2021年4月一客滚船内硅泥与碱反应放热产生氢气发生自燃 ，爆燃图
氢能作为一种绿色、高效、安全、可持续的二次能源，被视作21世纪最具发展潜力的清洁能源。各地政府纷纷出台相关政策，一时间，打造“中国氢都”、“中国氢谷”的新闻层出不穷，可谓是能源界一颗冉冉升起的明日之星。然而，使用氢气存在一个“痛点”。氢气本身具有易燃易爆、无色无味的性质，这使得氢气在泄漏时难以被察觉，累积后极易产生安全事故。更好地开发利用氢能，快速、高灵敏的氢气传感技术必不可少。
近日，传感器领域的重要期刊《Sensors and Actuators B:Chemical》上线了一篇重要论文，展现了氢气传感技术的新进展。中国科学院声学研究所超声学实验室研究员王文带领课题组在前期工作基础上，与南开大学教授杨大驰团队合作，将微纳声表面波器件技术与钯镍纳米线氢敏材料相结合，提出并研制了一种具有秒级响应、高灵敏和低检测限的新型声表面波氢气传感器。类似的预警氢气泄漏防爆燃有了新技术进展，4月上海上交会将交流新能源应用扬长避短。
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国家级的国际性第九届中国（上海）国际技术进出口交易会（以下简称“上交会”）将于2022年4月14日-16日在上海世博展览馆隆重召开，本届上交会将开设绿色低碳专区“2022年氢和氨产业展览区及2022年氢氨产业发展创新上海国际峰会”（以下简称“氢氨展会”）等会展专项主题活动，，将展示、交流最新的氢氨新材料、新设备、新产业发展等。咨询联系：china@ishipoffshore.com 或 chinabobli@126.com
目前氢传感技术难以满足实用需求
2019年仲夏之际，全球在20天内发生了3次氢气相关的爆炸事件。韩国一个氢燃料储存罐发生爆炸事故；美国一处化工厂储氢罐和氢气运输拖车发生爆炸和火灾；挪威首都奥斯陆郊外的一处加氢站发生爆炸。
如何安全利用氢气这一绿色清洁能源，成为人们关注的焦点。
王文告诉科技日报记者：“氢气易燃易爆。在空气中氢气浓度在4%—75%范围内极易发生爆炸，由氢气泄漏导致的安全事故时有发生。因此，使用氢能时必须进行实时监测，氢气传感器也就成为氢能应用中必不可少的关键部件。”
目前，典型氢气传感技术运用了催化、热导、电化学、电阻式及光学等方法。王文介绍道，这几种方法各有优缺点。
催化法传感器可稳定并快速检测浓度在4%以内的氢气，但对可燃性气体的选择性较差，易受抑制剂影响，且需较高的工作温度，难以满足氢能应用领域极高的安全与可靠性要求。
热导式传感器可在大范围内实现较为快速（约在20秒内）的氢气传感，但传感精度不高，对高热导率气体，例如氦、甲烷、一氧化碳等气体，会造成交叉敏感，也难以实现对1%以下浓度氢气的检测。
电化学传感器可以在常温下工作，且灵敏度较高，但响应速度较慢（约在70秒内），使用寿命也较短。而电阻式传感器虽然能实现秒级快速氢传感，但一般需高温工作环境（300摄氏度至800摄氏度），且选择性差、易中毒。
光学传感器的优势在于传感器件抗电磁干扰强，较安全，且灵敏度和测量精度高，能够达到实时响应。但是传感器体积较大，整体系统复杂且成本较高。
美国能源部2007年便制定了汽车以及固定式电力系统中氢气检测的性能指导要求。其中，最为关键的一条指明了对氢气传感器的性能要求——响应速度与恢复速度期望在1秒内，量程要求在0.1—10vol%。而现有的氢气传感器难以达到该要求。
