人類(lèi)首次在實(shí)驗(yàn)室獲得液氫至今已有100余年歷史，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)及應(yīng)用以來(lái)，液氫作為火箭高能燃料，在航天領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。上世紀(jì)60年代開(kāi)始，在液氫成功作為火箭燃料應(yīng)用的同時(shí)，科學(xué)家們就開(kāi)始探索液氫在地面交通、航空、航海等領(lǐng)域的應(yīng)用，美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、日本、挪威等國(guó)家，先后在飛機(jī)、家用轎車(chē)、客車(chē)、貨車(chē)、輪船等交通工具上開(kāi)展了不少的嘗試和技術(shù)積累。

我國(guó)于近幾年開(kāi)始液氫在重型運(yùn)輸車(chē)輛、船舶、飛機(jī)等交通工具上的應(yīng)用研究，其中液氫燃料重載卡車(chē)原理樣機(jī)已完成研制并在試車(chē)場(chǎng)進(jìn)行了功能驗(yàn)證。航天科技集團(tuán)六院北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所先后研制了30千克、100千克儲(chǔ)量的車(chē)用液氫系統(tǒng)，在32噸、49噸的重卡上進(jìn)行了搭載和測(cè)試。隨著可再生能源規(guī)模的進(jìn)一步增大和氫電經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，液氫作為日常重型交通運(yùn)輸?shù)娜剂嫌型诮鼉赡甑靡詫?shí)現(xiàn)和快速推廣。

北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所參研的全球首款液氫重卡

一種新型燃料進(jìn)行大量推廣使用前，其危險(xiǎn)性必須進(jìn)行充分辨識(shí)和論證，并制定完善的安全管理及應(yīng)急處理措施，形成與其推廣程度相適應(yīng)的安全體系，才能確保社會(huì)面應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)可控。在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)研究及發(fā)射活動(dòng)中，科研人員對(duì)液氫的特性、相關(guān)技術(shù)裝備、對(duì)應(yīng)安全措施及管理方法等都進(jìn)行了深入的研究，確保了在相對(duì)封閉管理的場(chǎng)所內(nèi)對(duì)液氫的安全應(yīng)用。而若將液氫作為日常交通工具使用的燃料，其需要面對(duì)社會(huì)道路行駛、公共場(chǎng)所停放、維修維護(hù)等各種應(yīng)用場(chǎng)景，所處環(huán)境更為復(fù)雜，隨機(jī)性更大，存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)因素也更多，因而需要更為嚴(yán)格的管理措施。

確保液氫的使用安全，首先要深入了解液氫的理化性質(zhì)。根據(jù)其安全相關(guān)性質(zhì)從設(shè)備研制、檢定、操作、維護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)體系等全方位進(jìn)行管控。液氫跟安全相關(guān)的性質(zhì)主要包括兩個(gè)方面，一是液態(tài)氫的極低溫特性，二是氫氣的易燃易爆特性，針對(duì)這兩個(gè)方面介紹如下：

一、液氫極低溫帶來(lái)的挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)措施

常壓狀態(tài)下氫氣密度極低，不利于其存儲(chǔ)、輸送和使用，只有采用壓縮、低溫液化、化合或材料吸附等方式來(lái)提升體積能量密度，實(shí)現(xiàn)氫的使用經(jīng)濟(jì)性，其中液氫質(zhì)量密度最高，是提高儲(chǔ)運(yùn)效率的最重要形態(tài)之一。在常壓下，氫氣通過(guò)多級(jí)制冷，被冷卻到-253°C時(shí)才能被完全液化。

由于液氫同外界環(huán)境巨大的溫差，由環(huán)境向液氫的漏熱而導(dǎo)致其溫度升高不可避免，為了維持其液相狀態(tài)，液氫必須保持在其臨界溫度-240°C以下，并適當(dāng)保持壓力，因此盛裝液氫的儲(chǔ)罐必須是耐壓和超級(jí)絕熱的密閉容器。常壓氫氣與液氫的體積比是825：1，充滿液氫的密閉儲(chǔ)罐在存儲(chǔ)空間不變的情況下，如果溫度升至常溫，儲(chǔ)罐的最終壓力將上升至超過(guò)170MPa，這是一般壓力容器無(wú)法承受的。

