氢能源领域面临的系列挑战

一、概述

在当今社会，能源和交通系统主要依赖于不可持续的石油燃料。根据国际能源署（IEA）的数据，全球对能源的需求预计在未来几十年内将增加50%以上，到2030年达到峰值。为了防止人类活动对气候系统的干扰，需要减少不断增加的温室气体（GHG）排放。从多样化的能源来源中，工业生产可以大量生产氢气，这可能在能源领域发挥关键作用。当氢气用于燃料电池时，它会将燃料的化学能转化为电能，并产生水作为副产品，这被认为是零排放。根据《巴黎协定》的目标，即保持全球气温低于20°C，世界各国领导人、国家和公司正努力实现到2050年的净零排放。高盛的研究发表了关于清洁氢崛起和清洁氢革命的报告。根据该报告，清洁氢有潜力帮助减少全球人为排放量的45%。氢气可以作为零碳排放的能源载体，应用于交通、发电和化工行业。2021年6月7日启动的第一个地球能源攻关计划：氢能攻关计划，旨在在未来10年内将清洁氢的支出削减80%，降至每公斤1美元（111计划）。预计到2022年，全球氢气市场规模将达到约1547.4亿美元，并将继续增长。

下图显示了2030年和2050年的氢气需求潜力（以TWh为单位）。未来最大的需求潜力将是现有的工业原料，其中美国的需求潜力将增加，而欧洲的需求潜力将下降。2030年和2050年潜力之间最大的差异在于运输领域，美国和欧洲的运输需求都呈指数级增长。

 

Figure 1. Hydrogen demand potentials (TWh) across sectors—2030 and 2050 visions

在已公布的承诺情景中，氢气主要用于工业和交通等行业。在第二个图表中，随着可再生能源渗透率的增加，其影响变得更加明显，预计将实现净零碳排放。从环境影响的角度来看，第二种情景更为有利，但已公布的承诺情景更真实地描绘了我们在30年后可能会看到的氢气需求的世界。图1说明了氢气需求潜力。

 

图2 Cooccurrence of keyword networks for an overlay visualization map of hydrogen research developed by VOSviewer.

本研究的关键步骤是调查该领域的显著特征并确定关键术语。这里使用密度可视化方法使用VOS查看器软件分析关键字。关键字重复出现的最低次数设置为3。在总共300个关键字中，只有50个能够满足阈值。图2显示了氢研究领域的多样性，它由跨学科特征组成。从这个图中，我们可以观察到重复出现的短语是氢脆、氢存储和氢经济，说明了当前的主要挑战。与氢脆、氢气生产、运输、氢存储、氢化、燃烧和运输等短语相关的“集群”代表了通过氢研究减少排放的策略。这些减排策略的一个有趣方面是关注材料特性和材料相互作用，如高强度钢、合金、形态、压力容器、氢气和氢化物等短语的重复和联系。这些短语特别重要，因为它们说明了目前的研究旨在提高对当前技术限制来源的理解，因为它们与氢气的运输、储存和使用有关。

同样，“氢经济”一词也被诸如氢气生产、氢气储存、基础设施、排放和氢供应链等方面所包围。这明显指出了涵盖氢研究范围的关键领域。时间表表明，最近的研究集中关注挑战、氢气生产、氢气运输、电力转天然气、燃烧、绿色氢气生产、性能、安全性和生命周期评估领域。出于这些原因，本文对氢气相容性的主要材料挑战进行了广泛的回顾，并提出了未来研究方向的建议。美国能源部报告和相关行业文献被引用以进行此次回顾研究。
    然而，为了在工业规模上建立氢燃料，仍需解决许多挑战。对于氢气来说，材料方面的主要挑战是由于氢气的性质，氢气的行为与天然气不同。对于生产、运输、储存、燃料电池、内燃机和传感器来说，设计应该是专门针对氢环境而设计的。研究小组一直在努力识别或制造用于氢应用的新材料。从生产、运输、储存、燃料电池和内燃机到传感器应用，氢相容性材料面临的主要关键问题是氢脆问题。包括金属加工、化学、机械和炼油在内的行业多年来一直面临由于暴露于氢气而导致的材料降解问题。氢脆是生产、储存、运输和分配设施中最古老且最常观察到的降解现象之一。根据氢的来源和脆化类型，已经解释了几种理论。它可以被分类为“延迟断裂”或“无延迟断裂”。延迟断裂是由于在材料中形成氢分子而导致的延迟断裂，而无延迟断裂是由于材料中存在的氢原子或离子导致的即时断裂。

二、氢气的生产

氢气可以通过多种来源（如化石燃料、生物质和水）使用多种技术进行生产。然而，直到今天，氢气的生产仍然主要依赖于化石燃料。随着绿色氢气生产的可再生能源成本的降低，水电解方法越来越受到关注。全球氢气需求的近76%来自天然气资源。其余23%和1%分别来自煤炭和电解资源。在氢气生产过程中的二氧化碳排放量一直是人们关注的问题，并且正在继续努力控制二氧化碳排放。实施碳捕获、利用和储存（CCUS）项目在这方面是有帮助的。图3概述了多种氢气生产路线。

 

图3  Illustration of different technologies of hydrogen production,

绿色氢气是通过由风能或太阳能等可再生能源驱动的电解过程实现的。电解涉及使用电流通过电极将水分子分解成氧气和氢气。储存在特定储罐中的氢气被输送到燃料电池中。在那里，它再次与空气中的氧气结合，并产生电能。因此，该过程的唯一副产品是水，从而形成一个清洁、可持续的系统，其中零二氧化碳被排放以产生能量。在Marcelo和Dell39;Era的研究中，他们确定了两种主要的电解过程类别：（i）聚合物电解质膜（PEM）电解槽和（ii）碱性电解槽。根据Binder等人2018年的报告，这些电解槽的操作效率可以在52%到85%之间变化。通过电解将电能转化为化学能代表了一项有前景的技术进展。这解释了全球动力-气体设施的扩散。质子交换膜（PEM）电解槽、碱性电解槽以及其他类型的电解槽，如固体氧化物电解池（SOECs）和熔融碳酸盐电解池（MCECs），因其电化学应用而得到广泛认可。

 

为了建立大规模生产单元的财务可行性，能量分析至关重要。可以使用标准方法进行这种分析。它涉及使用以下方程计算输入能量（Ei）、输出能量（Eo）和净能量（En）：

输入能量（Ei）可以使用方程式（1）确定：

Ei = P ? T ? V ? S               (1)

其中Ei表示输入能量（kWh），P是用于过程的功率（kW/kg），T是分解时间（小时），V是反应器体积（m3），S是底物（kg/m3）。这种能量是分解过程所需的能量。

输出能量（Eo），即作为氢气获得的能量，可以使用方程式（2）计算：

Eo = B ? L ? H ? V ? F            (2)

其中Eo表示输出能量（kWh），B是藻类生物质的水生生物可降解性（gCOD/gCOD，其中COD是化学需氧量），L是COD负荷（gCOD/m3），H是氢气产量（m3/gCOD），V是反应器体积（m3），F是生物氢转化系数（1 m3等于3.5 kWh）。
净能量（En）估算由输出能量（Eo）和输入能量（Ei）之间的差值确定，如方程式（3）所示：

