的局限性/190

9.1.4小結/192

9.2氫氣傳感器/192

9.2.1氫氣傳感器類型/192

9.2.2氫氣傳感器的要求/194

9.2.3常用的氫氣傳感器工作原理/195

9.2.4小結/198

9.3氫氣報警裝置/198

9.3.1氫氣報警裝置的分類/198

9.3.2氫氣報警裝置的標定校準要求/201

9.3.3氫氣報警點設置/201

9.3.4小結/202

參考文獻/202



第10章國際氫安全標準法規概況及發展/204

10.1國際氫安全組織/204

10.2國際氫安全會議/210

10.3國際氫安全法規與標準/212

10.3.1GTR法規/212

10.3.2國際標準化組織（ISO）在氫安全標準方面的工作/217

10.3.3美國氫安全法規及標準/223

10.3.4歐洲氫安全標準與法規/229

10.3.5日本氫安全法規與標準/233

10.4國際氫安全數據庫/236

參考文獻/238



第11章我國氫安全管理機構與國家標準/240

11.1我國與氫相關的政府部門/240

11.2我國的氫安全管理機構/241

11.3危險化學品目錄/243

11.4我國有關氫安全國家標準/246

參考文獻/247



第12章氫安全倫理/249

12.1氫安全倫理概念/251

12.1.1氫倫理介紹/251

12.1.2氫安全倫理基本內容/252

12.1.3氫安全倫理主要基礎/253

12.1.4氫安全倫理基本關繫/254

12.1.5氫安全倫理承擔主體/257

12.1.6氫安全倫理學在安全倫理學中的地位/258

12.2氫安全倫理的重要性/259

12.2.1安全倫理的缺失導致生產事故頻發/259

12.2.2氫安全倫理對安全的指導作用/260

12.2.3加強氫安全倫理宣傳和教育，保障氫安全/261

參考文獻/262

1.氫能安全的重要性

目前，氫能在中國和全球的能源革命中顯露頭角，日本、韓國、美國、德國、澳大利亞等不少國家和國際團體、機構頒布了氫能規劃。全世界氫燃料電池車保有量已經超過萬輛，加氫站數百座。如世界氫能委員會就預測2050年氫能將貢獻世界能源的18%，減排60億噸二氧化碳，創造2.5的產值，提供3000萬就業崗位。

我國是氫能的積極倡導者、執行者。我國制氫規模已居世界首位，20餘座城市開通氫燃料電池汽車示範，總運行氫燃料電池卡車和大巴車輛超過3000輛，加氫站數量排名世界第四。30多個城市發布省市級氫能發展規劃。氫能利用正處於上升階段。

然而，近期氫能的安全卻頻頻亮起紅燈。過去一年中發生多起氫能安全事故，造成人員傷亡和財產損失。

2019年5月23日傍晚，位於韓國江原道江陵市大田洞科技園區工廠的氫氣罐在試驗過程中突然發生爆炸，造成2人死亡、6人受傷。2019年6月1日下午，位於美國加州聖克拉拉諾曼大道1515號的一個加氫站發生爆炸，距離爆炸現場幾英裡（1英裡=1609.344米）外的目擊者感受到了爆炸的衝擊波，所幸本次事故並未造成人員傷亡。2019年6月10日下午，在挪威首都奧斯陸附近的桑維卡地區，由Uno-X公司運營的一家毗鄰大型購物中心的加氫站發生了爆炸事件，爆炸造成兩人受傷。挪威加氫站發生爆炸的根本原因已查明，是高壓儲存裝置中氫罐的一個特殊插頭的裝配錯誤所導致的。安全咨詢公司Gexcon的初步調查顯示，事故的起因是高壓儲存裝置的一個儲罐的插頭發生了氫氣洩漏,這次洩漏產生了氫氣和空氣的混合物，並被點燃爆炸。2019年12月12日下午，美國威斯康星州沃克斯沙市（Waukesha）埃爾加斯（Airgas）公司的氫氣存儲區域發生了爆炸事件，並明顯起火。

