氢燃料电池具有哪些优势？未来发展的前景如何？
来源：宝鄂实业
2019-04-24 15:15
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氢气安全吗？
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。
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。
氢气的储运安全吗？——以气氢拖车运输为主，从充装到储运安全措施完善
储氢的方式主要分为：低温液态储氢、高压气态储氢和储氢材料三种。氢的质量能量密度很高，大约是汽油的3倍，但体积能量极低，常温常压下比汽油低4个数量级。较为现实的做法是在生产厂将制得的氢气压缩或液化后进行运输和储存。
运氢的方式主要分为：气氢拖车运输（tubetrailer）、气氢管道运输（pipeline）和液氢罐车运输（liquidtruck）。
拖车运输适用于将制氢厂的氢气输送到距离不太远而同时需用氢气量不很大的用户，前期投资不高；而管道运输前期投入高，适用于大规模的输送；液氢罐车的运输能力强但仍存在技术难点。因而从现阶段加氢站对运输距离（<500km，200km为宜）和运输规模（10吨/天）的需求来看，氢气最佳的运输方式仍是气氢拖车。
我国常用的高压管式拖车一般装8根高压储气管。其中高压储气管直径0.6m、长11m、工作压力35MPa、工作温度为-40~60°C、单只钢瓶水容积为2.25m3，重量2730kg。这种车总重26030kg，装氢气300kg以上，输送氢气的效率只有1.1%，未来更高压力的存储会提升载氢能力。
气氢拖车系统的运行过程如下：空载气氢拖车在集中制氢厂加氢到满载，然后车辆行驶到加氢站，直接卸下车上管状储存容器作为加氢站的存贮设备，同时拾起原本位于加氢站的“空载”管状容器，运回集中生产厂开始新一轮的加载。
从氢气的充装阶段看，为了将常温下将7kPa的氢气多步压缩至35MPa甚至更高专供氢气长管车充装，整个氢气充装工艺十分复杂，包括压缩机、罐装系统等各环节都有相应的安全措施：
氢气压缩机的安全保障：氢气压缩机采用可编程控制器进行集中控制，控制系统还设置有各种自动保护功能和故障报警及故障信息显示功能，可以监控压缩机各处压力，一旦压力超出规定范围，压缩机连锁自动停机以保证安全。
氢气充装系统的安全保障：（1）超压保护：在氢气充装排上设置氢气超压泄压安全阀，避免氢气充装系统发生超压事故。（2）回流保护：在氢气充装排上设置氢气回流阀，氢气回流利用，减少排放大气的氢气量，既利于安全，也减少了浪费。（3）放空保护：在充装排上设置氢气放空管道，在氢气压缩机开、停车时，进行放空，既利于氢气系统的提纯，又避免形成爆炸性的混合气体，保证了生产系统的安全。
除此之外，氢气充装地点都配有氮气灭火系统等消防措施，在氢气容易泄漏的爆炸危险区域都设置有氢气检漏报警装置，保障整个氢气充装站的生产设备及人身安全。
从氢气的运输过程来说，主要依靠气氢长管拖车。长管拖车总体结构分行走机构、大容积钢质无缝钢瓶（即气瓶）及其连接装置三部分。气氢长管拖车装载的压缩氢气工作压力高，使用时需经常来往于城市道路及建筑密集地带，安全问题非常重要，有诸多安全设置：
气瓶质量：气瓶作为长管拖车的主要承压部件，其质量与长管拖车的安全性能密切相关。因此气瓶内外表面均经过喷丸处理，并用内窥摄像系统逐只进行内部全面检查，确保内部质量。气瓶成形及水压试验后逐只进行磁粉检测，确保不得有任何裂纹状缺陷存在，且气瓶的两端螺纹均经磁粉检测,确保连接螺纹质量可靠。
爆破片装置：爆破片装在气瓶的两端，较安全阀体积小、重量轻，但密封十分可靠，同时其泄放面积较同体积的安全阀泄放面积要大得多。
压力表：气瓶充卸气管路上设置压力表一块，量程取1.5-3倍的工作压力，精度1.5级。压力表采用防震型，其前端设置压力表阀，便于更换拆卸。
温度计：考虑到工作环境温度及充气时气体温度升高、卸气时气体温度降低等因素影响，温度计测量范围应覆盖最低和最高工作温度，测量范围应取-40-80。温度计多采用双金属型，读数方便，坚固耐用，且采用防护套管与介质隔开，易于更换拆卸。
安全联锁装置：装卸气过程中，即操作仓门打开状态，严禁拖车启动运行，否则会造成装卸软管等连接部位拉断、气体泄漏等严重事故。
导静电装置：长管拖车尾部设置导静电接地带，操作仓管路上设置导静电片，可随时导出运行时及充卸气时积聚的静电荷，不至于突然放电而产生电火花。
除此以外，气氢长管拖车的装卸操作有标准的操作历程，只要工作人员按照标准操作可以有效保障装卸安全。并且根据上海危险气体运输法规规定在气温大于30oC时，仅能在夜间运输，这也降低了气氢长管拖车运输的危险性。
因此，通过长管拖车储运氢气尽管存在危险特征，但可通过合理方式降低风险，以保障氢气充装、运输过程中的安全性。
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。
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。
氢气的储运安全吗？——以气氢拖车运输为主，从充装到储运安全措施完善
