综述：氢燃料加注站氢泄漏风险评估与预防技术的综述

《International Journal of Hydrogen Energy》：A review of risk assessment and prevention technologies for hydrogen leakage at hydrogen refueling stations

氢能加氢站泄漏风险系统性评估与多层级防控框架研究，通过整合数值模拟、实验研究和理论建模，构建了涵盖事故成因、演化机制与后果定量的评估体系，提出基于防护层分析（LOPA）的三阶段防控策略，并建立风险评估与防控措施动态匹配的分级标准，为全球氢能基础设施安全提供理论支撑。

　　

郭丽萍|王子轩|梁瑞|陈金林

兰州理工大学石油化工技术学院，中国兰州，730050

摘要

随着全球氢能基础设施的迅速扩张，确保氢燃料加注站（HRSs）的安全变得至关重要，尤其是防止可能引发火灾或爆炸的泄漏风险。本文全面回顾了氢燃料加注站氢泄漏的风险评估方法和预防技术。通过综合现有文献，建立了一个评估框架，系统地分析事故原因、演变机制和定量后果。此外，我们提出了一个基于保护层分析（LOPA）的多级渐进式预防框架，涵盖保护、缓解和应急响应阶段。最后，本研究指出了当前面临的挑战，提出了将评估与预防相结合的原则，并概述了未来的研究方向，为全球氢能基础设施的安全和可持续发展奠定了基础。

引言

作为清洁能源载体，氢具有高能量密度和零碳排放特性，在交通、工业、建筑和电力系统中具有广泛的应用前景。其中，氢燃料电池汽车（FCEVs）由于其更高的效率和更好的环境性能，正在迅速取代传统的内燃机汽车。这一转变为实现全球碳减排目标提供了强大动力[1]。作为氢燃料电池汽车（FCEVs）部署和应用的核心基础设施，氢燃料加注站（HRSs）对氢能行业的可持续发展具有决定性影响，其建设规模和运营安全是关键影响因素。此外，随着电-热-氢耦合的加深和数字化协调的持续进步，HRSs的运营动态变得越来越复杂和多变。

近年来，在多个国家的支持性政策和战略框架推动下——例如中国的《中长期氢能产业发展规划》、日本的《基本氢能战略》、欧盟的《替代燃料基础设施法规》（AFIR）和美国的《国家清洁氢能战略和路线图》[2,3]——全球氢燃料加注站的数量显著增加。截至2024年上半年，全球已部署了约1680座加注站（包括已建成、在建和计划中的），形成了覆盖北美、欧洲和亚洲的初步加注网络（见图1）。为了追踪支撑HRSs商业推广的技术演变，图2系统地概述了过去六十年的关键技术发展轨迹。

然而，HRSs建设的快速扩张与确保安全运营的能力之间存在显著差距，这成为制约氢能行业可持续增长的关键瓶颈。氢的固有物理化学性质——包括无色、无味、低密度、高扩散性和低最小点火能量——使得使用传统方法难以及时检测到泄漏。一旦形成可燃混合物，就极易被点燃，可能导致火灾、爆炸和其他严重事故[5]。根据《中国氢能联盟HRS安全白皮书》（2024年），氢泄漏占加注站所有安全隐患的约72%，是次生事故的主要原因。进一步的对氢泄漏事故的统计分析（见附录A）表明，设备密封故障和人为操作错误是主要因素[6,7]。