“目前，氢传感技术在响应速度、使用量程及安全性等方面均难以满足氢泄漏监测的实用需求，新的氢传感技术与方法亟待发展。”王文说。
打造快速响应与高灵敏度的新型传感器
实际上，声波气敏技术作为声学领域的重要发展方向，王文和同事们对其前沿动态一点也不陌生。他和同事们一直深耕于此，在特异性气敏材料响应机制、多效应耦合的声表面波气敏效应及高性能声表面波气敏元件优化等方面的研究取得重要进展。
为了满足氢能发展的实用需求，研发更灵敏的氢气传感器，王文及其课题组加快了攻关步伐。他们找到了在氢敏材料方面有着较为深入研究的南开大学杨大驰教授的团队。
双方一拍即合。“自2016年起，我们就开始和杨大驰教授的团队合作，开展新型声表面波氢气传感器研究。”王文表示，中国科学院声学所的声表面波技术研究在国内处于优势地位，南开大学则在氢敏材料研究方面有多年积累。双方期望通过将声表面波器件技术与钯基纳米材料（一种氢敏材料）结合，探索出快速氢传感新方法，以解决现有氢传感技术所面临的技术难题。
“声表面波氢气传感器的技术优势在于快速响应与高灵敏度。”王文解释道，声表面波技术本身对表面负载表现出极高的灵敏度和快速响应特点，将之与特异选择性的氢敏材料相结合，利用传感过程中的气体吸附效应对声表面波传播的作用，即可实现对氢气的快速高灵敏检测。
“此外，声表面波氢气传感器还具备良好的重复性与选择性，以及小体积、低成本的技术特点。”王文说。
尽管思路和目标十分清晰，在研究过程中，王文及其课题组还是遇到了难题。“我们面临两个技术难点，一个是钯基氢敏材料的响应机制及设计方法，另一个是高性能的声表面波氢敏元件设计与制备。”
王文告诉记者，他们通过讨论和各种实验，解决了难题。例如，通过探索钯基材料及纳米调控机制，确定了纳米线制备方法；建立分析方法，对传感器功能结构进行优化。
团队最终成功研制出新型声表面波氢气传感器样机。
王文高兴地表示：“样机测试结果很好，验证了最初的设计思想。新型声表面波氢气传感器实现了对氢气检测的快速响应、高灵敏度及低检测限。”
在氢能领域应用前景广泛
作为一种新兴能源载体和化工原料，氢气具有来源广泛、清洁环保、可循环利用等一系列优点，与太阳能、风能等被称为九大新能源，并被誉为最具发展前景的二次能源。
据不完全统计，截至目前，已有北京、河北、四川、山东等超过30个地方陆续出台了涉及氢能产业发展的政策及相关规划。根据《北京市氢能产业发展实施方案（2021—2025年）》，2025年前，京津冀区域累计实现氢能产业链产业规模1000亿元以上，减少碳排放200万吨。
“氢能在电子工业、汽车业、冶金工业、石油化工、浮法玻璃、精细有机合成、航空航天、食品加工等方面都有广泛应用，作为一种绿色能源，它的应用程度在不断深化。未来，氢气传感器的市场需求也将急剧增加。”王文说。
近年来，氢气传感器得到了飞速发展，涌现了诸多如电化学、电学式及光学式等不同技术原理的商用氢气传感器。各国科研院所持续投入力量开展氢气传感的新原理新技术研究，以期满足实际应用的需求。
“声表面波氢气传感器引起了很多科研人员的兴趣。”王文表示，不少研究聚焦氢敏材料设计，取得了不错的试验效果。
“但迄今为止，因为氢敏材料存在稳定性与可靠性方面的技术难题，还没有出现商业化的声表面波氢气传感器。”王文说。
不过，随着碳达峰碳中和工作深入推进，未来，高灵敏氢气传感器将“大显身手”。
