0 引　言

航运是国际贸易中最重要的运输方式，海上运输承担了全球90%以上的贸易量。随着“一带一路”的提出，近年来中国在全球航运的地位愈发重要。2018年，我国海运货运量达8.32亿吨，船队规模达2.06亿载重吨，其中新造船规模以0.23亿载重吨居世界首位^[1]。然而航运业的大量污染物排放对生态造成了严重破坏，2017年10月，国际能源署发布的最新报告表明：当前航运业二氧化碳排放总量达到8亿吨，按国际海事组织（International Maritime Organization, IMO）的相关规定，这个数字在2060年将会翻倍^[2]。

面对如此大的排放压力，世界各航运大国都将绿色航运发展和船舶新能源技术研究作为战略发展方向^[3]。燃料电池装置能够把燃料所具有的化学能直接转化为电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高，还具有绿色环保、能量密度高、安静无噪声等优点，是理想的船舶动力装置。燃料电池主要以氢作为燃料气，氢是可燃气体，具有易燃易爆特点，因此燃料电池船舶的氢安全就显得尤为重要。本文介绍了燃料电池船舶发展现状，并对氢安全做出综述，进而探讨燃料电池船舶用氢安全，分析了燃料电池船舶氢安全技术，并提出氢能应用于燃料电池船舶关键技术要点，为氢燃料电池船舶发展提供参考。

1 氢燃料电池船舶发展现状

在国际限排法规日益严格的大背景下，船舶清洁能源和新能源技术开发应用成为绿色航运发展热点。燃料电池技术因效率高、节能减排而备受航运业关注。其中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)在陆地载具应用上较为成熟^[4]。PEMFC主要以氢为燃料，工作温度为60℃～80℃，启动速度快、寿命长、不会产生污染物或二氧化碳排放，十分适用于船舶动力。欧盟、美国、日本等先进国家和地区在船用氢燃料电池推进技术领域处于领先地位，已实现船用氢燃料电池动力推进装置的示范及应用。部分具有代表性的氢燃料电池船舶研究应用项目见表1。

氢燃料电池在船舶应用不仅减少了各种废弃物排放，也大大降低了船舶运行过程中的震动和噪声，提高了舒适度。但是，氢能的安全性是船舶安全的重要因素，氢气易燃易爆、扩散系数大且易使材料的力学性能发生劣化，在使用过程中伴随着泄漏与燃爆等潜在风险，所以氢安全是氢燃料电池船舶实现商业化的关键问题^[10]。

2 氢安全综述

氢气是已知最轻的气体且直径小易泄漏，当释放到大气中时，会迅速上升并消散，扩散性极强。此外，长期在临氢条件下工作的金属材料易发生渗氢现象，导致材料性能劣化甚至脆断^[11]。常温常压条件下与空气混合，氢气体积占混合气体体积的4%～74.2%时，点燃可产生爆炸，且最小点火能量只需0.02 mJ，如果在一个通风条件不理想的区域发生泄漏可能会带来巨大风险。

2.1 氢泄漏与扩散

根据泄漏源与环境大气压力比的不同，氢气泄漏形成的射流分2种形式：1）亚声速射流。在出口处射流充分膨胀并且射流压力等于环境压力，其流速小于当地声速。2）欠膨胀射流。在出口处的流速等于当地声速，射流气体在泄漏口外继续膨胀^[12]，形成激波，结构如图1所示^[13]。

