水素の安全性

水素を移送する際には、チャンバーを不活性化し、ガスラインをパージすることが重要な標準安全手順となります。適切に不活性化またはパージするには、可燃限界を考慮する必要がありますが、水素の可燃限界は他の種類のガスとは大きく異なります。通常の気圧では、酸素中の水素の体積パーセントに基づくと、4%～75%ですが、空気中の水素の爆轟ポテンシャルの限界は、体積で18.3%～59%です。^{[ 1 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}実際、火災中の乱流が爆燃を引き起こし、爆轟を生じさせる可能性があるため、これらの可燃限界はこれよりも厳しくなることがよくあります。比較のために、空気中のガソリンの爆燃限界は1.4～7.6%、空気中のアセチレンの爆燃限界は2.5～82%です。^{[ 15 ]}

したがって、水素の移送前または移送後に装置が空気に開放されている場合、他の種類のガスの移送では安全であったかもしれないが、考慮すべき特有の条件が存在する。不活性化またはパージが不十分であったり、装置への空気の導入が過小評価されていた（例えば、粉末を追加するとき）ために爆発事故が発生している。^{[ 16 ]}このため、不活性化またはパージの手順と装置は水素に特有のものであることが多く、水素ラインの継手やマーキングは、この手順やその他の手順が適切に遵守されるように完全に異なる必要がある場合が多い。これは、水素ラインが誤ってメインラインに接続されたり、水素ラインが他のラインと混同されたりしたために爆発事故が多数発生しているためである。^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

空気中の水素の最小着火エネルギーは、既知の物質の中で最も低いものの 0.02 mJ であり、水素-空気混合物はガソリン-空気混合物の着火の 1/10 の労力で着火する可能性があります。^{[ 1 ] [ 11 ]}このため、着火源となる可能性のあるものはすべて精査する必要があります。電気機器、ボンディング、または接地は、該当する危険区域分類要件を満たす必要があります。^{[ 20 ] [ 21 ]}静電気の蓄積の潜在的な発生源 (一部の換気システム設計など^{[ 22 ]} ) も同様に、帯電防止装置などを使用して最小限に抑える必要があります。^{[ 23 ]}

高温作業手順は、堅牢で包括的かつ厳格に実施されなければならず、作業前に高所をパージおよび換気し、大気をサンプリングする必要があります。天井に取り付けられた機器も同様に危険区域の要件（NFPA 497）を満たす必要があります。^{[ 16 ]}最後に、破裂板は、複数の爆発や火災の一般的な発火源となっているため、使用すべきではありません。代わりに、リリーフバルブなどの他の圧力解放システムを使用する必要があります。^{[ 24 ] [ 25 ]}

通常の気圧と温度下でも他の物質と接触する可能性のある水素を扱う際には、考慮すべき主な化学的性質が4つあります。

• 水素の化学は、従来の化学物質とは大きく異なります。たとえば、周囲環境での酸化などです。そして、この特異な化学を無視したことが、一部の化学プラントで問題を引き起こしました。^{[ 26 ]}また、考慮すべきもう1つの側面は、水素が別の反応の副産物として生成される可能性があるという事実が見落とされている可能性があることです。たとえば、ジルコニウムと水蒸気が水素源を生成します。^{[ 27 ] [ 28 ] [ 14 ]}この危険は、受動的な自己触媒再結合器を使用することで、ある程度回避できます。
• 考慮すべきもう 1 つの大きな問題は、水素と鋼鉄などの他の一般的な建築材料との化学的適合性です。^{[ 29 ] [ 30 ]}水素脆化のため、水素との材料適合性は特に考慮されます。^{[ 14 ]}
• これらの考察は、高温での特殊な反応によりさらに変化する可能性がある。^{[ 14 ]}
• 水素の拡散率は通常の気体とは大きく異なるため、ガスケット材料は慎重に選択する必要がある。^{[ 31 ] [ 32 ]}
• 浮力と機械物体にかかる応力は、標準的な気体の場合とは逆になることが多い。例えば、浮力のため、大きな貯蔵タンクの上部付近では応力が顕著になることが多い。 ^{[ 33 ] [ 14 ]}

これら4つの要素はすべて、水素を使用するシステムの初期設計時に考慮され、通常は、間隔、電気めっき、表面洗浄、材料の選択、製造、溶接、設置中の品質保証などによって、水素に弱い金属と水素との接触を制限することによって実現されます。それ以外の場合は、水素損傷は特殊な監視装置によって管理および検出できます。 ^{[ 34 ] [ 16 ]}

水素源と配管の場所は慎重に選ばなければなりません。水素は空気より軽いガスであるため、屋根や軒下（一般的にトラップサイトと呼ばれる）に溜まり、爆発の危険性があります。^{[ 14 ]} 多くの人は植物を空気より重い蒸気から守る方法には精通していますが、「上を見上げる」ことには慣れていないため、特に注意が必要です。^{[ 33 ]} また、水素はパイプに入り込み、目的地までたどることもあります。そのため、水素パイプには適切なラベルを付け、このような事態を防ぐために他のパイプよりも高い位置に設置する必要があります。^{[ 10 ] [ 16 ]}

