氢储能安全及其检测技术综述

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22179

摘要/Abstract

摘要：

氢储能作为推动全球绿色低碳转型和实现我国“碳中和”目标的重要支撑，在“双碳”目标提出后，成为社会普遍关注的热点。氢储能的安全问题是必须重点关注和首要解决的问题之一。综述了在制氢、储氢、输氢和用氢4个阶段中存在的安全问题，主要包括氢泄漏扩散、氢燃烧爆炸、氢与金属相容性等。同时，对氢泄漏检测传感器技术的现状和发展进行了分析，指出了氢泄漏检测技术急需解决的问题和未来的发展方向。

关键词: 氢能, 碳中和, 氢安全, 氢泄漏检测

Abstract:

Hydrogen energy storage is an important support for promoting global green low-carbon transformation and realizing “carbon neutrality” goal. After the “double carbon” goal was put forward, hydrogen energy storage has become a hot topic of social concern. The safety of hydrogen energy storage is one of the problems that must be focused on and solved first. Safety problems in four stages of hydrogen production, hydrogen storage, hydrogen transport and hydrogen use were summarized and analyzed, including hydrogen leakage and diffusion, hydrogen combustion and explosion, compatibility of hydrogen with metals. At the same time, the current status and development of hydrogen leakage detection sensor technologies were analyzed, and the urgent problems and future development directions of hydrogen leakage detection technologies were pointed out.

Key words: hydrogen energy, carbon neutrality, hydrogen safety, hydrogen leak detection

中图分类号:

TK 91

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图/表 3

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输氢方式	优点	缺点
长管拖车	技术成熟，运输灵活	运输量小，压力高，不适合远距离运输
液氢槽车	容量大，适用于中等距离运输	液化成本及能耗高，压力高，易爆
管道	运输容量大，适用于较远距离运输	一次性投资高，需防范氢脆现象

输氢方式	优点	缺点
长管拖车	技术成熟，运输灵活	运输量小，压力高，不适合远距离运输
液氢槽车	容量大，适用于中等距离运输	液化成本及能耗高，压力高，易爆
管道	运输容量大，适用于较远距离运输	一次性投资高，需防范氢脆现象

类型	工作原理	工作条件	参数	优点	缺点	应用场景
催化传感器	可燃气体与催化传感器表面的氧反应，释放热量	-20~70 ℃， 5%~95%相对湿度， 70~130 kPa	测量范围<4%，响应时间<20 s，功耗大约1 000 mW，寿命>5 a	坚固、准确、稳定，耐用性好，工作温度范围宽，成本低	高检测限，中毒和交叉敏感，高功率使用，高成本，大尺寸，需要氧气	行业标准、石油工业、基础设施、泄漏检测
电化学传感器	氢气与传感电极发生电化学反应，引起电荷传输或电学性质的变化，传感器通过检测化学信号的变化实现氢气浓度检测	-20~55 ℃， 5%~95%相对湿度， 80~110 kPa	测量范围<4%，响应时间<30 s，功耗为2~700 mW，寿命为2 a	低检测限、低成本、低功耗、小尺寸，对相对湿度的依赖性低，对氢的灵敏度高，适当的价格、精度和选择性	易中毒，0℃以下性能差；由于电极催化剂降解，灵敏度随时间增长而降低	低液位检测、个人监测器、泄漏检测、过程监测
半导体金属氧化物传感器	氢气扩散到传感层并与氧反应后，吸附在半导体金属氧化物表面，吸附层的电阻率降低，且下降值随氢气浓度的增加而增加	-20~70 ℃， 10%~95%相对湿度， 80~120 kPa	测量范围<2%，响应时间<30 s，功耗<800 mW，寿命为2~4 a	成本低，灵敏度高，寿命长，对湿度的敏感度低	精度低，依赖温度和湿度，对过度曝光敏感，需要氧气进行操作	一般用途、容器泄漏检测
热导率传感器	根据不同浓度气体对应的热导率不同的特性，实现对气体浓度的检测	0~50 ℃， 0~95%相对湿度， 80~120 kPa	测量范围为1%~100%，响应时间<15 s，功耗<500 mW，寿命>5 a	准确度高，检测范围宽，不需要氧气，不易中毒，成本低	测量极限高，成本高，对温度依赖性大，对氦交叉敏感	建模研究、过程监控
光学传感器	利用光学变化来检测氢气	-15~50 ℃， 0~95%相对湿度， 75~175 kPa	测量范围为0.1%~100%，响应时间<60 s，功耗大约1 000 mW，寿命<2 a	无着火风险，监控范围广，对噪声不太敏感，可在缺氧条件下运行	对环境光干扰和温度变化敏感，成本高	泄漏检测
钯(合金)膜	当吸附氢气后，氢气释放出电子，与化学吸附层中的氧离子结合，载流子浓度发生变化，该变化值与氢气体积分数存在一定的函数关系	室温~500 ℃， 0~95%相对湿度，高达700 kPa	测量范围为0.1%~100%，响应时间为1~130 s，功耗>25 mW，寿命<10 a	快速响应，检测范围非常宽	易中毒，成本高，厌氧条件下性能差，易受温度影响	石油工业、专业应用，用于各种场景

