中国航天科技集团六院科普文章：交通领域液氢燃料应用安全保障
今年六月，为第23届全国"安全生产月"，主题为"人人讲安全、个个会应急——畅通生命通道"。值此之际，中国航天科技集团六院特发布《交通领域液氢燃料应用安全性保障》，供广大读者探讨研究。
人类首次在实验室获得液氢至今已有百年历史，自实现工业生产及应用以来，液氢作为火箭高能燃料，在航天领域具有不可替代的地位。自上世纪60年代起，液氢成功作为火箭燃料应用的同时，科学家们便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，纷纷在飞机、家用轿车、客车、货车、轮船等交通工具上进行了诸多尝试和技术积累。
我国近年来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101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扩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未来两年实现并迅速推广。
新型燃料大规模推广使用之前，其危险性必须进行全面辨识和分析，并制定完备的安全管理及应急处理方案，形成与推广程度相匹配的安全体系，以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、相应安全措施及管理方法等均进行了深入研究，确保了在相对封闭管理的场所内对液氢的安全应用。然而，若将液氢作为日常交通工具使用的燃料，其需面临社会道路行驶、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，潜在风险因素也更多，因此需要更为严格的管理措施。
确保液氢的使用安全，首先需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。液氢与安全相关的性质主要包括两方面，一是液态氢的极低温特性，二是氢气的易燃易爆特性，以下将针对这两方面进行详细介绍。
液态氢极低温所引发的挑战及其对应策略
在标准大气压条件下，氢气的密度极其微小，给其储存、运输以及应用带来了诸多不便。唯有采取压缩、低温液化、化学合成或材料吸附等方法，以提高其单位体积的能量密度，从而让氢能的应用更加经济可行。其中，液态氢的质量密度最大，是提高储存及运输效率的关键媒介之一。在标准大气压下，氢气需经过多级制冷才能冷却至-253°C，方可实现完全液化。
鉴于液态氢与外部环境之间存在巨大的温度梯度，使得环境热量向液态氢的泄漏不可避免地会导致其温度上升。为了保持液态，液态氢的临界温度必须低于-240°C，同时也需要保持适当的压力。因此，准备容纳液态氢的储罐必须是耐压且超级绝热的密闭容器。标准气压下的氢气与液态氢的体积比为825:1。在储存空间不变的情况下，充满液态氢的密闭储罐若温度上升至常温，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。
（重型卡车用百公斤级储量液态氢系统-赛道1000）
在陆地上，用于储存液态氢的设备通常被称为低温绝热气瓶。为了确保其安全使用，设计时通常采取以下两种策略：首先，采用双层不锈钢高真空辐射绝热结构，以减少环境热量向气瓶内部的传递，从而减缓因漏热导致的压力上升速度，使气瓶在车辆停放期间因环境温度导致的气瓶内部压力上升至安全控制压力的时间能够延长至3天甚至更久；其次，在气瓶内部设置两级安全泄放阀门，以便在车辆长期停放或因故障导致的压力持续上升的情况下，在压力达到气瓶内胆破坏压力之前，确保安全阀门自动开启进行压力泄放，从而使压力始终保持在安全范围之内，避免超压导致的气瓶、管路爆破等无管理排放事故的发生。
（六院101所参研的全球首款液氢重卡）
关于氢气燃爆风险的理解与防范
在空气中的氢气，表现出高燃爆度的特性：首先，氢气的点火能量值非常之低，大约只有0.02mJ左右，而人体的摩擦或者火花就能产生高达10mJ的能量，即使是高压状态下的氢气高速喷向空气中，由空气中的微粒摩擦产生的静电也同样可能引发燃烧；其次，它的可燃浓度范围相当广泛（在一个大气压以及环境温度下的干燥空气中，氢气的可燃浓度范围下限为4.1%，上限则为74.8%）。由于下限浓度仅为4.1%，并且超低的点火能量使得预先混合的氢气与空气非常容易被引燃，进而导致火灾或爆炸。
然而，另一方面，氢气也具备极强的扩散能力，只要在开放环境中氢气泄露，仅在短短一分钟内，泄漏的氢气就可扩散至可燃浓度下限以下，因此，避免使用密闭空间和及时制止泄漏，是规避氢空混合气体燃爆风险的重要途径。
对于液氢的泄漏，与常温氢气的情况稍有不同。当有少量泄漏时，液氢和空气迅速混合升温并形成低密度气团向上扩散，下方区域的安全影响相对较轻。但是，如果泄漏量极大，液氢将会在地面上积聚形成液氢池，液氢蒸发在液氢池表面也会形成低温的氢云，与空气混合会形成爆炸性的混合气体环境，而当泄漏完全停止后，这种爆炸性的气体混合环境也会迅速消退。相较于液化天然气（LNG）和汽油等燃料的泄漏，液氢的大量泄漏在横向扩散范围更狭窄，形成的可燃可爆的混合气空间较小，停留的时间亦较短。因此，从这一角度评估，在开阔的机动车道等场所发生液氢泄漏所带来的安全隐患，相较于前者更低。
预防液氢和氢气的意外泄漏，创设开放式使用前提，防止长期形成易于燃爆的氢空气混合气体，乃是使用氢安全的核心所在。为减少液氢和氢气的泄漏，关键在于车载的液氢系统应尽可能使用焊接结构进行主要连接，如需采用其他连接方式，则必须经过严格的证明。
车载液氢燃料系统的测试认证
车载液氢燃料储存系统必须经过全面而严谨的测试和认证，只有满足国家特种设备监察以及车辆零部件公告标准之后，才能够投入社会道路行驶。这些测试和认证项目涵盖了火烧、跌落、振动、压力控制等多个方面，几乎覆盖了车辆运行过程中的所有极端工况，以确保在上述情况发生时，驾驶员和乘客有充足的时间进行逃生，从而保障人员的生命安全。
（液氢气瓶火烧试验考核）
总的来说，借鉴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，深入开展系统试验考核验证，扩大示范场景样本，从而构建完整科学的装备可靠性评价及安全控制体系，可为社会层面的液氢有序规模化推广应用提供更大的安全保障。