PDF《燃料电池产业链（四）| 氢气篇：安全性分析》

燃料电池产业链

(四)| 氢气篇:安全性分析 氢气安全吗?――安全性能不亚于常见燃料,可以满足应用需求 随着各国对燃料电池汽车产业的不断投入,燃料电池汽车技术逐渐成熟,已经有多个汽车厂商推出燃料电池商用车 型,各国及各区域燃料电池汽车相关标准也在不断制定和完善中.

在燃料选择方面,以氢气作为燃料具有环保、可再 生、来源广泛的优势.但是,由于氢气本身的物化特性,使得车载氢气系统存在着一定的安全隐患,也使得人们对于 燃料电池车的安全性普遍存在顾虑. 氢气是最不容易形成可爆炸的气雾的燃料,只要建立有效的防控手段,氢气的安全性还是十分出众的.与常规能源 相比,氢气有很多特性.其中既有有利于安全的属性,也有不利于安全的属性.有利于安全的属性有:更大的扩散系 数和浮力,单位体积或单位能量的爆炸能更低等;

不利于安全的属性有:更宽的爆炸极限范围,更容易泄漏,更高的 火焰传播速度等.本文就人们普遍关心的几个氢能安全问题,结合氢气的特性进行分析比较. 将氢气的主要特性和其它常见燃料作对比,建立四个坐标分别是扩散、浮力、爆炸下限和燃烧速度的倒数,越靠近 坐标原点越危险.可以看出,就扩散、浮力和爆炸下限而言,氢气都远比其它燃料安全,但氢气的燃烧速度是常见燃 料中最快的. 泄露性:泄露速度快于常见燃料,但泄露总能量不高 氢气相对比液体燃料和其他气体更容易从小孔中泄露,因此氢气相对于其他燃料的泄露速度更快.对于透过薄膜的 扩散,氢气的扩散速度是天然气的3.8倍.实际当中,氢气易泄漏更多的是通过燃料管线、阀门、高压储罐上出现的 微小裂缝.通过对燃料运输系统的合理设计,可以避免采用厚度很薄的材料. 从表中可以看出,在不同的泄漏状态下氢气的泄漏率大于其他常见燃气.在湍流情况(流体不规则运动)下,氢气 的泄漏率是天然气的2.8倍.在层流情况(流体规则运动)下,氢气的泄漏率比天然气高26%,丙烷泄漏的更快,比天 然气快38%. 页面

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17 根据燃料电池车泄漏位置和泄露时机的不同,氢气的泄漏状态是不同的:(1)储氢瓶(35MPa)直接发生泄漏将 直接以湍流的形式发生,此时发生泄漏的氢气速度可达声速的3倍多(1308mps).相比之下,天然气汽车由于气瓶内 压力为20MPa左右,发生泄漏时的速度仅为声速的1.2倍多(449mps),氢气显然的泄漏要比天然气快.(2)如果氢 气在供给电堆时发生泄露,将以层流的形式发生.这是由于氢瓶后端由于有减压器,一般一级压力将降为1.5MPa左右 ;

在氢气进入燃料电池系统之前会再进行二级减压,最终供给电堆的氢气压力为100kPa左右. 相同时间内泄漏的氢气体积总是大于天然气,但泄漏的天然气的能量将大于氢气的能量.由于天然气和氢气都是储 存在汽车的高压气罐中,如果发生泄漏,都是以湍流的形式,此时氢气的相对泄漏率是天然气的2.83倍.一般在20MP a压力下的压缩天然气的体积能量密度仅相当于汽油能量密度的30%,而国内现行的35MPa压力下的压缩氢气其体积能 量密度是汽油的16.7%.但是泄漏之后的气体处于常温常压的状态,此时氢气的体积能量密度为12.74MJ/Nm3,而天 然气为39.82MJ/Nm3,所以在相同时间内,泄露的氢气体积虽然更多,但是根据泄露情况的不同,泄漏后天然气携带 的能量大约为泄漏氢气1.11-2.48倍,下图模拟的是氢气和天然气泄漏时体积和能量对比: 扩散性:具有很高的扩散系数和浮力,泄漏时可迅速降低浓度 氢与汽油、丙烷和天然气相比,氢气具有更大的浮力(快速上升)和更大的扩散性(横向移动).氢气的密度仅为 空气的7%,而天然气的密度是空气的55%.所以即使在没有风或不通风的情况下,它们也会向上升,而且氢气会上升 的更快一些.但丙烷和汽油气都比空气重,所以它们会停留在地面,扩散的很慢.氢的扩散系数是天然气的3.8倍、 丙烷的6.1倍、汽油气的12倍.这么高的扩散系数表明,即使在通风不畅的环境下,泄漏的氢气也将会很快上升并向 各个方向快速扩散,迅速降低浓度. 页面