氫氣的性質(zhì)及燃料電池備用電源系統(tǒng)中氫氣安全使用的分析

1、氫氣的性質(zhì)及燃料電池備用電源系統(tǒng)中氫氣安全使用的分析 目錄 第一章：氫氣的性質(zhì)及在氫燃料電池備用電源系統(tǒng)的應(yīng)用條件 第二章：安全使用氫氣的標準 第三章：氫燃料電池備用電源系統(tǒng)中（氫）氣路的配置和技術(shù)參數(shù) 第四章：可能的氫氣泄漏分析 第五章：技術(shù)上檢測防護和掌握手段 第六章：分析與結(jié)論 第一章：氫氣的性質(zhì) 一、前言： 自1766年英國化學(xué)家和物理學(xué)家卡文迪士(Cavendish，H.1731-1810)發(fā)覺氫以來，人類對氫的各種性質(zhì)進行了不斷深入的研究。迄今為止，氫氣是人類對其性質(zhì)所了解和把握最為透徹的物質(zhì)之一。 由于氫是唯一能供應(yīng)既沒有“溫室效應(yīng)”、又沒有任何污染的能源，更由于氫介質(zhì)用于可循環(huán)

2、的能源系統(tǒng)中（氫氣可以被利用產(chǎn)生電和熱，其副產(chǎn)品水電解又可以得到氫），取之不盡，用之不竭，人們漸漸熟悉到：氫能技術(shù)將是21世紀最有前景，最能從根本上解決人類環(huán)境危機和能源危機的終極手段。 在開發(fā)和應(yīng)用各種形式的氫能源技術(shù)的同時，無論是對研發(fā)的科技人員還是對于平凡的使用者都有必要深入的了解氫（氫氣）的各種性質(zhì)。把握它，使用它，依靠它，熱愛它。 二、氫氣的性質(zhì)： 氫是一種化學(xué)元素，化學(xué)符號：H，原子序數(shù)是1，在元素周期表列第一位。在地球上，氫是最豐富的元素。但在自然界中，卻沒有純氫的存在。氫僅存在于各種含氫的化合物之中。如：存在于水，石油，天然氣，硫化氫及各種生物物質(zhì)中。其中，水是最平凡的含氫化合

3、物（H2O）。 氫的單態(tài)形式是氫氣H2（Hydrogen），是雙原子氣體。相對分子量為2.0158。在標準狀況下，氫氣的密度為0.0899g/L，是全部氣體中密度最小的，只有空氣的1/14。在標準狀況下，每克氫氣的體積為11.2L。在開放的大氣中，氫氣將以大約20m/s的速度很快逃逸擴散。氫氣難溶于水。1體積的水中僅能溶解0.0214體積的氫氣。氫氣稍溶于有機溶劑。 氫氣是一種無色無味無毒的氣體，在通常狀況下呈氣態(tài)，稱為氣態(tài)氫或氫氣。在壓強為1.01X105Pa時，固態(tài)氫熔點為：-259.14°C（13.86K），外形為雪狀。而無色液態(tài)氫的沸點為：-252.80°C（20.

4、2K）。液態(tài)氫通常稱為“液氫”，其液體密度為169g/L。液氫有超導(dǎo)性質(zhì)。 在常溫下，氫氣的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。不簡單和其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但在條件轉(zhuǎn)變時（點燃、加熱或使用催化劑），氫氣很簡單和多種物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。如：氫氣+非金屬或非金屬氧化物，氫氣+活潑金屬，氫氣+金屬氧化物，氫氣+飽和烴或不飽和烴。 氫氣具有易燃易爆的危急性： A）氫氣能在空氣中燃燒，與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水： 2H2+O2=2H2O 釋放大量熱能，其燃燒值為液化石油氣的2.5倍，為汽油的3倍?？勺鳛榛鸺吣苋剂稀?B）氫氣的最小引燃能量為0.019mJ，引燃溫度為400°C。要避免任何火源（包括：明火、

