1.1.1　氢安全基本特性

泄漏：随着氢作为能量载体的大规模引入，氢在容器和管道内的泄漏量约为甲烷气体泄漏量的1.3～2.8倍，约为空气泄漏量的4倍。此外，任何泄漏的氢气通过质量扩散、湍流对流和浮力的作用迅速在大气中弥散，从而大大减少了氢危险区的存在。

飘浮：氢气的密度约为空气的1/14，即氢泄漏后迅速向上扩散，从而减少了点火危险。然而，饱和氢蒸气比空气重，它会一直靠近地面扩散。一旦温度上升，密度减小，就会增加向上扩散的可能性。氢气在常态空气中的飘浮速度范围约为1.2～9m/s，具体速度大小取决于空气和氢蒸气密度的差异。因此，液氢泄漏产生冷的高密度蒸气，最初在地面附近扩散，其上升速度比标态燃料气体慢。

火焰可见性：氢-空气火焰主要辐射光谱在红外线和紫外线区域，在白天几乎看不见。任何白天能看到的氢火焰都是由空气中的杂质（如水分或颗粒）引起的。在黑暗中容易看到氢火焰，但在白天，可以感知到氢火焰对皮肤的热辐射。低压下氢火焰为淡蓝色或紫色。暴露在泄漏的氢火焰中的人员可能会受到严重烧伤，十分危险。

火焰温度：可燃气体在氧化剂（如空气、氧气等）中燃烧时所产生的火焰的温度，如空气中19.6%氢的火焰温度测量值为2318K。如果发生爆燃或爆轰，其火焰温度可能会更高。

燃烧速度：这里指可燃气体-空气混合物的层流燃烧速度。氢的层流燃烧速度范围为2.65～3.46m/s，具体取决于压力、温度和混合气体当量比。氢的层流燃烧速度比甲烷高一个数量级（甲烷在空气中的最大层流燃烧速度约为0.45m/s）。

火焰热辐射：暴露在氢火焰热辐射中会导致严重损伤，火焰热辐射很大程度上取决于大气中的水蒸气量。事实上，大气中的湿空气吸收了从火灾中辐射出来的热能，并能大大降低热量。

极限氧指数：极限氧指数是能维持燃料蒸气和空气混合物中火焰传播的最低氧浓度。对于氢，如果混合物中的氧气体积分数小于5%，则标态下不能观察到火焰传播。

焦耳-汤姆孙效应（J-T效应）：当气体通过多孔物质、小孔或喷嘴从高压到低压膨胀时，通常温度会降低。然而，有些真实气体在超过焦耳-汤姆孙不可逆膨胀曲线定义的临界温度和压力下膨胀时，它们的温度会升高。绝对压力为零时氢的最高转化温度为202K。因此，当温度和压力大于它时，氢的温度会随着膨胀而升高。就安全性而言，焦耳-汤姆孙效应导致的温度升高通常不足以点燃氢-空气混合物。例如，当氢从100MPa的压力膨胀到0.1MPa时，氢的温度从300K上升到346K。温度的升高不足以点燃氢，因为氢的自燃温度在1atm（1atm=101325Pa）时为858K，在低压下为620K。

表1-1给出了氢、甲烷和汽油的特性参数对比。

表1-1　氢、甲烷和汽油特性参数对比[2]

注：标态即温度273.15K（0℃）、压强101.3kPa（1atm）；常态即温度293.15K（20℃），压强101.3kPa；沸点为101.3kPa下的沸点。