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探究氫能及燃料電池安全性

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年01月26日  

氫能及燃料電池系列

有人將2018年定義為中國氫能發展的元年,在這一年,氫能一天比一天火熱,從行業圈內默默的發展,漸漸走近大眾的視野,被譽為21世紀最有前景的替代能源,各大企業也都扎堆進入氫能行業,氫能項目也火熱得千金難求。如果不了解點氫能以及相關技術的知識,可能已經跟不上整個能源行業的發展,交能網借鑒各類文獻,結合自身在德國亞琛工大的專業研究,希望從各個環節分別介紹氫能及其相關技術、應用及其發展現狀,希望讀者對氫能產業有個初步的了解。

自古以來,凡是燃料都具有能量,為人類社會發展、工業和經濟不斷進步作出重要貢獻的同時,都隱藏著爆炸和著火的風險。在過去的近兩個世紀內,人類社會的能源消得大都建立在化石燃料的基礎上。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,在運輸和使用過程中曾多次發生事故,造成大量人員傷亡和財產損失。但事實上,我們并不會因噎廢食,更不能因為某種燃料存在風險就不去發展和使用,發揮其自身優越性。正確的態度是提前對其性質特點進行研究,并在使用過程中做好安全措施,正確的認識和事故的預防,就能將種種危險消滅在萌芽之中。

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

1.氫是最輕的元素,因此具有較強的泄漏性,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,但同一時間段內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中長期使用時,容易由于吸氫或氫滲而造成機械性嚴重退化,尤其是純度較高的金屬在高溫高壓的環境中,其強度會大大降低,極易發生脆斷。為了避免這一問題出現,對于氫運輸和使用的管道設備應當選擇合適的材料,比如鋁和一些合成材料,可以有效避免安全風險。

3.氫是一種極易燃的材料,其著火點能量在空氣和氧氣中都很小,研究發現,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%的范圍內都具有可燃性,這一點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,因此在發生泄漏時氫更容易快速上升和橫向擴散,從而快速降低濃度。在戶外,快速擴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,如果泄漏量較小,氫可以通過擴散和空氣快速混合,保持在著火下限之下,但如果泄漏量較大,氫的快速擴散會導致室內空氣很快到達著火點,具有較大的危險性。

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,氫的燃燒速度時汽油和天然氣的7倍,因此更容易發生爆炸。

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色火焰,因此在白天很難被察覺,接近氫火焰的時候可能并不能意識到火焰的存在,有灼傷人體的風險。但是氫火焰在可見光范圍內燃燒放出的能量較低,熱輻射少,對周圍環境中的物體影響也比較小,這也是有利的一點。

綜上可見,氫的使用過程確實存在一定的風險,國內外大量的氫能實踐中也出現過一些事故,發生的原因大多是由于氫在未察覺時泄漏、氫氧廢水爆炸和管道及壓力容器的爆炸。因此,氫的使用需要經過嚴格的管理和安全、規范的操作流程。

美國是氫能標準規范實施最早的國家之一,在21世紀初,美國十多個組織,如如美國國家標準研究院(ANSI),壓縮氣體協會(CGA)、國家防火協會(NFPA)等就在進行規范和標準的研究制定。美國政府在2002年頒布的《美國國家氫能發展路線圖》中將“規范與標準(Codes&Standards)”列入氫能系統的七個組成元素之一,其余六個元素分別是:生產(Production)、輸送(Delivery)、儲存(Storage)、轉化(Conversion)、應用(Applications)和教育(Educationandoutreach)。該路線圖指出,在氫能技術體系的設計、制造和操作等環節建立統一的規范和標準,將顯著加速氫能技術從實驗室走向市場的腳步,而政府和業界的合作將加速規范和標準的制定過程,促進國際性統一標準的形成。

近幾年世界各國對氫能規范和標準的制定非常積極,但大多數成果僅為推薦標準,只有極少數以法規的形式頒布,且各項標準之間的差異較大,規范的不成熟無疑給氫能設施的普及應用造成了極大的困難。作者認為,不斷完善制氫、儲氫、加氫、運氫的技術過程,盡快建立統一、公認的國際性法規和標準,是促進提升氫能使用安全性,促進氫能發展的重要方向。

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