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氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的新能源，被认为是21世纪最具发展潜力的清洁能源。近年来，许多国家和地区将氢能和燃料电池的发展提升到国家战略高度。加氢站是支撑氢燃料电池汽车发展不可或缺的基础设施。氢燃料电池汽车的数量和普及程度在很大程度上决定了氢燃料电池汽车的产业化进程。
1 加氢站发展现状
1.1 加氢站建设
根据H2stations.org的报告，从2015年到2020年，全球加氢站数量增加了191%。欧洲国家建设的加氢站情况是：德国100座、法国34座；亚洲国家加氢站建设日本142座、韩国60座、中国69座、其他国家4座；北美的美国建有加氢站49座、北美其他国家26座；其他地区已建成13座加氢站。截至2020年底，统计发现亚洲、欧洲和北美是车用氢能源增长最快的地区。目前在建的加氢站中，欧洲占36%，亚洲占49%，北美占14%。全球加氢站行业仍处于发展初期，各国在加氢站建设形式、制氢和储氢过程等方面存在显著差异。根据建设形式不同，加氢站主要有固定式、撬装式和移动式三种；根据氢气来源的不同，包括外部加氢站和站内加氢站；根据储氢状况，包括高压加氢站和液氢加氢站；根据制氢方式不同，加氢站包括电解水加氢站、工业副产加氢站、天然气重整加氢站等。
在加氢站数量方面，亚洲处于领先地位，日本、中国和韩国发展最快。日本是氢能经济的有力推动者，是世界上第一个拥有100多个加氢站的国家，其中移动加氢站占30%以上。为保证加氢站的经济效益，日本所有加氢站均采用分时运行。日本政府有一个专门的氢能源机构（经济产业省节能和新能源（NEDO）司的新能源系统部门氢和燃料电池战略办公室）参照城市燃气管理氢，以及加氢站严格执行日本《高压气体安全法》。
随着“推进充电、加氢等设施建设”写入2019年政府工作报告，我国汽车氢能源基础设施即加氢站建设进入快车道。我国低温液氢储存目前仅应用于航空航天领域。所有加氢站均采用压缩加氢方式。截至2020年12月末，我国已建成118座加氢站，主要用于研发机构和城市公交车辆。加氢服务商业化运营占比较低，主要集中在广东、上海、江苏等经济发达省市。以外部供氢和35MPa加氢站为主，70MPa加氢站逐渐增多，有固定式和撬装式。同时，加氢规模不断扩大，出现日加氢1000公斤的中大型加氢站。氢能输送以高压气体输送为主，也有少量氢气管道输送。关于高压气态氢气的运输，国内技术比较成熟，主要采用20MPa管束车，氢气单次运输量较低，约300kg。在氢气输送管道方面，国内有3条管道，总长100公里。
1.1.1 欧洲加氢站特点
目前，德国是欧洲建成加氢站数量最多的国家，林德气体、WEH、奔驰、宝马等行业领军企业联手推动氢能在德国的规模化运营。德国公开氢源的26座加氢站中，20座使用拖车加氢，其中5座使用液氢运输，其余为气态氢运输，5座使用电解水现场制氢, 1座采用管道运输氢气供氢。丹麦是第一个拥有全国性加氢站运营网络的国家。全国50%的人口行驶15公里就能找到加氢站。与此同时，丹麦的可再生能源制氢比例很高。到2035年，可再生能源制氢比例将达到100%。
1.1.2 北美加氢站特点
2001年以来，美国形成了较为完善的国家政策、法律、科研计划体系，以推动氢能的发展。将氢能确定为国家战略，引导能源体系向氢能经济转型。目前，美国一半以上的加氢站都位于加州，而且大部分都可以实现35MPa和70MPa的双压加氢，相当多的加氢站具备可再生能源制氢能力。
1.2 国内外加氢站对比
表1综合比较了欧洲、美国、日本等国家和地区加氢站的工艺技术。现阶段，我国加氢站与国外加氢站存在一些显著差异。
a) 国外加氢站多为乘用车服务，每次加氢量有限，每个加氢站每天加氢次数不多，所以单站日加氢量多为100～200公斤/天。国内加氢站大多服务于商用车，如公交车、物流车、公交车等，日加氢量和加氢频率都比较大，因此单站日加氢能力多为500～1000kg/d水平。
b) 我国标准对加氢站之间安全距离的要求明显高于国外，有些指标比国外同行高出几倍甚至十倍。
c) 加氢和储存过程不同。中国尚未释放民用液态氢。因此，加氢站采用高压储气，而加氢站均采用国外高压储气和低温储液。
d) 在氢能源管理方面，中国按危险化学品管理氢气，而日本按气体管理氢气。相对而言，氢气按危险化学品管理。加氢站的设计、建设、运营和维护更加严格。
e) 在推进加氢站建设过程中，综合考虑节约土地成本和设施合理布局等因素，国内外正在推广油氢联合加氢站建设新模式，但具体布局是非常不同的。在美国考察的37个油氢联合建设站中，11台加氢机直接与油品在同一加注区域，日本的油氢合建站则普遍采取了加氢和加油分区布置的方式。我国的油氢合建站以单独建设为主，加油、加氢融合度较低。
表1 国内外加氢站对比
2、国内外加氢站安全距离对比
