氫能安全實驗室擔當氫能安全應急管理戰略支撐力量

編者按：青島安全工程研究院建設的氫能安全實驗室，近期被納入應急管理部重點實驗室運行序列。實驗室以滿足我國氫能產業安全發展和安全監管面臨的重大科技需求為牽引，聚焦氫致材料及設備失效機制、氫泄漏燃爆致災規律等問題與難點，全力支撐應急管理部氫能產業安全監管。在全國安全生產月期間，本版聚焦氫能安全推出專題，敬請關注。

前不久，應急管理部重點實驗室新增掛牌名單公布，依托青島安全工程研究院（以下簡稱：安工院）建設的氫能安全實驗室位列其中。

安工院新能源安全裝備研發測試基地。

氫能安全實驗室以滿足我國氫能產業安全發展和安全監管面臨的重大科技需求為牽引，聚焦氫致材料及設備失效機制、氫泄漏燃爆致災規律等問題與難點，圍繞氫能產業鏈安全風險評估、高壓臨氫材料及裝備安全、氫泄漏感知及燃爆防護、氫能安全標準體系構建等方面開展系統研究，著力構建氫能產業本質安全、風險系統防控、智能化管控技術支撐體系，打造我國氫能安全創新中心、戰略咨詢與政策規制研究智庫、高端科技人才培養基地及氫安全標準供給基地，擔當氫能安全應急管理戰略支撐力量。

打造氫能安全科研創新平臺

與甲烷、汽油等傳統能源相比，氫能安全風險主要體現在兩個方面：一是因氫氣本身的屬性所引發的安全風險。氫分子小且無色無味，容易發生泄漏且難以察覺，同時最小點火能低、燃燒/爆炸濃度范圍寬，泄漏積聚后易引發燃爆風險。二是氫致材料及部件損傷問題。高壓臨氫設施長期服役于高壓、高純氫環境中，易產生金屬材料氫脆、非金屬材料溶脹開裂及部件疲勞失效等現象，特別是我國當前缺乏針對關鍵零部件質量可靠性的測試平臺及方法標準，難以實現全生命周期的風險管控。

針對上述安全風險，基于保護層安全防護理念，氫能安全實驗室提出“不泄漏、早發現、不積聚、防燃爆”的氫能安全四原則，布局“氫能安全風險評估技術”“臨氫材料及裝備安全”“氫能安全防護技術”“氫能安全標準體系構建”4個研究方向，在應急管理部及集團公司的大力支持下，持續推動氫能安全研究平臺建設。

針對高壓氫用金屬/非金屬材料氫損傷機理研究不足、國內零部件安全測試平臺缺乏的問題，自主設計建成0~140兆帕、-50~150攝氏度高壓臨氫材料與零部件測試平臺，有力支撐材料及部件高壓氫損傷機理及國產化研究；針對高壓氫泄漏泄放自燃機理不明、氫氣云爆炸后果實測數據缺失等問題，建立高壓氫泄漏-擴散-自燃-噴射火-云爆炸全過程實驗裝備，形成從微觀到宏觀真實尺度高壓氫泄漏噴射及燃爆實驗能力，支撐高壓氫泄漏泄放自燃機理及燃爆毀傷后果等基礎研究；針對氫敏功能材料可控制備及微納結構表征技術開發需求，搭建先進的氫敏功能材料分析測試平臺，實現對氫敏納米材料微觀結構、顆粒聚集狀態、表面形貌等高分辨率、高精度分析測試，指導高性能氫敏功能材料開發；針對管道內氫氣燃爆發展機理及阻火測試的研究需求，建設國內最大DN1000氫氣爆燃/爆轟測試實驗及研發平臺，支撐大尺度氫氣爆燃、爆轟機理研究及防控技術開發。

依托高壓氫安全實驗平臺，實驗室牽頭承擔國家重點研發計劃“政府間國際科技創新合作”重點專項“氫能工廠和車輛應用過程中氫氣釋放擴散研究及安全標準規范構建”，聚焦氫能產業安全發展重大科技需求，開展制氫工廠、加氫站等典型場景下氫氣泄漏擴散行為特征與事故鏈演化規律研究，旨在明確氫氣釋放擴散的安全限值與防護要求，開發新型系統化防護技術并指導相關安全標準制修訂。

在應急管理部及集團公司指導下，實驗室依托安工院組織召開氫能安全學術交流研討會，來自行業內15家國內外知名高校、氫能安全研究機構及氫能產業鏈企業的70余位專家學者受邀參加會議。會議聚焦“雙碳”背景下氫能產業高質量發展面臨的安全挑戰與難題，深入探討氫能安全領域“卡脖子”關鍵科學問題和技術難點，共享前沿技術和創新成果，為氫能產業高質量發展積極建言獻策。