王文对新型声表面波氢气传感器的应用前景很有信心。“鉴于声表面波氢气传感器具备现有技术难以比拟的快速、高灵敏、低功耗、小体积与低成本等特点，一旦完成工程化，在氢能领域极具应用前景。”
2019年 6月12日凌晨，氢能源公司Nel Hydrogen发表声明称，其位于挪威首都奥斯陆郊外的一处合营加氢站于当地时间6月10日发生爆炸。该公司合作伙伴、加氢站运营商UnoX宣布暂停当地加氢服务。与此同时，丰田汽车和现代汽车均宣布暂时停止在挪威的氢燃料电池车型销售，直到事故原因确定后再恢复运营。所幸的是，爆炸并没有直接造成人员伤亡，但附近车辆内有两人因气囊被爆炸震开受轻伤。目前，挪威加氢站爆炸的原因尚不清晰，相关部门已经对该事件进行调查。
无独有偶，在此之前，加氢站等氢燃料配套设施的爆炸事件已经出现多起。2019年5月23日，韩国江原道江陵市的一个氢燃料储存罐发生爆炸，造成2人死亡，另有6人出现轻重程度不同的受伤。6月1日，在美国加州圣塔克拉拉的一家化工厂的储氢罐泄露爆炸，导致当地氢燃料电池汽车的氢供应中断。
韩国官方信息显示，发生爆炸的储氢罐属于一家扶持创新型中小企业的非营利机构，该机构承接了一些氢能储运方面的研究课题。而美国和挪威的爆炸事件则涉及到的美国空气化工产品公司、美国普莱克斯公司，都是全球较大的氢气供应商，可谓实力雄厚，历史悠久。可见，无论是初出茅庐还是兼具老道与实力，只要是有人操作的地方，安全的重要性就怎么强调都不为过。
针对前两起事故，加州的爆炸事件事故涉及氢气运输过程，既氢气输送拖车泄漏的是高压气态氢气泄漏泄放过程中引发自燃，然后连锁爆炸。美国因为液氢比较便宜，且建站地区多比较空旷，因此没有对蒸发气体的回收环节，大量的冷氢气直接泄放。如果恰好旁边有一辆高压氢气管束车，又恰好在这个时刻泄漏或泄放引发自燃的话，爆炸就在所难免了。
而韩国事故的原因初步鉴定为，在履行水电解氢气试验的过程中，因操作失误而导致爆炸。水电解制氢的特点是同时释放大量氧气，而氧气的密度比空气重，需要采用强制通风措施，避免富氧聚集引发环境中各种可燃物质的爆炸。这往往是很容易被忽略的安全隐患。
有分析认为，加氢站等配套设施事故频发对一些坚持用氢燃料汽车技术替代纯电动汽车技术的车企是重大打击。同时，爆炸发生后导致氢供应中断，也凸显出燃料电池汽车使用面临的挑战。
安全隐忧
在我们传统的印象中，氢气危险系数较高，毕竟氢气球爆炸、储氢罐爆炸等事故让许多人谈氢色变。正因如此，氢燃料电池汽车也被贴上了易燃易爆炸的标签，但事实真是如此吗？
由于氢气具有扩散系数大，爆炸极限宽，点火温度低等特点，因此一旦发生泄漏，极易引起爆炸与火灾，会对加氢站周围的生命和财产安全造成极大的损失。
但是凡事有利就有弊，氢能源在安全性上的优点也很重要：氢气具有很高的扩散系数和浮力，泄露时浓度会迅速降低。如果发生爆炸，氢气的爆炸能量是常见燃气中最低的，就单位体积爆炸能而言，氢气爆炸能仅为汽油气的1/22。
具体到氢燃料汽车上，有业内人士认为，随着储氢罐技术持续进步，氢燃料电池汽车的安全性已经高于大众想象。以Mirai为例，70Mpa储氢罐安全度很高，碳纤维罐壁可承受内部70Mpa高压，外部想挤破它至少要140Mpa。车辆在公路正常行驶，即使重型卡车撞击也无法产生这种超高挤压力。另外由于氢气逃逸速度高，发生泄露后会逃逸至空气中。相比之下，由于液化天然气LNG和高压天然气CNG较重，泄露后沉积在现场，前者更易爆燃。
