挪威加氢站爆炸事故——新能源安全的新隐忧！

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　　氢能是公认的清洁能源，作为低碳和零碳能源正在脱颖而出。21世纪，中国和美国、日本、加拿大、欧盟等都制定了氢能发展规划，并且目前中国已在氢能领域取得了多方面的进展，在不久的将来有望成为氢能技术和应用领先的国家之一，也被国际公认为最有可能率先实现氢燃料电池和氢能汽车产业化的国家。

下图为氢能源产生来源及应用领域泛围

　　当今世界开发新能源迫在眉睫，原因是所用的能源如石油、天然气、煤等均属不可再生资源，地球上存量有限，而人类生存又时刻离不开能源，所以必须寻找新的能源。随着化石燃料耗量的日益增加，其储量日益减少，终有一天这些资源、能源将要枯竭，这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的储量丰富的新的含能体能源。

　　下图是全球制氢原料的主要来源的构成。其中原料来源最多的是天然气，比重达到48%，其次是醇类，比重为30%。两者对应的制氢方法分别是石化资源制氢和化工原料制氢占比。第三位煤化工制氢占18%。而原料来源于电解水的比重只占4%，采用电解水制氢的方法还很少。

　　电解水是产生氢气的一种重要方法，而且不会生成二氧化碳。它将水（H2O）通过电流电解生成氧气（O2）和可作为燃料的氢气（H2）。电流通过水时，在阴极通过还原水形成氢气；在阳极则通过氧化水形成氧气，氢气生成量大约是氧气的两倍。

化学反应方程式： 2H2O=2H2+O2

　　电解水制氢的主要目的是将富余电力转化为氢能。中国有世界上最大的风力发电、太阳能发电，然而太阳能、风能存在间歇性问题，受昼夜变化、气候因素限制。

电的存储一直是个难题，所发出用不完的电要么输入到国家电网、要么进行能换转化，否则只能浪费掉。因为太阳能、风能发出的电不稳定，直接输入到电网中会产生一系列问题。因此需要大力发展富余电力转化技术。将电能转化为氢能进行储存起来，是项很好方法。

　　氢正是这样一种在常规能源危机的出现和开发新的二次能源的同时，人们期待的新的二次能源。 氢位于元素周期表之首，原子序数为1，排列第一位；常温常压下为气态，超低温高压下为液态。

　　2019年6月10日，位于挪威首都奥斯陆郊外的一座合营的加氢站发生爆炸，造成两人受伤，此事已引发连锁反应，目前，丰田和现代汽车都已宣布停止在挪威销售氢燃料电池汽车。

此次爆炸没有直接造成人员伤亡，但由于爆炸冲击波巨大，致使加氢站附近的两辆非燃料电池汽车气囊被触发弹出，造成两人受伤。

　　该加氢站的供应商挪威氢能源技术公司事后发表声明称，在爆炸原因调查结束前，将暂时关闭挪威10多家站点。与此同时，其合作伙伴、加氢站运营商Uno-X也宣布暂停当地加氢服务。

丰田汽车与现代汽车同时宣布，在事件调查结束前，将暂停在挪威销售氢能源汽车。丰田在挪威的销售经理表示，此次加氢站爆炸不会改变丰田对氢燃料电池汽车的看法，并坚称氢燃料电池汽车至少和普通汽车一样安全。

　　从韩国到美国再到挪威相继在制氢、加氢环节发生安全事故。

2019年5月23日夜间，位于韩国江原道江陵市的一个氢燃料储存罐发生爆炸事故，导致2人死亡，另有6人出现轻重程度不同的受伤。

2019年6月1日下午，位于加州圣克拉拉诺曼大道1515号的硅谷空气产品公司生产设施发生爆炸。距离空爆炸现场几英里外的目击者感受到了爆炸的冲击波。随后，该区域的加氢站均暂停了氢气输送。

下图为韩国江原道江陵市的一个氢燃料储存罐发生爆炸事故现场。

　　近一个月来氢能源三起事故。氢燃料电池汽车安全再成焦点。

在氢能源应用领域，日韩等汽车巨头涉足较早。

早在2014年，丰田就在日本率先发布了第一代氢燃料电池车Mirai。据悉，Mirai续航里程可达500公里，补充氢燃料仅需约3分钟。

　　据美国新能源汽车资讯网站insideev统计，2018年，全球燃料电池汽车的销量只是刚刚突破2300辆，不到插电式电动车销量的1%，这一数据几乎与2017年相当。据美国能源部2019年3月发布的数据，迄今为止美国在使用的燃料电池汽车数量也只有约6500辆。

