氫的儲存與運輸技術現狀及可靠性分析*

0 前 言

目前， 氫氣正成為新一代的綠色能源， 并可通過多種方法進行批量制取。 除此之外， 氫氣還可以通過多種能源混合產生， 因此在能源儲存和能源安全方面發揮著重要作用。 氫不僅可作為運輸業低排放的燃料， 氫燃料電池還可儲存多余的發電量， 使整個城市幾乎實現零污染， 這些優勢是氫能產業發展的驅動因素。 氫被廣泛應用于加氫裂化、 精煉廠的脫硫、 氨和甲醇生產、 農業化肥生產和食品加工等領域，全球已經擁有了巨大的氫市場 （2022 年預測市場價值為154.74 億美元）， 這個市場為氫能源的發展提供了一個很好的基礎。 隨著很多行業對氫氣的依賴， 氫能源所需的生產、 儲存、 運輸和應用所需的基礎設施已逐步具備， 因此， 氫能源所需基礎設施的安全和可靠性成為氫經濟發展的必要條件。 本研究論述了氫氣儲存和運輸技術的研究現狀， 指出了確保氫能源系統持續安全、 可靠運行相關技術的需求和差距， 以及未來氫能源的研究方向和建議。

1 儲氫技術

儲氫是氫能系統中的關鍵環節， 特別是在涉及到氫氣的大規模使用時。 為了應對當前和未來氫能市場的潛在需求， 為其在應用過程中提供一個穩健可靠的儲存解決方案至關重要。圖1 為氫氣應用環境下儲氫應用情況。 儲氫的應用可分為固定應用和移動應用兩大類。 固定儲存方法主要用于生產或使用點的現場儲存，以及靜態發電。 移動應用是將儲存的氫氣運送到儲存點或使用點。

相對于化石燃料， 氫具有較低的體積能量密度， 這就需要極大的儲藏容器。 因此， 至少需要滿足以下三個要求之一來達到儲存足量氫氣的目的： ①高儲存壓力； ②低儲存溫度； ③使用能吸附大量氫氣分子的材料。

特色小鎮作為一種新興的產業載體和組織形式，是區域經濟從投資驅動轉向創新驅動的一種反應，也是產業集群演進和發展的必然結果[4]。“創新是第一生產力”，在眾多的創新方式中融合是其中最易想到、最為簡單的方式之一。但是看似簡單的融合，其中也有其運行的基本法則。在遵循了技術融合、業務融合以及市場融合等產業融合的演進路徑上，我國體育產業在更深程度、更大范圍上進行了融合，形成了體育融合的新業態[5-6]。體育融合新業態的形成為各項產業跨界融合提供了重要的借力點，各產業借體育發勢，豐富產業形式，增強產業活力，為產業的可持續發展增加穩定性。

儲氫技術分類如圖2 所示。 由圖2 可見， 儲氫技術可分為兩大類， 物理儲氫和材料儲氫。 物理儲氫包括將氫氣作為壓縮氣體儲存、 冷壓縮儲存以及液化儲存； 材料儲存包括化學儲存和物理儲存兩類。

1.1 物理儲存

目前， 有以下4 種類型的壓力容器可用于壓縮氫氣的儲存。

社會監督指的是國家機關以外的社會組織和公民對各種法律活動的合法性進行的不具有直接法律效力的監督。社會監督的優勢即體現在其較高的靈活性與廣泛性，依筆者的觀點，社會監督往往起著為法律監督“打頭陣”的作用。另外，社會監督還能反映一個國家民主、法制發展程度。

I 型： 全金屬壓力容器。 該類型是最常規、 最經濟、 承載氫氣容量最大的儲氫容器， 承載容量約3.0 lb/L， 通常由鋁或鋼制成， 承壓高達50 MPa。

Ⅱ型： 采用玻璃纖維復合材料包覆的鋼制壓力容器。 相比于鋼材， 采用復合材料， Ⅱ型容器的制造成本比Ⅰ型高50%， 質量卻降低了30%～40%， 該類型壓力容器的承壓能力最高。

Ⅲ型： 全復合材料包覆與金屬內襯壓力容器。 結構載荷主要由碳纖維復合材料承載， 內襯金屬 （鋁） 用于密封， 金屬襯板約承載5%的機械載荷。 該型壓力容器工作壓力為45 MPa， 氫承載容量為0.75～1 lb/L， 約為Ⅱ型的一半， 但成本卻是Ⅱ型的兩倍。

Ⅳ型： 全復合材料壓力容器。 通常由高密度聚乙烯（HDPE） 等聚合物作襯板， 碳纖維或碳玻璃復合材料承載結構載荷。 這種類型的壓力容器最輕， 但價格較高， 承壓高達100 MPa。