重卡車(chē)用百公斤級(jí)儲(chǔ)量液氫系統(tǒng)-賽道1000

在陸地重載卡車(chē)上存儲(chǔ)液氫的裝置通常稱(chēng)為低溫絕熱氣瓶，為確保其安全使用，設(shè)計(jì)上往往采取兩方面措施：一是采用雙層不銹鋼高真空輻射絕熱結(jié)構(gòu)，減小外界向氣瓶?jī)?nèi)的熱量傳遞，從而延緩漏熱引起的壓力升高速率，使氣瓶在車(chē)輛停放時(shí)因外界溫度導(dǎo)致氣瓶?jī)?nèi)升壓至安全控制壓力的時(shí)限能達(dá)到3天甚至更長(zhǎng)；二是在氣瓶?jī)?nèi)容器上設(shè)置兩級(jí)安全泄放閥門(mén)，車(chē)輛長(zhǎng)期停放或由于故障而導(dǎo)致的壓力持續(xù)升高的情況下，在壓力到達(dá)氣瓶?jī)?nèi)膽破壞壓力前，確保安全閥自動(dòng)開(kāi)啟進(jìn)行壓力泄放而使壓力得以保持在安全范圍，從而避免超壓導(dǎo)致的氣瓶、管路爆破等無(wú)管理排放事故發(fā)生。

二、氫氣燃爆風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)及防止

與空氣混合的情況下，氫氣具有極易燃爆的特點(diǎn)：一是氫氣的最小點(diǎn)火能量非常低，在空氣中最小點(diǎn)火能量約0.02mJ，而人體摩擦產(chǎn)生的放電便可以達(dá)到10mJ，就連高壓氫氣在向空氣高速噴出時(shí)，空氣中粉塵粒子摩擦產(chǎn)生的靜電也能成為一個(gè)點(diǎn)火源；二是其可燃濃度范圍非常寬（在1個(gè)大氣壓和環(huán)境溫度下的干燥空氣中，氫可燃濃度下限：4.1%，可燃濃度上限：74.8%）。由于可燃濃度下限僅4.1%，且極低的點(diǎn)火能量又令事先混合的氫氣-空氣極易被點(diǎn)燃而產(chǎn)生火災(zāi)或爆炸。

但另一面，氫氣又具有極易擴(kuò)散的特點(diǎn)，在開(kāi)放空間氫氣泄漏停止后，1分鐘內(nèi)就可擴(kuò)散至可燃濃度下限以下，可見(jiàn)避免封閉空間使用和及時(shí)制止泄漏是避免氫空混合氣體燃爆的重要手段。

液氫泄漏后，與常溫氫氣略有不同。少量泄漏時(shí)，液氫同空氣混合很快溫度升高并形成低密度氣團(tuán)向上擴(kuò)散，下方區(qū)域安全影響較小。當(dāng)大量泄漏時(shí)，將在地面積聚成液氫池，由于液氫的蒸發(fā)在液氫池表面也會(huì)形成低溫的氫云，與空氣混合產(chǎn)生爆炸性混合氣體環(huán)境，而當(dāng)泄漏結(jié)束，爆炸性氣體混合環(huán)境也會(huì)很快消失。相較于LNG及汽油等燃料的泄漏，液氫大量泄漏橫向擴(kuò)散范圍更窄，形成可燃可爆的混合氣空間范圍更小，滯留時(shí)間也更短。從這個(gè)角度進(jìn)行評(píng)判，在路面等開(kāi)闊空間發(fā)生液氫泄漏而帶來(lái)的安全隱患比前述燃料更低。

防止液氫及氫氣的意外泄漏，創(chuàng)造開(kāi)放使用條件，阻止長(zhǎng)時(shí)間形成可爆燃的氫空氣混合氣體，是用氫安全的關(guān)鍵所在。為減少液氫及氫氣泄漏，車(chē)載液氫系統(tǒng)的重要連接部位需盡可能采用焊接結(jié)構(gòu)，若要采用其他連接方式則需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的論證。

車(chē)載液氫燃料存儲(chǔ)系統(tǒng)整體還要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試和考核認(rèn)證，只有符合國(guó)家特種設(shè)備監(jiān)察及車(chē)輛零部件公告標(biāo)準(zhǔn)后，才能進(jìn)入社會(huì)道路行駛。這些測(cè)試和考核項(xiàng)目包括火燒、跌落、振動(dòng)、壓力控制等等，覆蓋車(chē)輛運(yùn)行的幾乎所有極端工況，以確保以上情況發(fā)生時(shí)司乘人員有足夠時(shí)間逃生，從而保障人員生命安全。

液氫氣瓶火燒試驗(yàn)考核

綜上，基于航天領(lǐng)域在液氫研究、生產(chǎn)和使用等方面所積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)重載交通工具用液氫儲(chǔ)供系統(tǒng)，充分開(kāi)展系統(tǒng)試驗(yàn)考核驗(yàn)證，擴(kuò)大示范場(chǎng)景樣本，從而形成完整科學(xué)的裝備可靠性評(píng)價(jià)及安全控制體系，可以為社會(huì)面液氫有序規(guī)模推廣應(yīng)用提供更大的安全保障。