氫能及燃料電池系列

有人將2018年定義為中國氫能發(fā)展的元年，在這一年，氫能一天比一天火熱，從行業(yè)圈內(nèi)默默的發(fā)展，漸漸走近大眾的視野，被譽(yù)為21世紀(jì)最有前景的替代能源，各大企業(yè)也都扎堆進(jìn)入氫能行業(yè)，氫能項(xiàng)目也火熱得千金難求。如果不了解點(diǎn)氫能以及相關(guān)技術(shù)的知識，可能已經(jīng)跟不上整個(gè)能源行業(yè)的發(fā)展，交能網(wǎng)借鑒各類文獻(xiàn)，結(jié)合自身在德國亞琛工大的專業(yè)研究，希望從各個(gè)環(huán)節(jié)分別介紹氫能及其相關(guān)技術(shù)、應(yīng)用及其發(fā)展現(xiàn)狀，希望讀者對氫能產(chǎn)業(yè)有個(gè)初步的了解。

自古以來，凡是燃料都具有能量，為人類社會發(fā)展、工業(yè)和經(jīng)濟(jì)不斷進(jìn)步作出重要貢獻(xiàn)的同時(shí)，都隱藏著爆炸和著火的風(fēng)險(xiǎn)。在過去的近兩個(gè)世紀(jì)內(nèi)，人類社會的能源消得大都建立在化石燃料的基礎(chǔ)上。但即使是我們非常熟悉的汽油、液化石油氣和天然氣等燃料，也存在著不同程度的危險(xiǎn)，在運(yùn)輸和使用過程中曾多次發(fā)生事故，造成大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。但事實(shí)上，我們并不會因噎廢食，更不能因?yàn)槟撤N燃料存在風(fēng)險(xiǎn)就不去發(fā)展和使用，發(fā)揮其自身優(yōu)越性。正確的態(tài)度是提前對其性質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行研究，并在使用過程中做好安全措施，正確的認(rèn)識和事故的預(yù)防，就能將種種危險(xiǎn)消滅在萌芽之中。

任何燃料的安全性都與其自身的性質(zhì)密切相關(guān)，氫由于其本身的特殊性，使得它在安全性方面有獨(dú)特的特點(diǎn)。具體分析如下：

1.氫是最輕的元素，因此具有較強(qiáng)的泄漏性，比液體燃料和其他氣體燃料更容易從密封性欠缺的孔洞中泄漏。在層流情況下，氫氣的泄漏速率比天然氣高26%，而在湍流情況下則是天然氣的2.8倍。但如果從高壓儲氣罐中大量泄漏，氫氣和天然氣的泄漏速率都會達(dá)到聲速。然而，氫氣的聲速（1308mps）是天然氣聲速（449mps）的三倍，但天然氣的容積能量密度是氫氣的三倍多，因此氫氣的泄漏速率比天然氣快，但同一時(shí)間段內(nèi)泄漏的天然氣包含的總能量要更多。

2.金屬材料在含氫介質(zhì)中長期使用時(shí)，容易由于吸氫或氫滲而造成機(jī)械性嚴(yán)重退化，尤其是純度較高的金屬在高溫高壓的環(huán)境中，其強(qiáng)度會大大降低，極易發(fā)生脆斷。為了避免這一問題出現(xiàn)，對于氫運(yùn)輸和使用的管道設(shè)備應(yīng)當(dāng)選擇合適的材料，比如鋁和一些合成材料，可以有效避免安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.氫是一種極易燃的材料，其著火點(diǎn)能量在空氣和氧氣中都很小，研究發(fā)現(xiàn)，在空氣中氫的最小著火能量為0.019mJ，在氧氣中為0.007mJ。氫和空氣混合后，在氫的體積比為4%到75%的范圍內(nèi)都具有可燃性，這一點(diǎn)對于氫的安全性極為不利。

4.氫由于重量輕，具有較大的浮力，且粘度很小，因此在發(fā)生泄漏時(shí)氫更容易快速上升和橫向擴(kuò)散，從而快速降低濃度。在戶外，快速擴(kuò)散有助于氫降低濃度，形成不會燃燒和爆炸的安全氣體混合物。但在室內(nèi)，如果泄漏量較小，氫可以通過擴(kuò)散和空氣快速混合，保持在著火下限之下，但如果泄漏量較大，氫的快速擴(kuò)散會導(dǎo)致室內(nèi)空氣很快到達(dá)著火點(diǎn)，具有較大的危險(xiǎn)性。

5.在戶外自然條件下，氫的燃燒速率很低，若沒有閃電或化學(xué)性爆炸帶來的巨大能量，氫爆炸的可能性非常小。但是在密閉空間中，氫的燃燒速度時(shí)汽油和天然氣的7倍，因此更容易發(fā)生爆炸。

6.氫的火焰是無色的，在白天肉眼幾乎看不到，只有在黑暗條件下可以看到藍(lán)色火焰，因此在白天很難被察覺，接近氫火焰的時(shí)候可能并不能意識到火焰的存在，有灼傷人體的風(fēng)險(xiǎn)。但是氫火焰在可見光范圍內(nèi)燃燒放出的能量較低，熱輻射少，對周圍環(huán)境中的物體影響也比較小，這也是有利的一點(diǎn)。

綜上可見，氫的使用過程確實(shí)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，國內(nèi)外大量的氫能實(shí)踐中也出現(xiàn)過一些事故，發(fā)生的原因大多是由于氫在未察覺時(shí)泄漏、氫氧廢水爆炸和管道及壓力容器的爆炸。因此，氫的使用需要經(jīng)過嚴(yán)格的管理和安全、規(guī)范的操作流程。

美國是氫能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)施最早的國家之一，在21世紀(jì)初，美國十多個(gè)組織，如如美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究院（ANSI），壓縮氣體協(xié)會（CGA）、國家防火協(xié)會（NFPA）等就在進(jìn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的研究制定。美國政府在2002年頒布的《美國國家氫能發(fā)展路線圖》中將“規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)（Codes&Standards）”列入氫能系統(tǒng)的七個(gè)組成元素之一，其余六個(gè)元素分別是：生產(chǎn)(Production)、輸送(Delivery)、儲存(Storage)、轉(zhuǎn)化(Conversion)、應(yīng)用(Applications)和教育(Educationandoutreach)。該路線圖指出，在氫能技術(shù)體系的設(shè)計(jì)、制造和操作等環(huán)節(jié)建立統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，將顯著加速氫能技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向市場的腳步，而政府和業(yè)界的合作將加速規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的制定過程，促進(jìn)國際性統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的形成。

近幾年世界各國對氫能規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的制定非常積極，但大多數(shù)成果僅為推薦標(biāo)準(zhǔn)，只有極少數(shù)以法規(guī)的形式頒布，且各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)之間的差異較大，規(guī)范的不成熟無疑給氫能設(shè)施的普及應(yīng)用造成了極大的困難。作者認(rèn)為，不斷完善制氫、儲氫、加氫、運(yùn)氫的技術(shù)過程，盡快建立統(tǒng)一、公認(rèn)的國際性法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，是促進(jìn)提升氫能使用安全性，促進(jìn)氫能發(fā)展的重要方向。