随着氢燃料电池汽车的市场化，国内外学者对燃料电池汽车车库、驾驶舱、储氢舱和加氢站等半密闭空间内氢气的扩散行为进行了大量研究。研究表明，泄漏率一定时，半密闭空间内的氢气扩散行为与通风情况（通风口位置、尺寸、强制通风效率等）以及泄漏出口参数（形状、尺寸、压力等）关系密切。李峰等^[14]以SF-BREEZE示范渡船为研究对象，基于计算流体动力学软件Fluent，对氢气泄漏后在客船单舱室及全舱室的扩散过程进行模拟。结果表明，采取强制通风措施能明显降低舱室内的氢气聚集量。A.A.Malakhov等^[15]搭建了一个地下采矿隧道结构模型，一侧壁面上设置氢气入口，另一侧完全开放，通过设置不同入口喷气压力、强制通风量、喷射孔直径来测量空间内氢气的扩散行为，在STAR CCM+中进行模拟计算，并对数据进行拟合对比以验证模型准确性。由于氢气有关的实验具有一定的危险性，在扩散试验中常用氦气代替氢气，氦气的密度与氢气较为接近，在扩散试验中是理想的替代气体。Pitts WM等^[16]在一个缩小的车库模型中测量氦的分布，研究燃料电池汽车氢气泄漏后的扩散行为。He等^[17]用实验测量了氦浓度，对CFD模型进行了验证，将氦的物理属性值替换为氢，然后使用相同的CFD模型比较了在释放的不同阶段，等浓度、等体积流量和等浮力条件下氦与氢的相关关系，为用氦气为实验对象研究氢气的扩散行为和用氦气验证氢气扩散的CFD模型提供理论依据。

氢还常以液态储存，液氢易汽化所以其扩散规律更加复杂。美国国家航空航天局（NASA）针对液氢的大规模泛溢进行了大量实验研究，结果表明近场中氢的扩散主要由浮力驱动，远场中的羽流则主要是由大气湍流支配^[18]。英国健康与安全实验室（HSL）开展了液氢罐车管路破裂情况下的液氢扩散试验，并且进行了点火试验^[19]。液氢扩散的数值模拟也是一种主流的研究方式，液氢泛溢模型主要有整体模型、浅层模型和CFD模型等^[20]。根据模拟尺度的不同液氢的扩散分为开放空间大规模液氢泛溢、建筑物间液氢泛溢和管路破裂的小规模液氢泛溢。现阶段对于氢的泄漏扩散研究仍不成熟，现有模型存在一定偏差，氢的泄漏与扩散研究仍面临如下挑战：1）泄漏口形状、喷气压力、通风情况等对氢扩散行为的影响无确切定论；2）缺少系统的氢气泄漏的实验数据，特别是高压氢气的相关数据；3）由于高压氢气泄漏中复杂激波结构的存在，使得CFD模拟的计算效率很低；4）考虑液氢非理想特性的泄漏模型尚不完善。

2.2 氢与材料的相容性

在氢环境下长期工作，金属材料的性能会发生退化，导致其使用寿命缩短并可能产生安全问题。高压临氢条件下，氢分子能分解为原子渗入材料，造成材料的力学性能劣化甚至脆断，即氢脆^[21]。因此，要求材料与氢有较好的相容性，测试材料氢脆敏感性的试验方法分为圆片试验、基于断裂力学的试验及基于慢应变速率拉伸的试验^[22]，典型国家相关试验标准文件如表2所示。

值得一提的是，氢脆只能预防而不可治，防止氢脆最有效的方法是选择氢脆敏感性低的金属材料。为使材料与氢有更好的相容性，可采取的措施有：使材料硬度与强度维持在合适水平、减少材料的冷塑性变形以及选择抗氢脆性能较好的材料等^[27]。

2.3 氢的燃烧与爆炸

氢气泄漏后发生自燃或被点燃会形成射流火焰，国外科研机构对氢射流火焰进行了大量研究，hySAFER等^[28]研究发现仅基于傅汝德数的相关关系不适用于欠膨胀射流，因为其无法复制欠膨胀射流无量纲火焰长度对雷诺数的依赖，综合考虑氢在高压下的非理想行为以及在泄漏过程中的摩擦和微小损失，提出了欠膨胀射流理论。圣地亚哥国家实验室进行了一项实验与模拟相结合的研究，探究如何使用障碍物来减轻射流火焰的影响，以尽量减少总体危害^[29]。M.Kuznetsov等^[30]研究了不同温度以及不同喷嘴直径条件下氢射流的结构和火焰传播机制，结果表明根据湍流强度的不同，即使在氢射流的可燃性限制区内，火焰也会传播，形成稳定射流火焰。虽然对氢喷射火焰进行了大量研究，然而与之对应的燃烧模型及热辐射模型仍不完善。氢气在受限空间内泄漏后易产生富集现象，与氧气混合形成适宜浓度的可燃气云。若可燃气云被意外点燃，则射流火焰可能发生从缓燃到爆轰的一系列演变。Wang等^[31]对高压氢气从管中喷射直至发生爆轰这一过程进行了实验与模拟研究。在燃烧初期，燃烧波的传播速度小于冲击波，两者处于分离状态，这一阶段称为爆燃。随着火焰不断加速，燃烧波以更快的加速度向前传播并最终追上冲击波，两者以相同速度继续向前传播，这一状态称为爆轰，上述过程为爆燃爆轰转变（DDT）。爆轰会加剧事故后果，也是氢燃爆安全的研究热点。研究的问题主要包括DDT的形成机理以及障碍物的参数与布置、边界条件等对DDT发生位置的影响。

