1.氢气性质：1.3.氢气的传输特性 （加氢站安全培训连载三）

1.3. 氢气的传输特性

氢气作为一种清洁、高效的能源载体，具有广泛的应用前景。然而，氢气的传输特性不同于传统能源，因此需要对其传输过程中的物理和化学性质进行深入研究。本节将从氢气的基本性质出发，分析其在传输过程中的特点，为氢气的安全、高效利用提供理论支持。

1.3.1. 氢气的传输动力学特性

1.3.1.1. 氢气扩散系数

       氢气的扩散系数是描述氢气在物质中扩散速度的物理量，通常用D表示，其单位是平方米每秒为m²/s。它表示单位时间内氢气在物质中扩散的距离，与物质的密度、温度、压力等因素有关。

扩散系数通常用字母 "D" 表示，其数学表达式为：D=J/∆c

J是扩散通量（扩散速率），单位通常是 mol/m2·s 或 kg/m2·s；

∇c 是浓度梯度，表示浓度随空间变化的速率，单位为 mol/m3·m 或 kg/m3·m。

       氢气（H2）由于其分子质量轻，分子尺寸小，因此在常温常压下具有较高的扩散系数。在标准大气压（101.325 kPa）和室温（298K，即25℃）条件下，氢气在空气中的扩散系数大约为6.6×10-5 m²/s。

合金钢氢脆

     氢气的扩散系数对于理解氢气在环境中的行为、氢能系统的设计、氢气泄漏的检测与防范等方面都具有重要意义。如，在设计和运行氢气储存和输送系统时，需要考虑到氢气的扩散特性，以确保系统的安全性和效率。在氢气作为一种能源的应用中，了解氢气的扩散系数有助于优化燃料电池的设计和操作。在冶金学中，氢扩散系数用于研究氢气在金属中的扩散行为，对于理解金属的氢脆现象和氢致裂纹的生成机制具有重要意义。

       氢气传输特性在实际应用中非常重要，了解和精确测量氢气的扩散系数对设计和优化涉及氢气传输的各种系统至关重要。

1．燃料电池堆设计：优化气体扩散层结构和孔隙率，确保氢气均匀且快速地到达催化剂表面；

电池结构图

2．气体分离与净化：在气体分离膜技术中，选择具有合适扩散选择性的膜材料，实现高效氢气分离；

氢气分离示意图

3．储存容器与管道：评估材料对氢气的渗透率，选择合适的容器材料和密封技术，防止氢气泄漏和积累引发的安全问题；

4．安全评估：理解氢气泄漏后的扩散行为，预测其浓度分布，制定有效的通风和应急措施。

1.3.1.2. 氢气亨利定律与溶解度

       亨利定律（Henry’s law）是描述气体在液体中溶解度的经验定律，由英国的Henry在1803年研究气体在液体中的溶解度规律时发现。它指出在一定温度下，气体在液体中的溶解度与其分压成正比。亨利定律可以用数学公式表示为：

C=k*P

C 是气体在液体中的溶解度（摩尔每升，mol/L），

P 是气体的分压（帕斯卡，Pa），

k 是亨利常数（摩尔每升每帕斯卡，mol/L·Pa），是特定于气体和溶剂组合的常数。

亨利定律示意图

      在标准情况下，氢气的溶解度为1.83%，这意味着每100毫升水中最多可以溶解1.83毫升氢气。这个溶解度在生物学上相当于0.8mM，即大约每1升水中溶解1.6mg的氢气。在实际应用中，亨利定律可以用来计算常压或低压条件下，气体在溶液中的溶解度。

       在氢能技术中，了解氢气的溶解度对于安全储存和运输至关重要。在设计氢气储存系统时，需要考虑到氢气在储存介质（如水或有机溶剂）中的溶解度，以确保系统的完整性和安全性。此外，亨利定律也用于解释气体在血液中的溶解度，这对于研究氢气在体内的运输和代谢具有重要意义。同样，对指导氢气的工业应用、环境保护以及安全风险管理也具有重要意义。通过对这些特性的深入研究与合理利用，有助于推动氢能源及相关技术的持续发展与优化。

