IV储氢气瓶表面最大渗透氢浓度是多少？

摘要

本文研究了在特定工作压力下，IV储氢气瓶在密封空间中的氢气渗透行为。基于布朗运动和扩散理论，我们推导了氢分子在空气中的运动规律，并计算了储氢气瓶表面的氢浓度。随着氢气浓度的增加，浮力效应显著，直至与扩散达到平衡形成准稳态。通过理论计算，我们得出储罐表面的氢气浓度远低于氢气可燃下限，为氢安全工程提供了理论基础。

正文

在特定工作压力条件下，我们将IV储氢气瓶置于一个带有静止空气的密封空间。根据相关理论，我们可以精确预测氢气开始渗透的浓度。储氢气瓶中的氢分子，在布朗运动的作用下，呈现出一种随机而无规律的运动状态。这种布朗运动是受氢分子与空气中其他分子相互碰撞所驱动的。基于爱因斯坦关于布朗运动的定律，我们可以计算出粒子在x轴方向上的平均位移，或者更确切地说，其均方根位移：  

其中D为空气中氢的扩散速率（25℃时的速率可以认为是7.79×10^-5/m²/s）;为时间（s）。当分子在时间t内位移为，面积A_r的IV储氢气瓶表面周围的所有渗透氢分子的体积为V_mix=。该体积中渗透氢的摩尔数为n=JtA_r假设氢分子在体积V_mix中均匀分布，则在时间t处，IV储氢气瓶表面的氢体积分数为氢体积与总体积V_x的比率，计算公式为：

式中，Vm25为25℃下理想气体的摩尔体积（0.0244m³/mol）。该计算公式可以重写为：  

   随着空气中氢浓度的增加，浮力效应明显增强。因此，IV储氢气瓶表面的氢浓度随时间增加[H₂]_t＆，直至浮力克服氢的扩散的扩散为止，当扩散和浮力相互平衡时，建立准稳态。在密度为_air的空气中，密度_mix的氢气-空气混合物的浮力运动所适用的牛顿第二定律可以写为F=M_mixa=(_air-mix)V_mixg,从力学上讲，物体以加速度a通过距离Lx=at²/2,所以有：

因此，混合物的浮力随时间的位移为：

式中，混合物的密度定义为：  

  氢气随浮力位移与氢气随扩散位移具有相同的数量级，=，并且处于一下情形时过程达到准稳态：

  按照SAE J2578（2009），对于下一章节中描述的储氢管和车 库而言，该公式得出储罐容量的渗透率J=1Ncm³/(h·L)（容器内部每升每小时标准立方厘米）的时间为37s（场景1），得出车 库的渗透率J=45Ncm³/(h·L)的时间为16z（场景2）。  

   在本节的假设条件下，可用式

   分别计算出这些特征时储罐表面的氢气浓度为2.4×10^-4（体积分数）和1×10^-2（体积分数），储罐表面氢浓度的这两个值都远远低于体积分数为4%的氢气可燃下限。《文章来源：氢安全工程基础-机械工业出版社》