火是一种能量，人类进化经历了相当长时间的演进与积累，在黑暗中徘徊了几十万年，是火的产生和利用促其发生了剧烈突变。火带来了希望和文明，但大火无情，火也为我们人类社会带来了不可估量的损失。人类就是在与自然界的反复斗争权衡中不断曲折前进，才得以延续文明至今。
氢气作为清洁能源的一种，是一把双刃剑，我们对它又爱又恨。一方面它有着很高的燃烧热值（142351kJ/kg，是汽油的3倍），可以为我们提供清洁的能量；另一方面，它有着易燃易爆的安全隐患。相信以下两个初中课本中的氢气燃烧实验你一定印象深刻：
空气与氢气混合物爆炸实验
纯氢在空气中燃烧实验
大多数人想到氢气，头脑中第一个念头就是此物易爆炸，切勿靠近! 但是这两个实验也告诉我们氢气的爆炸极限是4%~80%，纯净的氢气可以在空气中安静的燃烧。也就是说氢气的燃烧是可控的。接下来几期文章中我们将从氢气的物化属性，氢气的储运，氢燃料汽车的使用以及加氢站的建设四个方面来讨论氢能应用的安全性问题。
氢气的物化属性
如图一所示，建立四个坐标分别是扩散、浮力、爆炸下限和燃烧速度倒数，越靠近坐标原点越危险。可以看出，就扩散、浮力和爆炸下限而言，氢气都远比其它燃料安全，不容易形成可爆炸的气雾，因而只要建立有效的防控手段，氢气的安全性还是十分出众的。
图一：氢气的主要特性和其它常见燃料作对比
结合上图我们可以总结出四点：
氢气泄露速度快于常见燃料，但泄漏总能量不高;
氢气具有很高的扩散系数和浮力，泄漏时浓度可迅速降低;
氢气爆炸极限范围宽，但爆炸能很低且不产生浓烟和灰霾;
氢脆现象会引起金属脆化裂纹，可以选用合适的材料防护避免。
1. 氢气的泄漏性
早在90年代，就有科学家研究了氢气的泄漏特性，表1列出了氢气的相对泄漏率及流动参数。氢气比其他燃料或气体泄漏速率更快。另外，氢气相对比液体燃料和其他气体更容易从小孔中泄露，对于透过薄膜的扩散，氢气的扩散速度是天然气的3.8倍。实际上，氢气更多的是通过燃料管线、阀门以及高压储罐上出现的微小裂缝发生泄漏。通过对燃料运输系统的合理设计，同时避免采用厚度很薄的材料，可以有效防止氢气泄漏。
在非受限空间内，一旦发生意外泄漏，由于氢气密度比空气低，会迅速上浮并向四周扩散。而在受限空间，泄漏的氢气易于在局部聚积，由于其高扩散性，能够快速形成危险的可燃性混合物。
表一：氢气与甲烷、汽油的燃烧特性对比
相同时间内泄漏的氢气体积总是大于天然气，但泄漏的天然气的能量将大于氢气的能量。由于天然气和氢气都是储存在汽车的高压气罐中，如果发生泄漏，都将是以湍流的形式，此时氢气的相对泄漏率是天然气的2.83倍。但是泄漏之后的气体处于常温常压的状态，此时氢气的体积能量密度为12.74 MJ/Nm3，而天然气为39.82 MJ/Nm3，所以在相同时间内，泄露的氢气体积虽然更多，但是根据泄露情况的不同，泄漏后天然气携带的能量大约为泄漏氢气1.11-2.48倍，下图模拟的是氢气和天然气泄漏时体积和能量对比：
图二：氢气和天然气高压储氢罐的泄露对比
2. 氢气的扩散性
与汽油、丙烷和天然气相比，氢气具有更大的浮力（快速上升）和更大的扩散性（横向移动）。氢气的密度仅为空气的7%，而天然气的密度是空气的55%。所以即使在没有风或不通风的情况下，它们也会向上升，而且氢气会上升的更快一些。但丙烷和汽油气都比空气重，所以它们会停留在地面，扩散的很慢。氢气的高扩散系数表明，即使在通风不畅的环境下，泄漏的氢气也将会很快上升并向各个方向快速扩散，迅速降低浓度。
