氫的安全性 （係列講座9）

一 氫氣是安全的燃料凡是燃料都具有能量，都隱藏著著火和爆炸的危險。我們很熟悉的天然氣、汽油、液化石油氣和電都是如此。根據美國交通部的資料，從1986～2003年間

，美國天然氣加注發生2406次事故，300人死亡，1364人受傷，直接財產損失約3億美元；天然氣輸送發生1467次事故，60人死亡
，232人受傷，直接財產損失約3.6億美元。同樣在1986～2003年間，美國發生過3302次汽油輸送事故
，37人死亡

，254人受傷


，直接財產損失約8.6億美元；平均每年汽油加注發生7400次事故，2人死亡，70人受傷
，直接財產損失1800萬美元。1998年美國國內發生1600多起液化石油氣(LPG)著火事故，41人死亡，260人受傷，直接財產損失約3000多萬美元。另外根據美國消防部門資料，1998年美國發生38300起因電引起的住房火災


，284人死亡，1184人受傷，直接財產損失約6.7億美元；2000年美國有400人因觸電死亡。事實上人們不會因噎廢食，也不會因為能源的事故就不做飯、不開車。隻要人們注意能源安全，就能將事故消滅在萌芽之中。氫氣作燃料並不是什麼新鮮事物。早在人們使用汽油、天然氣之前，就已經使用城市煤氣做飯、開車了。而城市煤氣中，大約50％是shi氫qing氣qi。人ren們men對dui城cheng市shi煤mei氣qi的de安an全quan並bing沒mei有you什shen麼me特te別bie的de顧gu慮lv。今jin天tian，人ren們men關guan注zhu氫qing的de安an全quan，表biao明ming對dui氫qing更geng加jia重zhong視shi。任ren何he燃ran料liao的de安an全quan性xing都dou與yu其qi本ben身shen的de性xing質zhi密mi切qie相xiang關guan。由you於yu氫qing的de特te殊shu性xing質zhi，使shi得de氫qing的de安an全quan有you不bu少shao特te點dian。然ran而er和he其qi他ta燃ran料liao相xiang比bi，氫qing氣qi是shi一yi種zhong安an全quan性xing比bi較jiao高gao的de氣qi體ti。氫qing氣qi無wu毒du，不bu像xiang有you的de燃ran料liao毒du性xing很hen大da，如ru甲jia醇chun就jiu很hen危wei險xian。據ju報bao2000年11月，肯尼亞內羅畢郊區曾發生過添加甲醇的私釀酒一次導致140多人死亡的重大事件。

氫qing氣qi在zai開kai放fang的de大da氣qi中zhong，很hen容rong易yi快kuai速su逃tao逸yi
，而er不bu像xiang汽qi油you蒸zheng汽qi揮hui發fa後hou滯zhi留liu在zai空kong氣qi中zhong不bu易yi疏shu散san。有you人ren做zuo過guo試shi驗yan

，兩liang輛liang汽qi車che分fen別bie用yong氫qing氣qi和he汽qi油you作zuo燃ran料liao，然ran後hou作zuo泄xie漏lou點dian火huo試shi驗yan(見圖1)。可見，點火3秒鍾後，高壓氫氣產生的火焰直噴上方。而汽油由於比空氣重，則從汽車的下部著火。到1分鍾時，氫氣作燃料的汽車隻有漏出的氫氣在燃燒，氫氣汽車沒有大問題；而汽油車則早巳成為一個大火球，完全燒光。這說明了氫氣汽車要比我們現在普遍使用的汽油車安全得多。