潘浩研究了沈從文小說中的碾房、渡船、橘園等意象，認為這些意象或許是大地母親原型的體現，因為“碾坊、渡船、橘園”等事物與《圣經》中的伊甸園、《紅樓夢》中的大觀園、《水滸傳》中的梁山泊、《瓦爾登湖》中的瓦爾登湖、《竹林的故事》中的竹林和《呼蘭河傳》中的后花園一樣，對人物具有有限的庇護性[21]。此外，潘浩認為《邊城》中的祖父、《七個野人與最后一個迎春節》中那個年長的人、《夜》中的老年人等都是智慧老人原型的體現。沈從文為智慧老人原型填充進去的內容包括與人為善、安于本份的生活，以及遵從合乎人性的命運等[21]。

另外還有一種全復合材料、 無襯墊的壓力容器（Ⅴ型）， 該類型于2010 年首次開發。 采用該種材料制備的容器相比于同類Ⅳ型容器質量減少20%， 許用壓力為1.37 MPa。

“食品安全學”是學院食品質量與安全專業重要的專業核心課程，同時也是學校設立的大學公共選修課，該課程具有綜合性、實踐性和應用性等特點，課程內容理論性較強，與多個學科存在交叉，細小知識點較多，因此作為公選課要讓其他專業的學生學習好該課程，教學方式的選擇是教學效果達成的重要因素。近年來，“互聯網+”在各行各業反響強烈，充分利用互聯網優勢，把互聯網的創新成果融合到社會的各個領域，其中，“互聯網+教育”是在尊重教育本質特性的基礎上，利用互聯網重塑教學方法，備受各界專注[1]。

1.1.1 液化氫氣儲存

氫的液化是在極低溫度 （-250 ℃） 下完成的， 將氫保持在如此低的溫度下是低溫儲氫的主要挑戰。 氫氣液化耗時耗能， 因此這種儲存方法最常用于中大規模的氫氣儲存和應用。 典型液氫載體如圖3 所示， 最常用的為低溫罐車運輸， 低溫罐車通常可以攜帶5 000 kg 的氫氣， 大約是壓縮氫氣長管拖車容量的5 倍。

與天然氣基礎設施相比， 氫基礎設施及其在交通運輸領域的應用是全新的。 因此， 氫氣相關故障和事故的可用數據有限， 這也是對氫氣進行QRA 仍然具有挑戰性的主要原因。 盡管對氫基礎設施進行QRA 存在困難， 但大量文獻都在一定程度上對其進行了研究， 并試圖對該領域進行改進。 例如， 智勇等調查了上海某加氫站， 評估了EIHP2 （歐洲綜合氫工程第2 期） 驗收風險標準的安全距離， 以及站內人員、 用戶和第三方的風險。 Jafari 對采用天然氣重整工藝的制氫裝置進行了危險源辨識、 場景選擇、 后果建模、 頻率和QRA 估計， 確定了裝置的高風險區域、 危險場景和安全距離。 Kikukawa 對加氫站進行風險評估，確定危險場景， 建立風險矩陣， 并對模型實施安全措施， 降低風險的概率。 另外， 還有其他的相關研究案例， 但這些研究各有不同的假設 （CFD建模、 站址假設、 材料和設備的特性等） 和風險評估方法。 因此， 將所有這些系統整合起來， 并將它們作為氫氣系統設計的統一準則， 是一項繁瑣和艱難的任務。 考慮到上述問題， 氫能技術風險和可靠性分析還存在以下幾個方面的挑戰： ①缺乏材料性能下降、 失效和事故數據； ②氫氣點火概率模型的詳細推導及驗證； ③火焰和氣體的檢測精度和合理的概率模型； ④全CFD、 FE 或兩者結合的復雜性模擬； ⑤環境和人類的影響；⑥控制因假設條件不同而導致的不同分析結果。

臨床治療情況分為顯效、有效及無效，顯效：治療后尿蛋白＜0.15 g/d，或者比治療前下降50%以上；治療后尿蛋白水平比治療前減少35%為有效。以上顯效及有效患者排除血肌酐升高＞30%，和（或）肌酐清除率下降＜20%。未達到以上標準為無效，臨床治療總有效率=（顯效+有效）/總例數*100%[1]。

1.1.2 低溫壓縮氫氣儲存

這種儲氫方法最早由Aceves 等人提出， 低溫壓縮氫是一種超臨界低溫氣體， 氫氣在-233 ℃左右被壓縮， 不會發生液化， 該方法在儲存和安全水平方面都很有前景。 由于真空室的存在， 低溫壓縮儲存具有較高的儲存密度 （80 g/L， 比低溫儲存高約10 g/L） 和安全水平。 Ahluwalia 等對該儲存方法進行了全面的技術評估， 認為其儲氫密度、 體積能量密度和操作溫度等預期指標有望達到美國能源部公布的標準要求， 因此作為一種具有廣泛應用潛力的技術， 在研發工作中需要加以重視， 但該項技術所面臨的主要挑戰仍然是基礎設施的可用性和成本。

