PDF《燃料电池产业链（四）| 氢气篇：安全性分析》

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17 在户外,氢的快速扩散对安全是有利的.但在相对密闭的环境中,这如果氢气的泄漏量很小,氢气会快速与空气混 合,保持在爆炸极限浓度以下;

如果氢气的泄漏量很大,快速扩散会使得混合气浓度很容易达到爆炸极限,不利于安 全. 爆炸性:爆炸极限范围宽,但爆炸能很低且不产生浓烟和灰霾 在空气中,氢的爆炸范围很宽,而且点火能不高.氢气的爆炸极限范围(体积分数)是4%-75.6%,最小点火能仅 为0.02mJ.而其他燃料的爆炸极限范围则要窄得多,点火能也要高得多.一般来说,氢气爆炸要达到两个条件,除了 要满足氢气的爆炸极限,还要施加静电、明火或混合空气温度达到527oC及以上.氢气爆燃的条件是有先后顺序的, 首先要满足浓度,然后再满足点燃条件.如果已经有点燃条件,那么氢气只会排出多少就燃烧多少,不会爆燃,就像 煤气灶燃烧燃气一样. 从爆炸上限(UEL)考虑,在泄漏量比较大的情况下,天然气的浓度超过15%,或者汽油气的浓度超过7.8%,的确 要比氢气的浓度超过75%要容易的多.但在实践中经常发生的情况是,一般通过限制最大可能的燃料流量或者增加空 气流通量尽量使燃料混合物的浓度低于爆炸下限(LEL).所以爆炸下限比爆炸极限范围更好地表示燃料空气混合物 的着火趋势.而氢气的爆炸下限是汽油气的4倍、丙烷的1.8倍,只是略低于天然气. 在特定条件下(爆炸下限附近,燃料浓度为4%-5%),引爆氢气/空气混合物所需要的能量与点燃天然气/空气混合 物所需的能量基本相同.这是由于:氢气的最小点火能是在浓度为25%-30%的情况下得到的,在较高或较低的体积分 数情况下,引爆氢气所需的点火能会迅速增加. 如果发生爆炸,氢气的爆炸能量是常见燃气中最低的,特别就单位体积爆炸能而言,氢气爆炸能仅为汽油气的1/22 .在工程上,一般通过安装探测器警报与排风扇来共同控制氢气浓度保持在4%的爆炸下限以下,并且探测器的灵敏 度设置远远低于爆炸下限,只有安全保护系统出现重大问题,才会造成氢气大量泄露,而出现这种情况的概率是很小 的. 氢气火焰几乎是看不到的,因为在可见光范围内,燃烧的氢气放出的能量很少.因此接近氢气火焰的人可能会不知 道火焰的存在,从而增加了危险.但这也有有利的一面,由于氢火焰的辐射能力较低,所以附近的物体(包括人)不 容易通过辐射热传递而被点燃.相反,汽油火焰的蔓延一方面可以通过液体汽油的流动,另一方面也可以通过汽油火 焰的辐射.因此,汽油比氢气更容易发生二次着火.而且汽油燃烧产生的浓烟和灰霾会造成对人的额外伤害,而氢气 燃烧只会产生水蒸气. 页面

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17 氢脆现象:会引起金属脆化裂纹,可以选用合适的材料防护避免 氢脆是由氢在进入金属后,局部氢浓度达到饱和后聚合为氢分子,造成应力集中,引起金属塑性下降、诱发裂纹或 断裂的现象.锰钢、镍钢以及其它高强度钢都容易发生氢脆.这些金属长期暴露在氢气中,尤其是在高温高压下,其 强度会大大降低,导致失效.氢脆只可防,不可治;

一经产生,就很难消除. 根据氢的来源不同,氢脆又可分为内部氢脆和环境氢脆.氢在常温常压下并不会对金属产生明显的腐蚀,但当温度 超过300℃和压力高于30MPa时,会产生氢脆这种腐蚀缺陷,尤其在高温条件更甚.因此在进行氢能安全设计时,如 果与氢接触的材料选择不当,就会导致氢的泄漏和燃料管道的脆化断裂. 选择合适的材料,可以避免因氢脆产生的安全风险.金属铝和一些合成材料不会发生氢脆.另外,如果氢气中含有 的极性杂质,会强烈地阻止氢化物的生成,如水蒸汽、H2S、CO