[分享] 1.氢气性质：1.2.氢气的物理性质 （加氢站安全培训连载二）

      密度是指在规定的状态下，单位体积氢气的质量，符号为ρ，单位为g/m3，氢气的密度为0.089g/L（101.325kpa,0℃）。

       相对密度=氢气密度/空气密度，空气的密度大约为1.225克/升，相对密度= 0.08988克/升/ 1.225克/升 相对密度≈0.073，这意味着氢气的密度大约是空气密度的7.3%。由于氢气的相对密度小于1，它会在空气中上升并迅速扩散。

      这也是为什么在处理氢气时需要特别注意安全，以防止氢气积聚在低处或封闭空间中，从而减少安全风险。氢气的摩尔质量为2.016g/mol，在常温常压下，它是一种无色无味的气体，极易燃且难溶于水。

       在标准大气压（1个大气压，即101.325千帕）下，氢气的沸点为-252.876摄氏度（20.280千帕）。这个沸点是相当低的，意味着氢气在常温常压下就可以迅速地从液态转变为气态。氢气在不同的压力下会有不同的沸点。随着压力的增加，沸点也会相应升高。例如，当压力为0.1兆帕时，氢气的沸点约为-242.87摄氏度。而在压力达到10兆帕时，沸点则会上升到大约-239摄氏度左右。由于氢气具有如此低的沸点，它在储存和运输时需要特别的容器和措施来保持其处于液态或防止其过度挥发。在工业应用中，例如在炼油厂或化肥厂，氢气常常被用作原料，并且需要精确的温度控制来维持其安全性及效率。

       氢气（H₂）的汽化潜热是指在恒压条件下，液态氢转变为气态氢所需吸收的热量。汽化潜热是一个物质从液态变为气态时的重要热力学参数，它反映了物质在相变过程中吸热能力的强弱。对于氢气，其汽化潜热大约为20.7千焦耳/摩尔（kJ/mol）。这个值表示每摩尔液态氢在恒压条件下蒸发成气态氢时，需要吸收大约20.7千焦耳的热量。汽化潜热的大小与物质的分子间作用力有关，分子间作用力越强，汽化潜热通常也越大。对于氢气，由于其分子质量较小，分子间作用力相对较弱，因此其汽化潜热相对较小。

       在实际应用中，汽化潜热是一个重要的考虑因素，特别是在设计和运行氢气储存和运输系统时。例如，在氢燃料电池车中，了解氢气的汽化潜热有助于优化储氢系统的性能，确保氢气能够在适当的温度和压力条件下有效地从液态转变为气态，以供燃料电池使用。

      氢气的纯度在不同的应用场景中有着严格的要求。在工业生产中，氢气通常需要通过纯化装置来提纯，以满足特定的用途。纯度高的氢气被广泛应用于电子工业、玻璃制造、石油精炼以及作为火箭燃料等领域。在这些应用中，高纯度的氢气可以减少化学反应中的副产品，提高生产效率和产品质量。GB/T 3634.1-2006《氢气第1部分：工业氢》GB/T 3634.2-2011《氢气第2部分：纯氢、高纯氢和超纯氢》中都有对氢气纯度等级有详细的规定和要求。

       GB/T 37244-2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料 氢气》中对氢气纯度摩尔分数要求是99.97%，对于氢燃料电池汽车而言，氢气的纯度至关重要。高纯度的氢气可以提高燃料电池的效率和耐用性，同时降低尾气排放。在实际应用中，氢燃料电池汽车通常使用至少99.99%的高纯度氢气。

       氢气的湿度通常指的是氢气中水蒸气的含量。氢气的湿度通常用绝对湿度（单位为克水蒸气/立方米氢气）或相对湿度（以百分比表示）来表示。在工业生产和实验过程中，氢气的湿度是一个重要的参数，因为水蒸气的存在可能会对设备和过程产生不利影响。国际标准化组织（ISO）和各个国家的国家标准组织（如美国的国家标准ANSI、欧洲的EN标准、中国的GB标准等）都制定有关氢气湿度的标准。

      ISO 15870《氢燃料电池车辆—氢气—第1部分：一般要求》是关于氢气使用的一个关键国际标准，它包括了氢气的质量、湿度和纯度等方面的要求。这个标准旨在确保氢气适合用于燃料电池车辆，其中包括了对氢气湿度的限制，以防止燃料电池性能下降和腐蚀问题。

       电力行业标准DL/T651—1998《氢冷发电机氢气湿度的技术要求》中规定了氢气的湿度。该标准规定了发电机内的氢气湿度在-25℃～0℃露点温度范围内，当发电机停机备用时，若发电机内温度低于10℃，则氢气湿度不得高于露点温度-5℃。