1.2 基于材料的氫氣儲存

對于化學吸附和物理吸附儲存， 其所用基材最初主要是以粉末形式存在（有些是液體， 如液體有機氫載體）， 但氫在儲存和釋放過程中會產生熱量，因此粉末材料并不是一種高效的儲氫材料。 Ren 等總結了多種方法對基材進行預處理， 包括鑄造、 涂層和單軸壓縮等； Lototskyy 等將熱交換器嵌入儲氫應用中， 以達到控制氫氣流量和過濾輸入輸出氫氣的目的； Jehan 和Fruchart 提出了一種可能用于加油站規模儲氫的設計（如圖4 所示）， 盡管如此，但這些方法在將來商業化應用的可能性不大。

1.2.1 化學吸附

在化學吸附過程中， 氫分子被分解成原子，并與相應的材料相結合。 其中， 金屬氫化物是最有效的化學吸附材料。 化學吸附材料面臨的主要挑戰是降低成本、 質量和運行溫度， 加快充放電動力學過程和控制解吸過程中形成的不必要氣體。 液體有機氫載體（LOHCs） 作為最有前途的選擇之一， 在LOHCs 儲存系統中， 氫通過與貧氫分子的化學鍵結合進行儲存， 并通過催化脫氫釋放。 氫氣的儲存和釋放過程是無碳的， 載體不被消耗， 可重復使用， 且載體無毒無腐蝕性， 儲存壓力較低。 但由于較低的儲氫容量 （見表1），會使LOHCs 的應用受到限制。

（2） 壓力容器內襯鼓包

基于多孔材料的儲存系統是實現高容量和可靠儲存單元的一種潛在手段， 在所有的多孔材料中， 金屬有機框架 （MOFs） 和多孔碳是最具有發展潛力的儲氫材料， 這種方法的使用可有效提高表面積、 降低氫結合能、 加快充放電動力學過程和降低材料成本。 此外， 潛在的物理吸附可以減輕儲存單元充放電過程中的熱量問題。 另一方面， 物理吸附的難點是吸附材料的質量、 低溫高壓的吸附條件和體積儲氫密度。到目前為止， 由于物理吸附技術只進行了小規模的應用， 其性能指標 （如體積/質量氫密度、壓力和溫度） 并不令人滿意， 因此物理吸附技術還遠未得到廣泛應用。

1.3 大型氫氣儲存

在未來的氫能產業中， 大規模的儲存可以用于儲存電網中過剩的能量， 通過氫或兩者的結合提供給用戶。 由于鹽是惰性的， 不會與氫氣反應， 因此利用人工建造的鹽穴可作為一種主要方法來儲存氫氣。 德國約有170 個空穴用于儲存天然氣， 美國得克薩斯州有3 個， 英國有3 個， 并已經獲得了技術支撐， 但這種方法僅限于某些地區。 典型情況下， 這些空穴體積約700 000 m

，最大運行壓力20 MPa。 另一種選擇是利用枯竭的天然氣藏或天然含水層， 但是這些空穴中微生物和礦物質的氫反應還有待于進一步研究。 與地面儲存方法相比， 由于儲氣壁的厚度和工作壓力較低， 地下儲氣的安全水平更高， 但是需要解決關于氫泄漏對鄰近生態和環境的影響問題。

生活是最好的習作老師，這就要求老師在平日的教學中注重培養孩子的說話能力。如：在教學《丑小鴨》一課時，先讓學生找出描寫丑小鴨樣子的有關句子，學生很容易找出來。【它的毛灰灰的，嘴巴大大的，身子瘦瘦的，大家都叫他“丑小鴨”】接著讓學生找一找作者都描寫了丑小鴨哪些部位，各是什么樣子的？引導孩子說出這些疊詞，然后順勢進行口頭練習：用上疊詞，描述一下其他的鴨子長什么樣呢？有了之前的對比，學生交流起來會容易得多，課堂氣氛被充分調動起來！為了讓更多的孩子擁有成功的體驗，增設一次語言拓展訓練：你能用上一些疊詞介紹你喜歡的小動物的樣子嗎？

2 氫氣運輸技術

氫氣的運輸與氫系統成本、 能源使用和排放等關鍵因素相關。 在集中制氫的情況下， 向終端用戶運輸氫包括兩個主要階段： 輸送（從生產工廠輸送到城市） 和分配（從城市輸送到加油站或終端用戶）。 根據儲存方法主要有三種交付方式：①氣態氫氣輸送； ②液氫輸送； ③材料基氫載體。交付方式的選擇取決于特定的地理和市場特征，如目標人群、 消費行為、 人口密度、 加油站規模、燃料電池汽車和其他耗氫單位的市場占有率等。

