1.着火性

氢气引起火灾的另一个重要原因是点火所需要的能量非常小。可燃性气体的着火性测量如图18-2所示，在两个圆盘之间安装电火花塞，改变圆盘的距离和电火花塞的点火能量，可以测出点火能量随距离的变化。在不同的距离下，点火能量不同，对应的最小能量为最小点火能量。另外当圆盘距离小到一定值后，不论点火能量多大氢气都不会燃烧，这个距离即为消焰距离，在此距离之下燃烧相关的活性基（radical）会失活。

在常压空气中，甲烷和丙烷的最小点火能量是0.25mJ左右，消焰距离是2mm，氢气的则分别为0.02mJ和0.6 mm，比甲烷和丙烷的要小很多，相比之下氢的着火性要强很多，非常微弱的静电火花也可以点燃氢气，而且有强的穿透能力^[7]。

图18-2 消焰距离和最小着火能量的测定

2.可燃烧范围

氢气的另一个危险因素是燃烧范围宽，常温、常压干燥空气中，氢气燃烧的下限浓度为4%，和其他可燃性气体没有什么大的差别，但是上限浓度为75%，与甲烷的15%以及丙烷的10.5%相比就要大很多。如果在氧气中，其范围是4.1%～94%，几乎任何比例的混合都可以燃烧。燃烧范围也随压力、温度、混合气体的种类、点火能量的大小不同而不同，如低压下可燃范围变窄，但是如果用很强的点火塞点火的话，即便在燃烧范围以下的浓度也可以燃烧。也就是说，如果提供容易燃烧的条件，燃烧范围会进一步加宽。氢气的燃烧下限浓度虽然为4%，但这并不意味着4%以下就绝对安全，因为即便平均为4%，但是局部或瞬间会大于4%，也会有危险的隐患。

氢气的着火上限很高，在有些情况下是有害的。例如，在车库中发生氢气泄漏，超过了着火下限而又没有点燃的话，这时落在着火范围之内的空气的体积就很大，车库中任何地方的着火源都可以点燃氢气，因此危险性就要大得多。

氢气燃烧时的火焰几乎看不见，如液体氢气内燃机推动的火箭的火焰几乎看不到燃烧的火焰，看到的是大量的水蒸气冷却后长长的白色云雾。而碳水化合物气体燃烧时，观察到的是橘黄色的或青蓝色火焰。这是因为氢气燃烧的火焰中仅含有氢、氧、水以及不稳定的OH类中间产物，不会出现微小的固态碳化物颗粒，不会形成黑体辐射或被电磁波捕获，同时燃烧温度高，不会出现红色或橘黄色颜色。另外氢气火焰的温度又不会引起氢或氧的电子激发，从而产生可见光。这就是为什么氢气燃烧的火焰不宜看见的原因。

因此接近氢气火焰的人可能会不知道火焰的存在，这就增加了危险性。但这也有有利的一面。由于氢火焰的辐射能力较低，所以附近的物体（包括人）不容易通过辐射热传递而被点燃。相反，汽油火焰的蔓延一方面通过液体汽油的流动，一方面通过汽油火焰的辐射。因此，汽油比氢气更容易发生二次着火。另外，汽油燃烧产生的烟和灰会增加对人的伤害，而氢燃烧只产生水蒸气。

如果空气中CO₂等不可燃气体混入的话，氢气的燃烧浓度区间会减小。图18-3是添加不可燃气体对氢气的可燃浓度范围的影响，不可燃气体的引入可以有效地防止氢气的燃烧和爆炸。CH₂Br、CBrF₃等碳卤化合物的混入可以使燃烧范围大幅度变窄，火灾时灭火非常有效，所以在这些物质环境中氢的放出要特别注意^[10]。

“氢气容易爆炸，非常危险可怕”这是接触氢气时常常被提到或感觉到的。的确氢气是有危险的，需要多加注意，但绝非是可怕的。如图18-4所示，氢的最小点火能量很小，但是在含有5%H₂左右的混合气体，其最小着火能量与甲烷和丙烷的相差不大。而且浓度为4%的氢气火焰只是向前传播，如果火焰向后传播，氢气浓度至少为9%。所以如果着火源的浓度低于9%，着火源之下的氢气就不会被点燃。而对于天然气，火焰向后传播的着火下限仅为5.6%。