      GB/T 3634.1-2006《氢气第1部分：工业氢》GB/T 3634.2-2011《氢气第2部分：纯氢、高纯氢和超纯氢》中规定了各纯度工业氢的品质要求，其中包括对氢气湿度的相关标准。GB/T 37244-2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料 氢气》这一国家标准中。该标准规定了氢气纯度应高于99.97%（摩尔分数），非氢气体总量应低于300mol/mol。其中，水含量的要求为低于5mol/mol，即5ppm。

       ①腐蚀：水蒸气中湿气可能会与氢气中的杂质反应，形成酸性物质，从而腐蚀管道和设备。

        ②结霜：在低温下，高湿度的氢气中的水蒸气可能会凝结成霜，这可能会堵塞管道或影响设备的正常运行。

        ③性能下降：在某些应用中，如燃料电池，氢气的高湿度可能会降低其性能。因此，在处理氢气时，通常需要对其湿度进行控制，以确保安全和设备性能。这可以通过使用干燥器或其他气体处理设备来实现。在某些情况下，还需要对氢气进行冷却和压缩，以降低其温度和湿度。在工业应用中，通常希望氢气的湿度尽可能低，以避免上述问题。

       氢气的视临界参数是指氢气在临界点附近的状态参数，包括视临界温度、视临界压力和视临界体积。这些参数反映了氢气在临界点附近的性质和行为，对于理解氢气的热力学性质和相行为具有重要意义。

      视临界温度（Tc）：指氢气在临界点处的温度，约为32.98 K（-240.17℃）。

      视临界压力（Pc）：指氢气在临界点处的压力，约为1.2928MPa（12.983 bar）。

       视临界体积（Vc）：指氢气在临界点处的摩尔体积，约为0.0642L/mol。

       需要注意的是，氢气的实际临界参数与视临界参数略有不同。实际临界参数是指在绝对零度下的临界点处，氢气的三相点压力和温度。然而，在实际应用中，人们通常使用视临界参数来描述氢气的临界性质。

       氢气的压缩因子（compressibility factor）是一个重要的热力学性质，描述气体在不同压力和温度下相对于理想气体的压缩性的一个参数，理想气体的压缩因子为1，而实际气体的压缩因子通常会小于1，这是因为实际气体分子之间存在相互作用力，导致分子间距减小，从而使得实际气体的体积比理想气体小。

       确定气体热工状台的主要参数有比容v、压力p和温度T，它们之间有确定的关系，称为气体状态方程，即f（p，v，T)=0，在分子运动论中，所谓理想气体是指：气体分子几何尺寸无限小，分子与分子之间没有吸引力与排斥力。在压力足够低，密度足够小的情况下，各种气体都接近理想气体性质。

      对于理想气体理性气体状态方程为：pv=RT

      p为气体压力，单位Pa；

      v为比容，单位m3/kg；

      T为温度，单位K（开尔文）；

      R为气体常数，J/(mol·K)；

       在现实的氢气应用环境中，氢气压力非常高，密度较大，气态氢在制、加、储、运过程中，温度均处于动态变化中，氢气通常处于（2~100MPa、200K~500K）此时理想气体状态方程不能用来描述氢气实际状态下的p-v-T关系，而需要用较复杂的实际气体状态方程。实际气体状态方程实在理想气体状态方程的基础上，通过理论和实验的方法，对理想气体状态方程进行修正取得的。引入压缩因子Z=f（p，T），对理想气体状态方程用压缩因子进行修正是实际气体状态方程常用的表达方式。

      气体压缩因子Z表示实际气体偏离理想气体特性的程度，是对氢气计量中的一个重要物性参数。压缩因子Z的定义为：

      压缩因子的实质是实际气体或气体在实际状态下对理想气体状态方程（Z=1）的修正系数。

      1. 标准公式计算

      压缩因子（Z）可以用下面的理想气体状态方程来计算：

       p 是理想气体的压强，MPa；

       v 是理想气体的体积，m3;

       n 是气体的物质量，mol；

       R 是气体常数8.31441，J/(mol·K)

       T 是气体的热力学温度，K;

       Vm 为摩尔体积，L/mol；

       Vm(rcal)为实际气体的摩尔体积，L/mol。

      当实际气体处于临界点（临界气压Pc，临界温度Tc，临界摩尔体积Vm,c）时，此时的压缩因子称为临界压缩因子Zc。

例1：已知氢气的临界温度Tc为-240.17℃、临界压力pc为1.2928MPa、临界密度ρc为0.0314kg/m3，求临界压缩因子Zc是多少？

      解：由氢气的摩尔质量M=2.0159g/mol和临界密度ρc=0.0314kg/m3，得临界摩尔体积

Vm,c=M/ρc=2.0159/(1000×0.0314)