依托氫能安全重點實驗室等創新平臺，安工院建立“氫能安全研究機構協同支撐工作機制”，積極組織氫能安全科研機構、企事業單位、社會組織等開展交流協作，構建開放合作的創新生態，形成產學研用一體化創新平臺，更好地推進氫能安全前沿基礎理論研究，推動先進氫能安全防護及應急技術研發應用，重點聚焦氫能安全風險評估技術、臨氫材料及裝備安全技術、氫能安全防護技術及氫能安全標準體系構建。

開展氫能安全風險評估技術研究

為研究真實場景下的氫氣燃爆行為，圍繞氫能安全風險評估，實驗室在國內率先開展了針對加氫站加注單元、壓縮單元等真實尺度氫氣燃爆實驗，揭示了氫氣燃爆火焰和超壓的時空演變規律，闡明火焰失穩傳播導致超壓增強的作用機制，為高壓臨氫裝置的安全布局及抗爆設計提供依據；針對高壓臨氫場景不同壓力等級泄放裝置自燃規律不明的問題，首次開展140兆帕高壓氫氣泄放自燃實驗，研究經爆破片、安全閥泄放后，高壓氫氣的激波、自燃及噴射火自持行為，為高壓氫氣泄放安全設計提供理論指導和數據支撐；為探明高壓氫氣噴射進入不同約束環境后的自燃行為，開展氫氣泄漏壓力高至30兆帕及多種不同約束條件下的高壓氫氣泄漏自燃實驗，為高壓氫泄漏風險管控及臨氫設備設施安全布局提供指導；聚焦我國氫能全產業鏈安全監管，制定氫能設施多源數據融合及傳輸標準規范，研發氫能風險感知、量化評估及分級預警技術，創建全國氫能安全風險監測預警與分級管控技術平臺，建立氫能安全大數據中心，支撐構建應急管理部-省-市-縣-企業氫能安全監管分級體系。

開展臨氫材料及裝備安全研究

聚焦臨氫材料與裝備安全，針對氫氣管道氫脆失效問題，開展典型管材及焊接接頭氫脆敏感性及失效機理研究，明確氫氣管道焊接接頭應力分布及氫擴散、氫富集規律，提出控制局部氫富集方案，開發輸氫管道氫脆防控技術；針對高壓儲氫容器在線監測技術不完善的問題，揭示氫-疲勞耦合作用下材料損傷演化規律并開發剩余壽命評估技術，開展儲氫容器早期損傷聲學監測，建立健康監測預警系統并完成現場應用，助力高壓儲氫容器安全長周期運行；針對加氫站常用氫氣閥門、加氫軟管和卸氫軟管等高壓臨氫零部件質量可靠性問題，利用測試平臺參照相關標準開展真實服役工況的測試驗證，包括耐壓性、靜水壓強度、氫氣氣密性及氫循環耐久性，獲取零部件/設備關鍵失效數據，建立高壓臨氫零部件/設備全生命周期可靠性數據庫和安全指標體系，為加氫站高可靠性設備選型、本質安全化研發提供有力支撐。

開展氫能安全防護技術研究及標準體系構建

針對氫能安全防護技術，為解決臨氫設施泄漏位點多、現有技術探測覆蓋率低、無法快速定位的問題，實驗室研發室溫低功耗、高靈敏度電學氫敏傳感材料與室溫快速響應、高對比度光學氫敏變色材料，通過器件集成與柔性成型，形成光-電協同氫氣泄漏檢測技術，室溫下1秒快速響應，檢測覆蓋率>95%，已在20余處臨氫場景現場示范應用；針對現有波紋板式氫氣阻火器阻火性能差、壓降大、阻火單元易堵塞等問題，開發基于爆轟誘導消減技術的顆粒型氫氣爆轟阻火器，阻火等級IIC，阻火速度＞2000米/秒；針對氫氣燃爆反應速度快、升壓快的風險及現有氣相燃爆防護材料與結構重量大、施工難、周期長等特點，開發多元復合輕質化抗爆材料，建立多元載荷工程化防護設計模型和折疊型快速裝配抗爆工程結構，為氫能發展提供安全保障和技術支持。

圍繞氫能安全標準體系，向應急管理部、國務院國資委等部門提交氫能產業安全咨詢報告，為我國《氫能產業發展中長期規劃》《氫能產業標準體系建設指南（2023版）》《中國氫能發展技術路線圖》編制提供支撐，為產業頂層設計發揮重要作用；參與編制氫能相關國家、行業標準等14項；針對泄漏燃爆防護、氫能設備安全等開展標準研究，完成5項氫能安全國家標準草案編制并通過標委會審查，推動成立氫能安全標準化分技術委員會。