5、高溫載熱體、靜電火花）。 C）氫氣與空氣混合達到一定的比例后，被點燃時會產(chǎn)生爆炸。這個體積分數(shù)范圍叫爆炸極限范圍，指空氣中所含氫氣的體積占混合氣體體積的百分比。氫氣的爆炸極限范圍是4%-74.2%。氫氣的爆炸的條件是需要嚴格認真檢測和防范的。當氫氣濃度小于4%或者大于74.2%時，即使遇到火源，也只有燃燒而不會爆炸。 氫氣具有還原性：氫氣作為還原劑用于金屬材料的提煉和半導(dǎo)體工業(yè)。 氫氣的材料性質(zhì)： “氫脆”是指高壓氫氣可以深入容器材料內(nèi)部，轉(zhuǎn)變材料的機械性能，引起材料脆化的現(xiàn)象，分為：內(nèi)部氫脆(internalhydrogenembrittlement),外部氫脆(externalhydrog

6、enembrittlement),和氫反應(yīng)脆化(hydrogenreactionembrittlement).與氫氣使用者親密相關(guān)的是外部氫脆的可能性。親密留意高壓儲氫容器，瓶口閥，減壓閥和各種配件的選擇和檢查。 三、氫氣的來源： 1如上所闡述，氫氣在能源可再生自循環(huán)系統(tǒng)中起到重要的中介作用。也就是說：氫氣是一個“能源載體”。自然界中不存在純氫，只能從氫化合物中分解得到。其方法也就是我們用以得到氫氣的來源。 2中國已經(jīng)是世界上的產(chǎn)氫大國。總年產(chǎn)量已達1000多萬噸。氫氣主要是作為一種中間產(chǎn)品而生產(chǎn)的，是用天然氣、原油和焦炭作為原料來生產(chǎn)的。目前中國最大的氫氣消耗量是用在合成氨的生產(chǎn)。而作為直接

7、產(chǎn)品和燃料的使用很少。中國每年產(chǎn)生的焦爐氣有400億立方米（其中，50%以上的成分為氫氣，即：200億立方米）。由于無法處理而白白燒掉。目前，中國氫能源的應(yīng)用和市場遠沒有成熟。 3在中國中型以上的工業(yè)城市均有氫氣供應(yīng)來源。全國也出現(xiàn)了供應(yīng)氫氣的連鎖企業(yè)。像國際上最大的氫氣供應(yīng)商AirProductsandChemicalsInc.已經(jīng)在國內(nèi)各地建立了30多家工廠和供應(yīng)網(wǎng)點。國內(nèi)各個主要工業(yè)地區(qū)所在的城市也都可以供應(yīng)高壓氫氣換裝和銷售。 四、氫氣的存儲方法： 1氫氣的存儲有高壓氣態(tài)存儲、液態(tài)存儲、金屬氧化物儲氫器、無機物存儲、有機物儲氫和微球存儲。與氫燃料電池備用電源應(yīng)用相關(guān)的存儲方式為高壓氣態(tài)

8、儲氫和金屬氧化物儲氫。 2高壓氣態(tài)儲氫瓶又分為鋼氫氣瓶和碳纖維纏繞鋁內(nèi)膽儲氫瓶。 3地面固定的氫燃料電池備用電源系統(tǒng)的配氣一般使用符合國標GB5099-1994標準的氫氣鋼瓶。瓶口壓力為15MPa，水容積40L，瓶重50Kgs。儲氫氣量485g。 4車載及懸掛的氫燃料電池系統(tǒng)的配氣一般使用符合國際DOT標準的碳纖維纏繞氫氣瓶。瓶口壓力為25Mpa，瓶重11.5Kgs，儲氫量600g；或35Mpa，瓶重64Kgs，儲氫量2750g。 5固態(tài)金屬氧化物儲氫瓶主要為車載和便攜式氫燃料電池備用電源系統(tǒng)配氣。符合YDB053-20XX的標準。瓶口壓力為25-50Bar。放氫流速0.2-2.0L/Min。

9、重量1.15-6.1Kgs。儲氫量9-60g。 五、氫氣的分類（GB/T3634-1995）： 1純度<99.99%工業(yè)氫 299.99%純氫 399.999%高純氫 499.9999%超純氫 *氫燃料電池備用電源需使用純氫等級以上的氫氣。 六、氫氣的成本（國內(nèi)平均價格）： 1純氫/40L/瓶40 第二章：安全使用氫氣的標準 一、關(guān)于氫氣使用的國家規(guī)定與標準 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局在20XX年12月1日發(fā)布了氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程，GB4962-20XX。該國標已經(jīng)于20XX年10月1日實施。該國標非常清晰地規(guī)范了氫氣的使用、置換、存儲、壓縮與充裝、排放、安全防護等各方面的安全標準。劃分