=0.0642006L/mol

根据临界压缩因子Zc公式

Zc=1.2928×0.0642006×1000/[8.31441×（-240.17=273.15）]=0.30268

答：临界压缩因子Zc是0.30268

2. GB/T 35178—2017《燃料电池电动汽车 氢气消耗量测量方法》适用范围0.1MPa~100MPa、温度220K~500K的氢气。

      p 是理想气体的压强，MPa；

      T 是气体的热力学温度，K；

      vij常数，见下表：

     vij常数表

       用上述办法得到的压缩因子 Z，可列成速算表( 氢气压缩因子Z速算表) ，加氢站在日常运营中，进氢计量、盘存计量等均可以通过查表得到压缩因子Z。

氢气压缩因子Z速算表

       氢气的标准状态是20℃和1个大气压。加氢站一般采用外供氢，在标准状态和实际工作状态下的理想气体压力、温度和体积的关系为：

       Vm理为标准状态下理想气体的体积，m3；

       Vm工为工作状态下理想气体的体积,m3；

        t为工作状态下的气体温度，℃。

        p为工作状态下的压力，bar。

     Vm实为标准状态下的实际气体体积，m3。

       氢气转换到标准状态后的质量，公式：

       ρ0为标准状态下氢气的密度，kg/m3。

氢气质量计算方法2：

      氢气实时状态下的质量，公式：

ρH2为实时状态下氢气的密度，kg/m3；

V为储罐水容积，m3。

例：某加氢站3座储罐水溶积为15m3，PLC柜上显示3座储罐温度均为25℃，压力100bar，求标准状态下氢气的理想气体体积是多少m3？

解：根据理想气体体积公式：

答：氢气的理想气体体积是1455.56m3。

例：某加氢站氢气交接计量，采用长管拖车外供氢，长管拖车水溶积为23.48m3，进站压力为180bar，进站温度为20℃，卸气柱泵码数为5119.74，离站压力为79bar，离站温度为19℃，卸气柱泵码数为5289.48，问结算量是多少kg？进货损耗多少kg？进货损耗率是多少？损耗是否正常？

解：1.卸气前的质量可以用以上质量方法1、2(公式4、5）计算

(1) 标准状态下理想气体体积

(2) 标准状态下实际气体体积

      由温度20℃和压力180bar速查压缩因子速算表得Z=1.1059

(3) 卸气前的质量

     标准状态下氢气的密度为0.0838kg/m3

     M=ρ0×Vm实=0.0838×3771.708=316.069kg

2.卸气后的质量

(4) 标准状态下的理想气体体积

(5) 标准状态下实际气体体积

由温度19℃和压力79bar速查压缩因子速查表Z'=1.0535

(6) 卸气后的质量

​3.结算量

4.卸气柱卸气量

​进货损耗量为

​5.进货损耗率为

6.氢气密度非常小，直接影响计量器具准确性和稳定性，总量又较小，故进货损耗和损耗率控制在10kg和5%以内是合理的。

       答：结算量是169.95kg，进货量损耗0.21kg，进货损耗率是0.12%，损耗正常。

GB/T 35178—2017《燃料电池电动汽车 氢气消耗量测量方法》

  ω——测量时间内的燃料消耗量，单位克（g）；

  M——氢分子摩尔质量（2.016），单位为克每摩尔（g/mol）；

  V——氢罐中高压部分和附件的总容积（减压阀，管路等），单位为升（L）；

  R——共用气体常量，R=0.0083145[MPa·L/(mol·K)]；

   P1——检测开始时罐体内气体分子数，压力，单位为兆帕(MPa)；

  P2——检测结束时罐体内气体分子数，压力，单位为兆帕(MPa)；

  T1——检测开始时罐体内气体分子数，温度，单位为开尔文(K)；

  T2——检测结束时罐体内气体分子数，温度，单位为开尔文(K)；

  Z1——在P1，T1下的氢气压缩因子，可查速查表也可按以上（公式1)求解；

  Z2——在P1，T1下的氢气压缩因子，可查速查表也可按以上（公式1)求解。

GB/T 3634.1-2006《氢气第1部分：工业氢》瓶装氢气体积换算

   V——瓶装氢气在20℃，1.013×105Pa状态下的体积，单位为立方米(m3）；

   K——在20℃，1.013×105Pa状态下氢气体积换算系数；

   V0——氢气瓶的水容积，单位为升（L）；

K值计算，在20℃，1.013×105Pa状态下氢气体积换算系数K计算公式：

  P——气瓶内氢气压力，单位兆帕(MPa）；

  T——气瓶内氢气温度，单位为摄氏度（℃）；

  Z——温度为t，压力为p时氢气的压缩系数。

不同温度和压力下氢气的K值见下表：

参考资料：

GB/T 35178—2017《燃料电池电动汽车 氢气消耗量测量方法》；

GB/T 3634.1-2006《氢气第1部分：工业氢》；

《加氢站氢气准确计量的探讨》 王一非 王友良。