1.3.2. 热导率与粘度

       热导率与粘度是描述氢气作为流体在传输过程中热力学与流变学特性的两个关键参数。它们分别决定了氢气在热传递和流动过程中的行为，对氢气的存储、输送、使用等环节有着重要影响。

1.3.2.1. 热导率

      热导率是指材料传导热量的能力，通常用符号λ表示，单位是W/(m·K)。氢气的热导率较高，这意味着氢气能够快速地传导热量。

对于氢气，其热导率具有以下几个特点：

1．高导热性：约为 180.5 W/(m·K)。

       这意味着在单位面积、单位温差下，氢气每米长度内每秒能传递约180.5焦耳的热量。这一数值远高于大多数常见气体，反映了氢气作为良好热导体的特性。

2．影响因素：

       温度：一般来说，氢气的热导率随温度升高而略微增加，这是因为温度上升导致分子运动加快，增强了热能传递。

       压力：在一定的温度范围内，氢气热导率随压力的增加而增大，这与高压下分子间距减小、碰撞频率提高有关。

3．实际应用：

       热管理：在氢燃料电池系统中，高效的热传导有助于快速移除电化学反应产生的热量，维持系统稳定运行。

      储运安全：了解氢气的热导率有助于评估其在储存容器或管道中的热交换速率，对于预防热点形成、避免过热引发的安全隐患至关重要。

      热交换器设计：在氢气冷却或加热装置中，高热导率意味着更高效的热交换性能，可以设计更紧凑、高效的换热设备。电厂的发电机机组“氢冷”就是利用这特性。

氢冷发电机

1.3.2.2. 粘度（Viscosity）

      是流体抵抗流动的能力，通常用μ（mu）表示，单位是帕·秒（Pa·s）。

       氢气的粘度相对较低，这意味着氢气流动时遇到的内部摩擦较小，流动性能较好。在标准大气压和室温条件下，氢气的粘度大约为8.76×10^-6 Pa·s。低粘度使得氢气在管道中输送时阻力较小，有助于降低能耗，但也需要考虑氢气泄漏的风险，因为低粘度气体更容易通过微小的缝隙逸出。

1．数值与单位：氢气在不同状态下的粘度有所不同：

     气体状态：在标准大气压（101.325 kPa）和0℃时，氢气的气体粘度约为 0.010 mPa·s。相较于其他气体，氢气的气体粘度较低，反映了其分子间相互作用较弱，流动阻力较小。

