国内外氢气排放监测及测量进展研究

RESEARCH PROGRESS ONDOMESTIC AND INTERNATIONALHYDROGEN EMISSION MONITORINGAND MEASUREMENT 作者： 肖晨江氢溯科技（上海）有限公司樊祎氢溯科技（上海）有限公司赵东氢溯科技（上海）有限公司 冉泽美国环保协会北京代表处李蕴洁美国环保协会北京代表处 目录 ��...............................................................................................2 一、氢气的��挑战�温��应��...........................................4 （一）氢��在���险��.........................................................5（二）氢气间�温��应��.........................................................5（三）基于��和气�视⾓下氢气监测的�别.............................6（�）�立监测测量体�的重�性.................................................6 二、氢气��监测标��规体�����....................................7 （一）国际氢气��监测标��政策.............................................8（二）中国氢气��监测标�.........................................................9（三）国内�标��政策����.................................................10 三、典型场�氢气��监测技术路线评估....................................11 （一）氢气�漏监测技术�理���.............................................12（二）不同应用场�的技术路线选择�评估.................................14 �、技术发�趋势�挑战..............................................................17 （一）当前面临的主�挑战.............................................................18（二）技术发�趋势.........................................................................18（三）�策�发��议.....................................................................19 引言 在全球能源结构加速向清洁低碳转型的背景下，氢能作为实现“双碳”目标的关键载体，正逐步成为新一代能源体系的重要组成部分。然而，氢气因其独特的物化性质，如易燃易爆、易扩散、易引发氢脆等，在制取、储存、运输和使用全链条中均存在显著安全风险。更值得注意的是，氢气本身也是一种间接温室气体，其全球变暖潜能值（GWP）在20年尺度内约为二氧化碳的37倍，在100年尺度内约为二氧化碳的12倍，源自泄漏和运行相关的排放将对气候系统产生不可忽视的影响。因此，构建精准、可靠且全覆盖的氢气排放监测体系，已成为保障氢能产业安全运行、提升环境合规性、实现全链条碳追踪的迫切需求。 目前，国内外已在泄漏检测技术研发、标准法规建设等方面取得一系列进展，涵盖从催化燃烧、电化学到激光光谱等多种技术路线，并逐步形成针对制氢、储运、加注等典型场景的监测方案。然而，行业仍面临传感器精度不足、标准体系不完善、量化方法欠缺等挑战。本研究旨在系统梳理国内外氢气排放监测的技术发展与标准现状，对比分析不同技术路线的适用性与发展趋势，以及为中国氢能行业监测能力的提升和国际对标提供参考。 氢气的全球变暖潜能值（GWP）在20年尺度内约为二氧化碳的37倍，在100年尺度内约为12倍。 氢气的安全挑战与温室效应分析 （一）氢能潜在安全危险分析 1.易燃易爆性 氢气具有较宽的爆炸极限范围，在空气中为4%-75%，同时，最低点火能量极低仅0.017 mJ，较小的静电火花就可能引燃泄漏的氢气。与汽油相比，氢气更容易形成爆炸性气氛，且火焰传播速度快，爆燃威力大，对人员和设施构成严重威胁。 2.高泄漏性与扩散性 氢气是最小的分子，密度极低仅为空气的1/14，因此其渗透性和扩散能力极强。它能够轻易穿过许多金属材料中微小的孔隙、密封不良的接口甚至聚合物材料分子间隙。这种特性使得氢泄漏在不知不觉中发生的概率远高于其他常见燃气，且泄漏后迅速向各个方向扩散，在封闭或半封闭空间（如机房、车库）顶部极易积聚，形成爆炸气云。 3.氢脆现象 在一定压力和温度条件下，氢原子会渗入金属材料内部，与金属原子发生相互作用，导致材料的塑性和韧性下降，发生脆化，从而在低于材料屈服强度的应力下产生裂纹甚至失效。氢脆是一个缓慢的、累积性的过程，会显著降低储氢容器、管道及阀门的机械强度和疲劳寿命，可能引发突发性的毁灭性破裂和泄漏事故，是氢能储运环节中一个长期且隐蔽的重大安全隐患。 （二）氢气间接温室效应分析 尽管氢气本身不是《京都议定书》规定的温室气体，但其大量直接排放到大气中，会通过一系列复杂的化学反应对全球气候产生显著的间接变暖效应，主要体现在延长大气中甲烷的寿命、促进对流层臭氧和平流层水蒸气的生成。 1.