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。如果不瞭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，交能網借鑑各類文獻，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瞭解。
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，我們並不會因噎廢食，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，並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，氫由於其本身的特殊性，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，因此具有較強的洩漏性，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洩漏。在層流情況下，氫氣的洩漏速率比天然氣高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洩漏，氫氣和天然氣的洩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，因此氫氣的洩漏速率比天然氣快，但同一時間段內洩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，容易由於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，對於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。氫和空氣混合後，在氫的體積比為4%到75%的範圍內都具有可燃性，這一點對於氫的安全性極為不利。
4. 氫由於重量輕，具有較大的浮力，且粘度很小，因此在發生洩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，快速擴散有助於氫降低濃度，形成不會燃燒和爆炸的安全氣體混合物。但在室內，如果洩漏量較小，氫可以通過擴散和空氣快速混合，保持在著火下限之下，但如果洩漏量較大，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並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範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於氫在未察覺時洩漏、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、規範的操作流程。
美國是氫能標準規範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 ）等就在進行規範和標準的研究制定。美國政府在2002年頒佈的《美國國家氫能發展路線圖》中將“規範與標準（Codes & Standards）” 列入氫能系統的七個組成元素之一，其餘六個元素分別是：生產(Production)、輸送(Delivery)、儲存(Storage)、轉化(Conversion)、應用(Applications)和教育 (Education and outreach)。該路線圖指出，在氫能技術體系的設計、製造和操作等環節建立統一的規範和 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範和標準的制定過程， 促進國際性統一標準的形成。
近幾年世界各國對氫能規範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佈，且各項標準之間的差異較大，規範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，儘快建立統一、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。
【參考文獻】
【1】 氫能安全研究現狀與進展，2011-07-14
【2】氫能知識系列講座（11），毛宗強
【3】氫能的安全性和燃料電池汽車的氫安全問題，馮文，王淑娟，倪維斗，陳昌和
【4】wekipedia，https://zh.wikipedia.org/wiki/
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