储氢的方式主要分为：低温液态储氢、高压气态储氢和储氢材料三种。氢的质量能量密度很高，大约是汽油的3倍，但体积能量极低，常温常压下比汽油低4个数量级。较为现实的做法是在生产厂将制得的氢气压缩或液化后进行运输和储存。
运氢的方式主要分为：气氢拖车运输（tubetrailer）、气氢管道运输（pipeline）和液氢罐车运输（liquidtruck）。
拖车运输适用于将制氢厂的氢气输送到距离不太远而同时需用氢气量不很大的用户，前期投资不高；而管道运输前期投入高，适用于大规模的输送；液氢罐车的运输能力强但仍存在技术难点。因而从现阶段加氢站对运输距离（<500km，200km为宜）和运输规模（10吨/天）的需求来看，氢气最佳的运输方式仍是气氢拖车。
我国常用的高压管式拖车一般装8根高压储气管。其中高压储气管直径0.6m、长11m、工作压力35MPa、工作温度为-40~60°C、单只钢瓶水容积为2.25m3，重量2730kg。这种车总重26030kg，装氢气300kg以上，输送氢气的效率只有1.1%，未来更高压力的存储会提升载氢能力。
气氢拖车系统的运行过程如下：空载气氢拖车在集中制氢厂加氢到满载，然后车辆行驶到加氢站，直接卸下车上管状储存容器作为加氢站的存贮设备，同时拾起原本位于加氢站的“空载”管状容器，运回集中生产厂开始新一轮的加载。
从氢气的充装阶段看，为了将常温下将7kPa的氢气多步压缩至35MPa甚至更高专供氢气长管车充装，整个氢气充装工艺十分复杂，包括压缩机、罐装系统等各环节都有相应的安全措施：
氢气压缩机的安全保障：氢气压缩机采用可编程控制器进行集中控制，控制系统还设置有各种自动保护功能和故障报警及故障信息显示功能，可以监控压缩机各处压力，一旦压力超出规定范围，压缩机连锁自动停机以保证安全。
氢气充装系统的安全保障：（1）超压保护：在氢气充装排上设置氢气超压泄压安全阀，避免氢气充装系统发生超压事故。（2）回流保护：在氢气充装排上设置氢气回流阀，氢气回流利用，减少排放大气的氢气量，既利于安全，也减少了浪费。（3）放空保护：在充装排上设置氢气放空管道，在氢气压缩机开、停车时，进行放空，既利于氢气系统的提纯，又避免形成爆炸性的混合气体，保证了生产系统的安全。
除此之外，氢气充装地点都配有氮气灭火系统等消防措施，在氢气容易泄漏的爆炸危险区域都设置有氢气检漏报警装置，保障整个氢气充装站的生产设备及人身安全。
从氢气的运输过程来说，主要依靠气氢长管拖车。长管拖车总体结构分行走机构、大容积钢质无缝钢瓶（即气瓶）及其连接装置三部分。气氢长管拖车装载的压缩氢气工作压力高，使用时需经常来往于城市道路及建筑密集地带，安全问题非常重要，有诸多安全设置：
气瓶质量：气瓶作为长管拖车的主要承压部件，其质量与长管拖车的安全性能密切相关。因此气瓶内外表面均经过喷丸处理，并用内窥摄像系统逐只进行内部全面检查，确保内部质量。气瓶成形及水压试验后逐只进行磁粉检测，确保不得有任何裂纹状缺陷存在，且气瓶的两端螺纹均经磁粉检测,确保连接螺纹质量可靠。
爆破片装置：爆破片装在气瓶的两端，较安全阀体积小、重量轻，但密封十分可靠，同时其泄放面积较同体积的安全阀泄放面积要大得多。
压力表：气瓶充卸气管路上设置压力表一块，量程取1.5-3倍的工作压力，精度1.5级。压力表采用防震型，其前端设置压力表阀，便于更换拆卸。
温度计：考虑到工作环境温度及充气时气体温度升高、卸气时气体温度降低等因素影响，温度计测量范围应覆盖最低和最高工作温度，测量范围应取-40-80。温度计多采用双金属型，读数方便，坚固耐用，且采用防护套管与介质隔开，易于更换拆卸。
安全联锁装置：装卸气过程中，即操作仓门打开状态，严禁拖车启动运行，否则会造成装卸软管等连接部位拉断、气体泄漏等严重事故。
导静电装置：长管拖车尾部设置导静电接地带，操作仓管路上设置导静电片，可随时导出运行时及充卸气时积聚的静电荷，不至于突然放电而产生电火花。
除此以外，气氢长管拖车的装卸操作有标准的操作历程，只要工作人员按照标准操作可以有效保障装卸安全。并且根据上海危险气体运输法规规定在气温大于30oC时，仅能在夜间运输，这也降低了气氢长管拖车运输的危险性。
因此，通过长管拖车储运氢气尽管存在危险特征，但可通过合理方式降低风险，以保障氢气充装、运输过程中的安全性。
对试验后的18650电池进行拆解显示，虽然电芯发生了严重的变形，但是正负极并没有发生断裂，反而是隔膜在距离上部边缘1．3mm的位置出现了一个裂缝，这直接导致了电池发生短路，电压突降，而这一裂缝可能是由于金属箔锋利的边缘侵入造成的。此外隔膜的在一些位置厚度出现了很大的下降，这主要是由于凹陷的外壳挤压电芯造成的。
从上述分析结果来看，轴向压力下导致18650电池短路的可能原因主要有以下几点：
1．外壳通过破裂的隔膜与正负极接触
2．正负极通过破裂的隔膜接触
3．正负极通过隔膜变薄的区域接触
4．安全阀被挤压，与电芯接触
从测试结果来看，当18650电池轴向变形达到4mm时就会引发内短路，因此需要在电池组安全设计的时候特别考虑。此外由于在轴向压力时变形主要发生在18650电池的上部，因此对18650电池上部的安全设计也要特别在意。
