氫作為一種高密度的能量載體，在其制取、儲存、運輸、加注、使用過程中往往面臨著許多安全問題。氫氣自身的物理特性很大程度上決定了其各環節可能出現的風險。總體而言，與氫氣安全性相關的物理特征主要有以下幾點：一是易泄漏擴散。氫氣密度小，多采用高壓存儲，無色無味，泄漏后又很難發覺，導致氫氣較易泄漏。二是易燃易爆。氫氣燃燒范圍大，點火能量小，遇火易燃易爆，在有限空間更容易引發爆炸。三是容易引發氫脆。氫和金屬材料相互作用會產生氫脆現象，導致材料的力學性能降低從而發生失效斷裂的現象，造成安全風險和經濟損失。

一、氫安全事故數據統計

多年來，涉氫安全事件幾乎覆蓋了氫的全產業鏈。根據氫安全事故數據庫H2LL統計數據，1999-2019年間，發生了120起氫安全事故。從事故原因看，導致事故的主要原因是設備故障，占比35.78%。此外，人為失誤（如錯誤的拆卸、組裝、移動和更換等）和設計缺陷（如傳感器誤報、設備壽命短等）分別占14.22%和12.07%。

圖 1 事故原因占比及可能事故原因數

從事故設備看，管道/配件/閥門、存儲瓶、燃料電池汽車是引發安全事故的主要設備，分別占事故的32.28%、15.51%、12.66%。

圖 2 事故設備占比及設備類型事故數量

從事故地點看，高校實驗室占比最高，達到38.3%，加氫站和與氫相關的商業設施，分別占事故的10.64%和9.04%。

圖 3 事故發生場所占比及場所類型事故數量

從事故損失看，僅31.18%的涉氫事故未產生損失，多數情況下可能會產生財產損失、人身傷亡、生產生活設施關閉等一系列嚴重后果。

圖 4 事故損失占比及損失類別數量

數據來源：H2LL, The Pacific Northwest National Laboratory

二、典型的氫安全事故事例

近年來，氫能產業鏈各環節的安全事故逐漸增加，給產業長足發展敲響了警鐘。如在氫氣制取環節，2019年5月23日韓國發生一起氫氣制取儲存過程中儲氫罐爆炸事故，造成2人死亡、6人受傷。在氫氣儲運環節，2019年6月1日美國空氣產品公司氫轉運設施發生高壓氫氣泄漏事故，隨即發生爆炸并產生高壓噴射火焰，導致管道損壞。2021年8月4日，我國沈陽發生一起長管拖車卸氣軟管斷裂引發著火事故，所幸未造成人員傷亡。在氫氣加注環節，2019年6月10日，挪威一處加氫站發生爆炸，導致兩人受傷。在用氫環節雖然尚未發生重大事故，但也存在一系列風險隱患。氫燃料電池汽車氫氣管路接口和彎頭多，可能因道路工況復雜、交通事故引發氫系統故障，全生命周期中出現氫意外泄漏難以避免，且被電氣意外點火風險較大。若車輛出現氫泄漏后，由于乘客艙相對封閉，可能導致車內人員窒息，且發動機艙半封閉、通風散熱條件差，還易產生局部高溫及電氣火花，從而引發燃燒爆炸。2022年4月，因存在氫燃料泄漏風險，現代汽車召回54輛Nexo氫燃料電池汽車。

圖 5 氫安全典型事故

三、氫燃料電池汽車氫安全風險與防控

氫燃料電池汽車是一種將車載燃料電池裝置產生的電力作為動力的汽車，其中車載燃料電池裝置所使用的燃料為高純度氫氣或含氫燃料經重整所得到的高含氫重整氣。《氫燃料電池汽車全球技術法規》將氫燃料電池汽車劃分為加氫系統、儲氫系統、供氫系統、燃料電池系統、電驅動和動力管理系統五個關鍵系統。