適切な設計であっても、水素漏れは4マイクログラム/秒という非常に低い流量でも燃焼を維持する可能性があります。^{[ 1 ] [ 35 ] [ 12 ]}このため、検出が重要です。 水素センサーまたはカサロメーターを使用すると、水素漏れを迅速に検出して、水素を排出して漏れ源を追跡することができます。特定のパイプや場所の周りに、水素検出のために特殊なテープを追加できます。従来の方法は、天然ガスで一般的なように、ガスに水素臭気剤を添加することです。燃料電池用途では、これらの臭気剤は燃料電池を汚染する可能性がありますが、研究者は、トレーサー、新しい臭気剤技術、高度なセンサーなど、水素検出に使用できる他の方法を研究しています。^{[ 1 ]}

水素炎は肉眼では見えにくい場合がある（いわゆる「見えない炎」である）が、UV/IR炎検出器では容易に検出できる。最近では、水素炎の検出速度がさらに速いマルチIR検出器が開発されている。^{[ 36 ] [ 37 ]}これは水素火災の消火において非常に重要であり、消火の好ましい方法は漏洩源を止めることである。なぜなら、特定のケース（特に極低温水素）では、漏洩源に直接水をかけると着氷し、二次的な破裂を引き起こす可能性があるからである。^{[ 38 ] [ 33 ]}

可燃性の懸念とは別に、密閉空間では水素は窒息性ガスとしても作用する可能性があります。^{[ 1 ]}したがって、水素を大気中に放出することは一般的に安全であるため、これらの問題が発生した場合に対処できるよう、適切な換気を確保する必要があります。ただし、このような換気システムを設置および設計する際には、水素は床ではなく、構造物の天井や頂上に蓄積する傾向があることを念頭に置く必要があります。水素は急速に上昇し、多くの場合、着火する前に拡散するため、多くの危険が軽減される可能性があります。^{[ 39 ] [ 16 ]}

特定の緊急時やメンテナンス状況では、水素を燃焼させることもできます。^{[ 40 ] [ 14 ]}例えば、一部の水素燃料車の安全機能として、タンクが燃えた場合に燃料を燃焼させ、ガソリン車の場合とは異なり、車両への損傷を最小限に抑えながら完全に燃焼させることができます。^{[ 41 ]}

理想的には、火災や爆発は発生しないが、偶発的な着火が発生した場合に、追加的な被害を最小限に抑えるように施設​​を設計する必要がある。水素貯蔵ユニット間の最小分離距離と、当該貯蔵ユニットの圧力を考慮する必要がある（NFPA 2および55参照）。爆発ベントは、施設の他の部分が損傷を受けないように配置する必要がある。特定の状況では、これは爆発時に構造物の残りの部分から安全に吹き飛ばされる屋根を意味する。^{[ 16 ]}

液体水素は他の極低温化学物質とはわずかに異なる化学反応を示し、微量の空気が混入すると容易に液体水素が汚染され、 TNTや他の高爆発性物質と同様の爆発性を持つ不安定な混合物を形成する可能性があります。そのため、液体水素には特殊な断熱容器などの複雑な貯蔵技術が必要であり、すべての極低温物質に共通する特別な取り扱いが必要です。これは液体酸素と似ていますが、より深刻です。断熱容器を使用しても、そのような低温を維持することは難しく、水素は徐々に漏れ出します。通常、1日あたり1%の割合で蒸発します。^{[ 1 ] [ 42 ]}

極低温水素の主な危険は、 BLEVE （沸騰液体膨張蒸気爆発）として知られる現象です。水素は大気中では気体であるため、急速な相変化と爆発エネルギーが相まって、より危険な状況を生み出します。^{[ 43 ]} 二次的な危険は、多くの材料が極低温で延性から脆性に変化し、漏洩の新たな箇所が生じる可能性があることです。^{[ 14 ]}

従来の作業安全訓練に加えて、よく省略される手順（作業エリアの高い場所の点検など）を防ぐためのチェックリストが、水素を扱う作業に内在する状況的な危険性に関する指示とともに実施されることが多い。^{[ 16 ] [ 44 ]}

水素の安全ガイドラインに関する現在のANSI / AIAA規格は、AIAA G-095-2004「水素および水素システムの安全ガイド」です。^{[ 107 ]} NASAは世界最大の水素使用者の1つであるため、これはNASAの以前のガイドラインNSS 1740.16（8719.16）から発展しました。^{[ 14 ]}これらの文書は、さまざまな形態の水素がもたらすリスクと、それらを軽減する方法の両方を網羅しています。NASAはまた、「水素および水素システムの安全規格」 ^{[ 108 ]}と「水素アプリケーションソースブック」^{[ 109 ]も参照しています。 [ 3 ]}

水素安全ガイドラインを担当するもう 1 つの組織は圧縮ガス協会 (CGA)であり、一般的な水素貯蔵^{[ 110 ]}配管^{[ 111 ]およびベント[ 112 ] [ 3 ]}を網羅する独自の参考資料を多数保有しています。

2023年、CGAは水素の製造、貯蔵、輸送、使用に関する安全情報を開発・配布するための国際的な共同プロジェクトである「安全水素プロジェクト」を開始しました。