延长甲烷寿命 氢气会与大气中的羟基自由基(·OH)发生反应，而·OH是大气中最重要和最活跃的氧化剂，能够清除甲烷。排放到大气中的氢气与· OH反应会削弱· OH清除甲烷的能力，导致甲烷―一种强效温室气体―在大气中的存留时间延长，带来潜在的增温效应。 2.促进对流层臭氧生成 氢气与·OH反应的产物氢原子（H）会参与一系列光化学反应，最终在对流层中促进臭氧的生成。对流层臭氧是一种强效的温室气体和有害的空气污染物。 3.促进平流层水蒸气生产 此外，H2与·OH的反应也会产生H2O，在平流层中，水蒸气也是一种重要的温室气体。 根 据 政 府间气候 变化专门委员会I P C C第五 次评 估 报告（A R 5）的评 估，氢气的 全 球 变暖 潜能 值（GWP）约为5.8。而根据最新的研究1表明，氢气在20年尺度的全球增温潜势约为二氧化碳的37倍，100年尺度下仍达12倍。因此，在规模化发展氢能的过程中，必须对从生产、储运到应用的整个链条的氢气排放进行严格管控和精准量化，否则其气候效益将大打折扣。 （三）基于安全和气候视角下氢气监测的区别 在氢气排放监测领域，基于安全与气候视角的监测源于两种截然不同的关切。氢安全视角的核心在于预防灾害，它重点关注设备密封点等处的逸散排放（或称为无意排放），因其可能在局部空间积聚，引发燃烧或爆炸的直接风险。而气候视角的监测则着眼于评估氢能产业链的潜在温室效应，它需要量化包括逸散排放和工艺排放（由技术和工艺原因的氢气释放）在内的所有进入大气的氢分子，因为即便是微小的、分布式的泄漏，其累积总量也会对全球气候产生间接的增温影响。 （四）建立监测测量体系的重要性 鉴于上述安全与环境挑战，建立全面、精准、可靠的氢气排放监测测量体系非常重要： 1.保障生命与财产安全 一套部署合理、响应迅速的泄漏监测系统是氢能设施的“哨兵”，能够在氢气浓度达到危险水平前发出预警，并联动通风、切断等安全联锁系统，第一时间消除险情，是预防火灾爆炸事故、保障人员与设施安全不可或缺的技术手段。 2.支撑产业规模化与商业化发展 安全是产业发展的生命线。只有建立了得到广泛认可和信任的安全标准与监测规范，公众和社会才能接受氢能技术的广泛部署。可靠的监测技术是制定这些标准规范的数据基础，为工程设计、风险评估和保险定价提供依据，从而降低整个产业的系统性风险，助推其走向规模化与商业化。 3.准确评估氢能全生命周期气候效益 要实现发展氢能的降碳初衷，就必须精确核算其“从摇篮到坟墓”的碳足迹。这其中，上下游各个环节的氢气逃逸排放是不可忽视的部分。建立标准化、高精度的排放测量体系，是量化其气候影响、确保氢能是真正“清洁氢”的核心环节，对于国际贸易中的氢产品认证等政策至关重要。 氢气排放监测标准法规体系对比分析 （一）国际氢气排放监测标准与政策 在国际层面，氢气安全监测标准已形成较为成熟和系统的架构，其核心特征在于强调“性能导向”和“基于风险”的管理理念。以国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）为主导，辅以区域和国家标准，构成了全球通用的技术基准。而在气候导向性上，国际领先的标准与政策体系已经展现出前瞻性，部分国家和地区已经开始关注氢气的间接增温影响，并计划将其纳入温室气体评估体系。 1.氢气安全检测标准 （1）国际标准化组织（ISO） ISO 19880-1《气态氢-加氢站-第1部分：一般要求》标准除了规定探测器的具体安装数量和位置，更侧重于规定系统的最终安全目标性能，如报警响应时间、覆盖范围的有效性等，要求设计方通过定量风险分析（QRA）来确定最优的监测方案。 （2）国际电工委员会（IEC） •IEC 60079系列标准 对在爆炸性环境中使用的设备（如氢气探测器）提出了统一的防爆安全要求，氢气被划分为要求最严格的IIC T1组，这直接决定了探测器的制造标准和选型依据。 •IEC 62282系列标准 聚焦燃料电池技术相关的电气安全和性能要求，其中涉及氢气泄漏监测的部分，主要从电气设备与氢气环境的兼容性角度出发，规定了设备在氢气泄漏情况下的防爆、防火等安全性能指标。例如，对电气设备的外壳防护等级、内部电路的绝缘性能等提出了详细要求，防止因电气故障引发氢气燃烧或爆炸。 （3）美国 •美国国家消防协会（NFPA） 美国国家消防协会（NFPA）发布的NFPA 2 Hydrogen Technologies标准，主要针对氢气设施的消防安全和运营安全，该标准并非强制性标准，除非被联邦、州或地方当局正式采纳。在加氢站的泄漏监测方面，标准要求安装多技术融合监测系统，如催化燃烧传感器与红外光谱仪的组合。该标准还明确了不同场景的报警阈值。在开放区域，氢气浓度达4%，爆炸下限（Lower Explosive Limit）时报警，因为开放区域通风条件相对较好，但一旦氢气浓度达到一定程度，仍存在爆炸风险；在封闭空间，报警阈值设定为0.5% LEL，由于封闭空间内氢气不易扩散，较低的浓度就可能引发严重事故，所以需要更严格的监测和报警机制。 •美国机械工程师协会（ASME） 美国机械工程师协会（ASME）制定的ASME BPVC Section VIII规范在高压储氢容器的设计、制造和检测方面具有权威性。该规范规定高压储氢容器泄漏率≤1×10-9mbar×L/s，这一极低的泄漏率要求，体 现了对高压储氢容器密封性的极高标准。为了满足这一标准，在容器的材料选择上，通常采用高强度、抗氢脆的特殊钢材；在制造工艺上，严格控制焊接质量和加工精度，确保容器的整体密封性。 2.氢气气候导向政策与标准 （1）欧盟 2024年5月欧洲理事会通过了“氢气和脱碳气体市场一揽子立法”（Hydrogen and DecarbonizedGas Market Package），旨在推动欧盟天然气系统转向低碳和可再生气体，实现欧盟的去碳化目标。值得关注的是，新立法进一步明确了低碳气体（包括低碳氢）的定义，以及温室气体排放阈值，并首次明确承认了