3.3聘請兼職護理院校學生,彌補護士不足。調查發現,護理人員普遍存社區工作年限短,學歷層次低等不足。而社區護理人員知識掌握不足在一定程度上導致隨訪難以深入開展。可借鑒新加坡和澳大利亞等國的經驗,將社區與護理院校聯合,培訓有志參加社區護理實踐的護理院校學生,傳授老年癡呆預防及早期干預等社區護理理論和技能,開展社區課外實踐活動。

2.1 氣態氫氣輸送

2.1.1 管道輸送氫氣

在美國， 大約有2 600 km 的氫氣管道可供使用， 主要位于煉油廠和氨廠附近。 要在美國各地使用管道輸送氫氣， 需要數十萬千米的專用氫氣管道， 因此， 研究人員開始探索利用目前的天然氣管道基礎設施在全國范圍內嘗試氫氣的輸送。

算法在Window7系統上運行，系統配置為第五代智能英特爾酷睿i7處理器2.40 GHz和8G內存。使用MATLAB軟件編寫程序并進行了仿真。探測器單元為512個，射線源沿著R=100mm的圓周以ω=2π/s的角速度旋轉，在π范圍內獲取180組投影。進行了兩組實驗。并給出傳統方法和本文方法的校正結果。

（1） 氫對材料的影響

幾年前， 通過管式拖車運輸氫氣一直受到美國能源部及其合作者的關注。 HEXAGON Lincoln 的一份報告詳細描述了開發高壓管拖車的步驟， 這些拖車的工作壓力為25 MPa， 儲氫質量為616 kg， 約為拖車儲罐質量的7%。

使用長管拖車較為經濟、 方便， 通過使用最簡單的基礎設施即可滿足。 此外， 氣態儲存和其他氣體運輸經驗使我們對物理儲存有了充分的了解。 長管拖車的另一個優點是氫氣損失較小， 加氫站的壓縮成本也較低。 Elgowainy 等的研究表明， 采用長管拖車可以進一步降低60%的成本（與下一節將討論的液氫輸送相比）。 為確保長管拖車使用的安全性， 靜水壓爆破、 滲透試驗、 爆破前泄漏、 壓力和溫度循環等幾項試驗均需要符合要求。 目前的最大制約是復合材料壓力容器（COPV） 的制造成本還較高 （占總成本的70%）， 拖車的儲存能力仍然很低， 且運輸法規對罐體尺寸和最大壓力存在限制。

2.2 液氫輸送

盡管液氫輸送能量損失較高， 但液氫輸送對高需求（500 kg/d 以上） 和中距離站點的輸送來說， 仍是經濟可行的運輸方式。 美國加州航空資源委員會 （CARB） 的報告預計， 隨著氫儲存量的加大， 到2025 年加氫站將主要以液氫供應為主。 低溫氫氣輸送包括三個主要階段： 液化、 儲存和用低溫儲罐輸送至最終用戶。 北美現有8 家液化廠， 日產量為5～10 t。 如果液氫成為未來的輸送方式， 就必須要提高液化廠生產效率， 降低能量消耗和成本。 Cardella 等研究了一種大規模經濟可行的液化工藝， 目前仍在不斷努力開發新的工藝； Asadnia 和Mehrpooy 也提出了一種新的較低能耗大規模液化方法， 其能耗明顯低于目前的電廠能耗。

3 氫系統的可靠性評估

表2列出了儲氫系統可靠性的影響因素， 針對各個因素進行分析， 討論剩余壽命預測的可靠性， 并對氫氣系統的定量風險和可靠性評估研究進行綜述。 最后， 介紹了氫氣系統可靠性分析面臨的挑戰及改進建議。

3.1 需要解決的問題和相關研究

3.1.1 材料屬性相關問題

2.1.2 長管拖車輸送氫氣

在氫對材料的影響中， 鋼的氫脆是一個重要的問題。 Siddiqui 和Abdullah 研究表明， 通過增加充氫時間， w（C）=0.31%的碳鋼韌性會急劇下降。 Hardie 等在不同電流密度下對X60、 X80 和X100 管線鋼進行了2.8×10

/s 的應變試驗， 研究了陰極保護對氫脆敏感性的影響， 研究發現高于0.44 mA/mm

的充電電流密度會使氫脆敏感性產生明顯差異。 Nanna 進行了疲勞裂紋擴展試驗，比較了X52、 X65 和X100 管線鋼在高壓氫氣環境下的氫脆行為， 得出氫脆隨氫氣壓力和合金強度的增加而增加， 合金強度起主要作用。

知識獲取體現受審核企業從認證機構汲取知識的能力，順承著知識轉移，是認證機構和受審核企業ISO14001實施的紐帶。認證機構和受審核企業間知識存在異質性和互補性，企業對審核員稀缺性知識資源的需求為ISO14001的實施打下了基礎。知識獲取的成果主要取決于受審核企業的學習能力及落實程度。學習能力與現有的知識積累有關，成正比關系。

