液氢环境下压力安全阀(PSV)运行特性的实验研究及其在氢能安全存储中的关键作用

本研究针对液氢(LH2)储存系统中压力安全阀(PSV)在极端低温高压环境下性能验证缺失的问题，开发了移动式液氢安全阀评估装置。通过Boil-off Gas(BOG)发生器精确控制容器内加压速率，实验发现当液氢产量提升2.4倍时，PSV操作次数从15次增至20次，操作压力范围从10.68～12.53 bar上移至10.68～13.2 bar，最低温度降至77.9 K。该研究为液氢系统安全阀的真实工况性能评估提供了有效平台，对推进氢能大规模应用具有重要意义。

　　

随着全球能源结构向低碳化转型，液态氢(LH₂)因其极高的能量密度和零碳排放特性，成为航空航天、新能源汽车及大型储能领域的关键能源载体。然而，液氢的储存和运输面临极大挑战：它需要维持在零下253摄氏度的极低温环境，且极易汽化导致容器内压力骤升。若压力控制失效，可能引发容器破裂、氢气泄漏甚至爆炸事故。在这种极端工况下，压力安全阀(Pressure Safety Valve, PSV)作为液氢储罐的最后一道安全屏障，其可靠性直接决定整个系统的安全性能。

令人担忧的是，当前针对液氢环境下的PSV性能验证存在明显不足。许多制造商采用液氮或氦气等介质进行模拟测试，但这些介质的物性（如沸点、比热、汽化潜热等）与液氢差异显著，无法真实复现液氢特有的热力学行为和材料相容性问题。更关键的是，氢在低温下会引发金属材料的氢脆现象，而液氢的快速汽化特性可能导致压力安全阀出现异常启闭。因此，开发能够真实模拟液氢工况的PSV测试系统，成为氢能技术商业化亟待突破的技术瓶颈。

为解决这一难题，韩国电气研究院氢能研究团队的Young Min Seo、Hyun Woo Noh、Tae Hyung Koo、Dong Woo Ha和Rock Kil Ko在《Results in Engineering》发表了创新性研究成果。他们成功研制了全球首套移动式液氢安全阀评估装置，实现了在真实低温高压环境下对PSV性能的全面验证。该系统创新性地将预冷器、液化器、真空绝热系统、BOG发生器和安全阀测试模块集成于可移动框架，通过精确控制boil-off gas（BOG，蒸发气体）生成速率，模拟实际储罐的压力波动工况。

研究人员采用了几项关键技术：首先开发了基于移动框架的集成化测试系统，包含液氢生产、储存和安全阀测试全流程设备；其次采用真空多层绝热技术确保低温环境稳定性；第三通过BOG发生器与质量流量控制器(MFC)精确控制容器内压力变化速率；第四在防爆实验室内布置多组硅二极管温度传感器和防爆压力传感器，实时监测阀体在不同阶段的温度压力变化；最后基于NIST-REFPROP数据库精确计算液氢密度和容积变化，确保实验数据的可靠性。

研究结果方面，通过两组对比实验揭示了重要规律：

在"液氢生产温度特性"实验中，研究人员发现当液氢产量提高2.4倍时，容器内温度分布发生显著变化。DT1-DT5传感器检测到低于25K的低温，证实液氢成功制备，而DT6-DT8区域因液位未达到相应高度，温度维持在较高水平。这种温度梯度分布为评估安全阀在不同液位的工况响应提供了重要依据。

通过"BOG生成测试"发现，系统的真空绝热性能过于良好，自然升温情况下需要580分钟才能达到10bar工作压力。通过BOG发生器注入300K氢气，可将加压时间缩短至5.97分钟（50L/min流量下），这为快速模拟实际工况提供了有效手段。

最重要的"安全阀操作特性"数据显示：当液氢产量增加2.4倍时，PSV操作次数从15次提升至20次，操作压力范围从10.68～12.53 bar上移至10.68～13.2 bar。值得注意的是，随着操作次数增加，阀门开启压力出现约10.45%的波动，这种异常现象可能与重复低温循环导致的材料疲劳或密封件性能变化有关。

在"温度响应特性"方面，安全阀入口最低温度从第一次实验的115.8K降至第二次实验的77.9K，表明增加液氢产量可显著降低阀体经历的温度。但值得注意的是，77.9K仍高于液氢实际温度（20-30K），说明现有系统仍需优化绝热设计以减少热侵入。

研究结论表明，该移动式评估系统成功实现了在真实液氢环境下对PSV的性能验证。随着液氢产量增加，PSV表现出操作压力范围上移、操作次数增加、经历温度降低的变化趋势。这些现象揭示了阀体在重复低温循环中的性能演化规律，为改进安全阀设计提供了重要数据支撑。

该研究的重大意义在于：首次建立了真实液氢环境下的安全阀测试方法，填补了该领域实验数据空白；开发的移动式测试平台可灵活应用于各种实验场景；获得的性能数据为制定液氢设备安全标准提供了科学依据。特别是发现的压力波动和温度变化规律，对预测安全阀长期使用寿命具有重要参考价值。

研究人员在讨论中指出，当前系统测得的最低温度（77.9K）仍高于液氢实际温度，未来需要通过改进绝热设计、优化管道布局、增强密封技术等措施，进一步降低安全阀经历的温度，使其更贴近真实工况。这项突破性工作为液氢安全阀的标准化测试奠定了基础，对推动全球氢能产业安全发展具有里程碑意义。