En=Eo?Ei                    （3）

其中En代表净能量（kWh），Eo是输出能量（kWh），Ei是输入能量（kWh）。

这种能量分析对于评估大规模生产装置的经济可行性至关重要。

1.氢气生产的挑战和机遇

从天然气资源中生产氢气的最通用方法是蒸汽甲烷重整（SMR）。目前，有三种方法用于从天然气资源中生产氢气，分别是SMR、部分氧化法（POM）和自热重整（ATR）。对于大规模生产，SMR是最常用的氢气生产方式。SMR方法产生的二氧化碳目前被释放到大气中。然而，它可以作为食品加工和包装的副产品利用。SMR使用水作为氧化剂和氢气来源，而空气中的氧气则在POM中用作氧化剂。SRM和POM的结合被称为ATR方法。SMR是最发达的工业过程，不需要氧气。然而，二氧化碳的排放量相当高。为了实现这些基于甲烷的过程的脱碳化，必须捕获并储存产生的二氧化碳。在这方面，使用碳捕获、利用和储存（CCUS）项目是有帮助的。这是一个捕获来自不同来源的二氧化碳排放的过程，以防止其进入大气。CCUS项目涉及将二氧化碳泵入地质储层，如枯竭的油气田。作为一种具有低当前成本的可持续方法，SMR在氢气生产中变得流行起来。然而，需要解决自动化控制系统和原料管理系统中的困难，以使SMR成为更高效的氢气生产方式。

2.电解水制造氢气：挑战和机遇

电解是一种电化学过程，全球性专用电解氢气生产不到0.1%。三种主要的电解技术包括碱性电解、质子交换膜（PEM）电解和固体氧化物电解池（SOECs）。自1920年以来，化肥和氯碱行业一直使用碱性电解来生产氢气，并且已经成为一种成熟且商业化的技术。通用电气公司在1960年引入了质子交换膜（PEM）电解，以克服碱性电解的一些操作上的缺陷。最不成熟的电解水技术是固体氧化物电解池（SOECs），尚未商业化。由于来自工业过程、地热或太阳能以及核电站的热源，将热量整合到氢气生产中变得可行。核电站产生300°C的热量，也可以用于为固体氧化物电解池（SOECs）提供电力和蒸汽。

电解需要消耗水和电力。大约9升水可以生产1千克氢气，同时产生8千克氧气作为副产品。事实上，在水资源紧张的地区，淡水供应可能是一个问题，因为水的消耗量大约是SMR过程的两倍。在沿海地区，海水可能是电解的潜在水源。但是不能直接使用海水电解（有消息称已经解决？），因为它会导致腐蚀损坏和氯的产生。此外，PEM电解需要昂贵的电极催化剂，如铂、铱和膜材料。同样，PEM电极使用寿命也比碱性电解短。与燃料电池相比，电解过程水相对较多，水被聚合物电极吸收导致膨胀。在聚合物电极极端膨胀和30 bar（430 psi）或更高的操作条件下，导致聚合物丝线之间的距离变大，机械强度减弱，所以需要使用175到250微米的厚膜。

尽管存在这些局限性，但每天都有新的技术来弥合这些差距。通过使用(50-60微米)更薄的膜材料，可以提高电解池效率。此外，它还有助于增加机械强度。为了优化离子传导性和减少水的吸收，研究人员正在研究不同的聚合物组合。将氟化钠矽酸盐的氟基主链替换为碳氢化合物已经纳入考虑范围。此外，电解过程中使用的催化剂——氢侧的铂和氧侧的铱——也需要改进。需要进行关于选择与核能热源温度水平相容的材料的研究。未来不久还将考虑采用小型模块反应堆来促进SOEC电解。从长远来看，先进的核反应堆也将是一个诱人的选择。

3.煤制氢的挑战与机遇

化学和化肥行业利用天然气化过程在生产氨的同时从煤炭中制取氢气，这是一项成熟的技术。然而，从基于煤炭的氢生产中排放的二氧化碳很可能增加。此外，使用CCUS产生的氢气相对来说氢气/碳比率较低，且原料(硫、氮和矿物质)中的杂质含量较高。气化单元释放的热量需要更有效的利用，包括发电和供暖。然而，由于材料限制，使用热交换器冷却高温气体也具有挑战性。另一个挑战是缺乏成熟的标准规范。合成气中所含的碳量应降低，以避免温室气体排放 。

煤中含有硫，因此在气化过程中会产生硫氧化物。硫氧化物会导致环境污染和酸雨。因此，必须将硫减少系统纳入煤的气化过程中，以实现可持续发展的环境。可以通过使用不同类型的燃料进行煤的磨碎处理。此外，磨碎温度也可以与煤的分离相结合。废热和氢可以通过等离子体共气化过程进一步用于发电系统、储存和冷却 。

4.生物质制氢的挑战与机遇

人们已经发现了许多从生物质中制取氢气的方法。其中一种途径被称为生化途径，在此过程中，生物气体由微生物与有机物质相互作用产生。该过程也称为厌氧消化，其中酸、醇和气体发生结合反应。例如细菌等微生物将有机物质分解产生氢气。有机物质可以是精糖、玉米秸秆等原始生物质来源，甚至是废水。因为不需要光，所以这些方法有时也被称为“暗发酵”方法。在直接氢发酵中，微生物自身产生氢气。这些微生物可以通过多种不同的途径分解复杂的分子，而某些途径的副产品可以通过酶的作用结合起来产生氢气 。

尽管世界上已经建立了几家生物质气化工厂，但这项技术尚未完全成熟。无论采用哪种生产过程，产生的气体都需要进一步处理以提取氢气。廉价生物质的不可获得也限制了大规模生物质制氢的生产。将氢转化为基于氢的燃料和原料更容易储存、运输和使用。一些例子包括氨、合成碳氢化合物和合成甲醇 。

5.甲烷裂解产氢的挑战与机遇

大约在1990年左右，引入了基于交替电流三相等离子体的甲烷裂解过程。它使用甲烷作为原料，电力作为能源来源，在不排放天然气中的二氧化碳的情况下生产氢气和固态碳。对于相同量的氢气生产，甲烷裂解过程消耗的电力比电解少3到5倍。然而，该过程存在局限性，因为它需要高温等离子体和显著的温度损失，从而降低了整体效率。

Monolith Materials公司正在加利福尼亚州运营一个甲烷裂解试点工厂，并在内布拉斯加州建设一个工业工厂，其总效率低于直接在发电厂中使用天然气。这个过程可以帮助减少燃气燃烧的排放，即使它比电解需要更多的天然气，也可以通过销售用于橡胶、轮胎、打印机和塑料的炭黑来获得额外的收入流。

三.二氧化碳捕获技术在氢气生产中的应用

技术上先进的灰色氢气生产方法面临着二氧化碳排放的问题。然而，通过在系统中使用碳捕获、利用和储存（CCUS），可以将二氧化碳排放减少比例高达90%。为了在全球范围内优化需求并实现环保高效的氢气生产途径，需要克服许多挑战。从不同的来源生产氢气时已经观察到大量的二氧化碳排放。尽管已经探索了几种二氧化碳捕获技术以提高SMR和ATR方法的效率并降低成本，但在氢气生产过程中实施二氧化碳捕获技术仍然需要进行更多的研究，特别是在天然气和煤炭资源方面。一项研究发现，从天然气中生产氢气的区域生产成本低于每公斤氢气1美元，包括天然气成本、运营支出（OPEX）和资本支出（CAPEX）。

