探究氢能及燃料电池安全性

氢能及燃料电池系列

有人将2018年定义为中国氢能发展的元年，在这一年，氢能一天比一天火热，从行业圈内默默的发展，渐渐走近大众的视野，被誉为21世纪最有前景的替代能源，各大企业也都扎堆进入氢能行业，氢能项目也火热得千金难求。如果不了解点氢能以及相关技术的知识，可能已经跟不上整个能源行业的发展，交能网借鉴各类文献，结合自身在德国亚琛工大的专业研究，希望从各个环节分别介绍氢能及其相关技术、应用及其发展现状，希望读者对氢能产业有个初步的了解。

自古以来，凡是燃料都具有能量，为人类社会发展、工业和经济不断进步作出重要贡献的同时，都隐藏着爆炸和着火的风险。在过去的近两个世纪内，人类社会的能源消得大都建立在化石燃料的基础上。但即使是我们非常熟悉的汽油、液化石油气和天然气等燃料，也存在着不同程度的危险，在运输和使用过程中曾多次发生事故，造成大量人员伤亡和财产损失。但事实上，我们并不会因噎废食，更不能因为某种燃料存在风险就不去发展和使用，发挥其自身优越性。正确的态度是提前对其性质特点进行研究，并在使用过程中做好安全措施，正确的认识和事故的预防，就能将种种危险消灭在萌芽之中。

任何燃料的安全性都与其自身的性质密切相关，氢由于其本身的特殊性，使得它在安全性方面有独特的特点。具体分析如下：

1.氢是最轻的元素，因此具有较强的泄漏性，比液体燃料和其他气体燃料更容易从密封性欠缺的孔洞中泄漏。在层流情况下，氢气的泄漏速率比天然气高26%，而在湍流情况下则是天然气的2.8倍。但如果从高压储气罐中大量泄漏，氢气和天然气的泄漏速率都会达到声速。然而，氢气的声速（1308mps）是天然气声速（449mps）的三倍，但天然气的容积能量密度是氢气的三倍多，因此氢气的泄漏速率比天然气快，但同一时间段内泄漏的天然气包含的总能量要更多。

2.金属材料在含氢介质中长期使用时，容易由于吸氢或氢渗而造成机械性严重退化，尤其是纯度较高的金属在高温高压的环境中，其强度会大大降低，极易发生脆断。为了避免这一问题出现，对于氢运输和使用的管道设备应当选择合适的材料，比如铝和一些合成材料，可以有效避免安全风险。

3.氢是一种极易燃的材料，其着火点能量在空气和氧气中都很小，研究发现，在空气中氢的最小着火能量为0.019mJ，在氧气中为0.007mJ。氢和空气混合后，在氢的体积比为4%到75%的范围内都具有可燃性，这一点对于氢的安全性极为不利。

4.氢由于重量轻，具有较大的浮力，且粘度很小，因此在发生泄漏时氢更容易快速上升和横向扩散，从而快速降低浓度。在户外，快速扩散有助于氢降低浓度，形成不会燃烧和爆炸的安全气体混合物。但在室内，如果泄漏量较小，氢可以通过扩散和空气快速混合，保持在着火下限之下，但如果泄漏量较大，氢的快速扩散会导致室内空气很快到达着火点，具有较大的危险性。

5.在户外自然条件下，氢的燃烧速率很低，若没有闪电或化学性爆炸带来的巨大能量，氢爆炸的可能性非常小。但是在密闭空间中，氢的燃烧速度时汽油和天然气的7倍，因此更容易发生爆炸。

6.氢的火焰是无色的，在白天肉眼几乎看不到，只有在黑暗条件下可以看到蓝色火焰，因此在白天很难被察觉，接近氢火焰的时候可能并不能意识到火焰的存在，有灼伤人体的风险。但是氢火焰在可见光范围内燃烧放出的能量较低，热辐射少，对周围环境中的物体影响也比较小，这也是有利的一点。

综上可见，氢的使用过程确实存在一定的风险，国内外大量的氢能实践中也出现过一些事故，发生的原因大多是由于氢在未察觉时泄漏、氢氧废水爆炸和管道及压力容器的爆炸。因此，氢的使用需要经过严格的管理和安全、规范的操作流程。

美国是氢能标准规范实施最早的国家之一，在21世纪初，美国十多个组织，如如美国国家标准研究院（ANSI），压缩气体协会（CGA）、国家防火协会（NFPA）等就在进行规范和标准的研究制定。美国政府在2002年颁布的《美国国家氢能发展路线图》中将“规范与标准（Codes&Standards）”列入氢能系统的七个组成元素之一，其余六个元素分别是：生产(Production)、输送(Delivery)、储存(Storage)、转化(Conversion)、应用(Applications)和教育(Educationandoutreach)。该路线图指出，在氢能技术体系的设计、制造和操作等环节建立统一的规范和标准，将显著加速氢能技术从实验室走向市场的脚步，而政府和业界的合作将加速规范和标准的制定过程，促进国际性统一标准的形成。

近几年世界各国对氢能规范和标准的制定非常积极，但大多数成果仅为推荐标准，只有极少数以法规的形式颁布，且各项标准之间的差异较大，规范的不成熟无疑给氢能设施的普及应用造成了极大的困难。作者认为，不断完善制氢、储氢、加氢、运氢的技术过程，尽快建立统一、公认的国际性法规和标准，是促进提升氢能使用安全性，促进氢能发展的重要方向。