氢能源强势崛起与灭火防护

氢能源正在强势崛起，而氢能利用安全性问题日益凸显，加紧氢气火灾机理的研究、加快灭火药剂和器材装备的开发，已经摆在世人尤其是消防科研机构、消防产品制造企业和消防指战员面前。

一、氢能源强势崛起

氢产业已经站上风口。化石能源制氢是我国主要制氢来源，占比六成以上，但其存在高碳排放量的“灰氢难题”。伴随清洁能源产业快速发展，电解水制“绿氢”迎来曙光。

  （一）政策鼎力支持

  中国石化董事长马永生告知，公司将氢能作为新能源核心业务加速发展，未来五年初步计划总投资超过300亿元。“十四五”期间，中国石化规划建设加氢站1000座，加氢服务能力达到20万吨/年。中国石化拥有3万座加油站，拥有发展氢能业务的网络优势。

   政策推动充电、加氢等设施建设，引导鼓励氢燃料电池产业发展。同时，为深入打好污染防治攻坚战，将实施清洁柴油车（机）行动，推动氢燃料电池汽车示范应用，有序推广清洁能源汽车。

   交通运输部印发《综合运输服务“十四五”发展规划》，提出加快充换电、加氢等基础设施规划布局和建设。北京、山东等地纷纷出台氢能产业发展规划及实施方案，并制定了具体建设目标。根据《北京市氢能产业发展实施方案（2021-2025年）》，2025年前培育10家至15家具有国际影响力的产业链龙头企业，京津冀区域累计实现氢能产业链产业规模1000亿元以上。

   中国氢能联盟数据显示，到2025年我国氢能产业产值将达1万亿元，氢气需求量将接近6000万吨，实现二氧化碳减排约7亿吨。

氢能被认为是极具发展前景的二次能源，具有清洁低碳、高热值、高转化率等优势。发展氢能对于能源领域节能减排、深度脱碳、提高利用效率意义重大。氢能产业链涉及广泛，包含上游制氢、中游储运及下游应用等环节。

  （二）发展“绿氢”成共识

2022年8月26日早间，上海发改委等部门联合印发《关于支持中国(上海)自由贸易试验区临港新片区氢能产业高质量发展的若干政策》的通知。通知中提到，支持氢燃料电池汽车产业链重点企业和项目在临港新片区布局，推进在符合条件的特定区域探索开展一定规模的光伏发电制氢、风电制氢等“绿氢”示范，稳妥布局氢燃料电池分布式热电联供设施等多个重点支持方向。

在宝丰能源光伏制氢工厂，标有“绿氢H2”“绿氧O2”的大型储气罐在阳光下矗立，车间里多个氢分离器、氢气纯化装置有序排列，而距离工厂1公里的地方一片片光伏发电板镶嵌在旷野里。

   宝丰能源氢能项目负责人王箕荣告知，成片的光伏发电板组成20万千瓦光伏发电装置，加上产能为每小时2万标方氢气的电解水制氢装置，共同组成宝丰能源氢能产业项目。

   以光伏产生的电能作为动力，使用电解槽制取“绿氢”和“绿氧”，进入宝丰能源的烯烃生产系统，替代过去的煤。“绿氢”综合制造成本仅为0.7元/标方。该项目已经有30台电解槽投产，全部投产后可年产2.4亿标方“绿氢”和1.2亿标方“绿氧”，每年减少煤炭资源消耗约38万吨，减少二氧化碳排放约66万吨。未来，公司将向制氢储能、氢气储运、加氢站建设方向综合发展，并通过与城市氢能源示范公交线路协作等方式拓展应用场景，实现氢能全产业链一体联动。

   “绿氢”是指通过可再生能源转化的电力电解水所制备的氢气。电解水技术主要包括碱性水电解技术、质子交换膜（PEM）电解水技术以及固体氧化物电解槽技术。

  2021年3月，隆基股份与朱雀投资合资成立氢能公司。隆基股份总裁李振国表示，发展“绿氢”需从降低电解水制取设备以及光伏发电成本方面着手。同时，提高电解槽效率，降低电耗。隆基股份的“光伏+制氢”模式，选择碱性水电解作为发展方向。