作为一种能源载体，氢气以某种可用的形式存储和传递能量。如前所述，我们可以从多种来源生产氢气，例如天然气、生物质、可再生能源、水力发电或核能资源。多样化的供应来源使氢气成为一个有前景的能源载体。此外，它可以灵活地在大型、中型或小型分布式单元中生产，这些单元位于消费者附近，如加油站或固定电源站点。因此，正在进行广泛的研究以从不同来源生产具有商业可行性的氢气。与此同时，应开发捕获二氧化碳排放的技术，以提高从天然气和煤炭资源中生产氢气的效率并降低成本。蒸汽甲烷重整和部分氧化方法的技术发展都取得了显著进展，这两种方法都已用于氢气的商业生产。因此，还需要开发输送方法和改善基础设施，以确保煤炭基氢气生产的最低或无温室气体排放。此外，改善生物质的生长、收获和处理以降低氢气生产中使用的生物质资源的成本也是必要的。

在氢气生产过程中减轻气候变化的碳封存技术长期以来一直受到讨论。在后燃烧过程中，二氧化碳通过化学吸收使用单乙醇胺（MEA）进行捕获。使用此技术可以从燃煤或燃气锅炉的废气中产生高纯度的二氧化碳。再生吸收剂被循环回吸收器，二氧化碳经过干燥和压缩以满足运输条件（通常在100至150巴之间）。

吸附、低温蒸馏和膜也可以用于从烟气中捕获二氧化碳。在常规压力和温度下，二氧化碳在固体表面（沸石）上的物理吸附是高能耗的。与化学吸收相比，由于烟气中低二氧化碳分压导致驱动力较低，使用市售聚合物膜会导致相对较大的能源需求和二氧化碳避免成本。

表2总结了选择性氢气生产方法的挑战和机遇以及它们当前的研究和开发状况。

 

四.氢气输送管道和基础设施的材料 

从材料的角度来看，氢气由于其特性和与整体基础设施（包括输送、管道、储存和生产设备）的反应性而面临挑战。长期以来，研究人员一直面临着氢气基础设施中的经典主要问题——脆化。此外，像氢气这样能量密集且反应性强的气体会导致当前基础设施中的聚合物材料安全操作方面的挑战。 氢气的纯度是影响氢气破裂压力的关键因素。微量氧气或水蒸气可以部分抑制氢气的脆化效应。通常，氢气越纯，观察到的脆化现象越多。原因可能是像二氧化硫这样的杂质对脆化有抑制作用。同样，其他杂质如甲烷和氮气似乎没有明显的影响。相反，有些杂质如二氧化碳和硫化氢会对氢气引起的脆化产生促进影响。钢和其他材料的微观结构以及热处理和化学成分在氢脆中也起着重要作用。观察到的是，马氏体结构具有最差的行为，铁素体结构具有中间行为，稳定的奥氏体钢表现出最佳行为。焊接钢也是一个可以极大地影响氢脆行为的主要参数。 焊接区域的硬度和热影响区的硬度应限制在碳钢范围内。奥氏体不锈钢中的铁素体形成应受到限制。镍、钛和高镍合金以及钛合金对氢脆非常敏感。再次，即使在相当高的温度下，氢脆行为也可能仍然存在于钢材料中。高压和高纯氢对金属的影响也是显而易见的。根据材料的不同，随着压力的增加，氢脆也会增加。奥氏体钢被认为是更安全的氢脆选择。当铁样品受到超过弹性极限的应力或张力时，氢原子会进入铁样品。从裂纹形成的分析来看，在正常操作条件下，压力的变化不会导致故障；当管道受到氢脆的影响时，它将无法承受长时间的压力并发生裂纹。 在不断增长的裂纹、缺陷和不频繁的压力周期下计算疲劳寿命是非常敏感的。预计混合氢气-天然气混合物和100%氢气的管道的使用寿命大致相同：都是几十年。实验研究预测了钢在高压氢效应下的使用寿命。X70 API 5L级钢的估计使用寿命超过50；API钢（X52、X60、X65、X70和API 5L等级B）和X42钢的使用寿命也被确定为超过50年，但负载比R不同；而50%的氢气与天然气混合X80钢的使用寿命估计为37年。这些使用寿命估计是基于每天两个压力周期的假设。 当氢气压力增加时，氢气的渗透率会增加，但随着压力进一步增加，比率会变慢。所有渗透率、扩散率和溶解度系数都与高压环境中的特定体积相关。通过应用氢气施加的自由体积压缩效应，气体扩散减少。从结晶度的测量结果来看，渗透系数也随着压力的增加而减小；显然，在高压氢气环境下，气体渗透发生在非晶区。气体渗透的程度受气体渗透量的极大影响。然而，材料的类型也是确定损坏程度的重要因素。 

1.氢气应用中使用的聚合物 

聚合物材料在氢气行业中有广泛的应用。它们用于连接处的密封件、压缩设备、管道、分配器和阀门，以及储气罐的内衬。根据它们的微观结构，有四类聚合物材料用于氢气应用：半结晶热塑性塑料、无定形热塑性塑料、弹性体和环氧树脂。

在关键接口（如储罐系统、分配器-车辆接口和供应系统）处的泄漏非常常见。O型圈（弹性体）在氢气行业中广泛用于静态和动态设计，以防止系统中的泄漏。在设计静态密封规格时，必须考虑瞬态条件。在阀门或调节器中的轴运动过程中，弹性材料可能会出现临时泄漏。对于动态密封设计，问题可能导致密封表面之间的运动期间出现临时泄漏。

聚合物的摩擦学在动态密封应用中起着重要作用。聚合物在高压氢气环境中的更长寿命取决于低摩擦系数，这意味着更少的磨损和损坏。根据聚合物的渗透特性，摩擦行为可能会有所不同。聚合物中的填充物可以在增加或减少其对氢气的敏感性方面发挥重要作用。在选择用于高压氢气环境的聚合物时，应考虑到塑料化、断裂和疲劳的影响。此外，还需要研究弹性体在温度和压力循环指标的综合作用下的快速气体减压，以评估损伤并通过开发耐损伤材料进行缓解。热塑性和弹性体聚合物已经在高压氢气（70-100 MPa）下的静态、等温、等压条件下进行了研究，以表征物理性质并进行力学分析。在燃料电池车辆的燃料消耗和加油操作期间，聚合物暴露于大的压力梯度。在高压氢气循环（35 MPa至100 MPa至35 MPa）等动态环境中，这些聚合物的性能受到很大影响。

为防止气体渗透和吸收，选择适合氢气流动的密封材料是最具挑战性的任务之一。在表征聚合物材料时，需要考虑几个因素。测量结晶度、聚合度、交联密度、化学物种的脱气和解吸、氢气向聚合物的渗透/吸收、气体暴露时间、温度、压力、增压/减压速率、耐久性、台架（试样）与全尺寸材料特性的相关性等都是重要的。需要研究氢气、温度和压力对“蠕变”和“强度”的影响。此外，塑料化效应（例如在氢气环境下的延展性变化）还有待探索。了解氢气作为溶剂在聚合物上的超临界性质对于定制适当的聚合物选择很重要。

