氢安全系列之十：用氢安全

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本篇是这个系列第二阶段的最后一篇。原来计划是从制氢，储氢，运氢，用氢四个环节介绍氢能工业产业链各个环节所面对的安全问题，但是要介绍安全问题，先得让读者对具体的工艺流程有一个大致的认识，至少是感性的认识。因为大部分读者并不是氢能行业的从业人员，即使是专业人员，可能也只是专注在其中某一个环节，对整个产业链有一个更全面的了解也是颇有益处的。所以每一篇文章我都不得不花很多时间收集资料，尽力将技术和产业发展的现状做一个概述，梳理各种工艺方法的优缺点，并尽量配上直观的图片。

由于前面花了太多的精力，我个人的专业-安全问题的介绍反倒有些草草。不过好在大部分的知友都有“好读书，不求甚解”的品性，不会过于纠结于专业问题的细节和全面性，能理解作者只是想尽力深入浅出的介绍一点个人的领域知识就好。当然，如果有知友还想深入了解，很多具体的安全问题我后面还会有一些专篇具体介绍，这个系列没那么快结束。

氢气的用途

说到氢气的使用，大部分人可能会先想到燃料电池汽车，然后想起这是日本汽车厂的路线，并且好像已经被放弃了，再想到满街的电动车，然后，就没有然后了。

图片:丰田Mirai

图片:丰田Mirai充气口。

所以在这篇文章里，我们要先看看氢气还有哪些用途：

• 氢气的传统用途主要是在工业领域，化学工业的很多工艺过程都需要使用到氢气，比如氢气可以作为制氨的基础物质；此外，对于一些高耗能的行业，比如水泥，钢铁，玻璃，使用可再生能源生产的绿氢替代化石燃料，是这些行业实现碳减排的一条切实可行的路径。
• 另外一个传统用途是在航天工业，火箭发射需要液氢作为燃料；
• 氢气的第三个主要用途是发电；
• 氢气的第四个主要用途是在交通运输业，给各种交通工具提供动力，不只是乘用车辆，还有巴士，卡车。也不限于道路交通，还有火车，船舶，飞机。
  

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可能很多读者会感到奇怪，在制氢篇不是说电解制氢代表未来吗，为啥用电制氢又用氢发电，何必多此一举，直接用电不好吗？这里先离题解释一下。因为电网不能大规模储能，需要发用平衡，即通过发电系统的控制和调度使注入电网总体发电量与用电负荷实现动态匹配。水利发电，化石燃料（煤，石油，天然气）发电都可以动态调整发电量，减少的发电量对应的能量仍然以势能或化学能存储，并未损失掉。而日益增多的新能源发电，如果不能入网即时消耗掉就白白浪费了。问题是新能源发电既不稳定也不受控，早期因为规模小且可以就近消纳，可以通过其他传统能源发电的配合来维持新能源发电的优先使用和电网稳定。当新能源发电的渗透率不断提高，且日益远离用电中心，弃电现象就越来越严重。大容量的电池储能系统虽然可以局部缓解新能源发电的不稳定性和不均匀性，但受限于存储容量不是根本性的解决办法。而目前电网的主要储能方式抽水蓄能电站的问题一是受限于地理条件，不能无限的建设，二是电能从哪里抽取，就要从哪里重新发电，无法传输。

而氢能作为能源载体可以很好的解决这些问题，其优点包括：

• 通过电解制氢可以灵活的在光伏和风能电站附近分散的制氢。制氢对电能的稳定性和连续性要求不高，所以特别适合间歇性和不稳定的新能源发电。
• 氢气可以大规模存储和输送，集中至用电中心地区再重新发电。稳定且灵活可调的发电可以有效的支撑电网。
• 从能源供应的可靠性考虑，完善的氢能基础设施，包括生产，存储，运输和使用的网络，可以像现在的化石能源基础设施一样，与电网形成良性的互补，互相支撑，转化。
  

虽然目前氢能的成本还非常高，安全性也有待提高，但是氢能作为替代能源是在化石能源耗尽以后人类社会得以可持续运行的必由之路，随着化石能源供应的减少，市场会自发地调节能源价格，世界经济也会逐渐适应能源价格。另一方面氢能的使用非常灵活，既可以用于工业过程，也可以发电，给建筑供热，或直接为各种交通运输工具提供动力，有助于降低大规模应用的成本。此外通过氢气作为化石能源的替代能源也可以有效的减少碳排放，可以通过政策，比如税收和补贴抑制化石能源的使用并促进氢能的发展。