   从设备制造成本看，质子交换膜电解水的电极材料选用铂、铱等贵金属，设备制造成本居高不下。而碱性水电解选用镍作为电极材料，成本大幅降低，可以满足将来电解水制氢市场的规模化需求。近10年来，碱性水电解设备的制造成本已降低60%，未来通过技术和生产装配工艺升级，可进一步降低设备制造成本。

   在降低光伏发电成本方面，主要包括两部分：降低系统成本和提升生命周期发电量。在全年光照1500小时以上地区，隆基的光伏发电成本技术上可以达到0.1元/度电。

   联美控股计划布局氢气存储及加氢站建设运营等环节。联美控股总工程师武海滨表示，氢能机会蕴藏在交通运输、燃料电池以及储能领域，氢能市场将是万亿元甚至十几万亿元规模的大市场。

加氢站设备供应商厚普股份董秘胡莞苓告知，厚普股份加大氢能源领域投资，已在加氢站设备领域成功研发出多项核心零部件，填补了国内多项技术空白，且成本不断下降。在加氢站建设领域，厚普股份已逐步形成从设计到部件研发、生产、成套设备集成、加氢站安装调试和售后服务等覆盖整个产业链的服务能力。厚普股份与中国石化在加氢站建设方面有直接合作，将不断深化完善产业链，目前正在研究开发低压固态储氢装备及活塞式氢气压缩机等。

中泰股份专注氢能储运。公司董秘周娟萍表示，氢储运需要将其液化。公司的板翅式换热器已在大型制氢实验装置中采用。氢气液化是深冷技术的制高点，也是公司研发的立足点。“绿氢”方面，将依托自身的工程能力，与电解水厂家合作，将氢液化后储运。总体思路是降低提纯、液化成本，解决运输问题。

   此外，美锦能源将把上游氢气供应、中游装备制造和下游运营打造成产业平台，为后期的清洁能源产业发展提供支撑。

     （三）资源共享突破瓶颈

  目前，氢能产业发展仍存诸多掣肘。有研科技集团首席专家蒋利军告知，从制氢环节看，目前比较成熟的制氢方法有碱性水电解、水煤气和重整制氢等，而PEM等新型电解水制氢方法正在加快推进。我国碱性水电解制氢装备在成本上具有竞争力，但能效偏低，制取1立方米氢综合能耗为5至5.5度电，而国外可以控制在5度电以下。

   储氢是目前氢能产业发展的一大瓶颈。理想的储氢方式要求高储氢密度、快速吸/放氢速度，同时要求使用寿命长、安全性能好、成本低。目前，70兆帕下的高压储氢技术已在燃料电池汽车中广泛使用。高压车载储氢技术已能满足燃料电池汽车行驶500公里的要求，但仍需降低成本，提高储氢密度。而氢燃料电池的关键材料、氢气循环泵等设备依赖进口，存在技术壁垒，燃料电池可靠性也亟待提高。

   氢能产业链长，涉及的关键核心技术多。不少核心技术如燃料电池、PEM制氢、液态储氢、碳纤维材料等与世界先进水平还存在差距。

   我国已在氢能产业链上取得不少进步。氢能产业发展是逐步推进的过程，包括“足够量的氢”“足够量且便宜的氢”以及“足够量且便宜的‘绿氢’”。

   专家建议，以应用为导向，以系统集成为主线，加快解决材料和部件的自供问题；以企业为主导，以资本为纽带，集中国内优势单位，建立协同创新联盟，上下游密切结合，资源共享，快速研发；燃料电池汽车和分布式电站同步发展，分布式发电与可再生能源微电网密切结合。初期在示范车辆不足的情况下，加氢站宜建混合站，以油养氢。

氢能核心关键技术已具备规模化生产条件，原理上实现了闭环。未来在物联网体系下，PEM制氢、可再生能源与氢的耦合可以获得更高的综合效率。

二、氢能利用安全性问题

氢能作为能源大规模使用，在氢生产、设备制备、储存、运输、加注和使用过程中均具有潜在的泄漏和爆炸的危险，在大规模商业化推广使用前安全是必须考虑的重要问题，因此氢安全也将是决定氢能被广泛使用的前提和条件。