圖1 氫氣汽車和汽油汽車的燃燒對比實驗

（照片來源：美國邁阿密大學Swain博士）

由於氫焰的輻射率小，隻有汽油、kongqihuoyanfushelvdeshifenzhiyi，yinciqingqihuoyanzhouweidewendubingbugao。youwenzhangzhichu，zaileisishangmiandeshiyanzhong
，qingqizaihoubeixiangweizhiranshao，erqichehoubolianranwuyang，chuangneiwenduhaibudao20℃。氫qing氣qi燃ran燒shao不bu冒mao煙yan
，生sheng成cheng水shui，不bu會hui汙wu染ran環huan境jing。氫qing也ye有you對dui安an全quan不bu利li的de特te點dian。例li如ru氫qing著zhe火huo點dian能neng量liang很hen小xiao
，使shi氫qing不bu論lun在zai空kong氣qi中zhong或huo者zhe氧yang氣qi中zhong，都dou很hen容rong易yi點dian燃ran。根gen據ju文wen獻xian的de報bao導dao，在zai空kong氣qi中zhong氫qing的de最zui小xiao著zhe火huo能neng量liang僅jin為wei0.019mJ，在氧氣中的最小著火能量更小，僅為0.007mJ。如(ru)果(guo)用(yong)靜(jing)電(dian)計(ji)測(ce)量(liang)化(hua)纖(xian)上(shang)衣(yi)摩(mo)擦(ca)而(er)產(chan)生(sheng)的(de)放(fang)電(dian)能(neng)量(liang)，該(gai)能(neng)量(liang)可(ke)以(yi)比(bi)氫(qing)和(he)空(kong)氣(qi)混(hun)合(he)物(wu)的(de)最(zui)小(xiao)著(zhe)火(huo)能(neng)量(liang)還(hai)大(da)好(hao)幾(ji)倍(bei)，這(zhe)足(zu)以(yi)說(shuo)明(ming)氫(qing)的(de)易(yi)燃(ran)性(xing)。氫(qing)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)危(wei)險(xian)性(xing)是(shi)它(ta)和(he)空(kong)氣(qi)混(hun)合(he)後(hou)的(de)燃(ran)燒(shao)濃(nong)度(du)極(ji)限(xian)的(de)範(fan)圍(wei)很(hen)寬(kuan)
，按(an)體(ti)積(ji)比(bi)計(ji)算(suan)其(qi)範(fan)圍(wei)為(wei)4％～75％，yincibunengyinweiqingdekuosannenglihendaerduiqingdebaozhaweixianfangsongjingti。qingqibaozhafanweikuan，qibaonengliangdi，danbingbuyiweizheqingqibiqitaqitigengweixian。youyukongqizhongkeranxingqitidejileibidingcongdinongdukaishi，yinci，jiuanquanxinglaijiang，baozhaxiaxiannongdubibaozhashangxiannongdugengzhongyao。bingwandebaozhaxiaxiannongdujiubiqingqidi，yinci
，bingwanbiqingqigengweixian。

氫火焰是無色的，白天肉眼幾乎看不到，夜裏可以看見。圖2為(wei)美(mei)國(guo)航(hang)天(tian)飛(fei)機(ji)的(de)發(fa)射(she)情(qing)況(kuang)。圖(tu)中(zhong)右(you)側(ce)藍(lan)色(se)圓(yuan)圈(quan)內(nei)是(shi)氫(qing)火(huo)焰(yan)，左(zuo)邊(bian)紅(hong)色(se)箭(jian)頭(tou)指(zhi)的(de)則(ze)是(shi)碳(tan)氫(qing)燃(ran)料(liao)的(de)火(huo)焰(yan)。所(suo)以(yi)
，在(zai)白(bai)天(tian)要(yao)小(xiao)心(xin)氫(qing)火(huo)焰(yan)灼(zhuo)傷(shang)人(ren)體(ti)。

圖2：航天飛機升空時尾部火焰的顏色

氫的粘度最小
，所以它具有最大的泄漏速率。但氫還具有另外一個特性，即極易擴散。氫的擴散係數比空氣大3.8倍，若將2.25m 液氫傾瀉在地麵，僅需1分(fen)鍾(zhong)
，就(jiu)能(neng)擴(kuo)散(san)成(cheng)為(wei)不(bu)爆(bao)炸(zha)的(de)安(an)全(quan)混(hun)合(he)物(wu)，所(suo)以(yi)微(wei)量(liang)的(de)氫(qing)氣(qi)泄(xie)漏(lou)
，可(ke)以(yi)在(zai)空(kong)氣(qi)中(zhong)很(hen)快(kuai)稀(xi)釋(shi)成(cheng)安(an)全(quan)的(de)混(hun)合(he)氣(qi)。這(zhe)又(you)是(shi)氫(qing)燃(ran)料(liao)一(yi)大(da)優(you)點(dian)
，因(yin)為(wei)燃(ran)料(liao)泄(xie)漏(lou)後(hou)不(bu)能(neng)馬(ma)上(shang)消(xiao)散(san)是(shi)最(zui)危(wei)險(xian)的(de)。有(you)文(wen)獻(xian)指(zhi)出(chu)氫(qing)的(de)擴(kuo)散(san)係(xi)數(shu)比(bi)汽(qi)油(you)大(da)7.5倍(bei)，由(you)此(ci)可(ke)以(yi)證(zheng)明(ming)文(wen)獻(xian)中(zhong)說(shuo)氫(qing)比(bi)汽(qi)油(you)安(an)全(quan)是(shi)有(you)根(gen)據(ju)的(de)。氫(qing)氣(qi)的(de)比(bi)重(zhong)小(xiao)，易(yi)向(xiang)上(shang)逃(tao)逸(yi)，這(zhe)使(shi)得(de)事(shi)故(gu)時(shi)氫(qing)氣(qi)的(de)影(ying)響(xiang)範(fan)圍(wei)要(yao)小(xiao)得(de)多(duo)。和(he)其(qi)他(ta)液(ye)化(hua)的(de)氣(qi)體(ti)燃(ran)料(liao)相(xiang)比(bi)