自2006 年起， Savannah River 國家實驗室與玻璃鋼管道制造商LLC 合作開展了一項由DOE資助的玻璃鋼管道使用情況調研項目。 玻璃鋼管道通常由內層不透水襯板、 襯板保護層、 保護層與增強層之間的界面層、 多個玻纖或碳纖維增強層、 外壓阻層和外保護層組成。 玻璃鋼管道具有理想的力學性能， 通常0.8 km 長度的連續管道不需要拼裝， 挖溝安裝即可 （如圖5 所示）。 其安裝對勞動力、 重型機械、 空間等方面的要求較低， 因此對管道的敷設限制問題較少， 使氫氣管道的安裝成本降低了30%。 2016 年， 玻璃鋼管道通過了ASME B31.12 （氫氣管道和管道規范） 的驗收， 許用壓力可達17 MPa。 根據Rawles 等人的研究， 玻璃鋼輸氫管道技術的目標為管道服役壽命50 年， 壓力10 MPa， 泄漏率0.02%。

1.2.2 物理吸附

為有效地解決制藥類專業實驗教學中存在的問題，基于“一主二翼”(以新工科為一主體，以《工程教育專業認證標準》和《普通高等學校本科專業類教學質量國家標準》為新工科的二翼)思想，采用經典的OBE法和CDIO法[5]，從不同層次、不同側面、不同程度上對制藥工程專業實驗教學進行升級改造，強化實驗教學對于實踐教學的支撐作用，經過醫藥化工企業實踐和評價，進行持續改進。

在COPV 壓力容器內， 內襯通常采用旋壓工藝和碳纖維纏繞工藝， 用于確保容器密封。 在高壓下， 塑料襯板吸收氫氣， 如果壓降發生得太快， 則積聚的氣體不能通過擴散逸出而發生鼓包。 圖6 為HDPE 襯板氫循環試驗前后形貌。Yersak 等開發了一個用來預測內襯鼓包的模型和關于襯里厚度和減壓率的函數。 Pepin 等人建立了一個測試平臺， 可以通過爆炸減壓而不是在氣缸上進行測試， 這種方法可以解釋內襯失效的物理過程。 研究表明， 鼓包與不同壓力和溫度下的襯里滲透性、 襯里厚度、 氣缸最大壓力、 排空后的殘余壓力和排空速率有關。 盡管如此， 還需要解決鼓包如何影響壓力容器泄漏的問題， 并應為材料和制造工藝的選擇制定明確的措施。

（3） 碳纖維的損傷機理

復合材料壓力容器是一種非常復雜的結構，了解纖維斷裂、 分層、 基體開裂、 穹頂幾何形狀對復合材料儲罐爆破壓力的影響， 以及它們如何抵抗各種沖擊， 對設計可靠的儲存容器至關重要。 例如， Ramirez 等對70 MPa Ⅳ型氫容器的爆裂進行了模擬和試驗驗證， 并能以7.74%的誤差預測爆裂壓力； Wu 等通過改變沖擊力、 沖擊器形狀、 沖擊持續時間對碳纖維的損傷機理進行了分析； Demir 等對損傷機理進行了試驗和數值分析， 研究了單一沖擊和重復沖擊對玻璃纖維增強復合材料壓力容器的影響。 盡管有上述研究，但復合材料的性能因疊層工藝、 纖維密度等不同存在較大差異。 因此， 使用概率方法預測碳纖維損傷是一條合理的路線。

（4） 儲存容器的耐火和耐高溫性能

從表3可以看出，五種情景下從虛擬水視角來看都節約了水資源，如果把節約下來的水資源用于生態保護，林地與草地的面積都可以得到明顯的增加。五種情景中，情景E下林地與草地面積增加最多，其次為情景B，說明這兩種情景下節約的水資源量也最多。

對于樹脂和聚合物的應用， 最高工作溫度是需要關注的首要問題， 因為與金屬材料相比， 它們通常更容易受到高溫的影響。 因此， 了解復合材料的耐火性能具有重要意義。 Ruban 對全復合材料儲氫容器進行了火燒試驗， 結果表明， 爆裂或泄漏前壓力增加較小 （最大為12.7%）， 爆裂延遲 （爆裂前時間） 在6～12 min 范圍內， 這些參數主要取決于容器的初始壓力。 為了能夠在不進行試驗的情況下預測容器的行為， Saldi 和Wen 通過組合CFD-FE 模塊模擬了Ⅳ型容器對火災的響應， 并準確地預測了爆炸延遲時間。在儲氫容器中， 常用的一種保護方法是熱激活卸壓裝置（TPRD）， 該裝置在高溫情況下對容器進行排空， 以減少爆裂的幾率。 Ruban 等也認為， 在TPRD 激活的情況下， 開口直徑為0.5 mm時可以安全釋放氫氣。 保護高壓儲罐不受火災影響的另一種方法是在其外表面涂刷膨脹涂料。Kim 等模擬了膨脹型涂料對氫氣壓力容器耐火性能的影響， 得出使用膨脹型涂料會減小TPRD所需的開口直徑， 從而使壓力容器的運行更加安全。 在Kuroki 等對加油站地面儲氫容器外壁性能的研究中， 發現使用絕緣材料的容器外壁能夠大大降低儲罐附近火災的輻射熱流。 因此，產生了多種提高儲罐耐火性能的方法： ①用絕緣材料保護容器不受熱； ②利用TPRD 和類似機制預防火災時的爆裂和破裂； ③改善設計環節和材料性能。