（一）氢能易燃易爆特性

氢的原子质量为1.00794u，在0℃和1atm下的密度仅为空气的1/14，是自然界已知的最轻元素。氢气无色无味，易泄漏扩散；氢气在常温常压空气中的可燃浓度为4%～75%（体积分数），可燃范围宽；氢气在常温常压空气中的爆轰极限为18.3%～59%（体积分数），爆轰速度为1480m/s～2150m/s。爆轰的特点是突然引起极高压力，并产生超声速的冲击波。由于在极短时间内发生的燃烧产生激剧膨胀，像活塞一样挤压周围气体，所产生的能量有一部分传给被压缩的气体层，于是形成的冲击波由它本身能量所支持，迅速传播并能远离爆轰源而独立存在，从而引起该处其他爆炸性气体混合（或炸药）发生爆炸，这就是“殉爆”现象，即二次爆炸。因此，氢设备的严密性极为重要，当氢气泄漏与空气或其他氧化剂结合时很容易着火，并会释放出很大的能量。它的易燃易爆性，在燃烧或爆炸时能量大，破坏性强，极容易危及生命安全和财产损失。关于氢气泄漏自燃的机制，目前国际普遍接受的是氢气的负焦汤效应（inverse effect ofJoule-Thompson）、静电释放（electrostatic discharge）、扩散点燃（diffusion ignition）、瞬间绝热压缩（sudden adiabatic compression）和热表面点燃（ignition by hot surface）。氢气的易燃易爆特性与石油天然气有很大区别，其威力和破坏性极强，其后果也要严重得多。

（二）氢能安全研究尚处于初始阶段

世界各国的科技学术界已对氢能的安全从技术和标准的角度开展了较为广泛而深入的研究，并取得了不少的进展。许多国家成立了专门的研究机构开展氢安全研究，以期在氢能产业化过程中占据主动权和制高点，如日本供氢及氢应用技术协会（Hy-SUT）、日本氢能检测研究中心（HyTＲeC）、美国圣地亚国家实验室（SNL）、欧盟燃料电池和氢气联合协会（FCH2-JU）、北爱尔兰氢安全工程研究中心( HySAFEＲ)、加拿大电力科技实验室（PowerTech）等。国际上也专门成立了国际氢安全协会（IA-Hysafe）来推动氢安全的发展。

我国高等院校等研究机构也在氢安全领域开展了大量研究。我国适用能源领域的安全法律有《中华人民共和国安全生产法》《中华人民共和国电力法》《中华人民共和国煤炭法》《中华人民共和国石油天然气管道保护法》《危险化学品安全管理条例》等。但是，现有的规程或标准仅限于技术层面与局部的管理范围，缺少足够的系统性，不足以满足整个氢能经济的发展。譬如，输氢管道及相关设施保护、氢安全应急与救援，氢气输送与天然气输送的关系，民生用氢的安全规范，政府氢能安全管理与监管职责的划分等，在政府安全管理或监管方面尚未作出相应的氢能安全发展与利用的法规建设，不利于促进氢能经济的发展。

（三）氢能尚未完全按能源属性进行管理

根据《危险化学品管理条例》，氢气与石油天然气一样列为危险化学品，序号为1648，CAS号1333-74-01649，1类易燃气体。由于氢气的易燃性质，列入《危险化学品目录》并予以管理完全正当。但是，目前氢气在能源领域的使用越来越多，已成为能源领域新的一员，其作用不断增大，已经逐步渗透到能源研究与应用的各个领域，并推动着能源革命进程。国家统计局从2020年起，单独统计全国的氢产量。《标准普尔全球普氏能源资询（S&P Global Platts）》开始发布氢价格信息，这表明氢和石油、天然气一样，属大宗能源商品。氢能还未列入现有的能源法律法规、规章及规范性文件中，由此，使氢的生产、储运和使用只能按照危险化学品管理，不利于氢能按能源属性进行安全管理或监管。

三、宇安氢能安全实用性研发

浙江宇安消防装备有限公司是一家集团化的国家高新技术企业，是应急管理部上海消防研究所、应急管理部天津消防研究所战略合作单位，是第三批国家应急产业示范基地核心企业，建有公安部建筑消防工程技术重点实验基地。