聚合物的挑战和机遇

无论用于密封件、压缩机、管道还是压力容器，聚合物都可能以各种方式失效。尽管金属中的氢气脆化机制似乎在聚合物中不存在，但暴露于高压氢气确实会影响聚合物的机械性能。作为最小的分子之一，氢气可以比任何其他气体更容易地扩散到聚合物中并穿过它们。虽然某些聚合物在氢气操作期间可以保持其性能，但对不同聚合物在氢气环境下的行为尚未得到充分研究。

当氢气吸收并扩散到聚合物组件中并在高压下形成小气泡时，会在材料内部造成损害。如果减压足够迅速且充分，这些气泡可以猛烈地从聚合物中逸出，导致组件严重损坏和故障。这种快速气体减压甚至可能在数小时的时间尺度上发生，这意味着这种影响不仅限于压力的突然和剧烈变化。

虽然已经研究了包括EVA、PVC、EPDM等在内的几种特定聚合物对氢气的影响，但很大一部分——特别是热塑性塑料——尚未对该故障机制进行彻底调查。此外，用于储存氢气的高压可能对聚合物的塑料化产生一定影响，这也需要加以研究。有必要对断裂和疲劳失效模式、快速气体分解、摩擦和磨损、测试方法、塑料化、传输特性和污染物进行广泛研究。

2. 用于氢气系统的复合材料 

用于储氢材料的复合材料有所不同。凯夫拉纤维和玻璃纤维已被证明比碳纤维更具损伤容忍性。通过在易损区域添加添加剂并在整个储罐外部添加牺牲层，复合材料储罐设计最近得到了改进，从而变得更具抗损伤性。碳纤维制造需要经济和先进的材料表征方法来监测关键性能。关键性能特性包括缺陷结构、碳化过程中的电阻变化、氧化过程中的密度变化等。筛选替代纤维也被认为是缠绕应用的潜在候选者。

复合材料的挑战和机遇

应力断裂是复合材料储罐的一个重要但尚未完全理解的问题。当多根纤维随机相邻失效时，就会发生应力断裂。通常，当一根纤维失效时，周围的纤维可以承受之前由失效纤维承载的载荷。然而，当多根纤维非常接近地失效时，周围的纤维突然承受更大的载荷，导致它们也失效，如此循环，直到整个容器/层破裂。这种失效几乎没有或根本没有预警，可能导致灾难性后果。这些纤维失效的一种方式可能是由于腐蚀，例如碳纤维的氧化。这种现象已经在各种气氛（包括空气）和不同温度下进行了研究，发现在空气中高温样品的失效率最高。研究应力断裂的一个问题是它们遵循的内在随机机制。纤维可能会或多或少地随机失效，因此，如果足够数量的纤维碰巧在彼此附近成簇失效，那么它本质上就是随机的。这意味着对这种现象进行实验研究需要大量的样本，通常具有高寿命，才能产生失效。 在存在多个变量的复杂操作条件下，理解和掌握复合材料和聚合物的材料性质是一项具有挑战性的任务。例如，在从低至（-40°C）到高达（85°C）的广泛温度范围以及高压（700 bar）下，很难解释复合材料在氢气中的行为。此外，在氢气燃料车辆的加油或卸油操作期间会发生局部热膨胀。局部热膨胀的影响还有待探索。SAE J2601、SAE J2579/GTR、CSA HGV 4.3、CSA HGV 2和ISO 15869等规范可以纳入加油标准。需要在热浸和运行温度波动下建立材料行为和降解之间的相关性以进行认证。在加油或卸油操作期间，气态氢气和密封材料之间存在温度梯度。必须考虑温度差异与热浸测试结果之间的相关性。 为了确定复合材料的耐久性，需要进行循环加载实验，而不是对构成聚合物进行材料测试。耐久性测试通常保持约90 MPa的氢气压力循环。在不同的温度、压力和循环条件下观察复合材料的裂纹损伤和挤压破裂。EPDM O型圈的压力（从35 MPa增加到70 MPa）和温度（从60°C增加到100°C）的增加显著加剧了裂纹损伤。复合材料压力容器的主要优点是重量较轻。然而，碳纤维增强塑料（CFRP）复合材料压力容器的老化与其金属衬里的复杂相互作用尚未得到理解。检测压力循环和蠕变行为对材料影响的适当测试方法尚未确立。液压内压试验通常无法检测裂纹，除非裂纹完全穿过金属衬里发展出来，而ET可能是一个有前景的替代测试方法。高频ET也可用于研究复合材料的老化行为。通常，通过引入涡流来检测纤维高频区域的裂纹。此外，在高频应用中，来自树脂的信号更容易被检测到。复合外包压力容器（COPV）故障、凯夫拉纤维和玻璃纤维已被证明比碳纤维更具损伤容忍性。

3.氢气兼容金属的研究和挑战 

氢气侵蚀的概率主要取决于钢的冶金结构；化学成分、分布和相的形态；晶粒结构（尺寸、形状和纹理）；偏析；以及有意合金元素和沉淀物的分布，以及杂质是改变冶金结构的因素。然而，在现有的天然气管道中使用较低强度钢而不是较高强度钢的根本冶金原因的效果，这已经被历史证明，仍然是有争议的。现代聚乙烯管道可以运输氢气。聚乙烯管PE80和PE100与传统材料如钢或球墨铸铁相比具有几个显著的优点。污染物在PE 80和100材料中的渗透探索了结晶度与渗透率、扩散和分配之间的关系。评估金属氢气兼容性的主要因素是聚合物的结构变化、抗氧化剂的消耗、材料的拉伸性能的变化、材料慢速裂纹扩展性能的变化、表面氧化和计量校准。 NIST开发的测试设备可以在特定的环境和加载条件下同时测量10个样本，直到所有样本都被用于工业。他们在基础金属、焊缝和候选钢的热影响区上完成了超过150次疲劳测试。NIST对ASME B31.12进行了修改，允许使用X70钢而不是X52钢，这将使每英里管道节省超过1百万美元。标准指南如ASME B31.12和AIGA/EIGA允许在氢气服务中使用X80/L555级材料。但ASME B31.12明确规定，只有等级达到X52/L360的材料已被证明适用于氢气服务。现有规范建议至少每英里频率破坏性地测试一个材料样品。ROSEN引入了RoMat系列用于在线检查服务，包括管道等级传感器（PGS）技术和DMG硬点技术。目的是通过材料验证过程支持操作员。 美国天然气管道系统表明，使用相对浓度较低的氢气（体积分数为5-15%）并对现有管道系统进行一些微小的修改是可行的。为了混合10%的氢气，压力降范围从300 psi到30 psi，提取成本从每单位千克氢气的0.3美元到1.3美元不等。更高浓度的氢气需要对载体进行结构改造。与此同时，对终端使用系统的影响、安全性、材料耐久性和完整性管理以及泄漏率需要考虑。不同材料的氢气储存容量的比较见表3。

 

五、氢脆化

氢脆化是一种在氢气的生产、运输、储存和使用过程中最常见的现象。实际上，对高压氢气环境下的氢脆行为的研究已经进行了很长时间。它可以通过在金属表面或其下方引入氢原子来显著降低材料的性能并使其变弱。