（5） 管道中的壓力波動。 無論使用在役的天然氣管道或者專用的輸氫管道， 由于可再生能源生產率的變化、 氫氣需求的變化（季節性、 高峰時間）， 系統中都會存在壓力波動， 這些波動可能會破壞管網系統。 Pellegrino 等建立了天然氣管網注入氫氣的模型并得出結論， 在P2G 理念下， 需要大宗倉儲設施來平衡系統輸入輸出的波動。

（1） 溫度變化。 材料選擇和目標設計需要考慮的另一個因素是灌裝和排空期間罐內的溫度變化， 加氫站使用的噴嘴的溫度變化， 以及用于處理氫氣的泵和壓縮機的溫度變化。 在壓力容器的充填、 保壓和排空過程中， 已經進行了CFD 模擬和試驗測量。 安裝測量設備的最佳位置目前還不能確定 （特別是對于車載儲罐的測量）。 通過監測儲罐外部溫度來估計罐內的溫度是另一種正在研究的測試方法， 該方法方便安裝和維護， 但需要更多的試驗數據來校準傳感器。 從長期來看， 溫度變化可能導致儲存容器的壽命縮短。

（2） 氫氣泄露。 泄漏量測試已經證明， 氫氣在鋼中的體積泄漏率約為天然氣的3 倍。 當涉及到有數千條焊接管道、 大量閥門和泵、 多個壓縮機站等長距離管道時， 這個問題將變得更加嚴峻。 德國天然氣管道的分析顯示， 對于17%的氫氣和天然氣混合氣體， 泄漏率為0.000 05%。需要進一步的研究和實證數據來獲得更準確的氣體損失估算。 氫氣系統中彈性體密封和接頭的氣體泄漏是另一個需要關注的泄漏源。 Yamabe 等研究了塑料和橡膠密封件與氫氣接觸的行為、 三元乙丙橡膠O 形圈在循環氫氣作用下的斷裂行為以及利用聲發射檢測耐高壓氫氣循環后橡膠密封件內部斷裂行為。 具體來說， 在泄漏可能造成嚴重后果的封閉地區， 由于氫氣無色無味， 人們不會意識到是否有泄漏。 因此， 傳感器應該準確可靠， Hubert 等在這一領域的研究已經取得了良好的進展。

（3） 污染。 如果采用目前的天然氣管道輸送氫氣， 一是管道中腐蝕情況未知， 氫氣可能會被腐蝕產物污染， 二是泵和壓縮機中的潤滑油對氫氣的污染。 復合儲存容器中聚合物襯里的水脫氣可以成為另一種污染源， 因此輸送之前的干燥和在生產過程中保持低水分有助于防止這一問題。Cheng 等研究了污染如何影響燃料電池性能， 但沒有分別評估上述幾種污染源的影響。

（4） 壓縮過程。 由于氫氣的摩爾質量較低，且氫氣的能量密度是天然氣的三分之一， 因此在相同流速下， 氫氣所需的壓縮和泵送功率高于天然氣。 因此， 需要更高的壓縮功率， 從而轉化為更高的壓縮機葉尖速度， 這將可能導致其他可靠性問題的出現。

3.1.2 氫氣處理相關問題

3.2 剩余壽命預測

剩余使用壽命（RUL） 預測是根據預期目的對項目、 部件或系統剩余使用壽命的評估。 RUL可以根據觀察（條件和健康監測、 檢查） 或類似項目、 組件、 系統的平均壽命進行估計， 或結合兩種以上的方法進行估計。 RUL 預測在基于條件的項目維護、 故障預測和健康管理中至關重要， 這將大大影響項目的安全評價、 預算分配和維護費用。 正在或將要應用于氫氣經濟的部件和系統可分為兩組： 第一組， 數據豐富且具有現場經驗的部件（如甲烷重整生產廠、 低溫儲存容器等）； 第二組， 相對較新且現場經驗有限的部件（COPVs、 氫燃料站等）。 顯然， 對第 二 組 系 統隨時間的變化情況很難進行預測。 為了能夠更準確地規劃氫氣經濟的發展路徑， 需要對復合儲氫船、 管道、 泵和壓縮機以及加氫站等系統進行大量的仿真、 試驗和現場測試。 另外， 燃料電池是目前正在進行深入研究的氫系統之一， 從大量的文獻可以發現， 關于燃料電池RUL 的預測技術， 領先于其他新系統。 除了因為燃料電池體積小、 實驗室環境中相對容易處理外， 更多的資金支持和政府關注也是重要的原因。 這一進展不僅使得擁有商用燃料電池的汽車成為可能， 也能夠激勵其他新的氫能源技術沿著同樣的道路前進。