，液(ye)氫(qing)揮(hui)發(fa)快(kuai)
，有(you)利(li)於(yu)安(an)全(quan)。有(you)人(ren)曾(zeng)做(zuo)過(guo)試(shi)驗(yan)
，將(jiang)3 m 的液氫
、甲烷和丙烷分別濺到地麵上並蒸發
，在相同的條件下
，丙烷、甲烷和氫的影響範圍分別為13500、5000和1000m 。kejianyeqingdeyingxiangfanweizuixiao，dayueshibingwandeshisanfenzhiyi
，jiawandewufenzhiyi。yejiushuomingyeqingdeanquanxingyaobibingwanhejiawanhao。dangran，yeqingdewendubiyedandideduo，xuyaofangzhidongshang。

weilebaozhengqingqishiyonganquan
，yongqingchangsuodeqingqinongdujiancejiufeichangzhongyao。xiandaikexuejishudefazhan，yijingkeyizuodaoqingqinongdukuaisujiance。tanceqidechicunhenxiao，anzhuang
、使用都很方便。圖3shimeiguomougongsidediyidaichanpinhedierdaichanpin。zaihenduandeshijiannei，qingqitanceqikeyijiangqingqinongdudexinxichuansongdaozhongyangchuliqi
，dangdadaoweixiannongdushi
，jiuzidongbaojingbingcaiquxiangyingdecuoshi，quebaoanquan。

圖3 新型氫氣濃度探測器外型

二 遵守安全使用規則
，氫氣很安全國內外大量的使用氫的實踐經驗表明：氫有著不安全的使用記錄。表1為美國1967～1977年十年中的工業用氫事故進行的統計分析，把收集到的145起事故原因分成以下7類：

表1：工業界氫事故

上述事故還必須和著火補充條件相結合才能釀成災禍。這兩個著火補充條件就是：(1)要有火源(包括：熱點火源和電的點火源，其中也包括靜電和氣體摩擦、衝波等等)；(2)氫(qing)氣(qi)跟(gen)空(kong)氣(qi)或(huo)氧(yang)氣(qi)的(de)混(hun)合(he)物(wu)濃(nong)度(du)有(you)一(yi)定(ding)要(yao)求(qiu)，過(guo)高(gao)或(huo)過(guo)低(di)都(dou)不(bu)行(xing)。缺(que)此(ci)兩(liang)個(ge)條(tiao)件(jian)
，仍(reng)不(bu)會(hui)造(zao)成(cheng)事(shi)故(gu)。在(zai)這(zhe)些(xie)統(tong)計(ji)的(de)工(gong)業(ye)事(shi)故(gu)中(zhong)，氫(qing)隻(zhi)是(shi)作(zuo)為(wei)石(shi)油(you)精(jing)煉(lian)
、氯(lv)堿(jian)工(gong)業(ye)或(huo)核(he)電(dian)廠(chang)中(zhong)的(de)副(fu)產(chan)品(pin)或(huo)廢(fei)氣(qi)來(lai)對(dui)待(dai)
，並(bing)未(wei)真(zhen)正(zheng)涉(she)及(ji)到(dao)它(ta)在(zai)氫(qing)能(neng)領(ling)域(yu)中(zhong)的(de)使(shi)用(yong)。實(shi)際(ji)上(shang)，通(tong)過(guo)嚴(yan)格(ge)的(de)管(guan)理(li)和(he)認(ren)真(zhen)的(de)執(zhi)行(xing)安(an)全(quan)操(cao)作(zuo)規(gui)程(cheng)，其(qi)中(zhong)絕(jue)大(da)部(bu)分(fen)的(de)事(shi)故(gu)都(dou)是(shi)可(ke)以(yi)消(xiao)除(chu)的(de)。三(san) 曆史上最著名的“氫氣冤案”興登堡(Hindenburg)飛艇是20世shi紀ji德de國guo人ren為wei洲zhou際ji旅lv行xing設she計ji的de大da型xing裝zhuang載zai工gong具ju。興xing登deng堡bao飛fei艇ting原yuan是shi按an氦hai氣qi作zuo升sheng降jiang工gong質zhi而er設she計ji的de，該gai飛fei艇ting已yi成cheng功gong地di完wan成cheng了le歐ou洲zhou到dao美mei國guo的de十shi餘yu次ci往wang返fan飛fei行xing，由you於yu德de國guo人ren當dang時shi不bu可ke能neng從cong美mei國guo得de到dao大da量liang的de氦hai
，所suo以yi不bu得de不bu改gai用yong氫qing作zuo工gong質zhi。1937年5月6日的興登堡飛艇改用氫的首次飛行
，計劃在美國新澤西州的萊赫斯特(Lakehurst)海軍機場著陸，當飛艇到達該機場的前一小時，機場地區下了一場大的雷陣雨，大氣中還存在靜電較高的氣層。