10、了安全性與擔心全性。嚴格根據(jù)該標準存儲，運輸和使用氫氣，安全性是得到保障的。 二、關(guān)于氫氣存儲和運輸?shù)膰乙?guī)定與標準 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局頒發(fā)了自20XX年7月1日開頭生效的國技監(jiān)發(fā)250號關(guān)于氣瓶安全監(jiān)察規(guī)程和20XX年4月24日國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局令第46號公布的氣瓶安全監(jiān)察規(guī)定。該規(guī)程與規(guī)定具體規(guī)范了氫氣載體（氣瓶）的制造，使用，維護，檢驗和廢棄的具體規(guī)范。中國人民解放軍總裝備部也有對于高壓無縫鋼瓶定期檢驗與評定的標準GJB6542-20XX。嚴格根據(jù)這些標準使用氫氣瓶，安全性是得到保證的。 三、氫燃料電池備用電源使用氫氣需要特別留意的事項 1接觸氫氣操作的作業(yè)人員必需經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)。持

11、有各省、地區(qū)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局頒發(fā)的特種作業(yè)資格證并在資格證有效期內(nèi)持證上崗。持證技術(shù)員嚴格根據(jù)安全規(guī)程和安全規(guī)定作業(yè)是安全保證的前提。 2根據(jù)氣瓶安全監(jiān)察的規(guī)程和規(guī)定嚴格選擇符合安全規(guī)定的氣瓶、氣閥、匯流排、傳輸管道等全部氫氣使用環(huán)節(jié)需要使用的設(shè)備和器件。嚴格檢驗這些設(shè)備與器件的合格證。 第三章：氫燃料電池備用電源系統(tǒng)中（氫）氣路的配置和技術(shù)參數(shù) 一、氫燃料電池備用電源系統(tǒng)中氫氣氣路設(shè)計原理圖 二、氫氣進入電磁閥組前的壓力的傳輸流程及參數(shù) 由高壓氫氣瓶供應(yīng)的氫氣經(jīng)過壓力減壓、傳輸進入氫燃料電池備用電源的電磁閥組（氫氣進入電堆的壓力與開關(guān)掌握）時，其供氣壓力為每平方厘米0.45 公斤的低氣壓。 三

12、、電磁閥組的氣路開關(guān)與壓力的掌握 氫燃料電池備用電源的掌握器將掌握電磁閥組的供氣壓力維持在額定的工作壓力0.5bar和保證單路供氣。任何不正常的壓力會馬上導(dǎo)致電磁閥組的關(guān)閉，切斷經(jīng)過電磁閥傳輸?shù)诫姸训臍錃夤?yīng)。 為掌握氫氣和空氣中氧氣在電堆中電化學(xué)反應(yīng)的過程，提高總體能量轉(zhuǎn)換效率，氫燃料電池備用電源的掌握器掌握電堆中的氣體排放閥組，將經(jīng)過化學(xué)置換以后的“廢氣”定期排空。這個排氣過程是一個低壓氣體（包含有“廢舊”氫氣）排放過程。氣體工作壓力為0.5bar。任何排放壓力的不正常，系統(tǒng)掌握器馬上報警。系統(tǒng)切斷氫氣供應(yīng)并自動停機。 第四章：可能的氫氣泄漏分析 一、氫燃料電池備用電源系統(tǒng)按供氣路路徑劃分

13、的子系統(tǒng)示意圖： 二、氫燃料電池備用電源系統(tǒng)按機械結(jié)構(gòu)上的劃分： 1氫燃料電池備用電源系統(tǒng)按機械結(jié)構(gòu)劃分可分為儲氫機柜（安裝在室外）和電源機柜（安裝在室內(nèi)或室外）二個子系統(tǒng)。 2儲氫機柜包括氫氣供應(yīng)和電磁閥組2個部分。全部的高壓氣路都在儲氫機柜內(nèi)部。儲氫柜的氣路輸出為一路低壓供氫管道，連接到電源機柜電堆的H2入端接口。 3電源柜包括開關(guān)電源，電堆，主掌握器，輔助掌握器，充放電功率模塊（DIB工作模式）或65AH蓄電池（DBX工作模式）等部分組成。其氣路部分為從電堆的H2入端接口，經(jīng)過電堆，到電堆的H2輸出端接口，通過排氣閥組由渦流風扇在密封的通道中經(jīng)管道排出室外。 三、可能的氫氣漏氣隱患 1在