如果读者向更深入了解氢能的未来及其发展路径，可以参考一下德国国家氢能战略。

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氢能利用的途径

氢能作为化学能，应用时需要转换为电能，热能或动能。能量转换的一种方法是使用内燃机，另一种方法是通过燃料电池。其中内燃机可以用于产热，发电和提供动力，而燃料电池主要用于发电，但是某些燃料电池发电系统也可以热电联产。对于各种交通运输工具，既可以通过燃氢的内燃发动机直接提供推进动力，也可以先通过燃料电池发电，再通过电动机提供推进动力。

燃氢发电机

图片来源:GE

上图的燃气轮机形状好像一个喇叭，没有尺寸，看不出大小。下图有参照物，可以看出这货的体量。一台燃气轮机全功率运行时生产的电力可以满足几千户家庭的用电需求。

图片来源:GE

不过目前的燃气发电机还不能供纯氢发电，只能使用掺氢的天然气。GE最新的9HA燃气发电机可以燃烧含氢50%(体积比)的天然气混合气。

图片来源: GE Hydrogen Overview

燃氢发动机

通过内燃机引擎，可以给小到摩托车，大到远洋船舶的各种交通运输工具，都可以通过内燃机引擎燃氢直接产生推进动力。燃氢引擎比汽柴油引擎和天然气引擎的技术要求更高，比如氢气燃烧时的爆震问题，但是技术上并非不可解决，目前主要的制约因素还是氢气价格以及储氢问题。

下图是丰田与雅马哈联合发起的氢能车载引擎开发项目。

图片:雅马哈车用氢能引擎（5升，V8， max 450hp@6800rpm, max 540Nm@3600rpm）

图片:丰田搭载Yamaha V8引擎的氢动力汽车

图片：丰田GR Yaris 'H2'原型车

注意一下内燃机引擎是直接将氢能转换为动能，而燃料电池是将氢能转换为电能。燃料电池汽车的推进动力是通过电动机来实现的，因此燃料电池汽车与上面介绍的通过氢能引擎推进的氢动力汽车不是一回事。燃料电池汽车也可以被认为是一种特殊的电动车。而氢引擎汽车是一种特殊的内燃机车。

燃料电池发电系统

燃料电池有很多种形式，最常见的是质子交换膜（PEMFC）燃料电池和固体氧化物SOFC燃料电池。PEMFC的燃料是氢气，SoFC不那么挑食，燃料可以是甲烷(天然气的主要成分)和氢气。因此适用面更广，比较适合在初期氢气源不稳定且成本过高的情况下推广应用。

- PEMFC电堆

图片：Nedstack PEM电堆

- SOFC电堆

图片：SOFC电堆

- 燃料电池发电系统

燃料电池发电系统是一套保证燃料的电化学反应可以稳定的输出电能的复杂集成系统，不止有“心脏”电堆或电堆模组，还有燃料处理系统，氧化剂(空气)处理系统，热管理系统，水处理系统，（电）功率转换系统，自动控制系统，排风系统，储能（电池）系统。我会在燃料电池的专篇中详细介绍。

伫立式燃料电池发电系统既可以用于并网发电，在电网不稳定的时候支撑电网，并提供诸如无功补偿等功能，也可以离网发电，作为备用发电系统。移动式燃料电池发电系统可以作为移动式电源，应用于各种野外作业或紧急供电。

图片：伫立式燃料电池发电系统（EOSev, 100KVA）

图片：伫立式燃料电池发电系统控制面板

图片：移动式燃料电池直流电源（ECO-GH2）

氢能的行业应用

交通运输

• 燃料电池轿车
  

燃料电池轿车最出名的就是丰田Mirai。丰田Mirai也是世界上第一款批量生产并上市销售的燃料电池车。Mirai在2014年的洛杉矶车展中亮相，并于2014年12月再日本开始销售，但产量一直不大，截至2021年12月，全球共销售不到2万辆。2016款Mirai氢罐满载可以跑502公里。2021年款第二代Mirai则创造了氢罐满载（5.6公斤氢）行驶1360公里的世界记录。