此外，加氢站作为氢燃料电池车的燃料补给站，其数量必然会快速增长，并会朝着人口较为密集的地区进行布置。因此，加氢站的安全性必然会成为公众关注的焦点，同时也制约着氢燃料电池汽车行业的发展。加氢站作为氢气的生产、存储、输送、加注的全流程中心，要十分注重其安全问题。由于氢气自身的特性，加氢站在设计、建设、运营中，要注意的问题数不胜数，如：加氢设备、输送管道等的防泄漏措施处理；加氢站内配置的电气元件应为防爆器件，同时采取可靠的防静电措施，防止因静电导致着火爆炸等事故的发生；加氢站内应设置排风排气装置，及时排除泄漏的氢气；加氢站中的加注模块应具备安全联锁功能和过压保护功能；由于高电位氢流会使氢气在空气中燃烧，还要防止高速氢流与储氢瓶之间摩擦导致的高电位氢流等等。
国内怎么做？
从世界范围看，日本、德国等发达国家都在开展氢能和燃料电池系统的基础研究和推广应用。我国也很早将氢燃料电池汽车列为新能源汽车三大发展方向（包括混合动力、纯电动、燃料电池）之一，今年的政府工作报告提出“推动充电、加氢等设施建设”，进一步提振了行业发展信心。
清华四川能源互联网研究院常务副院长高文胜表示，工业制氢已有很长的时间了，氢气的用途也非常广泛。工业生产、储藏和利用氢气有了一套完整、行之有效的规章制度。
比如《氢气使用安全技术规程》在2008年12月发布，该标准规定了气态氢在使用、置换、储存、压缩与充(灌)装、排放过程以及消防与紧急情况处理、安全防护方面的安全技术要求。
不过，“相比于氢燃料汽车的商业化推广，获取、储存和运输氢燃料的技术难度更高”，有氢燃料汽车的研发人员直言，“我们尚需要一定的时间，来验证相关技术的安全性和稳定性能，以及成本的可控性。”
正是出于安全的考虑，我国对于加氢站的选址和建设标准等方面，都提出了很高的要求，这也导致在国内申请加氢站很难获批通过。我们国内正在运营的加氢站主要是为研发型及示范性汽车提供加注服务，无法有效普及。
尽管在发展氢燃料过程中面临着诸多问题，但在业内人士看来，“氢能应用是重要发展方向，未来或将改变现有能源格局”。中国科学院院士、中国电动汽车百人会执行副理事长欧阳明高曾提出，“到2025年，燃料电池技术将会成熟，累计推广汽车将会达到5万至10万辆”。
中国工程院原副院长、国家新材料产业发展专家咨询委员会主任干勇表示，很多人担心氢的危险性和使用安全问题，这可以理解。“如果把氢作为能源大量地应用，应该重新制定使用规则，包括制氢、运氢、储氢、加氢等各环节的标准，按规则用氢就不危险。”
国际国内应用实践证明，只要按照标准法规规范生产、存储及使用氢能，氢能安全可以得到保障。同时，能够商业化运营的加氢站也应满足“连续加氢运行、经济过关（盈利、不能亏）、安全可靠、自控运行、减少运行管理人员”等基本要求。
值得注意的是，目前国内资本市场对燃料电池的关注热度不减。在经历了短期低迷期后，近日燃料电池板块再次活跃。6月11日，国内燃料电池板块涨幅曾一度达到4%。今日截止记者发稿时，多个与燃料电池相关的个股涨幅也在3%以上。
当然，多次发生的爆炸事件也警醒着我们：由于氢燃料本身的复杂性及危险性，企业以及地方政府必须将安全放在首位；同时，在推动氢燃料电池汽车产业发展的过程中，必须遵循产业的发展规律，切忌急功近利。
编辑来源；科技日报、国际船舶海工网、中国能源报、每日经济新闻、新华网、经济日报等内容