14、儲氫柜中瓶口閥，減壓閥，或高壓傳輸管以及各個接口的漏氫。 2在儲氫柜中電磁閥組及連接口的漏氫。 3在電源柜氣路部分的漏氫。 第五章：技術(shù)上檢測、防護報警和掌握手段 一、機械結(jié)構(gòu)方面的防護、報警及措施 1氫氣瓶在充氣前，充氣后，運輸中和安裝瓶口閥、減壓閥的全部過程均根據(jù)國家對氫氣使用的標準由持證技術(shù)員操作和檢驗。有安全標準的保障。 2氣體鋼瓶在儲氫柜中固定在固定架上。有防止重力位移和抗震的保證。 3氣體鋼瓶在安裝好瓶口閥、減壓閥、安全閥以后，安裝氫氣瓶口罩。該氫氣瓶口罩加鎖（1），由專職持高壓證技術(shù)員負責。防止任何其他人開啟或關(guān)閉瓶口壓力閥門。 4氫氣電磁閥組內(nèi)置于氫氣柜中一個隔離的封閉空間內(nèi)。

15、防止任何他人觸遇到電磁閥組的任何部分。該封閉空間配置有特地的排風風道和系統(tǒng)掌握。由系統(tǒng)掌握器依據(jù)氫氣濃度傳感器檢測到的信號掌握排風風扇和該通道的排風。 5室外儲氫瓶柜根據(jù)室外電信機柜的標準制造。配有防雷擊，水浸，煙火，地震，門禁盜竊等多項功能。用地腳螺栓或膨脹螺栓與地面水泥臺基固定。機柜門配置機柜門鎖（2）及機柜門手柄鎖（3）。全部3道機械門鎖由指定的專職持高壓證技術(shù)員負責。 6室外氫氣瓶柜或電源柜是非密閉和完全通風的。室內(nèi)電源柜的氫氣氣路空間由渦流風扇導(dǎo)向室外空間。 7電源機柜中的電堆通風道和排氣閥組處于一個隔離空間。電堆廢氣的排出措施由密封通道直接連接到室外由渦流風扇強力排出。該排風的室外

16、部分為三通的結(jié)構(gòu)。排出的氫氣經(jīng)上升通路出口釋放，排出的水珠經(jīng)下墜的通路流出。排出管道及三通終端配置在特地設(shè)計的室外排放箱內(nèi)（室外機）。室外箱保證排放端沒有堵塞，雪，雨，倒灌等等意外。視詳細狀況配置或不配置室外抽風扇。 二、氣路設(shè)計方面的防護、報警及措施 1在主要的氣路環(huán)節(jié)置放氫氣壓力傳感器。供應(yīng)氫氣壓力狀況實時的測量與掌握。依據(jù)雙路（防止誤報警信號的產(chǎn)生）壓力傳感器實時測試的變量信號，氫燃料電池備用電源掌握器將在壓力正常狀況下給出動態(tài)備用時長的監(jiān)控信息和參數(shù)，也將在壓力異常狀況（氫氣泄漏）下，關(guān)閉電磁閥組切斷室外供氫機柜與室內(nèi)電堆的供氣聯(lián)系。 三、電子系統(tǒng)的檢測、防護報警和掌握手段 1系統(tǒng)掌握

17、器實時檢測電堆及電源系統(tǒng)各部分主要的工作參數(shù)：電壓，電流，溫度，濕度等等。如有異常，馬上發(fā)出告警信號并同時依據(jù)狀況采取相應(yīng)的掌握動作，如切換供電方式（由電網(wǎng)供電或由備用電源備電），切換電源工作狀態(tài)（備電工作方式或待機工作方式）。 2在電源機柜和儲氫柜內(nèi)部置放氫氣濃度傳感器（體積濃度或質(zhì)量濃度）?？梢詼y量氫氣最低爆炸下線LEL（LowerExplosionLimited）。對于氫氣來講，其LEL值為4.0%.即：當氫氣在空氣中的體積濃度在4.0%75.6%之間，遇到火源時，氫氣會產(chǎn)生爆炸。系統(tǒng)的掌握器依據(jù)氫氣濃度傳感器檢測氫氣濃度值。當檢測的氫氣濃度達到0.5%、1.0%、和2%時，系統(tǒng)將連忙分