2020年4月7日8時36分，美國北卡羅萊納州朗維尤鎮一家氫燃料工廠（One H2工廠）發生爆炸事故，造成周邊多處住宅受損，但幸運的是未造成人員傷亡。事故原因在調查中。

這些氫安全事故給正在發展的氫能利用敲響了警鐘。關於安全的著名法則——“海恩法則”指出：每一起嚴重事故的背後，必然有29次輕微事故和300起未遂先兆以及1000起事故隱患。“海恩法則”說明：任何一個事故都是有原因的，有先兆的。任何一個事故都是次級事故隱患不斷積累的結果，因此“防微杜漸”，將安全隱患消滅在萌芽之中，則安全是可以保證的。氫安全也不例外，隻要制定科學的規章制度，嚴格遵循，是能夠保證氫安全的。

用於安全管理的另一定律是“墨菲定律”。該定律指出：做任何一件事情，如果客觀上存在著一種錯誤的做法，或者存在著發生某種事故的可能性，不管發生的可能性有多小，當重復去做這件事時，事故總會在某一時刻發生。也就是說，隻要發生事故的可能性存在，不管可能性多麼小，這個事故遲早會發生。簡言之，“墨菲定律”指出事故不可避免。 墨菲定律是一種客觀存在。要在氫安全領域防範墨菲定律指出的可能導致的惡性後果，人的行為是重要因素。

2.氫能發展需要氫能安全

凡是能源材料，如木材、煤炭、天然氣、原油和電力等都有能源安全問題。能源安全來源於能源原料本身的物理、化學性質和人為的管理方式方法。氫氣用作化工原料已經有上百年歷史，專業人士已熟練掌握氫的習性和管理方法。但是氫氣作為二次能源或能源載體出現在能源領域是近幾十年的新事物，氫氣用於氫燃料電池車的運行、加氫站的運行都有別於先前在化學工業中的應用，有必要擴大宣傳氫在不同領域的安全知識。另外，與先前隻有專業人士接觸氫的化工應用不同，新的能源應用領域，氫氣作為能源走向千家萬戶，萬千大眾使用氫能交通工具，普通民眾對氫能則比較陌生，急需普及氫安全知識。

自筆者1993年從事氫能研究開始，一直關注氫的安全。也有機會看到國外大量的氫安全的文獻和著作，而我國氫安全資料則十分缺失。2015年擔任“全國氫能標準化技術委員會（SAC/TC 309）”主任委員和“國際標準化組織氫能標準技術委員會（ISO/TC197）”副主席之後，便萌生編著中文“氫安全”書，讓更多的人們了解氫安全，安全使用氫能。受化學工業出版社委托，筆者邀請了一批我國產業界和學術界的氫能專家，從各自熟悉的層面撰寫氫安全知識，呈現給我國公眾，以期幫助讀者更多地了解氫安全。

本書從氫能基本性能入手，對氫的基本性質以及氫氣的生產、儲存、運輸和使用各環節的安全都加以介紹。首先介紹了氫安全的普遍性知識、氫氣測量原理。在制氫部分介紹了水電解制氫、化石能源重整制氫的安全問題；在氫儲存部分介紹了高壓氣體儲存、金屬儲氫體繫和具有近期願景的液氫安全。沒有提及有機液體加氫脫氫過程，沒有提及綠氫制甲醇和綠氫制氨氣過程，因為這一操作猶如石油化工加氫操作，已經廣為工程技術人員所熟知。 在氫能的儲運部分，介紹了高壓氫氣輸運、含氫合金儲運和液氫運輸的安全問題。在氫能應用部分，重點介紹了燃料電池的氫安全，特別是氫燃料電池車輛的安全。氫燃料電池船舶也將是氫在交通領域的重要應用，故特別列出，單獨成章。加氫站是發展氫能交通的關鍵，特別列出專門一章，予以相應介紹。氫的非燃料電池應用也是氫的另一重要應用方面，本書設章討論了氫鍋爐、氫燃氣輪機和氫氧混合氣發生器的氫安全問題。氫管理與法規、標準是保障氫能安全的重要方面，特別撰寫了國內外氫能管理機構和標準，希望給讀者一個完整的氫安全圖畫。