图片：燃料电池轿车（丰田Mirai）

图片：燃料电池轿车（丰田Mirai）

近些年燃料电池汽车的发展相对于电动车有些沉寂。知乎上各种讨论，有很多精彩的回答，我也凑热闹发表过一些看法。

[color=inherit !important]美国为什么不和日本搞氢能源车？却选择了和中国一样搞电车？27 赞同 · 11 评论回答

电动车可以利用现有的能源基础设施（电网），自然会比需要与全新的能源基础设施（氢能产业链）同步发展的燃料电池车在初期阶段有更多优势。

第一款特斯拉电动车Roadster上市于2009年，第一款燃料电池轿车Mirai上市于2014年底，都还不到15年时间。这个时间还不到一台乘用车的使用寿命。另外换个角度想想，拿一个八岁的孩子与一个十三岁的孩子比较，然后断言八岁的孩子没希望了，是不是有点过早了。

风物长宜放眼量！

• 燃料电池商用车辆
  

除了燃料电池乘用车，大巴，重卡等商用车也可以采用燃料电池（通过电动机）提供推进动力。而且大巴，重卡的行驶路线比较固定，比较容易建立专用的加氢设施以及氢气供应链，可能会比乘用车更容易推广。

图片：燃料电池大巴

图片：燃料电池重卡（戴姆勒奔驰 GenH2）

• 氢能轨道交通
  

利用氢能也是轨道交通行业实现碳减排的一个有效途径。除了绿氢可以实现零排放，氢动力火车还有以下优势:

• 燃料电池的低维护需求：燃料电池没有运动部件，不易损耗;
• 燃料电池可以实现模块化， 插入式，快速更换；
• 加氢快速（20分钟加氢可以行驶超过18小时）；
• 一次加氢行驶里程超过1000公里，10倍于电池驱动的火车；因此可以减少加氢设施的建设；
• 氢动力机车不需要电气网络，可以任意部署，替代现有的传统柴油机车；
• 可以实现现有柴油机车的改造。
  

信息来源：Hydrogen Trains: The Railroad Revolution of the 21st Century，Blog by Terry Howe

图片：氢动力火车（图片来源：网络）

2022年8月，全球第一个氢燃料电池火车客运服务网络在德国下萨克森州投入运营。该铁路系统为地方客运网络，共投入14列阿尔斯通建造的氢动力火车，由于每列火车加满氢可以行驶1000公里，足够单日的运行里程，所以仅建设了一座加氢站，由林德气体运营。

• 氢能飞机
  

航空业实现碳减排的途径包括提高燃料的(燃烧)利用效率；采用可再生燃料（sustainable aviation fuels, SAF,包括生物燃料和合成燃料）替代航空煤油；采用氢气作为引擎燃料；或者采用电气推进技术。电气推进技术可能采用电池供电或氢燃料电池。提高燃料的利用效率的潜力不大，而基于现有技术可以预见未来几十年电气推进技术也只能应用于短途和区域性航空。因此SAF被认为是航空业碳减排的主要手段。从广义上说，使用合成燃料的喷气式飞机也可以认为是氢能飞机（非氢动力）。

除了SAF，氢引擎飞机也是一种可行的选项，不过暂时还没有投入运营的商用飞机。空客计划于2035年推出零碳排的氢动力飞机ZEROe，目前的设计概念是采用液氢作为燃料，由经过改造的燃气引擎提供推进动力，同时辅以氢燃料电池提供电能。

图片：氢动力飞机（Airbus, ZEROe）

• 氢能船舶
  

与航空业类似，利用氢能也是航海业实现碳减排乃至碳中和的有效途径。船舶的推进动力也可以采用内燃机引擎，或者通过燃料电池发电再利用电动机推进。内燃机引擎可以通过简单改造使用掺氢的燃料，也可以使用特殊射界的氢引擎燃烧纯氢。

图片：氢动力船舶（图片来源：Glosten）

图片：氢动力船舶（图片来源：Havyard）

航天工业

• 火箭
  

火箭发射需要使用液氢。

图片：长征火箭发射

为了获得极强的推进力，火箭使用特殊的液氢引擎，直接将液氢和液氧泵入燃烧室。液氢液氧的剧烈反应产生巨量气体，高温高压的气体通过喷嘴喷射产生火箭发射需要的强大推进力。

图片来源：NASA

工业用氢

工业生产是主要的碳排放来源，在全球实现碳中和的大背景下，碳减排也是各工业部门共同的目标。但是具体行业的情况多有不同。

在工业领域，氢气原本就有着广泛的用途：作为基础原料（比如制氨）或者工艺需要（比如某些化工工艺）。对于这些原本就使用氢气的工艺过程，通过使用可再生能源生产的绿氢替代化石能源生产的灰氢，就可以实现碳减排。