　　据中国汽车工业协会发布的数据显示，2019年第一季度我国氢能源燃料电池汽车累计销售量仅有273辆。

　　据国际有关统计数据显示，目前全球共有369个加氢站，其中欧洲152个，亚洲136个，北美78个。

此次挪威加氢站爆炸事件，或许也将氢能发展过程中的安全问题再次暴露到台前。

　　理论上，氢气确实与天然气、煤气等一样，属于易燃易爆气体，遇到明火很容易燃烧爆炸，然而我们却并非每个人都有机会亲眼所见，尤其是煤气，在尚未爆炸前，就有可能引起中毒，故而更是被我们严防死守。

氢气则具有扩散系数大，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。

　　事实上，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，泄漏时浓度会很快迅速降低。如果发生爆炸，氢气的爆炸能量是常见燃气中最低的，就单位体积爆炸能量而言，氢气爆炸能量仅为汽油气的1/22。但是液态氢就不是这个概念了。

氢气作为一种危险化学品，国际国内应用实践证明，只要按照标准规范和法规生产、存储及使用氢能，安全可以得到保障。

　　中国、美国、日本加氢站建设成本对比。加氢站的建设首先应该考虑安全可靠，其次再考虑建设项目成本支出。

加氢站设施图片一应俱全

　　高成本，储氢罐是氢燃料电池车中除了电池外占成本比例第二高的零部件，乘用车车载储氢罐一般储存6kg左右的高压氢气，保证行驶里程（600km），储氢罐的体积和重量将分别在240L和130kg左右，国外储氢压力70MPa，国内35MPa，且多采用金属材料，效率低下，体积庞大，重量惊人，成本极高，只能用于公交车和货车大型车辆。

　　国外储氢罐一般使用碳纤维，预计乘用车高压储氢瓶成本5~6万元，其中碳纤维材料的成本约为60~70%。日本是全球最大的碳纤维出口国，全球市场占有率超过95%，日系氢燃料电池车具备成本优势。

　　大体积，储氢罐是氢燃料电池车中体积最大的底盘下部件，储氢罐决定了乘坐空间的大小。

所以从安全角度看，储氢罐必须保证，需要进行多项的测试、氢气循环试验、火灾试验、冲击破坏试验、极端温度压力循环试验、贯穿试验、化学暴露试验等等。这导致其技术门槛大幅度提高。

氢气储存的越多，自然续航里程就越远，但这可能导致更高的储氢罐重量及更高的稳定性。

　　在汽车领域，一种新能源的推广和应用，其安全性应该是首先被关注的。目前，氢燃料电池汽车的氢气监测一般多用氢气传感器，而且一般情况下，均选用防爆型，而不用触点式传感器。这是因为，触点式传感器在氢气含量达到设定值时，通过触点的动作输出信号，易产生触点火花而引发爆炸事故。

　　氢气传感器是一种可通过转换氢气浓度测得可用电信号的转换装置，这一应用的关键在于，氢气的监测必须以不发生爆炸作为前提和保证。毕竟，低于可燃范围的氢浓度测量，对生产过程的监管和安全非常重要。

　　苏州钽氪电子近日宣布推出了一款MEMS氢气传感器，这款氢气传感器支持催化燃烧和热导两种工作模式，可实现全量程的氢气浓度检测，其功耗只有传统催化燃烧氢气传感器的1/10，响应时间小于4秒。

　　氢能被誉为下一代二次清洁能源，但氢气的存储和输运一直以来是阻碍氢能源大规模应用的瓶颈。特别之处，氢燃料电池是最具潜力的新一代能量提供系统，它将化学能高效转化为电能，被广泛用于航空航天、汽车以及其他固定和移动能量提供体系中，但是氢气化学性质活泼，氢气的储存就成为氢燃料电池应用的关键。

　　目前，丰田的商业化氢燃料电池汽车的解决方案是使用容量为约120L、压力高达700公斤的钢瓶进行储氢，但其安全性不容乐观，并且城市内加氢基础设施建设亦存在一定隐患。此外，目前其他的氢气储放体系，或价格昂贵，或存储容量有限。针对这些不足，一种可能的解决方案是将氢气存储于液体甲醇中，通过水和甲醇的液相重整反应原位产氢供燃料电池使用，在释放出甲醇中存储的氢气的同时也活化等摩尔的水而释放出额外的氢气。

　　电池堆组成构件

电池堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。单体电池堆是由将双极板与膜电极(MEA-催化剂、质子交换膜、碳纸/碳布)组成。