对于氢燃烧与爆炸的研究还存在许多不足，如：1）高压氢气在泄漏后会发生自燃，已有的自燃机制包括逆焦耳汤姆逊效应、扩散点火、静电点火等，但缺乏持续的研究，高压氢气自燃机理仍无定论^[32]；2）氢燃烧爆炸的实验条件要求十分严格，因此氢的燃爆研究以数值模拟为主，然而相关模型的准确性存在一定误差，尚需完善；3）实验中对于火焰行为的记录要通过高速摄像机等光学设备，然而火焰的色光对光学设备测量效果的影响很难排除，会影响实际结果。

3 燃料电池船舶用氢安全 3.1 储氢安全

储氢安全是推动氢能实现工业化应用的关键，也是制约氢能发展的瓶颈^[33]。目前投入应用的储氢方式有气态储氢、液态储氢、固态材料储氢等。其中较为成熟的技术是高压气态储氢和低温液态储氢，高压气态储氢是指将氢气压缩在高压容器中进行储存，这种方式成本低、能耗低、充放速度快，是已经商业化的车载储氢技术，但是体积储氢密度较小，未达到70 g/L^[34]。高压储氢容器包括Ⅰ型纯钢制金属瓶、Ⅱ型钢制内胆纤维缠绕瓶、Ⅲ型铝内胆纤维缠绕瓶和Ⅳ型铝合金内胆纤维缠绕瓶^[35]。其中Ⅲ型和Ⅳ型瓶与Ⅰ和Ⅱ型瓶相比重量明显减轻，质量储氢密度得到显著提高，几乎无氢脆问题。标准大气压下液氢密度约为氢气的845倍，所以低温液态储氢技术有单位体积储氢密度高、容器体积小等优势^[36]。虽然其储氢密度高，但将氢气液化需要经过多级压缩冷却，这一过程会消耗大量能量（约占氢能的30%）。除此之外，液氢极易挥发，这就对储存容器的要求极为苛刻，液氢储罐的设计和材料一直存在成本高昂的问题^[37]，因此低温液态储氢技术还有待开发。

氢动力汽车大多采用高压气态储氢，例如丰田Mirai的3层结构储氢瓶^[38]，其他厂商如昆腾和丁泰克也有类似设计的高压储氢瓶。高压气态储氢因其技术的成熟和成功的商业化应用，是有望首先应用于船舶的储氢方式。

3.2 管路及元器件安全

氢动力系统的管路与元器件应采用与氢适应性较好的材料。另外，为了防止运行过程中电路产生电火花点燃氢气甚至高压喷射发生自燃或爆炸事故，管路与各元器件的材料还需有防爆、防静电、阻燃等性质^[39]。另外，在海洋环境下材料还应具备良好的防盐雾特性。

3.3 碰撞安全

为应对突发事故，燃料电池船舶应具有一定的碰撞防护措施。参考燃料电池汽车的防碰撞设计，除关键零部件具备一定的刚度外，还可以通过整体布局、固定设施等进一步提高防撞性能。以氢动客车为例，燃料电池与高压氢瓶一般设置在车体顶部，且氢瓶前置燃料电池后置，动力电池放置于地板下方，这种位置布局下即使发生泄漏，氢气也可以迅速排至大气，同时降低了汽车重心使整车稳定性得到了提高。氢气瓶组是储能单元，也是隐患的根源，通过专用的固定支架将瓶组、阀体和高压管路集成，并用钢带支撑，以确保碰撞发生时瓶组位移不会太大，从而避免管路断裂变形导致氢的泄漏^[40]。