氢脆化在石化行业中非常常见。当金属吸收氢气时，氢气可以与金属表面附近的物质反应形成新的相，或者在金属内部扩散一段距离后产生氢化物（MHx）相。在钢的加工和焊接过程中，如果原子氢相互反应，就会在金属内部形成分子氢（氢气），从而产生剥落或鱼眼。在低合金钢中，氢气与碳反应会产生甲烷（CH4）气泡。对于钢在氢气环境中的安全操作条件，可以用尼尔森图表示。

如果氢气在从氢气源吸收并扩散到金属晶格中后不发生任何化学反应，那么就会出现缓慢的应变速率脆化和延迟失效。对于钢来说，脆化通常在室温下最为严重。这种类型的脆化受到氢气在晶格内扩散程度的控制。人们非常关注电镀过程中出现的问题，特别是高强度钢部件上的镉镀层。在许多其他材料中也观察到了内部可逆的氢脆化现象，包括镍基合金和不锈钢。

自1960年以来，氢脆化一直被认为是一个严重的问题。通过不同的力学测试，已经分析了广泛的操作变量下的脆化程度，包括气体压力和温度。研究发现，在室温下脆化程度最大。气体纯度和试验应变速率也是确定脆化程度的重要参数。定量分析表明，脆化合金的氢气含量显著增加。裂纹的起始位置，无论是从表面还是从内部开始，还有待研究。

1.氢气生产中的氢脆化

氢气被认为是氢气生产、煤气化或高级能源转换过程中的传热介质。从纯环境或富氢环境中，氢气被输送到钢和低合金钢等样品中。需要研究的变量是温度、压力和应用应力，以了解氢气与钢的相互作用。其他可以考虑的变量是改性合金成分、钢的改性微观结构和环境的化学改性。机械性能由氢气暴露于钢的环境控制，无论是在常温还是高温下。这种相互作用还有待研究。这不仅对煤气化过程有重要意义，对氢气生产过程也有重要意义。

2.传输/储存过程中的氢脆化

氢气的运输介质被认为是气态、液态甚至固态氢化物相。氢气的储存和运输设施的设计旨在最大程度地减少环境退化的影响。然而，设计存在一些限制，因为它需要昂贵的合金系统，如铬和镍。

3.液态氢和氢化物的传输/储存过程中的氢脆化

液态氢的储存和运输仍然具有挑战性。反应过程，包括分子氢的解离，在低温下非常缓慢。因此，将氢气从环境中传输到金属变得非常缓慢且困难。例如，如果选择不合适的材料、缺乏适当的电偶腐蚀保护或涂层不当，会导致不锈钢和相关工具的腐蚀。此外，如果在高温下进行热循环使氢气渗透到金属中，问题会更加严重。根本原因是形成了第二相，无论是气态还是固态氢化物，从而导致脆化。氢诱导的脆化导致储存和运输系统的完整性丧失。稳定的奥氏体不锈钢或铝合金广泛用于液态氢的运输或储存系统。气态和液态氢储存系统在氢化物形成方面存在显著差异。操作设计考虑了压力、温度和热循环等因素。此外，氢化物中原子氢对容器材料的脆化作用尚未解决。

4.氢气传输过程中的氢脆化

氢气引起的脆化是压力容器和管道的一个重要问题，原因包括电偶腐蚀保护不足、焊接质量差以及易受氢脆化的钢材。低强度钢、焊接不良和低氢压力（如0.3-7 MN/(50-1000 psi)）也是促进氢诱导脆化的重要原因。高强度钢在高压氢气下也可能导致脆化。然而，对模拟工况下的焊缝钢管和候选压缩机合金的评估，以及对焊接技术的改进和非破坏性检测技术的应用，决定了复合管线的可行性，以及材料在腐蚀性环境中的相容性需要进一步研究。表4显示了常用的材料及其脆化评估。

 

六.氢气燃料电池和氢气燃烧发动机

1.氢气在燃料电池中应用的挑战 

氢气由于其广泛的可燃性、低点火能、小熄火距离、高自燃温度、高化学计量比下的火焰速度、高扩散性和非常低的密度，被认为是一种有前景的燃料。但它也带来了一些挑战，如回火、自动和预点火。氢气相对较小的分子结构使其难以储存。 建议将氢气与其他气体混合以使氢气适于储存和运输，但缺乏一种轻便、安全且低成本的储存技术仍然是氢气储存的一个瓶颈。燃料电池在氢气中起着至关重要的作用。从氢气的生产到直接用于汽车行业，燃料电池都参与其中。目前技术上最成熟的燃料电池是质子交换膜（PEM）。此外，固体氧化物燃料电池（SOFC）在氢气应用方面显示出巨大的潜力，但在商业用途上还不够成熟。尽管燃料电池在燃料使用方面具有优势，但该技术也存在需要解决的限制。氢气也可以直接用于燃烧发动机，用于发电、航空业和汽车行业等各种目的。由于氢气的化学特性和反应行为，燃烧发动机需要进行修改以实现更长更安全的使用寿命。文献支持由大公司开发的氢气内燃机（HICEs）/燃烧发动机用于发电或车辆应用开发。

2.基于氢气车辆的优点和缺点

基于氢气的车辆已经由丰田公司开发出来，这些车辆由13个1.6升涡轮增压发动机驱动。储气罐的压力为10 K psi。均匀充量压缩点燃（HCCI）用于氢气燃烧。氢气的极稀薄燃烧导致NOx排放仅为1 ppm，热效率达到45%。空气中的氮与氧和氢反应形成NOx。此外，发动机油燃烧也会产生少量的二氧化碳。HCCI的挑战在于控制非常困难。冷启动压缩比约为42:1，而典型汽油机的压缩比为8:1至13:1，负载能力比燃气发动机低25%，这意味着功率只有四分之一。在爆震、预点火、回火和熄火方面，HCCI比SI或PFI发动机效率高约38%。与典型燃气发动机相比，HCCI在燃气负荷方面仍需改进。丰田正在使用涡轮增压器来克服这个问题。 丰田Mirai的车轮处效率为50%，其中燃料电池的效率为25%，氢气燃烧的效率也为25%。因此，燃料电池和内燃机可以结合以实现最佳优化。但由于能量密度的原因，将现有发动机转换为氢气燃料发动机并不容易。氢气的能量密度为1.3 kwh/L @ 700 bar，E10发动机的能量密度为9 kwh/L。存储相同能量所需的体积是E10发动机的七倍，而且需要两倍于燃料电池和内燃机之间的效率差距的油箱大小才能克服这种滞后。

3.将基于氢气的能源引入行业

氢气可以用作替代能源。制造、化工和石油化工等行业在产生气体的同时也会生成氢气作为副产品。这些多余的气体可以用来运行已经采用十年的燃气轮机。通用电气公司开发了DLN 2.6e燃烧系统，该系统能够燃烧高达50%的混合燃料，并且已经应用于7HA和9HA燃气发动机系列。氢气比天然气轻三倍，提供更高的流量。但是，氢气的热值要低得多：~274 BTU/scf (10.7 MJ/Nm3)，这就需要配置燃料辅助系统以适应增加的流量。含有显著水平氢气的过程流可能需要使用扩散火焰燃烧器。通用电气公司通过采用一种技术降低了NOx排放，即先将燃料注入GT室，然后通过环形歧管输送到每个燃烧室，最后通过“猪尾管”送入热气流中。通过在“单体”外部连接四个1/2英寸的分配管并将燃料注入热气流路径中，确保了燃料的均匀分布。因此，燃料气体首先被引入涡轮第一级喷嘴上游的火焰区下游。这样，燃料气体自燃，增加了可用于动力涡轮的能量，但不会增加NOx排放。