      液体状态：在平衡态-252.8℃时，氢气的液体粘度约为 0.040 mPa·s。虽然氢气的液体粘度高于其气体状态，但仍属于低粘度液体，具有良好的流动性。

2．影响因素：氢气粘度主要受以下因素影响：

     温度：无论是气体还是液体状态，氢气的粘度通常随温度升高而降低。这是由于温度升高使得分子运动更为活跃，减少了分子间的相互作用，降低了流动阻力。

     压力：在一定的温度范围内，氢气气体粘度随压力的增加而增大。高压下分子间距减小，碰撞频率增加，导致流动阻力增大。

3．实际应用：

     管道输送：低粘度有助于降低氢气在管道输送过程中的能量损失，提高输送效率。同时，对管道设计、泵送设备选型也有重要影响。

     反应器设计：在涉及氢气参与的化学反应器中，了解氢气的粘度有助于优化混合、传质过程，提高反应速率和转化效率。

安全评估：氢气的粘度信息对于预测其在泄漏事故中的扩散模式、计算扩散速度等安全分析工作具有参考价值。

       氢气的热导率与粘度是其重要的物理性质，分别反映了其在热传递和流动过程中的独特行为。理解和利用这些特性，对于优化氢能源系统的性能、确保其安全运行具有重要意义。

1.3.3. 氢气吸附与解吸

      氢气的吸附和解吸行为是氢能技术中非常重要的环节，涉及到氢气的储存、运输和利用等多个方面。氢气的吸附主要可以分为物理吸附和化学吸附两种类型。

物理吸附和化学吸附原理图

1.3.3.1. 物理吸附

       物理吸附是指氢气分子在储存材料表面通过几何效应和范德华力的作用吸附在表面上，其吸附能是可逆的。主要依赖于范德华力（分子间作用力），氢气分子被吸附在吸附剂的孔隙或表面，形成非定向的、弱相互作用的吸附层。受温度和压力影响显著，随着温度升高或压力降低，氢气分子容易解吸。物理吸附储氢具有储氢能力高、解吸方便、可重复利用等优点，近年来成为研究重点。

       常见的物理吸附有：水合物法、多孔碳材料、金属有机骨架化合物(MOFs)、微孔有机聚合物和沸石等。水合物法储氢是利用水分子通过氢键连接构成空腔结构，将捕获的氢气分子以浆液的形态存储，水合物在常温、常压下即可分解。

水合物理吸附对比图

1.3.3.2. 化学吸附

       化学吸附则是氢气分子与储存材料中的活性位点发生化学键的形成，其吸附能比物理吸附大很多，但解吸时条件较复杂，难以完全实现氢气的解吸。涉及氢气分子与吸附剂表面发生化学反应，生成稳定的化学键（如氢化物、氢离子等），形成定向、强相互作用的吸附层。化学吸附通常需要较高的活化能，故更稳定，解吸过程可能需要更高的温度或特定的还原条件。

      化学吸附储氢材料的家庭成员主要有金属氢化物、配位氢化物、化学氢化物及相关衍生物等，它们的储氢性能主要由材料吸放氢化学反应的热力学和动力学特征来决定。

金属氢化物。金属氢化物是金属与氢反应形成的氢化物。实际的金属储氢材料不仅仅是纯金属，而多数是金属间化合物与多元合金，因此也称为储氢合金。

       能与氢化合生成氢化物的金属元素通常可分为两类：与氢亲和力大的A类金属（如Ti、Zr、Ca、Mg、V、Nb、稀土等），以及与氢亲和力小的B类金属（如Fe、Co、Ni、Cr、Cu、Al等）。

       一般储氢合金都是由A类金属与B类金属组合在一起制成，在适宜温度下具有可逆吸放氢的能力。这些储氢合金主要分为以下几大类：AB5型（稀土系），AB2型（锆系与钛系），AB型（铁钛系），A2B型（镁系）储氢合金等。

储氢合金分类

       A2B型镁（典型的Mg）系储氢合金是储氢材料中的研究热点。Mg在地壳中含量排第八位（2.7%），储量丰富。镁化学性质活泼，所以在自然界是以化合物或矿物质形式存在。在300~400℃和较高的氢压下，镁能与氢气直接反应生成MgH2，并放出大量的热，镁基合金吸氢示意图见图7。其理论含氢量可达7.6wt.%，在用于储氢的可逆氢化物中，镁氢化物具有最高的能量密度（9MJ/kg），是非常有潜力的储氢材料。

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镁基合金吸氢示意图

1.3.3.3. 氢气吸附过程

       氢气吸附过程通常受到温度、压力、吸附剂性质和气体成分等因素的影响。在适当条件下（如低温、高压），氢气分子会被吸附到吸附剂表面或孔隙中。对于变压吸附（PSA）系统，通过调整压力实现氢气与其他气体（如氮气、氧气等）的分离，利用氢气在特定吸附剂上的吸附性能差异进行有效分离和提纯。

变压吸附制氢装置(流程图)

1．电子结构的变化：在氢气的吸附过程中，可能会涉及到电子结构的调整。例如，WO-V-O2c吸附构型中，两个H原子失去电子，为O原子提供电子，这种变化可以通过分析态密度来了解。