图18-3 非活性气体对氢气的可燃范围的影响

因为氢气轻，扩散快，空气中能混入30%的氢气的状况非常少，更多的情况是含氢浓度比较低的混合气体，这时的燃烧爆炸与其他气体差别并不大，并没有想象的那样可怕。氢气扩散快使得氢气容易散去，可以缩短危险时间，所以氢能源车辆火灾危险并没有汽油以及天然气的大，这一点也被实验证实了。

另外，最小着火能的实际影响也不像数字所表明的那样可怕。氢气的最小着火能是在浓度为25%～30%的情况下得到的。在较高或较低的燃料空气比的情况下，点燃氢气所需的着火能会迅速增加，如图18-4所示。事实上，在着火下限附近，燃料浓度为4%～5%，点燃氢气-空气混合物所需要的能量与点燃天然气-空气混合物所需的能量基本相同^[10]。

图18-4 氢气、甲烷和丙烷最小着火能随空气混合比例的变化

氢气是一个单一物质，而且反应性并不太强，纯的氢气放入合适材质的容器中，不会劣化也不会发生反应。汽油内部有电火花时可以着火，相比之下氢气即便内部有静电火花也不会燃烧，更安全。

图18-5列出了氢气、甲烷、丙烷和汽油在少量泄漏情况下的可燃性（扩散、浮力和着火下限）。该图表明，氢是最安全的燃料，因为它的浮力和扩散性很好，而且着火下限第二高^[8，9]。

图18-5 氢气、甲烷、丙烷和汽油的可燃性

3.燃烧速度和火焰传播速度

气体燃烧的速度可分为层状燃烧速度和乱流燃烧速度，后者比较复杂，往往比前者大很多。一般来说，如图18-6所示，气体的燃烧速度在量子浓度（当量比=1）处为最大，氢气的当量比约为1.8（体积浓度约为43%），氢气的最大燃烧速度为2.65m/s，是甲烷和丙烷的6倍以上。燃料气体的火焰传播速度V_f与气体的层流燃烧速度S_L、已经燃烧的气体密度ρ_b、未燃烧的气体密度ρ_u相关，如图18-7所示^[7]。

V_f=（ρ_u/ρ_b）S_L

如果以30%浓度（当量比=1）的代表18-值S_L=2m/s，ρ_u/ρ_b=10来计算，氢气即便是以层状燃烧状态，火焰的传播速度也会超过20m/s。

图18-6 静止的预混合可燃性气体的着火及火焰传播概要

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图18-7 可燃气体与空气混合气的层流燃烧速度

4.爆燃和爆轰

氢气在空气中的燃烧有两种方式。通常的燃烧为爆燃（deflagration），火焰以亚音速沿混合气体传播，届时气体受热而迅速膨胀，并产生冲击波，其压力可能足以破坏附近的建筑物。另一种燃烧为爆轰（detonation），火焰传播加速使爆燃发展到爆轰时，火焰传播和由此产生的冲击波合为一体以超音速沿混合气体传播，温度、压力都会大幅度增加，由此产生的危害也要大很多。表18-3是通过计算得到的各种气体爆轰的特性，约30%氢气与空气的混合气体爆轰时产生的压力大于15atm^[11]。

表18-3 可燃性气体的爆轰特性

引发爆轰的能量与可燃性气体的浓度有关，图18-8给出了可燃气体浓度与爆轰引发界限能量的关系。从中可知乙炔-氧气混合气体的爆轰引发界限能量最低，氢气不是很容易引发爆轰的气体^[12]。