4. 氢气在电力行业使用的挑战和研究

尽管氢气已经在电力行业广泛用作燃料，但它仍然面临一些挑战。氢气的火焰温度较高，热值较低，这导致NOx（氮氧化物）排放增加，以及需要额外的辅助系统来适应体积流量的增加。氢气的火焰速度比甲烷快得多。不仅纯氢气，而且50%氢气和天然气的混合燃料也具有更快的火焰速度，至少是纯甲烷的两倍。更高的火焰速度导致火焰向预混合器传播的风险更高。当火焰可以在预混合器中稳定并固定时，这种情况被称为火焰保持。这两种情况都可能导致燃烧硬件损坏甚至燃料喷嘴损坏。 由于氢气的火焰速度足够高，足以在主区域产生闪回或再点火，因此其容量被限制在5%以内。虽然不会造成水的损耗，但在电解过程中，1单位的氢气会消耗9单位的水。根据燃气轮机的功率从100兆瓦到18兆瓦不等，所需的水量也会从35%变化到85%。因此，理论上可以计算出生产氢气所需的水量。供应这些水资源是一个巨大挑战。当燃气轮机使用氢气和天然气的混合物而不是纯氢气运行时，由于产生的氢气较少，水消耗量也会减少。当9F.04燃气轮机以体积百分比为5%的氢气与天然气混合运行时，每小时消耗约840加仑的水来产生氢气。电解也需要电力来分解水分子。可以通过将高热值（HHV）除以系统效率（HHV/η）来计算电解器所需的电力。氢气的高热值为39.39千瓦时/千克。市场上可用的效率为65%的电解器通常需要60.61千瓦时/千克的水来生产氢气。在GE-10燃气轮机中，氢气的流量约为11,700立方米/小时。该电解系统将消耗约1.54吉瓦时的电力来生成足够的氢气以运行GE-10达24小时。

5.基于氢气发动机的最新研究

GE推出的航空衍生燃气轮机（LM2500+）已经能够利用焦炉煤气（COG）作为发电燃料。COG的氢含量非常高，高达65%。首批两台GE航空衍生COG机组在联合循环配置下可产生60兆瓦的电力。 GE是一家知名的燃气轮机制造商，其产品包括H级、F级、B级和E级等各种类型的燃气轮机以及航空衍生涡轮机。HA和F级涡轮机尤其以其出色的燃料灵活性和高功率输出能力而闻名。GE已经开发出了一台强大的384兆瓦7HA.02燃烧涡轮机，该涡轮机可以在体积分数为20%的氢气下运行，同时保持高效率和高功率输出。此外，GE还在开发一种名为DLN 2.6e的多管燃烧系统。 几家燃气轮机制造商正在开发将氢气融入其产品中的技术。荷兰涡轮OEM公司OPRA创建了一款名为OP16的全径向燃气轮机，该发动机具有高可靠性、鲁棒性和效率，同时降低了排放。OPRA还开发了使其涡轮机能够使用高达100%氢气的燃烧器技术。三菱动力公司已经开发出可以使用30%氢气和70%天然气混合物运行的燃气轮机，并正在研发一款可以使用100%氢气运行的涡轮机。西门子能源公司的较大型燃气轮机（从SGT5-2000E到SGT5/6-9000HL）可以按体积分数高达30%的氢气运行，并计划在未来中长期开发能够利用更高浓度氢气的涡轮机。这些燃气轮机广泛应用于工业、石油和天然气以及废物能源等行业。 川崎重工已成功证明其1MW M1A-17燃气轮机可以使用100%的氢气运行。该涡轮机用于为大型活动设施和医院发电和蒸汽。为了解决氢气供应有限的问题，Capstone涡轮机公司开发了微型涡轮机，可以轻松安装在氢气生产现场，无需额外基础设施。这些涡轮机作为分布式能源源使用。Capstone最近将其第一台氢C65涡轮机卖给了澳大利亚的一位客户。

6.氢气在交通领域使用的挑战和限制

燃料电池可以分为碱性燃料电池（AFCs）或碱性膜燃料电池（AMFCs），后者使用碱性膜，或者质子交换膜燃料电池（PEMFCs），后者使用酸性膜。虽然AFCs可以在阳极和阴极处使用非贵金属催化剂，使其比PEMFCs便宜，但PEMFCs的工作温度较低（低于120°C），并使用氟磺酸作为载流子，使其非常适合运输应用，因为它们与其他类型的燃料电池相比具有更快的启动时间。 碱性膜燃料电池（AMFCs）仍面临诸多挑战，包括二氧化碳耐受性、膜耐久性和导电性、高温操作、功率密度、水管理和阳极电催化等问题。为了提高AMFCs的性能和效率，必须解决这些限制因素。质子交换膜燃料电池（PEMFCs）在其构造中需要大量贵金属，主要是铂金，这可能很昂贵并限制其广泛应用。因此，减少或消除贵金属的使用以提高PEMFCs的耐用性和管理电池内的水分传输是改进研究的重点。由于气体湿度增加导致的水淹是PEMFCs中常见的问题，这会导致加速铂溶解-沉淀以及碳支撑腐蚀。正在探索优化流速、气体扩散层设计和使用疏水性材料来改善电池内水分管理系统的方法，以解决水淹问题。

7.燃料电池系统在热力学限制方面面临着挑战

内燃机在极端天气条件下仍然无法表现出色，例如低于冰点的温度。这使得燃料电池系统在车辆中的耐久性受到质疑。燃料电池可能会面临低温问题，因为其中的水会结冰，降低其性能，直到达到最佳工作温度。虽然燃料电池汽车（FCV）现在可以在低于冰点的温度下启动和运行，但人们仍然担心它们在这种条件下的性能。污染物也可能影响燃料电池的性能和耐久性，使得不确定在现实世界条件下，FCV需要多高的氢气和进气纯度才能可靠运行。为了解决这个担忧并确保FCV的可靠运行，研究正在进行中。燃料电池的其他问题包括负载循环，这会导致水管理和动态响应方面的问题，从而降低燃料电池的使用寿命。水管理会影响导致膜降解和水淹的催化剂。由于脱水导致的膜内的机械应力，PEM燃料电池可能会出现撕裂或裂纹等故障，加速化学降解。