3.3 可靠性評估

定量風險評估（QRA） 的目的是為一個系統的決策提供信息， QRA 幫助決策的常用方法是判斷一個系統的失效風險是否符合最低合理可行原則（ALARP）。 通常， QRA 執行步驟如圖7 所示。

就安全性而言， 低溫容器附加有保護層（真空套）， 以防發生事故和低溫下氫氣發生絕熱膨脹， 因此， 如果發生泄漏或罐車破裂， 除非有其他原因導致氣體著火， 否則不會發生嚴重爆炸，但泄漏的低溫氫氣會導致未經嚴格評估的閥門或減壓裝置出現故障和發生損壞。

4 建議及未來研究方向

4.1 數據收集和模塊化

為了提高該領域的風險評估質量， 建立一個研究人員和從業人員可以訪問的全面數據庫， 以及一套被廣泛接受的物理公式、 概率模型和風險分析工具/方法。 例如， 氫事件與事故數據庫（HIAD） 是一個不斷收集和分類的在線數據庫。圖8 為氫系統QRA 數據分類圖， 其中事故和根本原因數據并不是這個數據庫唯一的內容， 為了能夠恰當地評估風險和預測各種可能的后果， 需要知道不同條件下的氫物理行為、 與其他材料的相互作用以及所有影響參數， 才能準確地找出后果和風險。 為此， Sandia 國家實驗室利用HyRAM 作為氫系統QRA 的工具。

HyRAM 包含了9 種類型的氫系統部件的一般失效概率、 點火概率， 以及熱通量和壓力對環境和氫系統結構影響的概率模型。 此外， 對氫的釋放和火焰行為進行了建模， 并對模型進行了驗證， 使分析速度更快， 從而減少了對系統進行全CFD 建模的需要。 通過HyRAM 能夠計算出3 個風險指標： FAR （致命事故率），AIR （平均個人風險值）， PLL （潛在生命損失）。 同時， 內置三個物理行為模型： ①氫射流， 包括寬度、 速度、 密度等； ②噴射火焰，包括火焰長度、 熱通量等； ③注釋， 包括可標記的體積、 過壓等。

LaFleur 等詳細說明了HyRAM 如何使用，其輸入輸出參數是什么， 以及如何加快風險分析的進程。 這些項目有助于進行更高質量的風險評估。

4.2 拓展貝葉斯網絡的應用

“氫系統” 一詞將各種復雜的系統納入其中，包括單個壓力容器或整個加氫站、 輸送管網或生產廠。 簡單的系統通常可以使用完全依賴于數據的方法進行壽命預測。 而對于較大的系統， 使用概率方法需要所有組件的數據， 以及組件作為集成系統的行為數據。 雖然是在一般數據、 假設和估計的基礎上對氫系統進行經典QRA， 但由于缺乏數據以及不確定性風險的存在， 越來越傾向于使用貝葉斯網絡 （Bayesian networks, BN） 等概率方法。 BN 以現有知識為基礎建立模型， 并通過加入新的信息（觀測值） 縮小模型， 從而降低模型的不確定性。 早在1985 年就開始使用BN進行系統風險和可靠性評估， 到1987 年BN 方法在風險和可靠性分析中越來越受歡迎。 目前，一般用于系統可靠性建模、 軟件可靠性評估、 預測和根本原因檢測、 人為可靠性評估， 以及將人為錯誤和操作環境的影響與系統可靠性模型相結合， 該方法能夠使用所有可用的信息， 即使這種信息是從外部試驗中獲得。

Hamada 討論了BN 法在風險和可靠性評估中的實施細節。 Kelly 和Smith 通過馬爾可夫鏈蒙特卡羅方法（MCMC） 討論貝葉斯推理的實際應用。 Pasman 和Rogers 試圖通過對案例應用離散、 混合離散-連續BN 來解釋BN 如何提高風險分析的準確性， 結論是BN 可以潛在地替代故障樹、 事件樹和蝴蝶結分析法。 已有許多利用貝葉斯網絡來評估工業系統可靠性的案例， 如化工廠和天然氣加氣站， 在本質上類似于氫系統。Khakzad 等做了一個案例研究， 評估了供氣工藝裝置中供給控制系統的性能， 并將故障樹和BN方法進行了比較。 由于更新和不確定性處理能力以及包含更復雜的隨機關系， BN 被認為是一種可靠的方法。 Zarei 利用FMEA 進行危害分析，利用蝴蝶結分析法進行因果分析。 Xin 演示了BN 在危險場景分析中的應用， 提出了一種將事故場景映射到BN 并通過施加現有證據更新BN的方法， 與不同場景相關聯。

