液态氢（LH₂） 在移动应用中的传输操作及安全考量展开全面综述，
本文围绕液态氢（LH₂） 在移动应用中的传输操作及安全考量展开全面综述，指出其作为能源载体在高效分配大量氢方面潜力巨大，但安全保障需技术与法规同步发展。文中强调LH₂传输操作相关法规严重缺失，介绍了 LH₂在交通领域的应用、现有标准、过往研究成果，分析了燃烧和点火行为等安全问题，指出研究空白并提及 ongoing 研究项目，强调持续研究对推动氢经济的重要性。
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研究背景与核心目标
研究背景：液态氢（LH₂）作为能源载体，在高效分配大量氢气方面具有显著潜力，尤其适用于交通等能源需求大且难减排的经济领域。然而，其安全传输需要技术和监管框架的同步发展。
核心目标：对液态氢设施及移动应用的技术考量和安全方面进行全面概述，强调 LH₂传输操作相关法规的严重缺失，呈现过往研究中的实验结果和建模成果，明确研究空白并提及在研项目，以推动该领域的持续发展。
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2. 液态氢的特性与应用优势
特性：LH₂沸点极低（约 20.4 K，即 - 253℃），存储和传输过程中易因热损失产生蒸发气（BOG）。
应用优势：可用于内燃机（无需大量投资改造）和燃料电池系统，能为从公路车辆到飞机等多种交通工具提供动力，目前全球已有部分 LH₂动力车辆投入运营，如戴姆勒卡车、MF Hydra 渡轮、Suiso Frontier 运输船等。
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3. 液态氢存储与运输的关键挑战
挑战类型 具体内容
经济挑战 氢输送基础设施建设成本高，阻碍氢经济的推广；长距离（>3000km）运输时，液态形式更经济，但整体成本仍需优化。
安全挑战 约 25% 的 LH₂事故发生在装卸阶段，因操作复杂、涉及人员多、设备密集，易出现人为失误导致泄漏；BOG 处理不当会引发安全风险（氢易燃、易爆）和环境问题（氢是间接温室气体）。
技术挑战 需减少热损失以降低 BOG 产生，直接排放 BOG 会造成能源损失（考虑氢液化成本高），替代技术（如再液化、压缩、零蒸发技术、催化氢燃烧）的应用需根据具体场景确定。
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4. 氢安全的技术考量
4.1 通用安全问题
点火机制：氢的点火机制复杂，过往事故中存在无明显点火源的燃烧现象，近期实验中 LH₂释放到水中、与液氧接触及气态氢泄漏过锐边时均出现意外点火，需进一步研究以明确点火源。
火焰检测：氢火焰无烟且可见度低，传统监控和烟雾探测器不可靠，基于光谱发射和热效应的检测方法受成本和位置限制，应用受限。
氢脆现象：氢渗透到材料中会损害其完整性，可能导致部件失效，低温（如 LH₂环境）和高压（如氢管道）均可能引发。
4.2 气态氢（GH₂）安全问题
泄漏检测：GH₂无色无味，依赖传感器检测，传统接触式传感器适用于小而封闭的场所，户外或半封闭区域因无固定积聚点，传感器布置困难，新型低成本、远距离检测技术（如广域光学扫描传感器）正在研发中。
通风要求：封闭空间（如车 库、机库）中 GH₂的排放需设计合理的通风系统和开口，以防止氢积聚形成易燃混合物。
4.3 低温氢设施安全问题
人体危害：低温会导致冷灼伤和冻伤，相关影响已有充分记录。
材料与设备风险：低温会加剧氢脆（低温氢脆）；非绝缘或绝缘不良的低温设施外表面可能出现空气成分（氧、氮等）的凝结或凝固，氧凝固可能形成富氧易燃化合物，存在点火风险；冰的积聚可能导致设备堵塞和失效。
储罐压力控制：需使用压力释放装置（PRDs）管理 BOG 导致的超压，PRDs 的容量设计需考虑意外绝缘失效时可能产生的大量 BOG，设计不当会导致严重损失（如 2008 年 CERN 的氦蒸发事故）；还需安装应急排放管线以防主排放口堵塞。
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5. 液态氢传输操作
现有流程（基于 EIGA 06/19 标准）：主要针对 LH₂公路罐车与陆基存储设施间的传输，分为传输前准备和传输过程。
传输前准备：罐车进入存储设施并停在指定区域后，司机向授权人员报告，操作人员穿戴防护装备（手套、护目镜、头盔等），车辆接地并固定车轮，检查传输管线和设备的完整性及周边安全隐患。
传输过程：连接传输管线，先用惰性气体（如氦、氮）初次吹扫去除残留空气，再用氢二次吹扫去除易冻结污染物（根据初次吹扫气体选择氢的温度），完成传输后吹扫残留氢再断开管线。