由於飛艇降落時必須放出一部分氫氣，而排氫時最容易產生靜電發火效應，因而發生了大火災，造成35人死亡
，65renxingcun。qingqishijueduibunengzuofeitinggongzhide，yinqingqiliudongbenshenjiuhuichanshenghengaodejingdianweierfahuo，jishilaikehesitejichangbuxialeiyu
，yeshiyizhongweifananquanshiyongtiaolidehuodong。tu4是當時正好在現場的攝影記者拍攝的興登堡號飛艇著火瞬間。

圖4 興登堡號飛艇著火瞬間

關於1937年(nian)興(xing)登(deng)堡(bao)災(zai)難(nan)發(fa)生(sheng)的(de)原(yuan)因(yin)，過(guo)去(qu)一(yi)般(ban)認(ren)為(wei)是(shi)由(you)於(yu)飛(fei)艇(ting)裏(li)充(chong)了(le)氫(qing)而(er)引(yin)起(qi)的(de)
，使(shi)得(de)人(ren)們(men)對(dui)氫(qing)安(an)全(quan)的(de)疑(yi)慮(lv)加(jia)深(shen)。但(dan)是(shi)，幾(ji)十(shi)年(nian)後(hou)，美(mei)國(guo)宇(yu)航(hang)局(ju)老(lao)資(zi)格(ge)的(de)氫(qing)能(neng)專(zhuan)家(jia)Addison Bainweiqingjinxinglepingfan。tayanjiudangshimujizhepaishedezhaopian，faxianfeitingbingmeiyoubaozha
，jiuyoumingxiankejiandehuoyan。shishishang，qingqixiaosandefeichangkuai，kendingshifeiqingwuzhizairanshao。erxingdengbaofeitingdeqidai，yongyirandehuahewuchuliguo，daodianxingcha
，rongyichanshengjingdian，qiejiyizhehuo。youcidechujielun，zaochengxingdengbaofeitingcanandeyuanyinbingbushiqing。renleihangtianshishanglingyigezhongdabeijushi1996年1月28日11點38分美國挑戰者號航天飛機起飛73秒miao後hou的de爆bao炸zha。已yi經jing查zha明ming原yuan因yin是shi由you於yu固gu態tai燃ran料liao助zhu推tui火huo箭jian上shang的de密mi封feng圈quan失shi效xiao
，首shou先xian在zai助zhu推tui火huo箭jian側ce麵mian產chan生sheng火huo苗miao
，破po壞huai了le主zhu燃ran料liao箱xiang供gong應ying管guan路lu，引yin起qi燃ran料liao泄xie漏lou和he著zhe火huo
，同tong時shi也ye使shi其qi他ta燃ran料liao箱xiang中zhong燃ran料liao著zhe火huo，最zui終zhong導dao致zhi事shi故gu發fa生sheng。此ci時shi，因yin為wei使shi用yong任ren何he燃ran料liao都dou會hui出chu事shi故gu。因yin此ci，人ren們men並bing沒mei有you將jiang該gai事shi故gu歸gui罪zui於yu氫qing。四si 重視氫氣安全是好事任何新燃料的更替，都會遭到懷疑
，甚至反對。當年汽油剛出現時，就是如此
，一直吵到美國國會。根據1875年美國國會記錄
，“波士頓的工程師製造出汽油，用在發動機活塞筒內汽油爆炸的方式代替燃料在鍋爐裏燃燒。所以
，危險是顯而易見的”。今jin天tian，科ke學xue和he實shi踐jian都dou證zheng明ming了le當dang年nian美mei國guo國guo會hui記ji錄lu的de無wu知zhi。現xian在zai，當dang氫qing氣qi作zuo為wei汽qi油you的de替ti代dai燃ran料liao遇yu到dao同tong樣yang的de質zhi疑yi，毫hao不bu奇qi怪guai。不bu過guo這zhe回hui，美mei國guo能neng源yuan部bu說shuo話hua了le：“可以安全地生產、儲存和輸送氫氣”。美國宇航局也表態：“航天部門處理氫的經驗表明
，氫發生事故的機率很小”。

總之，氫氣是一種安全性較高的燃料，國內外長期的氫氣操作經驗告訴我們，隻要嚴格遵守規定，不會發生氫氣安全事故。