七、.氢气传感器

用于检测空气中氢气的传感器需要具有高度敏感和响应能力，能够快速检测到即使是最微小的氢气量，以防止泄漏引发的火灾。特别是，这些传感器的响应时间至关重要，美国能源部设定了室温下检测0.1%至10%范围内氢气浓度的目标时间为t90 <1 s。自2007年以来，实现这一目标一直很困难，传感器必须能够检测到空气中至少0.1%的氢气才能有效。对于确保运输和固定应用中氢燃料电池系统的安全性来说，实现这种灵敏度水平至关重要。主要的氢气参数测量传感器类型包括电化学传感器、金属氧化物传感器、催化气体传感器（Cgs）、导热率传感器、光学传感器、钯膜和钯合金膜以及组合技术传感器。监管机构需要从监管层面要求对氢基础设施进行稳健安全的泄漏检测。目前的NG传感器无法监测由氢气的化学性质引起的泄漏检测问题。研究人员已经开始研究基于光纤传感器的时间相关基础设施监测和缺陷检测。此外，加氢站、固定储存设施以及任何可能储存氢气的封闭区域都是氢气检测传感器的潜在候选者。为了防止机械故障和因泄漏而损失储存的氢气，应开发和测试准确的智能替代检测传感器，然后再投资于昂贵的基础设施。能源部已经制定了一套批准氢气安全传感器的规格，详见表5。

 

任何设施、储存系统、车辆或管道中的氢气泄漏都应立即被检测到。基于形成金属纳米颗粒的水合物的光学纳米等离子体氢气传感器已经被引入。光学纳米等离子体氢气传感器是一种使用形成金属纳米颗粒（如钯）来检测氢气的传感器。这些传感器产生高度选择性地针对氢气的光信号，并且不会产生火花，使其安全使用。钯是氢气传感器的有效材料，因为它可以在室温下容易地分解氢气并发生可逆的金属-金属氢化物相变。最近，人们越来越有兴趣使用镀有聚四氟乙烯（PTFE）的等离子体金属-聚合物涂层（如钯或Pd70Au30）来提高传感器的耐化学性和疏水性，使它们适用于恶劣环境。

瑞典查尔默斯理工大学的研究人員已经开发出一种能够满足氢动力汽车中使用的性能要求的氢气传感器。该传感器使用金属纳米颗粒基于一种称为等离子体的光学现象来检测氢气，当光被纳米颗粒吸收时会发生等离子体现象。该传感器效率高，能够在不到一秒的时间内检测到浓度为0.1%的氢气，成为迄今为止开发的最快的氢气传感器。通过满足汽车行业设定的严格性能目标，这种氢气传感器有望在未来氢燃料电池汽车的安全和高效发展中发挥关键作用。H2 scan LLC正在商业化利用Sandia国家实验室开发的固态技术开发的特定于氢气的传感系统。这些传感系统设计用于即使在其他背景气体存在的情况下也能检测到氢气气体。这些氢气传感设备能够在1到10秒内检测到氢气，使其适用于需要快速响应时间的应用，如控制系统。H2 scan目前提供三种氢气传感系统配置：手持便携式泄漏检测仪、固定区域监控系统和在线实时浓度分析仪。这些传感器对空气中的氢气具有较低的灵敏度，约为5 ppm，对氮气则小于1 ppm，因此它们对氢气气体非常敏感。它们是特定于氢气的，意味着它们可以检测到氢气而不会对其他气体产生交叉敏感性。传感器的上限为100%，并且具有极快的响应时间。此外，传感器可以在广泛的温度范围内操作，从-40°C到150°C，使其适用于许多传感器应用。这些特性使这些传感器在许多行业中都有潜在的用途，包括汽车和化工制造行业，其中氢气气体通常被广泛使用。

开发无错误且经济的氢气传感器仍具有挑战性。可燃气体传感器（氢气传感器）容易出现误报其他气体存在的情况。其他可燃气体的误报使得在可能发生干扰的地方难以使用它。过早的传感器故障是关于氢气传感器常见的抱怨之一。钯薄膜被广泛用于氢气传感器中。外部因素，包括温度、压力和相对湿度，对传感器的背景信号有强烈影响并加速退化。化学物质（污染物）随着时间的推移影响催化剂的功能，从而导致传感器失效。

氢气传感器的有效性和安装成本仍有待提高。传感器的性能认证也需要进一步评估和建立。传感器的定位对于优化有效性至关重要。目前，国家消防协会（NFPA）或国际火灾规范（IFC）还没有正式更新的传感器放置指南。除了制造之外，氢气传感器的定期维护成本也很高。使用氢气测试气体进行校准的过程仍然具有挑战性。目前，正在使用低成本插头作为常规校准的替代品。氢气传感器面临三个主要挑战：响应时间、灵敏度和成本。目前，氢气光学传感器的主流技术涉及使用单色仪，这既昂贵又耗时。单色仪用于记录光谱，然后进行分析以识别任何光谱偏移。然而，这个过程可能难以实现高水平的灵敏度，这对于准确的氢气检测至关重要。此外，与该技术相关的高成本限制了其在许多行业的实际应用。所有金属都有吸收氢气的倾向。但是，还需要研究如何选择适当的合金，例如钯钴合金，该合金可以通过吸收氢气后的光传输来检测微小的变化。

氢气传感器的一个主要局限性是它们往往表现出滞后行为和不足的响应时间，这些可能无法达到期望的目标值。氢气在钯上的分解效果也可能受到CO和NO2等其他物质的微量存在的负面影响，这可能会限制传感器的准确性。然而，等离子体金属-聚合物光学氢气传感器可以帮助克服这些局限性。通过使用钯-金合金等离子体纳米颗粒作为信号转换器，并将其与专门的薄聚合物膜层结合，这些传感器可以实现更高的精度和更快的响应时间。这种方法利用协同效应来改善氢气传感器的性能，解决了与传统氢气传感技术相关的一些关键挑战。

氢气无味但高度易燃易爆。空气中只有4%的氢气能够在最小的火花下点燃。因此，对于氢能汽车以及与之相关的电力网络行业、化学行业和核能行业的基础设施来说，高效的氢气传感器是必不可少的。

八.氢气的安全

所需的基础设施的安全和可靠性是氢经济（HE）成为现实的必要条件。系统设计应该是稳健的，能够展示出与当前使用的技术相当或更安全的安全水平。

构建氢经济所需的基础设施的安全和可靠性是最需要关注的问题。这些基础设施包括氢气的生产、储存和运输设施。蒸汽重整是最常用的氢气生产技术之一。但是，蒸汽甲烷重整装置在脱硫装置处存在易燃条件，导致高死亡率。最低死亡率是由氢气纯化吸收器观察到的。夏季和冬季，全口径破裂的脱硫反应器也会导致最大的喷火辐射。还需要进行大量的研究来评估和减轻氢气生产系统中的风险。

压力容器中的衬里鼓泡是氢气储存和运输的相关风险之一。塑料内衬吸收氢气，如果快速减压，积聚的气体无法释放。Pepin等人建立了一个试验台架，能够通过爆炸减压而不是在钢瓶上进行测试来复制衬里鼓泡和分离的小样本，以了解衬里失效的机制。Wu等人还通过改变冲击持续时间和冲击力的大小进行了实验和数值分析，研究了碳纤维的损伤机制。

在不同的操作条件下，抵抗火灾和高温对氢气载体的重要性也是显著的。Ruban等人对全复合氢气存储容器进行了篝火测试，结果显示在爆裂或泄漏之前的压力增加很小（最大为12.7%），并且爆裂延迟（爆裂前的时间）在6-12分钟之间变化，具体取决于容器的初始压力，这是不可接受的。

由于氢气分子的性质，氢气泄漏是氢辅助基础设施的另一个问题。它导致通过钢和密封件的氢气泄漏率比天然气高三倍。对德国天然气管道的分析显示，对于含有17%氢气和天然气混合物的管道，气体泄漏率为0.00005%。需要进一步的研究和实证数据以获得更好的气体损失估计。