以汽车的碰撞防护作为参考，燃料电池船舶的碰撞防护应基于以下几点考虑：

1）优化布局。根据船舶的类型和规模合理安排各构件位置；2）固定设置。除特定的固定支架和支撑钢带外，还应设置缓冲设施以减少船舶运行过程中频繁摇摆的影响；3）惯性开关。为了预防碰撞过程中的各类复杂情况还应在船舶的不同部位安装多个惯性开关，在恶劣情况发生时使控制系统能够迅速响应并切断氢气供给，将泄漏控制在最低水平。

4 船舶用氢安全对策探讨 4.1 加注安全策略

燃料电池汽车的储氢方式多以高压气态储氢为主，高压气态储氢也是最有望首先应用于船舶的储氢方式。在加注过程中，氢瓶内的氢气容易快速升温^[41]。为了保证氢气的加注安全，船舶加注氢气应采用氢气预冷与温度控制相结合的方法，同时在加注过程中船舶氢管理系统实时监测各项参数，与加氢站的加注管理控制系统数据共享，在特定参数达到预设值时，及时发出报警信号并采取相应措施。

4.2 储氢安全策略

Ⅲ型铝内胆纤维缠绕瓶和Ⅳ型铝合金内胆纤维缠绕瓶技术较为成熟，可很大程度上防止氢脆发生，适用于船舶储氢单元。为了更好地保证氢气存储安全，还需对氢瓶各项状态参数进行实时监测，在故障发生时结合实际情况进行相应报警及应急处理^[42]。氢系统控制器接收传感器信号，通过预设的程序计算参数并对计算后的参数进行判断，同时结合控制策略做出相应处理。例如当检测到氢瓶内的温度高于阈值，氢系统控制器会立刻断开电磁阀，同时将信号发送给控制系统，控制系统结束当前工作指令，并在仪表盘上显示相应报警信息。

4.3 氢泄漏安全策略

一般情况下，燃烧与爆炸等严重事故都源于氢的泄漏，因此对氢泄漏的监控和处理是保证船舶氢安全的重点。氢气泄漏监测系统如图2所示，主要由传感器、报警器、主控台及自动切断装置组成，并与通风系统和自动灭火系统数据共享^[43]。对于特定的舱室，在易发生氢气富集的角落均放置多个高精度氢气浓度测量传感器，当检测到舱室内某部位的氢气浓度超过在空气中的燃烧下限 (4%) 的10%，25%和50%时^[44]，报警器对应发出I级、II级、III级报警信号，如表3所示。

4.4 紧急状态安全策略

船舶行驶过程中，不可避免地会产生振动或碰撞，这些均会对氢气使用安全产生影响，如导致氢管路松动、阀门失效等。何健等对燃料电池轿车的氢瓶保护系统进行优化，建立了有限元模型分析经改进后的固定装置的防护作用，结果表明改进后的保护装置可为瓶体提供更有效的固定及防护^[46]。成波等开发了一种用于燃料电池客车正面碰撞的有限元模型，提出一种燃料电池客车碰撞的数值仿真评价方法^[47]。为提高船舶应急能力，一方面要优化船载供氢系统在船舶结构中的位置，并做充分的振动试验或碰撞试验，防止振动或碰撞导致氢气泄漏；另一方面，要利用冗余设计思维，在船体不同部位安装多个惯性开关，以确保能够检测到各种碰撞情况并及时发出预警^[10]。

5 结　语

本文对氢安全进行综述，进一步提出船舶用氢安全问题与对策。燃料电池船舶正处在研究示范阶段，船用氢燃料电池系统仍有运行安全与相关规范不完善等问题，航运业实现氢能的产业化还需时日。相比于传统燃料，氢能在节能环保上有巨大优势，随着对氢安全性的深入研究及各国航运业燃料电池船舶的广泛开发应用。在未来，氢燃料电池作为船舶的动力装置有着巨大的发展前景。