表二：氢气与其它常见燃气扩散性对比
3. 氢气的爆炸性
在空气中，氢的爆炸范围很宽，而且点火能不高。氢气的爆炸极限范围（体积分数）是4%-75.6%，最小点火能仅为0.02mJ。而其他燃料的爆炸极限范围则要窄得多，点火能也要高得多。一般来说，氢气爆炸要达到两个条件，除了要满足氢气的爆炸极限，还要施加静电、明火或混合空气温度达到527oC及以上。氢气爆燃的条件是有先后顺序的，首先要满足浓度，然后再满足点燃条件。如果已经有点燃条件，那么氢气只会排出多少就燃烧多少，不会爆燃，就像煤气灶燃烧燃气一样。
表三：氢气与其它常见燃气爆炸性对比
从爆炸上限（UEL）考虑，在泄漏量比较大的情况下，天然气的浓度超过15%，或者汽油气的浓度超过7.8%，的确要比氢气的浓度超过75%要容易的多。但在实践中经常发生的情况是，一般通过限制最大可能的燃料流量或者增加空气流通量尽量使燃料混合物的浓度低于爆炸下限（LEL）。所以爆炸下限比爆炸极限范围更好地表示燃料空气混合物的着火趋势。而氢气的爆炸下限是汽油气的4倍、丙烷的1.8倍，只是略低于天然气。
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如果发生爆炸，氢气的爆炸能量是常见燃气中最低的，特别就单位体积爆炸能而言，氢气爆炸能仅为汽油气的1/22。在工程上，一般通过安装探测器警报与排风扇来共同控制氢气浓度保持在4%的爆炸下限以下，并且探测器的灵敏度设置远远低于爆炸下限，只有安全保护系统出现重大问题，才会造成氢气大量泄露，而出现这种情况的概率是很小的。
氢气的燃烧火焰
氢气火焰几乎是看不到的，因为在可见光范围内，燃烧的氢气放出的能量很少。因此接近氢气火焰的人可能会不知道火焰的存在，从而增加了危险。但这也有有利的一面，由于氢火焰的辐射能力较低，所以附近的物体（包括人）不容易通过辐射热传递而被点燃。相反，汽油火焰的蔓延一方面可以通过液体汽油的流动，另一方面也可以通过汽油火焰的辐射。因此，汽油比氢气更容易发生二次着火。而且汽油燃烧产生的浓烟和灰霾会造成对人的额外伤害，而氢气燃烧只会产生水蒸气。
4. 氢脆现象
此外，氢气还会引发特有的氢脆破坏。特别是在高压氢气系统中，随着压力增大，高强度钢材长期暴露在氢环境中很容易发生氢脆。有一种解释是，氢气会在钢材表面解离为氢原子并渗入，在外应力作用下，氢聚集在钢内部造成应力集中从而引发局部开裂。若管道或储罐出现了裂缝，高压氢气会迅速泄漏和扩散，一旦遇到点火源便会引发燃爆灾害。为了避免氢脆事故，应对氢能产业中相关的高压管道和储存、反应容器等进行合理的选材，或是加入特定的元素降低其氢脆敏感性，例如：铬、钒等。
总结
上述物化属性决定了氢气本身具有较高的安全风险。但在氢能利用全生命周期的不同环节，其安全性能不亚于常见燃料，是可以满足应用需求的。如果把氢作为能源大量地应用，我们亟需重新制定使用规则，包括制氢、运氢、储氢、加氢等各环节的标准，按规则用氢。国际国内应用实践证明，只要按照标准法规规范生产、存储及使用氢能，氢能安全可以得到保障。
下期我们将继续讨论氢气储运过程中的安全性问题。
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