流程缺陷：未明确传输设备的详细设计（材料、绝缘类型）、操作条件，传输动力（压力差驱动或 cryogenic 泵），监控系统及传输起止的判断标准（如接收罐液位或压力），也未提及系统的冷却和预热步骤。
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6. 液态氢在移动应用中的具体案例
2. HEAVEN 项目成功完成 LH₂动力飞机飞行演示； 3. 2023 年，Universal Hydrogen 公司测试 40 座飞机（一台发动机由氢电动力系统驱动），空客氢燃烧发动机滑翔机完成首飞（首个以氢为唯一燃料的飞机）。 | ||
2. 2022 年，丰田测试 H2 Corolla（首辆 LH₂动力赛车）； 3. 2023 年，Hyzon Motors 测试的 Hyzon 卡车续航 870km； 4. 戴姆勒 GenH2 卡车原型车获批上路，满载 40 吨时续航 1047km。 | ||
2. MF Hydra 渡轮（2023 年运营），燃料电池系统由 80m³LH₂储罐供能。 |
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7. 液态氢相关标准
表2 液氢储存用低温储罐设计和操作的国际标准。
表3液氢储罐附件国际标准
表4液氢转移操作的国际标准
表5材料抵抗低温泄漏的国际标准和低温设备上安装的绝缘性能的定义。
图2.液氢技术国际标准
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8. 液态氢安全的研究进展
8.1 过往实验（部分）
时间 研究者 实验内容 关键发现
1960 年 Cassut 等 连续和瞬时的小尺度及大尺度 LH₂释放到地面 瞬时释放的 LH₂快速形成上升云团，连续泄漏形成 dense cloud，最大延伸达 200m。
1961 年 Zabetakis 等 LH₂释放 确定计算液体蒸发率时可忽略主要剧烈沸腾阶段，地面类型影响蒸发率（砾石上比光滑碎石快）。
2014 年 Hall 等 LH₂传输软管全口径破裂的点火释放 释放过程存在不同阶段（初始爆燃、二次爆炸等），安全距离在 11-14m。
8.2 近期研究（部分）
释放与扩散：FFI 项目中，垂直向下释放的 LH₂在混凝土表面形成最大直径 0.5m 的液池，氢云在 50m 内浓度超易燃下限（4% vol）；水平释放无液池，50-100m 处浓度超下限。
点火：PRESLHY 项目中，123K 时氢 - 空气混合物易燃极限为 6%-69% vol，自燃温度约 600℃，最小点火能量（MIE）随温度降低而增加。
燃烧：低温氢喷射火的 “无危害” 热辐射距离长于 “无危害” 温度标准；水平喷射火中，燃烧产物的浮力会缩短按温度计算的 “无危害” 轴向距离。
图3.测试参数为压力P = 14巴、温度T = 80 K、直径d = 2毫米时的模拟温度等值线；b)数值测试3中考虑温度阈值1300 K的火焰长度[
图4.氢气释放点火条件下形成的冲击波(ID = 4毫米；pi = 20兆帕）。SW：冲击波；甲烯：未点燃的氢气。
图5。左图：cH2测量值（虚线）与燃烧行为（符号）的组合。中间和右图：环境温度和低温条件下实验中测得的最大过压示例
图6.实验布局示意图（红色为压力传感器，黄色为点火位置）及第23次试验点火前后的侧视图。
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图4.氢气释放点火条件下形成的冲击波(ID = 4毫米；pi = 20兆帕）。SW：冲击波；甲烯：未点燃的氢气。9. 研究空白与在研项目
9.1 研究空白
存储技术：需设计适合不同应用场景（车辆、船舶、飞机）的存储罐和高效绝缘系统，以减少 BOG 导致的燃料和能量损失。
安全机制：对氢的扩散、点火和燃烧等现象的理解仍需深化，相关实验和建模需进一步开展。
法规标准：缺乏全面的 LH₂使用规范，尤其在传输操作方面，现有标准数量少且内容笼统。
9.2 在研项目（部分）
项目 目标
EVLHYS（欧盟） 提升移动应用中 cryogenic 氢传输技术的安全性，为新标准制定提供依据。
LH₂ Pioneer（挪威） 研发大型海运 LH₂存储系统（40-45000m³/ 罐），目标日蒸发率 0.1%，达到 TRL 2-3。
ESKHYMO 研究 LH₂低温储罐绝缘外壳破裂后的空气进入及液体泄漏后的扩散和点火场景，通过小尺度测试为规模化应用提供基础。
10. 结论
液态氢在交通领域的应用兴趣日益增长，但 LH₂传输操作等安全关键环节的标准化严重缺失，现有研究虽提升了对相关安全问题的理解，但仍存在诸多挑战