若干单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成燃料电池电堆。

双极板是由极板和流场组成。主要作用是气体分配、集流、导热和密封。

　　双极板是电、热的良导体,具有良好的机械性能,很好的阻气性能,耐腐蚀性好等特点,其性能决定了燃料电池堆体积比功率和质量比功率。

双极板材质主要是石墨或者合金。通常由石墨板材料制作，石墨双极板厚度约2～3.7mm，经铣床加工成具有一定形状的导流流体槽及流体通道，其流道设计和加工工艺与电池性能密切相关。电池堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。

　　单体电池堆是由将双极板与膜电极(MEA-催化剂、质子交换膜、碳纸/碳布)组成。

若干单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成燃料电池电堆。

双极板是由极板和流场组成。主要作用是气体分配、集流、导热和密封。

　　质子交换膜作为电解质，起到传导质子，隔离反应气体的作用。

在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流。

质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着非常重要的作用，它的好坏也直接影响电池的使用寿命。

　　气体扩散层GDL通常由碳纸或者碳布组成，主要起到传质，导电，传热，支持催化层，导水的作用。

　　作为氢燃料电池反应关键，催化层是由催化剂和催化剂载体形成的薄层。催化剂主要采用Pt/C,Pt合金/C，载体材料主要是纳米颗粒碳、碳纳米管、碳须等。

对材料要求导电性好，载体耐蚀，催化活性大。

　　在原理上相当于水电解的"逆"装置。

阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为传递H+的介质，只允许H+通过。工作时相当于一直流电源，阳极即电源负极，阴极即电源正极。

电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。

阳极（负极）：2H2 →4H++ 4e-

阴极（正极）：O2+ 4H++ 4e- →2H2O

以氢气作燃料，氧气作氧化剂，通过氧化还原反应，将化学能转变为电能的电池。

  将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆(简称电池堆)。

下图为氢燃料电池堆

氢燃料电池堆试验装置室内演示

氢燃料电池试验车

如图所示氢燃料电池汽车各部件组成

　　当车辆行驶时，通过进气格栅吸入氧气，与储氢罐中的氢气在电池堆中发生氧化还原化学反应产生电量，再由动力控制单元驱动电动机工作。制动时，动力控制单元还可将电能储存在储能电池中。理论上整个驱动过程中，FCV（燃料电池）仅会产生清洁的水。

展示氢燃料电池样车

展会现场

　　奔驰出了一款加水就能跑的汽车，而且加满一次水就能够跑800公里。

这款车将选用氢气作为燃料。车顶部配备有蓄水池，凭借 "hydro-tech converter"可再生资源变换技能，将水转化为氢燃料，进而变换为能量贮存至氢燃料电池中。

注意"水"不是普通的水，是加过电解质的"水"。

　　虽然现阶段新能源汽车产业发展迅猛，但不能否认国内仍存在充电慢、续航不足等问题，而作为真正零排放的清洁能源氢能，在未来的汽车领域将如何得到利用并进一步发展，正引起越来越多业内人士关注。

未来，氢燃料电池在中国国民经济中将会起到一个"举氢若重"的作用，至少它可以代替大部分化石燃料和一部分电池。因此，在实际应用中，应提高电池堆的体积和重量比功率，为开发乘用车奠定基础，为商用车降成本；开展超低铂和非铂电催化剂的研究，同时加快加氢站的建设，为未来产业链发展奠定基础。

完善燃料电池发动机的产业链建设；深入研发衰减机理，开发抗腐蚀、高稳定的新材料，大幅提高发动机的可靠性和耐久性；进一步将燃料电池的铂用量降低到每千瓦小于0．1克。

　　虽然此次爆炸的真正原因还在调查当中，但加氢站的安全问题始终是氢能产业发展过程中绕不过去的问题，也是确保氢能相关产业顺利发展的根本。

该事件不会对氢燃料电池汽车的发展产生太大的影响。但可以肯定的是，各国政府的产业指导部门，产、学、研、用各个领域将更加重视氢能以及氢燃料电池汽车的安全问题，为氢燃料电池汽车的发展提供保障。

对于氢燃料汽车厂商来讲，相比于如何制造一款氢燃料汽车本身，再如何获取并运输燃料的技术攻克难度更高，且需要投入一定的时间，来保证技术的稳定性能和成本的可控性。

这次挪威加氢站的事故以及之前韩国、美国等国家储氢罐事故，已经给我们敲响警钟。燃料电池大方向应该是没问题，但目前发展中所存在的潜在安全隐患，势必要认真对待解决。

图片：部分来自于2019年4月上海国际车展拍摄、收集。

文字：本人编辑。

音乐：He‘s A Pirate—Klaus Badelt

个性签名：创意、技术创新