氢气的性质及在氢燃料电池备用电源系统的应用分析

第一章：氢气的性质及在氢燃料电池备用电源系统的应用条件

第二章：安全使用氢气的标准

第三章：氢燃料电池备用电源系统中（氢）气路的配置和技术参数

第四章：可能的氢气泄漏分析

第五章：技术上检测防护和控制手段

第六章：分析与结论

第一章：氢气的性质

一、前言：

自1766年英国化学家和物理学家卡文迪士 (Cavendish，H. 1731-1810)发现氢以来，人类对氢的各种性质进行了不断深入的研究。迄今为止，氢气是人类对其性质所了解和掌握最为透彻的物质之一。

由于氢是唯一能提供既没有“温室效应”、又没有任何污染的能源，更由于氢介质用于可循环的能源系统中（氢气可以被利用产生电和热，其副产品水电解又可以得到氢），取之不尽，用之不竭，人们逐渐认识到：氢能技术将是21世纪最有前景，最能从根本上解决人类环境危机和能源危机的终极手段。

在开发和应用各种形式的氢能源技术的同时，无论是对研发的科技人员还是对于普通的使用者都有必要深入的了解氢（氢气）的各种性质。掌握它，使用它，依靠它，热爱它。

二、氢气的性质：

氢是一种化学元素，化学符号：H，原子序数是1，在元素周期表列第一位。在地球上，氢是最丰富的元素。但在自然界中，却没有纯氢的存在。氢仅存在于各种含氢的化合物之中。如：存在于水，石油，天然气，硫化氢及各种生物物质中。其中，水是最普通的含氢化合物

（H2O）。

氢的单态形式是氢气H2（Hydrogen），是双原子气体。相对分子量为2.0158。在标准状况下，氢气的密度为0.0899g/L，是所有气体中密度最小的，只有空气的1/14。在标准情况下，每克氢气的体积为11.2L。在开放的大气中，氢气将以大约20m/s的速度很快逃逸扩散。氢气难

溶于水。1体积的水中仅能溶解0.0214体积的氢气。氢气稍溶于有机溶剂。

氢气是一种无色无味无毒的气体，在通常情况下呈气态，称为气态氢或氢气。在压强为1.01

X105Pa时，固态氢熔点为：-259.14°C（13.86K），形状为雪状。而无色液态氢的沸点为：-252.80°C（20.2K）。液态氢通常称为“液氢”，其液体密度为169g/L。液氢有超导性质。

在常温下，氢气的化学性质稳定。不容易和其它物质发生化学反应。但在条件改变时（点燃、加热或使用催化剂），氢气很容易和多种物质发生化学反应。如：氢气+非金属或非金属氧

化物，氢气+活泼金属，氢气+金属氧化物，氢气+饱和烃或不饱和烃。

氢气具有易燃易爆的危险性：

A）氢气能在空气中燃烧，与空气中的氧气发生化学反应，生成水：

2H2 + O2 = 2H2O

释放大量热能，其燃烧值为液化石油气的2.5倍，为汽油的3倍。可作为火箭高能燃料。

B）氢气的最小引燃能量为0.019mJ，引燃温度为400°C。要避免任何火源（包括：明火、高

温载热体、静电火花）。

C）氢气与空气混合达到一定的比例后，被点燃时会产生爆炸。这个体积分数范围叫爆炸极

限范围，指空气中所含氢气的体积占混合气体体积的百分比。氢气的爆炸极限范围是4%-

74.2%。氢气的爆炸的条件是需要严格仔细检测和防范的。当氢气浓度小于4%或者大于74.2%时，即使遇到火源，也只有燃烧而不会爆炸。

氢气具有还原性：氢气作为还原剂用于金属材料的提炼和半导体工业。

氢气的材料性质：

“氢脆”是指高压氢气可以深入容器材料内部，改变材料的机械性能，引起材料脆化的现象，

分为：内部氢脆(internal hydrogen embrittlement)外部氢脆(external hydrogen embrittlement)和氢反应脆化(hydrogen reaction embrittlement). 与氢气使用者密切相关的是外部氢脆的可能性。密

切注意高压储氢容器，瓶口阀，减压阀和各种配件的选择和检查。

三、氢气的来源：

1 如上所阐述，氢气在能源可再生自循环系统中起到重要的中介作用。也就是说：氢气是一

个“能源载体”。自然界中不存在纯氢，只能从氢化合物中分解得到。其方法也就是我们用以

得到氢气的来源。

2 中国已经是世界上的产氢大国。总年产量已达1000多万吨。氢气主要是作为一种中间产品

而生产的，是用天然气、原油和焦炭作为原料来生产的。目前中国最大的氢气消耗量是用在

合成氨的生产。而作为直接产品和燃料的使用很少。中国每年产生的焦炉气有400亿立方米

（其中，50%以上的成分为氢气，即：200亿立方米）。由于无法处理而白白烧掉。目前，中国氢能源的应用和市场远没有成熟。

3 在中国中型以上的工业城市均有氢气供应来源。全国也出现了供应氢气的连锁企业。像国际上最大的氢气供应商Air Products and Chemicals Inc.已经在国内各地建立了30多家工厂和供应网点。国内各个主要工业地区所在的城市也都可以提供高压氢气换装和销售。

四、氢气的存储方法：

1 氢气的存储有高压气态存储、液态存储、金属氧化物储氢器、无机物存储、有机物储氢和微球存储。与氢燃料电池备用电源应用相关的存储方式为高压气态储氢和金属氧化物储氢。

2 高压气态储氢瓶又分为钢氢气瓶和碳纤维缠绕铝内胆储氢瓶。

3 地面固定的氢燃料电池备用电源系统的配气一般使用符合国标GB5099-1994标准的氢气钢瓶。瓶口压力为15MPa，水容积40L，瓶重50Kgs。储氢气量485g。

4 车载及悬挂的氢燃料电池系统的配气一般使用符合国际DOT标准的碳纤维缠绕氢气瓶。瓶口压力为25Mpa，瓶重11.5Kgs，储氢量600g；或35Mpa，瓶重64Kgs，储氢量2750g。

5 固态金属氧化物储氢瓶主要为车载和便携式氢燃料电池备用电源系统配气。符合YDB053-2010的标准。瓶口压力为25-50Bar。放氢流速0.2-2.0L/Min。重量1.15-6.1Kgs。储氢量9-60g。

五、氢气的分类（GB/T3634-1995）：

1纯度<99.99%工业氢

2≥99.99%纯氢

3≥99.999%高纯氢

4≥99.9999%超纯氢

*氢燃料电池备用电源需使用纯氢等级以上的氢气。

六、氢气的成本（国内平均价格）：

1纯氢/40L/瓶\40