九.氢气的储存和运输

由于氢气需求的可变性，管道中的压力波动可能会严重损坏分配网络。Yu等人对X60钢管施加不同的载荷进行了研究，结果表明，在空气和近中性条件下进行的测试中，压力循环可以使腐蚀裂纹扩展速度加快2.7倍和5.3倍。这些结果足以引起人们对这个问题进行更详细的分析。

氢气储存和运输的主要挑战之一是由于蒸发而导致的氢气燃料损失。氢气泄漏可以在液态和气态状态下发生。市面上现有的泄漏检测设备检测范围较短，因此需要手持操作。一个理想的改进是在运输车辆上安装在线检测系统，以监测和评估泄漏损失。

同样地，开发先进的隔热技术和高容量液体有机载体（LOHCs）也可以实现长距离高容量的运输。然而，LOHCs在技术上存在一些缺点，如高压和高温分别用于氢气化和释放过程，以及所需的大量和高成本。此外，催化剂在脱氢过程中的中毒以及中间过程在氢气释放过程中的形成也是重要问题。氢气化和脱氢的可逆性、氢气容量和载体成本也是需要考虑的重要因素。

压缩气态氢气或液态氢气的储罐具有高排放率和高效率，使其适用于小规模应用，其中需要随时可用的燃料储备。然而，压缩气态氢气的能量密度仅为汽油的15%。这意味着与碳氢化合物燃料相比，储存等量能量所需的空间几乎是其七倍。需要进一步研究以减小储存容器的尺寸。这还包括将地下储存压力范围扩大到800巴以进行大规模储存。用于储存这种气体的储罐如表6所示。

 

从总结的储存容器类型来看，类型3和4是工业用途中最常见的。高压是氢气储存与其他燃料储存之间的关键区别。在高压加注站的情况下，氢气通常储存在带有纤维-树脂复合材料涂层的厚金属衬里箍形储罐中。这种设计被认为是氢气输送基础设施价格高昂的主要原因之一。因此，需要进一步研究高压充放电周期的影响以及环境对所使用压力容器完整性的影响。

同样，液态氢气储罐目前用于储存大量氢气，特别是在加注站，因为液态储存比气态储存提供更高的体积效率。使用液态氢气的站点通过泵送、汽化和压缩的过程将其转化为高压气体后再进行分配。这种低温储存方法通常设计为满足7-10天的需求。然而，液态储存的主要缺点是需要接近或低于20 K（?253 °C）的温度来维持液态。此外，无论设备设计如何，都无法完全消除氢气蒸发。出于这些原因，需要开发改进的低温储存系统以实现低压下的压力密封，以及更好的绝热材料。

相比之下，一种旨在降低存储成本并提高氢气作为能源的体积效率的创新概念是在一个低成本储罐中使用固体载体。通过使用金属氢化物或专门的纳米结构，有可能在低压储罐中储存氢气气体分子。然而，这些类型的存储系统需要在吸收氢气时保持低温并在释放气体分子时加热。为了优化载体系统的热力学交换以保持低成本，需要对这些过程进行研究。

对于大规模氢气储存，地下特征如矿山、盐穴、油气藏和含水层通常用于在天然气产量季节性增加期间提供储存。大规模氢气储存基础设施将需要一些相同的体积特性。目前有五个地点提供大规模地下氢气储存：德克萨斯州的四个盐穴和一个位于英格兰提赛德的洞穴。然而，开发成本、污染问题、自然损耗和地理限制仍然需要解决。

与其他大型储存容器类似，地质特征中剩余的垫气代表了一大笔成本。天然气储存的经验表明，垫气将占储存容量的15%。此外，对压力循环对岩层影响的理解还不完整。用作储存容器的岩体可能不是连续介质，这可能导致意外的地层形成以及不期望的化学反应。

盐穴、枯竭的天然气和石油储层以及含水层是可行的选择。自20世纪70年代以来，英国和美国化学部门一直使用盐穴进行氢气储存。它们的高度压力使得排放速率很高，这使得它们对工业和公用事业部门具有吸引力。由于盐穴通常是一系列相邻洞穴串联运行，因此可以将该技术应用于天然气储存设施，从而降低初始成本。

枯竭的油气藏通常比盐穴大。然而，它们也往往更具渗透性，并且包含必须在氢气储存之前清除的污染物。同样，由于对可持续性的担忧，含水层是最不研究的地质储存选项。在这些地质特征中，微生物、流体和矿物质可能与储存的氢气反应，导致损失和污染。尽管地质储存本身对于长期和大规模氢气储存具有优势，但它们的大型尺寸和最小压力特性使它们不太适合短期经济存储。

十.结论

使用氢气作为燃料来源以减少温室气体排放是一个雄心勃勃和无私的想法。美国和全球各地正在进行研究，寻找廉价和安全的方法来生产氢气，以实现氢经济的梦想。减少温室气体排放是关注氢气作为燃料的主要驱动力。全球范围内进行了研究，首要任务是通过满足技术和商业挑战，找到建立氢经济的可行途径。本文概述了氢气在不同方面的兼容性和适用性，从研究潜力的角度出发，这将有助于了解未来的氢能产业领导者和研究团体。美国能源部（DOE）的目标是在十年内加速突破更丰富、更便宜、更可靠的清洁能源解决方案。目前，氢气的主要应用仅限于石油精炼、甲醇生产和氨生产的化学工业以及钢铁生产的制造业。从各个方面来看，全球经济和人类生活已经通过这些现有的氢气应用得到了支持。目前，氢气的生产主要依赖于天然气、煤炭、石油或化石燃料，这带来了严重的环境影响。然而，已经有技术可以避免化石燃料的排放，通过生产和供应低碳氢气。本文讨论了在行业中实现环保和经济的氢气应用的相关挑战。

我们的全面分析为改进氢气技术提供了重要建议。这些包括使用更好的材料进行储存和传输，寻找防止氢气脆化的方法，改进氢气的制造方法，创造新的储存解决方案，改进燃料电池，开发完整的氢系统，检查每个阶段的环境影响，制定严格的安全规则，寻找使氢气更便宜的方法，并向公众更多地介绍氢气。遵循这些想法可以帮助我们取得进展，解决问题，并创造一个更好的未来。

解决氢气技术中的挑战对于塑造其作为绿色能源来源的未来至关重要。克服这些挑战可以在多个方面产生变革性的结果。加强传输和储存材料，加上减轻脆化的策略，延长了氢气基础设施的使用寿命，确保了安全性和可靠性。推进氢气生产和二氧化碳捕获技术有助于实现更可持续的能源循环，最大限度地减少环境影响。此外，克服挑战激发了创新，促进了经济增长和就业机会的创造。这种进展与气候变化缓解目标相一致，通过使氢气在脱碳困难行业发挥作用来实现。此外，克服挑战创造了一个自我强化的技术发展循环，推动进一步的投资和可扩展性。最终，这些努力与全球可持续发展目标相一致，提供了化石燃料的替代品并增强了能源安全。总之，解决氢气挑战对于实现其作为可持续和变革性能源解决方案的潜力至关重要，具有广泛的积极影响。