在户外，燃烧速度很低，氢气爆炸的可能性很小，除非有闪电、化学爆炸等这样大的能量才能引爆氢气雾。但是在密闭的空间内，燃烧速度可能会快速增加，发生爆炸。

如表18-2所示，氢气的燃烧速度是天然气和汽油的7倍。在其他条件相同的情况下，氢气比其他燃料更容易发生爆燃甚至爆炸。但是，爆炸受很多因素的影响，比如精确的燃料空气比、温度、密闭空间的几何形状等，并且影响的方式很复杂。氢气燃料与空气比的爆炸下限是天然气的2倍，是汽油的12倍。如果氢气泄漏到一个离着火源很近的空间内，氢气会燃烧，发生爆炸的可能性很小。如果要氢气发生爆炸，氢气必须在没有点火的情况下累积到至少13%的浓度，然后再接触着火源才发生爆炸。而在工程上，氢气的浓度要保持在4%的着火下限以下，或者要安装探测器报警或启动排风扇来控制氢气浓度，如果氢气浓度累积到13%还没有报警，那安全保护系统已经发生了很大的问题了，而出现这种情况的概率是很小的。如果发生爆炸，氢的单位能量的最低爆炸能是最低的。而就单位体积而言，氢气爆炸能仅为汽油的1/22。

图18-9是氢气的爆炸性和其他燃料的对比。4个坐标分别是扩散、浮力、爆炸下限和燃烧速度的倒数，越靠近坐标原点越危险。从图中可以看出，就扩散、浮力和爆炸下限而言，氢气都远比其他燃料安全，但氢气的燃烧速度指标是最坏的。因此氢气的爆炸特性可以描述为：氢气是最不容易形成可爆炸的气雾的燃料，但一旦达到了爆炸下限，氢气是最容易发生爆燃、爆炸的燃料^[9]。氢气爆炸的威力见表18-4和表18-5^[13]。

图18-8 可燃性气体浓度与爆轰发生能量的关系

图18-9 燃料气体的爆炸性

表18-4 氢气爆轰压力对木建筑的破坏情况

表18-5 氢气爆轰压力对人体的影响

5.氢气和空气混合气的爆炸特性

开放空间的氢气和空气的混合爆炸主要发生在容器顶部或者是房屋顶部的氢气富集区域，爆炸的特性随爆炸前的氢气浓度、区间大小、流动状态、障碍物有无等相差很大。封闭容器中的氢气爆炸容易计算和测试，爆炸产生的最大压力与爆炸前后绝对温度比和摩尔数比的乘积（膨胀比）成比例，与容器的大小基本上没有关系（除特殊复杂结构外）。表18-6绘出了10L球形封闭容器内氢气爆炸的特性。最大压力在7atm左右，大体与理论计算值相当^[7]。

表18-6 10L球型密封容器内的爆炸特性

6.氢气燃烧火焰及辐射热

氢气燃烧反应时间要比氢气在空气中的混合时间要快很多，氢气的燃烧决速步是氢气的扩散，所以氢气的燃烧火焰也称之为扩散火焰。火焰的长度与喷口的直径、压力有一定关系。图18-10所示为盆口直径为1.17mm时的氢气的喷口压力与火焰长度的关系。从图可见火焰长度与亚音速转变为超音速的压力（0.3MPa）附近有明显的变化^[14]。

图18-10 氢气喷出压力与火焰长度的关系（口径：1.17mm）

图18-11是由口径为1.2mm、10MPa的氢气产生的扩散火焰的辐射热流束分布图。辐射热流束的最大值在火焰轴向为23000W/m²，垂直于轴向方向上为8500W/m²，氢焰辐射的热量比其他可燃物质低得多。火焰的平均温度大体为1500℃，火焰的辐射率ε大约在0.015～0.04之间。而油、天然气、碳微粉燃烧时，同样大小的火焰产生的辐射率则在0.4～0.8之间，比氢气火焰的要大一个数量级。这是由于油、碳粉、天然气燃烧时会有微颗粒形成，并产生强的红外线辐射，而氢气燃烧时仅靠唯一的生成物H₂O产生热辐射。不过在氢气与空气的混合气体中如果含有粉尘微粒或盐分的话，热辐射率会提高^[7]。

图18-11 氢气火焰辐射热流束的照片（喷出压力：10MPa，口径：1.2mm）