18、三級程度用聲、光、電方式報警。并依據(jù)報警的級別馬上采取相應(yīng)的掌握措施。如：聯(lián)通機柜和機房內(nèi)強排通風設(shè)備，馬上切斷氫氣的供應(yīng)，緊急關(guān)閉電源系統(tǒng)等等防范處理措施。 四、網(wǎng)絡(luò)通信的報警和掌握手段 1由于氫燃料電池備用電源是數(shù)字電子設(shè)備，它可以很簡單實現(xiàn)電池所不能實現(xiàn)的各種數(shù)字電子技術(shù)的功能。如：通信電子技術(shù)的三遙（遙信，遙測，遙控）功能和網(wǎng)絡(luò)功能。 2氫燃料電池備用電源掌握器的全數(shù)字電子掌握手段可將上述全部檢測結(jié)果根據(jù)設(shè)定的通信協(xié)議有線和無線報警?？梢宰詣舆B接報警電話，報警短信，通知職守人員故障的內(nèi)容，甚至是錄像。在有必要時，可以實現(xiàn)全部的網(wǎng)絡(luò)功能?？梢酝ㄟ^網(wǎng)路中心遠程監(jiān)視和遙控操作系統(tǒng)的各項功能。

19、 第六章：分析與結(jié)論 一、氫氣安全性的定量分析： 1室外環(huán)境的泄漏： 氫燃料電池備用電源的供氫量很少。一般負載功率為2kW，備電時長6小時的通信基站用3個40L鋼瓶即可。負載功率為5kW，備電時長6小時的通信基站用6個40L鋼瓶。一瓶40L水容積瓶口壓力為15Mpa的標準氣瓶可容載氫氣485克。由于氫氣的比重僅為空氣比重的1/14，在開放的空間里，若有泄漏時，氫氣的平均逃逸速度為20米/秒以上。這485克氫氣幾乎是瞬間就升至天空，幾乎不可能有積累到氫氣最低爆炸下線LEL體積濃度的4%的時間并在此期間遇到明火點燃?？梢哉f，氫燃料電池備用電源系統(tǒng)在室外空間泄漏的氫氣被點燃且達到4%的體積濃度產(chǎn)生爆

20、炸的危急性微乎其微。 2室內(nèi)密閉環(huán)境氫氣泄漏達到體積濃度4%的計算： 假如機房面積為20平方米、高度為3米的話，一個機房的典型體積為60立方米。其4%的體積濃度為2.4立方米。一瓶15Mpa壓力，40L水容積的鋼瓶裝485克氫氣。體積為5.432立方米。那么，在一個全封閉的60立方米機房內(nèi)，泄漏掉一整瓶氫氣的44%，差不多半瓶氫氣時，其室內(nèi)氫氣濃度可以達到危急下線。此時，遇有明火，氫氣會產(chǎn)生爆炸！因此，氫氣瓶擔心置在完全密封的室內(nèi)環(huán)境。只有在通風的環(huán)境中，考慮將氫氣瓶安置在室內(nèi)。但必需經(jīng)專家測算把握。 3室內(nèi)機柜中電堆的“廢氣”排放： 在2kW的電堆中（型號：FCgen-1020ACS），氫氣

21、經(jīng)過的流通速率為0.5slpm（0.5L/分鐘）。在5kW的電堆中（型號：2XFCgen-1020ACS），氫氣經(jīng)過的流通速率為1.0slpm（1.0L/分鐘）。 氫燃料電池備用電源運行時，其更換氫氣的時間間隔為20秒。則，每分鐘氫氣從電堆中流出的量3.0L（0.003立方米），遠小于上面計算的爆炸下線2400L（2.4立方米）。如果電堆的氫氣不導(dǎo)出室外，完全排放的室內(nèi)，對于5kW的系統(tǒng)來講，連續(xù)工作13.33小時。則室內(nèi)的氫氣濃度有可能達到氫氣LEL，4%的下限。對于一個20kW的系統(tǒng)， 電堆排氣完全在室內(nèi)，連續(xù)工作3小時后需要通風。最安全的處理，還是將電堆排氣導(dǎo)出室外。 4報警和處理級別的設(shè)定： 依據(jù)氫氣爆炸值下限4%，考慮雙倍保險系數(shù)，本公司氫燃料電池備用電源系統(tǒng)的報警級別設(shè)置為三級：對應(yīng)于0.5%，1.0%和2%的氫氣濃度。 二、結(jié)論 1綜合上述定性，定量的分析闡述，本公司氫燃料電池備用電源系統(tǒng)對氫氣安全隱患的檢測和防護是充分的和冗余的。本公司氫燃料電