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。

qingqizaikaifangdedaqizhong，henrongyikuaisutaoyi
，erbuxiangqiyouzhengqihuifahouzhiliuzaikongqizhongbuyishusan。yourenzuoguoshiyan，liangliangqichefenbieyongqingqiheqiyouzuoranliao
，ranhouzuoxieloudianhuoshiyan(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1fenzhong

，jiunengkuosanchengweibubaozhadeanquanhunhewu，suoyiweiliangdeqingqixielou，keyizaikongqizhonghenkuaixishichenganquandehunheqi。zheyoushiqingranliaoyidayoudian

，yinweiranliaoxielouhoubunengmashangxiaosanshizuiweixiande。youwenxianzhichuqingdekuosanxishubiqiyouda7.5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jiang3 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。

為(wei)了(le)保(bao)證(zheng)氫(qing)氣(qi)使(shi)用(yong)安(an)全(quan)，用(yong)氫(qing)場(chang)所(suo)的(de)氫(qing)氣(qi)濃(nong)度(du)檢(jian)測(ce)就(jiu)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)。現(xian)代(dai)科(ke)學(xue)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)，已(yi)經(jing)可(ke)以(yi)做(zuo)到(dao)氫(qing)氣(qi)濃(nong)度(du)快(kuai)速(su)檢(jian)測(ce)。探(tan)測(ce)器(qi)的(de)尺(chi)寸(cun)很(hen)小(xiao)，安(an)裝(zhuang)、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1937nianxingdengbaozainanfashengdeyuanyin


，guoquyibanrenweishiyouyufeitinglichongleqingeryinqide，shiderenmenduiqinganquandeyilvjiashen。danshi
，jishinianhou，meiguoyuhangjulaozigedeqingnengzhuanjiaAddison Bain為wei氫qing進jin行xing了le平ping反fan。他ta研yan究jiu當dang時shi目mu擊ji者zhe拍pai攝she的de照zhao片pian
，發fa現xian飛fei艇ting並bing沒mei有you爆bao炸zha，就jiu有you明ming顯xian可ke見jian的de火huo焰yan。事shi實shi上shang
，氫qing氣qi消xiao散san得de非fei常chang快kuai
，肯ken定ding是shi非fei氫qing物wu質zhi在zai燃ran燒shao。而er興xing登deng堡bao飛fei艇ting的de氣qi袋dai
，用yong易yi燃ran的de化hua合he物wu處chu理li過guo
，導dao電dian性xing差cha
，容rong易yi產chan生sheng靜jing電dian，且qie極ji易yi著zhe火huo。由you此ci得de出chu結jie論lun
，造zao成cheng興xing登deng堡bao飛fei艇ting慘can案an的de原yuan因yin並bing不bu是shi氫qing。人ren類lei航hang天tian史shi上shang另ling一yi個ge重zhong大da悲bei劇ju是shi1996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。