（一）宇安安全实用性研发基础

浙江宇安消防拥有浙江省高新技术企业研发中心，有中高级科研人员37名，研究领域横跨消防装备、灭火设备、消防化工、智能消防、医疗器械、劳动防护、物流技术、网络科技。先后开发了消防员用40MPa空气呼吸器气瓶阀、水冷式空呼充填泵、消防员个人防护装备、智能消防家居宝、带压力显示消火栓、机械式正压呼吸器、水基型灭火器和D类（金属）干粉灭火装置等创新型产品，获得126项国家专利、6项计算机软件著作权和3项公司保密技术。在中小型制造类企业中，浙江宇安消防实用性研发得到业界好评。

（二）宇安特种火灾领域研发成果

浙江宇安消防装备有限公司在本世纪初开始特种火灾领域的研究，尤其是在D类火灾（金属火灾）领域的研究及新产品开发方面取得了可喜成果。浙江宇安消防装备有限公司董事长、总工程师杨国建担纲起草了《D类干粉灭火剂》浙江制造团体标准（T/ZZB 0787-2018）。该标准在《GA979-2012、D类干粉灭火剂》标准基础上，进一步把D类干粉灭火剂细化Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类三个分型，提高了D类干粉灭火剂灭火的针对性、有效性。该标准已由浙江省品牌建设联合会于2018年11月23日审定发布，2018年12月31日开始实施。

浙江宇安消防研发、生产的D类干粉灭火剂取得了国内首份型式检验报告，首个进入《浙江制造》团体标准，取得了国家发明授权专利。D类干粉灭火器首个取得检验报告，获得三项实用新型专利。全自动D类干粉灭火系统取得了国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检验中心的合格试验报告，获得了两项国家授权发明专利和五项实用新型专利。浙江宇安消防在非常见火灾防护研发领域，已经占有一席之地。

（三）宇安氢能安全技术研发进展

高度重视技术预防、提高氢能设施与设备的本质安全，是一个氢能强势崛起的前提与基础。浙江宇安消防近年来开始关注石油天然气、氢气领域火灾防护的研究与新产品开发。

研究认为，无论是矿物能源还是电力等二次能源，均不同程度地存在危害生命财产安全的问题，只是在漫长的发展使用过程中，人类不断地推进技术进步，了解熟悉其安全特性，总结经验与教训，持续加强安全管理，才得以有效控制并不断减少事故而造福于人类文明。氢能也不例外，氢能必将是未来低碳能源的选项，它虽然存在明显的安全风险，但远小于给人类带来的益处。关键在于要着力加强氢能安全的基础理论研究，不断推动技术进步，持续提高氢能设备的可靠性和安全性。譬如，加强氢泄漏的预防与监测技术研究，利用大数据和智能技术分析氢能系统运行状态，诊断系统的故障和风险研究。对使用氢能的大型建筑物，如大型公共建筑、写字楼、机场港口、遂道等，必须有氢气的排放措施，严防氢气在建筑物内积聚。从氢能使用的设计、制造、建设、生产、运行和维护各个环节都应有足够高的可靠性，包括人员的可靠性，以保证氢能设施和设备的本质安全。追踪氢气运用进程，加大对石油天然气加氢站防火灭火实用性研究和灭火产品的开发。

2018年9月开始，浙江宇安消防装备有限公司与公安部天津消防研究所合作开展“氢气加注站干粉灭火系统应用与K型干粉灭火有效性实验模型研究”。其技术目标是：针对氢气充电合建站以及氢气充气合建站干粉灭火系统应用可行性以及系统设计方案，以及K型干粉针对天然气喷射火灭火有效性模型进行研究，形成氢气充电家住合建站以及氢气充气合建站干粉灭火系统设计要求，以及K型干粉针对天然气喷射火灭火有效性实验方案及实验装置模型，并开展K型干粉灭火有效性实验研究。

2020年7月，“氢气加注站消防系统技术规程”发布，浙江宇安消防装备有限公司是5个参编单位之一。同时，浙江宇安消防研发、生产的BC—KHCO3(90%)/干粉灭火剂（K型干粉）通过了国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检验中心的型式检验，为石油天然气、加氢站的灭火防护奠定了一定的基础。当然，氢能源的安全防护是一个系统性工程，浙江宇安消防的研究与开发只是开了一个好头。（钟正泉 余安顾）