正如墨菲定律所強調的人是保障安全的重要因素，人受思想、道德、倫理支配，為此本書後列出“氫安全倫理”供讀者參考。“氫安全倫理”是作者在國內外首次提出，並作較為繫統的闡述。“氫安全倫理”是氫倫理的重要組成部分，氫倫理是應用倫理學新芽，是指氫在其全產業鏈氫制備、儲運和使用過程中應該遵循的道理和準則，以及氫與人、氫與社會、氫與環境之間應該遵循的道理和準則。誠摯歡迎讀者思考與批評本書第十二章“氫安全倫理”，共同助力氫倫理發展、成長。

本書結構與作者如下：

第1章氫安全基礎（合肥工業大學王昌建 李權 於星）

第2章氫氣生產安全（張家港氫雲新能源研究院有限公司魏蔚 嚴岩 王學聖）

第3章氫儲運安全（浙江大學花爭立 劉自亮）

第4章氫燃料電池及繫統安全（武漢理工大學潘牧 李賞）

第5章氫燃料電池車安全（清華大學張劍波 小野圭 李紅）

第6章氫燃料電池船舶安全（同濟大學馬天纔 範晶 朱東）

第7章氫其他應用安全（毛宗強 毛志明）

第8章加氫站安全（潘相敏 梁陽 李鼕梅）

第9章氫安全監測與設備（清華大學高帷韜 王誠 雷一傑）

第10章國際氫安全標準法規概況及發展（國家電力投資集團有限公司常華鍵 李濤 陳煉）

第11章我國氫安全管理機構與國家標準（北京華氫科技有限公司毛志明）

第12章氫安全倫理（清華大學毛宗強）

應該指出，一些有前景的氫能技術，如氫氣地下儲氣井、太陽液體燃料（綠氫與二氧化碳制造綠色甲醇）、太陽氣體燃料（綠氫與氮氣制造合成氨氣）、氫能飛機等由於篇幅限制，這次編寫未能列入，留待以後補充。

3.如何使用本書？

本書定位於氫安全，是宣傳氫安全、介紹氫安全的入門書，對於讀者有很好的參考價值。對於氫能工程人員，在具體承接氫能項目和工程時，則可依據本書指引，對有關項目的氫安全有初步了解之後，再進一步查閱、參考相應的國家標準和規範，嚴格執行。氫能標準和法規會不斷修正、更新，讀者得到本書的提示後，還需查閱資料，以確保所承擔的項目符合的國家法規和標準。

4.致謝

本書編寫過程中得到許多專業人士的幫助，特別感謝積極支持氫能的中國工程院副院長、車輛工程專家鐘志華院士，知名火災安全科學與工程專家範維澄院士熱心為本書作序。

本書編著者衷心感謝氫能產業的廣大拓荒者和參與者，你們辛勤的勞動、得到的實踐經驗和總結為各位作者提供了基本信息。特別是上海華西化工科技有限公司紀志願、吳芳和燕巍提供了有關氫安全監測與設備的資料，感謝雪人股份有限公司、浙江大學鄭津洋教授和“中日氫能繫統共性問題合作研究（編號 2018YFE0202000）”的專家支持。

本書編寫期間，適逢新型冠狀病毒疫情肆虐全國。感謝清華大學圖書館、核研院和家人的支持，使我跨界完成“氫安全倫理”的初稿。

本書編著者感謝化學工業出版社責任編輯和她同事們的辛勤勞動，使本書高質量與讀者見面。

本書編著者還借此機會致謝“清華大學-張家港氫能與先進鋰電技術聯合研究中心”的資助，使本書順利出版。

氫安全是內容廣博而不斷更新的重要課題，在本書編寫過程中，編者盡量收集國內外資料，力求敘述準確明了。由於編者水平有限，書中難免存在不妥和疏漏之處，懇請讀者批評指正。



毛宗強

2020年3月2日

清華大學荷清苑