此外，一些高耗能的行业，比如钢铁，玻璃，水泥等行业，由于汽化，熔化等工艺需要大量的热，可以直接使用氢气（绿氢）作为燃料替代化石能源，或者在工艺过程中通过碳捕捉技术(CCS)将化石燃料中的碳封存（即通过CCS技术使用化石燃料生产蓝氢，再使用蓝氢作为燃料产热）。这是这些行业实现碳中和目标的有效（在某些情况下唯一的）途径。

用氢安全

这篇专栏断断续续写了几个星期，收集了很多氢气应用的场景，希望尽量能让读者了解氢气用途的广泛性。不过写到用氢安全的主题时有点没法下笔，因为氢气应用的范围实在太大了，不同场景的安全考虑差异很大。这里只能泛泛的介绍，等以后的专题再具体介绍具体应用的安全问题。

由于氢气的可燃可爆性，火灾，爆炸风险始终是各类氢能应用共同的主要风险。具体可以参考本系列专栏之二至六关于防爆安全的介绍。

除此以外在很多终端应用中也会有储氢要求，高压储氢罐需要考虑压力容器的安全法规要求，低温储氢对容器同样有很高的要求，同时要考虑罐体表面和氢泄露对操作人员的低温伤害，可以参考本系列专栏中的储氢安全篇。

对于燃料电池发电系统，整个系统并非只有实现电化学反应的电堆，还有燃料处理系统，氧化剂(空气)处理系统，热管理系统，水处理系统，（电）功率转换系统，自动控制系统，排风系统，储能（电池）系统等等多个子系统。要考虑：

• 氢气爆炸和火灾
• 机械伤害（锐边锐角，振动，稳定性，运动/旋转部件等等）的风险，
• 电气的危险(触电，拉弧，短路，过载等等)，
• 热危险（热表面烫伤，由电气部件过热引起的火灾等等）,
• 材料和物质造成的危险
• 功能失效造成的危险（比如各种控制电路及软件失效引起的危险，能源供应中断产生的后果）
• 忽略人体工学造成的危险（比如噪音）
• 操作人员失误的风险
• 内部或外部人员故意破坏的风险
• 环境的风险（各种污染：空气，水，土壤等）
• EMC
• 等等
  

对具体与氢气相关的产品的安全评估必须基于风险分析，首先识别所有潜在风险，包括可预见的合理的风险以及不常见的但可能的异常情况或事件。再对每一种识别出的危险进行风险评估，综合考虑危险发生的可能性（概率）和后果的严重性。再基于风险评估的结果采取防线降低措施，按照措施的技术可行性及成本，优先采用本质安全的设计，其次通过保护装置，最后通过警告标签或要求特殊培训来控制残余风险到一个可以接受的程度。

由于普通人可能接触到用氢环节的很多场景，安全防护的要求相对是更高的，而制氢，储氢和运氢环节主要是由专业人员在运行和操作，可以通过专业的安全培训和上岗许可制度来提升从业人员的安全意识和能力。比如消费类产品很多时候需要防呆设计，而商用类产品在某些类似的场景种可以接受警告标签而不需要做到本质安全。

有些氢气/氢能应用场景，要满足相关领域的法规要求，依据安全标准进行严格的评估和测试，比如在维基简中Mirai词条就有相应的介绍，这个介绍是从英文维基翻译过来的，翻译基本到位，这里就直接引用，让读者简单了解燃料电池轿车需要的安全评估与测试：

在丰田汽车的东富士研究所，Mirai已进行广泛的碰撞测试，验证前端、侧边、和后端遭受碰撞冲击的设计评估，以提供优越的车内乘员保护，并已达成高水准的碰撞安全，确保燃料电池堆叠和高压氢气箱遭受车体变形的防护。高压氢气箱具有优越的防止氢气渗漏性能、强度、和耐久性。氢气侦测器能提供警示，并可关闭氢气箱的主截止阀。氢气箱和其他氢气相关组件皆配置于车厢外侧，以确保万一氢气外泄时能够快速消散。车体结构采用东丽株式会社的碳纤维增强复合材料予以强化，并设计能扩散和吸收跨越多重组件的碰撞冲击能量，以确保高水准的碰撞安全性能，当前端、侧边、和后端遭受冲撞时，足以保护丰田汽车的燃料电池堆叠和高压氢气箱。