就氫系統而言， 雖然在文獻中可以找到有價值的研究， 但使用BN 的研究并不多。 例如，Haugom 和Friis-Hanse 通過BN 重新研究了氫燃料站風險分析， 以前是通過經典的QRA 方法進行的， 研究者表明了使用BN 法的優勢及將其應用于氫基礎設施風險分析潛在的適合性， 這項研究是首次將BN 用于氫系統。 在更高層次的風險分析中， Pasman 和Rogers 使用BN 對液氫燃料站和氣態燃料站以及三種不同的供氫運輸方式進行了風險評估， 結果表明， 與其他場景相比， 壓縮氫氣加氣站聯合卡車輸送氫氣的風險水平最低。 如前所述， BN 可以成為風險和可靠性分析的有力工具， 但同時也存在一些弊端。由于計算和內存需求的復雜性， 其在大型系統中的應用仍然有限。 Tien 和Der Kiureghian 試圖通過引入壓縮算法和一種能夠處理壓縮矩陣的更新算法來解決這個問題， 但這一問題仍未得到解決。

4.3 更高層次的可行性分析

Moen 等研究表明， 大規模利用氫能源時將涉及很多關鍵問題， 如分布式生產協議、 維護和安全法規、 每種應用的允許雜質水平、 關鍵測量誤差等， 精確分析預測很難進行， 但基于大規模利用天然氣的經驗， 應該能夠解決上述問題。 未來要使氫成為廣泛使用的能源載體，需要對大型互聯生產、 儲存和輸送網絡的運行進一步研究。

5 結 論

（1） 低溫和壓縮儲氫是最成熟的技術， 但低溫儲氫具有較差的能量效率， 壓縮儲存由于氫氣密度較低， 需要較大的體積。

ABS樹脂是由橡膠相與樹脂相組成的，兩相分散的均勻程度、相界面結合強度等因素影響產品的性能。從某種角度看，ABS樹脂是一種復合材料，是典型的橡膠增韌塑料的實例。復合材料的特點是發揮各組分的優勢，彌補各自的不足，從而開發出綜合性能優良的新型材料。ABS樹脂設計的思想是利用橡膠提高SAN樹脂的沖擊強度，使ABS產品發揮橡膠韌性好、抗疲勞、耐低溫沖擊的優勢，同時保留SAN樹脂良好的剛性、硬度、光澤、耐熱性能以及優異的加工性能，得到加工性能與PE、PP等通用塑料相似，且力學性能與PC等工程塑料相近的新型高分子材料。

下面分別研究突發事件導致市場價格穩定和隨機兩種情況下，采用基準三級數量彈性契約是否還能實現供應鏈協調，若否，如何對契約的參數進行調整.

（2） 復合貯罐的可靠性有待進一步提高， 必須確定損壞機制、 檢測方法和維修工藝。

（3） 基于材料的儲存方法還處于早期發展階段， 需要更多的時間來證明其可行性。

（4） 長管拖車不適合長距離輸送， 液氫罐車是較好的選擇， 但其能量損失較高（可達40%）。管道是最合理的解決方案， 但管道的建設和使用，需要巨大的資源和較高的市場需求。

（5） 交付方式的選擇應根據區域規化和潛力、 需求和經濟情況而定。

（6） 集中制氫需要慎重選擇輸送方式， 分布式制氫是正在研究的另一條途徑， 可能會降低遠距離輸送氫氣的困難。

（7） 幾乎所有與氫基礎設施有關的儲存和運送技術都沒有足夠的試驗和現場數據。 雖然對單個部件的可靠性進行了大量的試驗研究， 但對氫氣系統的數據收集很少， 更沒有大規模的項目數據。 在可靠性評估中， 需要進行主動的數據收集和分類， 并且僅憑數據是不夠的。

（8） 采用合理的建模是實現所有數據集成和使用的必要條件。 迫切需要使用定量風險評估方法， 并結合貝葉斯分析技術， 開展進一步的系統研究。

（9） 氫安全共同體的建設需要傳感器、 數據收集和預測等方面技術的共同進步。 未來的方向是實現定量風險評估、 蝴蝶結分析法和危險與可操作性分析法向動態定量風險評估邁進， 形成完整的故障預測與健康管理技術， 這樣既能推進安全評估， 又能使氫系統維護和管理具有成本效益。