氫燃料電池汽車儲氫供氫系統結構如圖6所示：

圖 6氫燃料電池汽車儲氫供氫系統示意圖

1. 儲氫系統

氫燃料電池汽車的儲氫系統主要是壓縮氣體儲存系統，包括氫氣瓶、溫度驅動壓力泄放裝置、組合閥（單向閥、截止閥）及配件等。由于氫氣在高壓下容易從非金屬內膽向外泄漏，且金屬材質的瓶口閥與非金屬內膽的連接強度難以保證，所以容易發生“非金屬內膽纖維全纏繞氣瓶”爆炸事故。

2. 加氫系統

由于氫燃料電池汽車多采用高壓氣態儲氫方式，故在高壓氫氣加注過程中，車載氫瓶內氫氣容易快速升溫，存在安全隱患，需要在加注過程中檢測車載壓縮氫氣存儲系統內的壓力、容量、溫度及授權指令等數據。

3. 供氫系統

當車載氫瓶供氫時，氫系統控制器檢測到壓力超過或低于設定值時，會立即關斷電磁閥，并將管路超壓或管路低壓的報警信息發送給整車管理系統請求結束正常工作，同時聲光報警提示司機采取必要措施。當氫系統控制器檢測到氣瓶溫度超過或低于設定溫度時，也會立即關閉電磁閥，并將氫瓶內溫度過高或過低的報警信息發送給整車管理系統請求結束正常工作，同時信息提示故障氣瓶編號，通過聲光報警方式通知司機，立即采取相應措施。

供氫系統在將車載高壓壓縮儲氫氣瓶內的氫氣經減壓閥減壓后送至燃料電池電堆，在為燃料電池電堆提供合適壓力、溫度和流量的氫氣時，瓶口閥和減壓閥等關鍵零部件存在失效風險，管路系統接頭存在泄漏風險。針對氫意外泄漏情況，在儲氫瓶口、乘客艙及燃料電池系統易于聚集和泄漏處均放置多個氫氣泄漏傳感器，實時監測車內的氫含量，一旦發生氫泄漏立即采取響應處置，確保乘客安全。

4. 燃料電池系統

燃料電池電堆主要存在制造商設計問題，導致運行風險和供氫純度不符合要求。同時，軟件、控制電路或保護/安全元器件的失效或加工不良或誤動作也會引起運行風險。氫燃料電池汽車的燃料電池系統可輸出300-600V的高壓電，易出現短路或電擊風險。氫燃料電池汽車發生碰撞時除可能有氫氣泄漏外，還可能發生高壓電漏電風險。針對上述問題，可以通過安全設計來提高本質安全化程度，利用系統功率電壓/電流傳感器監控過壓/流，利用溫度傳感器監控電堆冷卻液出入口溫度，利用FCU多級調節控制與診斷實現冷卻、過溫保護，利用系統絕緣檢測、冷卻液離子濃度傳感器、聯結整車HVIL回路（如空壓機、水泵、加熱器）、橙色高壓線路、金屬殼體接地等方法防止電氣高壓泄漏。

5. 儲氫材料與電氣元件

針對儲氫供氫等系統出現氫脆效應從而導致氫泄漏的問題，當下主要是通過選擇合適材料防止出現氫脆。目前，高壓儲氫瓶選擇鋁合金或合成材料，各種燃料管道以及閥件也都采用適用于氫介質的材料，如抗氫脆的不銹鋼、鋁合金材料或聚合物，并且在對儲瓶、管道及閥件的強度設計中留有足夠的安全余量，儲氫瓶的安裝及高壓氫氣連接管材質均應符合相關國家規范的安全要求。由于氫燃料電池汽車中涉及諸多電氣元件，極可能引燃意外泄漏的氫氣，燃料電池汽車的電氣元件、管路、閥體宜采用相應的防爆、防靜電、阻燃、防水材料。同時，還可利用氫系統控制器實現電氣元件短路監控，在電氣元件發生短路時，立即關閉氫系統所有電磁閥并使氫系統斷電，同時通過聲光報警提示司機短路，采取相應的安全措施。