2．多孔材料的吸附储氢技术：多孔材料如碳基材料、沸石和金属有机聚合物等，由于其高比表面积和可调孔隙特性，被广泛研究用于氢气的物理吸附储氢。这些方法所用的吸附温度和压力通常都超过了氢气的临界温度和临界压力。

理想的氢气吸附剂应具备以下特性：

   (1) 高比表面积，提供大量吸附位点；

   (2) 适当的孔径分布，便于氢气分子进入并有效填充孔隙；

   (3) 对氢气有高的吸附容量和选择性，尤其是化学吸附剂应具有解离氢的能力；

   (4) 良好的热稳定性和循环稳定性，以确保长期使用和高效再生。

常见碳质材料的储氢性质

     常见的氢气吸附剂包括金属有机框架（MOFs）、碳基材料（如活性炭、石墨烯）、沸石分子筛（如SBA-15）、以及具有合适d带空穴的金属（如钌、铑、钯、铂、镍、钴、铼等）及其化合物。

氢气（红色）吸附于碳纳米管（灰色）阵列上

MOF-5结构示意图（黄色的球代表孔隙中可用的空间）

3．环境因素的影响：温度、压力和氢气浓度等环境因素也会显著影响氢气的吸附和解吸行为。在不同的环境条件下，氢气的吸附量和解吸速率会有所不同。

4．理论研究的重要性：通过基于密度泛函理论的第一性原理计算，可以模拟和预测氢气在不同材料表面的吸附和解吸行为，这对于理解和优化储氢材料的性能具有重要意义。

1.3.3.4. 氢气解吸

       氢气的解吸则是吸附的逆过程，即将吸附在材料表面的氢气分子释放出来。对于物理吸附，解吸过程相对简单，只需改变环境条件（如温度、压力）即可实现。而对于化学吸附，由于形成了化学键，解吸过程通常涉及氢原子与材料表面之间的化学键的断裂，需要克服一定的能量势垒，解吸过程通常需要较高的能量输入或特定的催化剂来实现。 解吸行为与吸附行为密切相关。解吸速率对催化性能也有重要影响，过慢的解吸速率可能导致氢气在材料表面的积累，从而降低催化活性。

1．解吸方式：

(1) 降压解吸：在保持温度基本不变的情况下，降低吸附塔的压力，使得吸附在材料上的氢气克服吸附力而释放出来。这是变压吸附过程中常用的解吸方法。

(2) 升温解吸：通过升高吸附塔的温度，增加氢气分子的热运动能量，使其克服吸附能而从吸附剂上脱离。这种方法适用于化学吸附为主的系统，需要考虑吸附剂的热稳定性。

2．解吸再生：

在实际应用中，如氢气储存和分离设备，吸附剂在吸附一定量的氢气后需进行再生以恢复其吸附能力。再生过程通常包括解吸步骤以及可能的后续热处理或还原处理（针对化学吸附剂）。再生效率直接影响整个系统的运行成本和使用寿命。

1.3.3.5. 氢气吸附与解吸应用

1．氢气储存：通过设计高效的吸附材料和优化吸附条件，实现氢气在较低压力和接近环境温度下的高密度储存，有助于解决氢气储存设备体积大、压力高等问题。

镁基固态储运氢技术国内应用

南沙小虎岛固态储氢应用

2．氢气净化与分离：利用PSA技术，通过吸附剂的选择性和压力循环，从富含氢气的混合气流（如重整气、甲烷蒸汽重整副产物等）中提取高纯度氢气，用于燃料电池、化工合成等领域。

联悦天然气制氢工厂的吸附塔装置

      氢气的吸附和解吸行为是其在能源技术、化工工业等领域广泛应用的基础，通过合理选择和设计吸附剂，优化吸附和解吸条件，可以有效地实现氢气的储存、分离和净化。