加氢站内部与周围建筑物的安全距离直接影响加氢站的规划布局。面对日益紧张的城市用地，过大的安全距离在一定程度上制约了加氢站的发展。对比各国加氢站标准对安全距离的规定，表2中详细列出了中国、美国、加拿大、日本和韩国加氢站标准中加氢机周围爆炸危险区、公共道路防火距离等关键指标，我国临氢设备的间距要求显著大于国外。表2中的安全距离要求包括爆炸危险区划分、火灾距离等要求。数据来源：中国GB50516—2010《加氢站技术规范》；美国NFPA2—2016《Hydrogen Technology Code》；加拿大《Canadian Hydrogen Installation Code》；日本High Pressure Gas Safety Law；韩国High Pressure Gas Safety Management Law。
表2 国内外安全间距对比（单位：米）
我国加氢站建设主要依据GB 50516-2010《加氢站技术规范》。标准制定较早，在标准制定过程中缺乏实验数据和操作经验，造成了一定程度的标准和做法不匹配。标准中对安全距离的规定是根据汽油和氢气的当量能量换算的。缺乏对氢气特性、爆炸行为、事故频率和后果的深入思考，在一定程度上影响了我国加氢基础设施的建设。国外加氢站标准的制定，是依靠定量风险评估技术，针对氢气的特性和行为特征，计算相关安全距离。
3 基于量化风险评估的加氢站安全距离研究
量化风险评估（QRA）可以科学地评估一个系统或事故的风险值（个人风险和社会风险），为风险缓解措施提供指导和建议，也可以直接应用于安全距离等相关的制定在标准中，评估过程需要识别危害，建立不同事故情景的模型，确定失效概率，分析失效后果，选择风险基准。
3.1 加氢站危险源识别
加氢站危险源识别主要是识别站内可能影响人员安全的危险点，进而构建危险场景。加氢站储存的氢气易燃，易燃易爆。是加氢站发生火灾、爆炸事故的主要危险源，氢气引起火灾爆炸事故的原因包括设计缺陷、设备老化、操作失误、自然灾害等，但大多数事故的直接原因是氢气泄漏。根据不同的点火条件，事故的主要后果是设备停机、喷射起火、爆炸、空气消散等，事故树的建立如图1所示。
图1 加氢站事故树
3.2 加氢站氢气泄漏概率分析
美国圣地亚国家实验室(SNL)在对加氢站安全间距进行量化风险评价的过程中，将氢气泄漏概率定义为氢气存储系统典型泄漏尺寸的函数，典型泄漏尺寸的选取至关重要。安全间距并不是针对大的灾难性事故来保护系统，而是应该覆盖设施生命周期内可能发生的事故，尤其是发生概率较高的小尺寸泄漏事故，需要保证在超出安全间距区域泄漏事故引发的风险后果是可以接受的。因此在选择典型泄漏尺寸时需要考虑所选尺寸的泄漏概率和更大尺寸泄漏的后果。最终选择的用于计算安全间距的泄漏尺寸包含了典型加氢站95%的泄漏事故。95%比例的选取是基于90%到99%的大尺寸泄漏事故在加氢站设计建设过程中已采取了应对措施。3.3 风险基准选择
风险评估的首要考虑是潜在的人身伤害，并为意外暴露的人员建立风险基准，包括公共人员、加氢站工作人员和位于加氢站边界外的客户。风险评估中最重要的问题是公共安全。在评估过程中，公众的风险基准通常设置为比车站工作人员小一到两个数量级。根据事故后果计算模型，选定的风险基准反映了可接受的死亡率。
风险基准可以针对个人或公众群体。个人风险反映了特定地点人员的平均死亡率。一般来说，个人风险是针对暴露最多的人进行评估的。社会风险反映了死亡率与人数之间的关系，对于社会风险评估，确定设施周围的人员非常重要。对于用于建立标准的一般风险评估，人口密度的选择会给结果带来不止一种程度的不确定性。用于确定标准中安全距离的风险评估过程。个人风险的确定仅针对特定位置，但很难准确确定某个位置的暴露最多的人。因此，通常假定暴露最严重的人员为位于安全间距距离处的公众。
3.4 基于风险的加氢站安全距离计算方法
a) 根据加氢站事故树，氢气泄漏事故场景分为喷射火灾、爆炸和仅泄漏三类。根据选定的典型泄漏尺寸，计算泄漏量，进而得到点火概率，最终计算出不同事故场景的发生概率。
b) 喷射火灾事故以火焰辐射为破坏参数，爆炸事故以压力峰值和冲击波为破坏参数。分别计算死亡率，然后相加计算典型泄漏量下的总死亡率。
c) 最后，图 2 根据泄漏事故的累积风险和选定的风险基准确定安全距离。
图 2 基于风险的安全距离确定方法
4 结论和建议
在分析美国、德国、日本等国家和地区加氢站现状的基础上，从加氢规模、安全间距、储氢方式等方面与我国加氢站进行了综合比较。对比发现，我国标准制定过程中采用的汽油和氢能当量换算方法计算出的安全距离过大，在一定程度上制约了我国加氢站的发展。因此，建立了基于风险的加氢站安全间距计算方法，为科学合理修订加氢站安全间距提供了依据。然而，我国加氢站的发展时间较短。国内尚无有效的加氢站氢气泄漏概率数据库，这对加氢站定量风险评估结果的准确性影响很大。分析研究工作，以利于安全距离的合理制定和修订。
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