聚焦產業強根基，瞄準前沿開新篇

近年來，我國氫能產業步入快速發展期，除了制氫工廠、供氫母站、加氫站等氫能場景，大規模綠電制氫、加氫站/供氫母站站內制氫（甲醇、氨等）、摻氫天然氣管道輸送、液氫儲運等多種新型場景不斷涌現。對這些新業態的積極探索及示范應用，一方面加速了我國氫能產業技術迭代和產業升級，另一方面也帶來諸多新的挑戰，如安全風險辨識不清、安全防護技術較為缺乏、安全標準體系不夠健全等問題，亟待開展系統的氫能安全基礎研究和安全防護技術研發。

針對氫能產業發展過程中面臨的新的安全風險，實驗室將持續開展科研裝備平臺建設，圍繞氫能新場景下的安全風險識別、臨氫設備可靠性運行、氫能安全防護技術裝備等開展科研攻關，特別是深入強化氫能安全前瞻性基礎研究及應急實戰技術開發，明晰不同應用場景下氫泄漏擴散燃爆致災機理，形成氫氣早期泄漏檢測定位、氫氣燃爆抑制等應急處置技術裝備，推進氫能產業科技進步及應急管理體系完善，服務我國氫能產業安全發展。

為推動構建我國氫能安全研究生態圈，依托氫能安全研究機構協同支撐工作機制，通過召開氫能安全學術交流研討會等方式，實驗室研究提出氫能安全國家級項目指南，集聚國內優勢力量開展集中攻關，提升對氫能產業的安全認知及風險防控水平；強化與國際領先氫能安全研究機構合作創建氫能安全創新平臺，開展技術交流與氫能安全國際合作，共同推進全球氫能產業安全高質量發展；積極開展氫能安全標準制修訂、國內外氫能安全監管制度跟蹤、涉氫事故總結分析等工作，全力支撐應急管理部氫能產業安全監管及我國氫能產業鏈安全發展。

產業鏈創新鏈深度融合 推動氫能產業健康發展

嘉賓：中國石化發展計劃部 氫能項目室經理 李家強

問：在推動氫能產業高質量發展方面，中國石化有哪些布局和規劃？

答：中國石化將氫能作為新能源業務發展的核心，以打造“中國第一氫能公司”為目標，積極布局燃料電池氫供應中心，同時加快綠氫煉化示范工程布局和建設。雖然通過示范實踐證明了氫能利用安全性整體可控，但目前仍面臨許多挑戰，如氫能應用場景有待豐富，裝備技術自主化、國產化水平有待提高，風光制氫項目綠電并網及利用政策有待突破，綠氫碳足跡管理體系有待完善，綠氫綠色價值屬性有待轉化，綠氫成本競爭力有待提高等問題需進一步解決。下一步，中國石化將按照“加氫引領、綠氫示范、雙輪驅動、助力減碳”的思路，聚焦氫能交通、綠氫煉化兩大領域，大力發展氫能一體化業務，推動我國氫能產業高質量發展。

嘉賓：德國卡爾斯魯厄理工學院 教授 肖建軍

問：當前歐洲氫能有哪些戰略布局？中德兩國在氫能安全領域開展了哪些合作？

答：氫安全對于全球氫能產業健康有序發展至關重要。近年來，歐盟高度重視氫能發展，出臺了《歐盟氫能戰略》，將綠氫視為交通、運輸、化工、冶煉等行業低碳轉型的終極方案，提出構建歐洲可再生氫能生態系統的戰略目標，相關國家基于歐盟清潔氫能伙伴關系平臺在氫安全研究領域積極開展合作研究。國際交流合作對提高氫安全整體研究水平具有積極推動作用，中德兩國的合作提供了很好的范例，德國卡爾斯魯厄理工學院與中國石化安全工程研究院合作申報了政府間科技創新合作項目，開展制氫工廠、加氫站等典型場景下氫氣泄漏擴散行為特征與事故鏈演化規律研究，旨在明確氫氣釋放擴散的安全限值與防護要求，開發新型系統化防護技術并指導相關安全標準的制修訂。

嘉賓：南京工業大學 教授 潘旭海

問：在高壓儲氫泄漏事故演化規律等方面有哪些研究進展？

答：為防范高壓儲氫裝備事故風險，需要開展氫泄漏、燃爆、噴射火等相關事故演化規律、預防技術及應急處置技術等方面的研究。隨著氫能產業規模快速擴大，臨氫設備設施基數增加將導致事故發生概率增大，制氫、儲能設備等大型項目設備組合后的多米諾效應值得警惕。我們針對高壓氫氣自燃機理、臨界條件及氫氣泄漏、傳播及火焰發展和爆炸等過程開展了實驗研究，并基于氫能燃爆事故動力學模型，模擬了燃燒形成后的爆炸超壓發展規律，揭示火焰前沿與射流前沿相對運動規律及其與爆炸超壓峰值的關聯性。根據相關研究結果，開發能夠防止自燃演變成噴射式火災和爆炸的安全裝置，以減少事故造成的損失，這為高壓儲氫系統的事故風險評估提供了理論依據。