当前的预防和控制系统在泄漏检测时效性、风险评估准确性和应急响应有效性方面仍存在明显不足，这可能会加剧事故后果。这些安全挑战不仅危及公共生命和财产，还可能削弱社会对氢能技术的信心，从而阻碍氢能行业的大规模发展。氢泄漏风险具有复杂性、动态性和高危险性，需要一个系统的评估和缓解框架。该领域已经建立了一个多层次的方法论，包括根本原因分析、演变模式和后果评估。传统的风险评估方法，如故障树分析（FTA）和失效模式与效应分析（FMEA），可以识别根本原因[8]。将这些方法与数据挖掘技术相结合，可以进一步揭示多个变量之间的耦合机制。除了基于传统故障链的评估外，最近的研究还将STPA与因果影响分析结合起来，以表征氢燃料加注站中风险因素之间的相互作用，并确定关键控制点[9]。在物理模拟中，使用计算流体动力学（CFD）等计算工具来准确描述泄漏扩散行为。这些工具有助于量化火灾和爆炸风险，以及在不同操作条件下的多米诺效应可能性，包括压力、泄漏口大小和风速[10]。这使得能够全面评估和预测整个风险演变过程。

鉴于泄漏风险的动态性和不可逆性，预防策略必须涵盖整个生命周期，从源头控制到应急响应。这些措施包括通过本质安全设计降低泄漏概率[11]，利用高灵敏度的传感和监测系统实现早期泄漏检测和定位[12,13]，以及建立快速有效的应急响应机制以防止事故升级。一个核心挑战在于动态地将风险评估结果与控制措施对齐，以提高整体安全性能。

尽管在风险评估方法和预防技术方面取得了进展，但仍然缺乏将这两个领域联系起来的系统性回顾，特别是在将定量风险发现转化为分层和精确的预防策略方面。因此，本文旨在提供关于氢燃料加注站氢泄漏风险评估方法和预防技术的全面回顾，具体目标如下：（1）总结风险评估模型和预防技术的进展和发展趋势；（2）提出将评估结果与控制措施对齐的标准，以提高风险管理的精确性和有效性；（3）识别现有研究和实践中的关键挑战，并概述未来的研究方向，为HRSs的安全运营和标准化提供理论基础。

部分摘录

方法

本综述采用结构化的、基于文献的方法，以Scopus为主要数据来源，涵盖了2010年至2026年1月期间与HRS安全相关的出版物。以下全文中均使用“HRS”一词。搜索查询围绕HRS安全和风险治理展开，结合了HRS相关术语（如“氢燃料加注站”、“氢（再）加注站”、“HRS”）与安全导向的关键词（如“危险识别”、“风险评估”等）。

HRS泄漏风险评估方法

HRS泄漏的风险评估旨在系统地识别、分析和量化潜在危害。其方法论框架整合了数值模拟、实验研究、理论建模和工程实践[[12], [13], [14]]，为理解事故机制和发展缓解策略提供了科学基础。现有的评估方法分为定性[14]、半定量[15,16]和定量[17,18]三类。

HRS泄漏风险预防和控制技术

基于高风险场景和脆弱点的识别，建立系统的、分层的风险预防框架对于确保HRSs的安全运营至关重要。作为将风险评估与工程控制联系起来的结构化方法，保护层分析（LOPA）为风险缓解措施的科学配置提供了合理依据。在基于LOPA的HRS风险控制系统中，预防策略通常被组织为

匹配泄漏风险评估与控制措施强度的指南

为了有效地将风险评估结果转化为工程控制措施，必须建立系统的匹配标准，以确保控制强度与风险水平之间的精确对齐。这样的标准旨在防止因控制不足导致的安全隐患，同时避免因过度措施造成的资源浪费。可以在三个维度上构建分层匹配框架：事故原因、演变模式和后果

结果与讨论

本文系统回顾了HRSs氢泄漏风险评估方法的演变及其相关预防和控制技术的有效性。它确定了各种类型HRSs中氢泄漏的根本原因，分析了事故升级的机制，并提供了定量后果分析。基于LOPA方法，本研究将各种控制措施整合到一个分层结构中

CRediT作者贡献声明

郭丽萍：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，监督，方法论，调查，概念化。王子轩：撰写——初稿，可视化，项目管理，调查。梁瑞：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取。陈金林：监督，资金获取。

致谢

本研究得到了甘肃省重点研发计划（项目编号24YFGA029）的支持。