氢燃料电池的特性是什么？
来源：宝鄂实业
2019-08-16 10:09
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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。
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20MPa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。
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。
