氢能来了你还在“谈氢色变”吗

许传博　吕晓燕

曾经鹰击长空、鱼翔浅底、万木争荣、百花竞秀的地球正遭受着“冰川融化”“极端灾害”“土地沙漠化”“生物多样性减少”的折磨，如今的地球早已满目疮痍。而导致环境发生这些变化的始作俑者之一，正是我们所熟知的二氧化碳。

如何缓解日渐恶化的地球环境？寻找新的清洁能源迫在眉睫。作为元素周期表中的首位，氢凭借着其来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的强大技能点，被誉为21世纪的“最理想能源”和“终极能源”。氢的燃烧热值极高，每千克氢燃烧后的热量为142千焦耳，约为汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的45倍。此外，氢燃烧后的产物仅有水，是世界上最干净的能源。

氢能从哪里来

当前，我国氢气产量达到2500万吨/年，是全球氢气产量最大的国家。氢是一种二次能源，无法直接从自然界中获取，需要通过其他方式制备得到。目前，氢能源的制备方法多样。按照制氢所用原料及制氢方式，氢气主要有3种来源：化石能源制氢、工业副产制氢及电解水制氢。其中，化石能源制氢和工业副产制氢这两种方式作为制氢界的“元老”层见叠出，而电解水制氢方式作为制氢界的“新贵”正逐渐崭露头角。具体地，化石能源制氢主要包括3种方式：煤制氢、天然气重整制氢和石油制氢;工业副产制氢则主要指焦炉煤气、氯碱尾气等。如表1所示，在我国所有制氢方式中，煤制氢“位高权重”，在总的氢能生产结构中占据62%;天然气重整制氢则位居第二，占据19%;而石油制氢和工业副产制氢占18%，屈尊第三;电解水制氢则“壮志难酬”，在氢能生产结构中“氢卑言微”仅占据1%。放眼全球，该比例也仅为4%。但由于化石燃料制氢、工业副产氢以及传统电解水制氢（以当前发电装机结构仍以煤电为主）都存在着大量的二氧化碳排放，可再生能源发电支持的电解水制氢（即“绿氢”）是未来氢能发展的重点。

表1 制氢方式占比

氢能安全吗

随着氢能逐渐走进大众视野，让人更为关心的问题是：氢能到底安不安全？在我国氢能产业发展的过程中，依然存在着“谈氢色变”的认识误区。张家口“11·28”重大爆燃事故曾一度将氢能推向舆论的风口浪尖。随后的调查显示，氢能与该事故并无关联。但由此也引发了各方对氢能安全问题的高度关注。

氢气本身无色无味，又兼具易燃易爆的特性，我们确实无法通过嗅觉或者肉眼发现空气中的氢气。由于国内对氢缺乏足够的了解，氢气曾经一度被视为“移动炸弹”。

事实果真如此吗？凡是燃料都具有能量，都有潜在着火和爆炸的危险，我们很熟悉的天然气、汽油亦是如此。相反，由于氢的特殊性质，和其他燃料相比，氢气是一種安全性较高的气体。第一，氢能燃烧起来以后的气味没有毒性。我们经常看到出现火灾爆炸时最致命的不是火本身，而是有毒气体的产生，氢气并不存在这个问题。第二，氢气的密度仅为空气的7%，与汽油、丙烷和甲烷等相比，在空气中有着更大的浮力，氢能汽车着火后氢气会迅速向上升起，反而一定程度上保护了车身和乘客。第三，氢气的扩散性和快速挥发性明显高于其他易燃气体，氢的扩散速度是汽油的12倍，一旦着火它能很快扩散开，不会引起其他更加严重的后果。

但氢气也有对安全不利的特点。一方面，氢气点火能量很小，使氢不论在空气中或者氧气中，都很容易点燃。从表2中可知，在空气中氢气的最小点火能量仅为0.019MJ（兆焦耳），不到汽油的8%、天然气的7%。如果用静电计测量化纤上衣摩擦而产生的放电能量，该能量可以比氢的最小着火能量还大好几倍，这足以说明氢的易燃性。另一方面，它的爆炸浓度范围很宽，因此不能因为氢气的扩散能力很大而对氢气的爆炸危险放松警惕。但即使氢气起爆能量低、爆炸范围宽，也并不意味着氢气比其他气体更危险。由于空气中可燃性气体的积累必定从低浓度开始，因此就安全性来讲，爆炸下限浓度比爆炸上限浓度更重要。汽油和天然气的爆炸下限浓度就比氢气低，所以比氢气更危险。

表2 汽油、天然气、氢能物理化学性质

如果还不能完全信服，看完下面的例子你一定会有相对清晰的判断。美国迈阿密大学的Swain博士曾经做过储氢瓶泄漏点火试验，选择一台普通汽油车以及一台氢燃料电池汽车，进行泄漏点火试验。点火3秒后，高压氢气产生的火焰直喷上方，汽油则从汽车的下部着火;到1分钟时，用氢气作燃料的汽车只有漏出的氢气在燃烧，氢燃料汽车没有大问题，而汽油车则早已成为大火球，完全烧光。所以氢气易挥发的性质，使得氢气燃料电池车与普通汽油车相比，不像汽油会在地面淤积危险性可持续达数个小时，氢气只需几秒钟就能消散不见，更有利于汽车的安全。而且氢气重量轻，溢出系统的氢气着火后会迅速向上升起，反而一定程度上保护了车身和乘客。

实际上，欧美日韩等发达国家和地区早已将氢能作为能源进行管理，而不是作为危化品管理。而目前在我国，氢气被列入《危险化学品目录（2015版）》，按危化品进行监管。2020年4月，国家能源局发布的《中华人民共和国能源法（征求意见稿）》拟将氢能列入能源范畴，这标志着将氢能有望从危化品中“摘帽”。