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(bao)2000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、空(kong)氣(qi)火(huo)焰(yan)輻(fu)射(she)率(lv)的(de)十(shi)分(fen)之(zhi)一(yi)，因(yin)此(ci)氫(qing)氣(qi)火(huo)焰(yan)周(zhou)圍(wei)的(de)溫(wen)度(du)並(bing)不(bu)高(gao)。有(you)文(wen)章(zhang)指(zhi)出(chu)，在(zai)類(lei)似(si)上(shang)麵(mian)的(de)試(shi)驗(yan)中(zhong)，氫(qing)氣(qi)在(zai)後(hou)背(bei)箱(xiang)位(wei)置(zhi)燃(ran)燒(shao)，而(er)汽(qi)車(che)後(hou)玻(bo)璃(li)安(an)然(ran)無(wu)恙(yang)，窗(chuang)內(nei)溫(wen)度(du)還(hai)不(bu)到(dao)20℃。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wei4％～75％，因(yin)此(ci)不(bu)能(neng)因(yin)為(wei)氫(qing)的(de)擴(kuo)散(san)能(neng)力(li)很(hen)大(da)而(er)對(dui)氫(qing)的(de)爆(bao)炸(zha)危(wei)險(xian)放(fang)鬆(song)警(jing)惕(ti)。氫(qing)氣(qi)爆(bao)炸(zha)範(fan)圍(wei)寬(kuan)，起(qi)爆(bao)能(neng)量(liang)低(di)，但(dan)並(bing)不(bu)意(yi)味(wei)著(zhe)氫(qing)氣(qi)比(bi)其(qi)他(ta)氣(qi)體(ti)更(geng)危(wei)險(xian)。由(you)於(yu)空(kong)氣(qi)中(zhong)可(ke)燃(ran)性(xing)氣(qi)體(ti)的(de)積(ji)累(lei)必(bi)定(ding)從(cong)低(di)濃(nong)度(du)開(kai)始(shi)，因(yin)此(ci)，就(jiu)安(an)全(quan)性(xing)來(lai)講(jiang)
，爆(bao)炸(zha)下(xia)限(xian)濃(nong)度(du)比(bi)爆(bao)炸(zha)上(shang)限(xian)濃(nong)度(du)更(geng)重(zhong)要(yao)。丙(bing)烷(wan)的(de)爆(bao)炸(zha)下(xia)限(xian)濃(nong)度(du)就(jiu)比(bi)氫(qing)氣(qi)低(di)，因(yin)此(ci)
，丙(bing)烷(wan)比(bi)氫(qing)氣(qi)更(geng)危(wei)險(xian)。

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 。可(ke)見(jian)液(ye)氫(qing)的(de)影(ying)響(xiang)範(fan)圍(wei)最(zui)小(xiao)，大(da)約(yue)是(shi)丙(bing)烷(wan)的(de)十(shi)三(san)分(fen)之(zhi)一(yi)，甲(jia)烷(wan)的(de)五(wu)分(fen)之(zhi)一(yi)。也(ye)就(jiu)說(shuo)明(ming)液(ye)氫(qing)的(de)安(an)全(quan)性(xing)要(yao)比(bi)丙(bing)烷(wan)和(he)甲(jia)烷(wan)好(hao)。當(dang)然(ran)，液(ye)氫(qing)的(de)溫(wen)度(du)比(bi)液(ye)氮(dan)低(di)得(de)多(duo)，需(xu)要(yao)防(fang)止(zhi)凍(dong)傷(shang)。

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)qingqigenkongqihuoyangqidehunhewunongduyouyidingyaoqiu，guogaohuoguodidoubuxing。quecilianggetiaojian，rengbuhuizaochengshigu。zaizhexietongjidegongyeshiguzhong，qingzhishizuoweishiyoujinglian

、lvjiangongyehuohedianchangzhongdefuchanpinhuofeiqilaiduidai，bingweizhenzhengshejidaotazaiqingnenglingyuzhongdeshiyong。shijishang
，tongguoyangedeguanliherenzhendezhixinganquancaozuoguicheng，qizhongjuedabufendeshigudoushikeyixiaochude。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，65人ren幸xing存cun。氫qing氣qi是shi絕jue對dui不bu能neng作zuo飛fei艇ting工gong質zhi的de

，因yin氫qing氣qi流liu動dong本ben身shen就jiu會hui產chan生sheng很hen高gao的de靜jing電dian位wei而er發fa火huo，即ji使shi萊lai克ke赫he斯si特te機ji場chang不bu下xia雷lei雨yu，也ye是shi一yi種zhong違wei反fan安an全quan使shi用yong條tiao例li的de活huo動dong。圖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73miaohoudebaozha。yijingzhamingyuanyinshiyouyugutairanliaozhutuihuojianshangdemifengquanshixiao，shouxianzaizhutuihuojiancemianchanshenghuomiao，pohuailezhuranliaoxianggongyingguanlu，yinqiranliaoxielouhezhehuo
，tongshiyeshiqitaranliaoxiangzhongranliaozhehuo，zuizhongdaozhishigufasheng。cishi，yinweishiyongrenheranliaodouhuichushigu。yinci
，renmenbingmeiyoujianggaishiguguizuiyuqing。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。