类型	工作原理	工作条件	参数	优点	缺点	应用场景
催化传感器	可燃气体与催化传感器表面的氧反应，释放热量	-20~70 ℃， 5%~95%相对湿度， 70~130 kPa	测量范围<4%，响应时间<20 s，功耗大约1 000 mW，寿命>5 a	坚固、准确、稳定，耐用性好，工作温度范围宽，成本低	高检测限，中毒和交叉敏感，高功率使用，高成本，大尺寸，需要氧气	行业标准、石油工业、基础设施、泄漏检测
电化学传感器	氢气与传感电极发生电化学反应，引起电荷传输或电学性质的变化，传感器通过检测化学信号的变化实现氢气浓度检测	-20~55 ℃， 5%~95%相对湿度， 80~110 kPa	测量范围<4%，响应时间<30 s，功耗为2~700 mW，寿命为2 a	低检测限、低成本、低功耗、小尺寸，对相对湿度的依赖性低，对氢的灵敏度高，适当的价格、精度和选择性	易中毒，0℃以下性能差；由于电极催化剂降解，灵敏度随时间增长而降低	低液位检测、个人监测器、泄漏检测、过程监测
半导体金属氧化物传感器	氢气扩散到传感层并与氧反应后，吸附在半导体金属氧化物表面，吸附层的电阻率降低，且下降值随氢气浓度的增加而增加	-20~70 ℃， 10%~95%相对湿度， 80~120 kPa	测量范围<2%，响应时间<30 s，功耗<800 mW，寿命为2~4 a	成本低，灵敏度高，寿命长，对湿度的敏感度低	精度低，依赖温度和湿度，对过度曝光敏感，需要氧气进行操作	一般用途、容器泄漏检测
热导率传感器	根据不同浓度气体对应的热导率不同的特性，实现对气体浓度的检测	0~50 ℃， 0~95%相对湿度， 80~120 kPa	测量范围为1%~100%，响应时间<15 s，功耗<500 mW，寿命>5 a	准确度高，检测范围宽，不需要氧气，不易中毒，成本低	测量极限高，成本高，对温度依赖性大，对氦交叉敏感	建模研究、过程监控
光学传感器	利用光学变化来检测氢气	-15~50 ℃， 0~95%相对湿度， 75~175 kPa	测量范围为0.1%~100%，响应时间<60 s，功耗大约1 000 mW，寿命<2 a	无着火风险，监控范围广，对噪声不太敏感，可在缺氧条件下运行	对环境光干扰和温度变化敏感，成本高	泄漏检测
钯(合金)膜	当吸附氢气后，氢气释放出电子，与化学吸附层中的氧离子结合，载流子浓度发生变化，该变化值与氢气体积分数存在一定的函数关系	室温~500 ℃， 0~95%相对湿度，高达700 kPa	测量范围为0.1%~100%，响应时间为1~130 s，功耗>25 mW，寿命<10 a	快速响应，检测范围非常宽	易中毒，成本高，厌氧条件下性能差，易受温度影响	石油工业、专业应用，用于各种场景

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