氢能全流量采样（H2FFS）系统的开发用于量化氢泄漏与损失排放

《ACS ES&T Air》：Development of a Hydrogen Full-Flow Sampling (H2FFS) System to Quantify Hydrogen Leak and Loss Emissions

　　

尽管H2并非温室气体，但其对大气化学的影响会间接导致变暖。由于氢高度易燃，既往测量工作多聚焦于安全层面。然而，评估H2排放的环境影响需要量化其质量排放速率。研究人员开发了全流量采样（FFS）系统以量化H2排放（H2FFS），目标测量不确定度为±15%。研究人员评估了多种H2浓度传感器。通过受控释放（全样本回收测试─FSRTs）表明，配备两支电化学（EC）传感器的H2FFS在0.5至10 g/h的H2排放下具有可接受精度，而配备热导（TC）传感器的H2FFS在100至500 g/h范围内精度可接受。配备光谱分析仪的H2FFS在0.5至500 g/h范围内均具可接受精度。在加氢站初步现场测试中量化的泄漏范围为0.0至2.2 g/h，需在ppm级精确测量H2。通风排放更高，促使系统改进以容纳更高流速（达17 m3/min或600 SCFM）和浓度（达3%），但间歇质量排放仍高于校准范围（>4.3 kg/h）。

研究背景与问题提出

氢能作为交通脱碳选项备受关注，但H₂虽非温室气体，却通过影响甲烷、臭氧和水汽间接产生约11.6±2.8（百年尺度）的全球增温潜势（GWP）。供应链H₂泄漏不仅抵消减排收益，还造成燃料浪费。既往天然气管网泄漏研究成熟，而氢交通部门真实排放速率测量几乎空白，且H₂可燃范围宽（4%–74%体积比）、最小点火能仅0.02 mJ，对采样系统安全设计提出更高要求。研究人员此前开发的甲烷全流量采样（CH₄FFS）系统无法直接移植，需针对H₂低密度、宽浓度跨度和防爆约束重新开发H₂FFS。该文发表于《ACS ES&T Air》。

主要关键技术方法

研究人员采用全流量采样原理，以危险区域用风机抽吸泄漏源与稀释空气总流，用平均皮托管静压管（排气流量计─EFM）测总流量，以多种H₂浓度传感器测样气浓度，结合标准条件换算质量速率。传感器评估涵盖电化学（EC）ATO 100/5000、热导（TC）XEN/NEO及后期引入的光学反馈腔增强吸收光谱（OF-CEAS）LI-COR LI-7835。校准突破传统气瓶配气法，采用“整体校准（holistic calibration）”：将99.995% H₂标准瓶经质量流量控制器（MFC）注入运行中的H₂FFS，以EFM总流与MFC注流反算浓度，规避EC对氧/水交叉敏感及TC对背景气体热导干扰。系统级不确定度由全样本回收测试（FSRT）以已知释放率对照测定。现场测试样本来自氢燃料加注站。

研究结果

稀释流量测量：EFM并联0–250 Pa与0–2500 Pa差压传感器，分段校准覆盖约1000–10000 stL/min（40–400 SCFM）；低流段误差?7.18%~+5.29%，高流段?1.54%~+3.45%，满足宽域精度。

常规校准结果：ATO电化学传感器厂商单点校准严重偏低（ATO 100对101 ppm低估40%，ATO 5000对5010 ppm低估60%），且在标称量程60%以上出现饱和与响应衰减；TC传感器XEN/NEO在传统氮气平衡配气下因氧浓度变化呈现非线性，NEO亦现饱和。证明传统校准不适用。

初始整体校准结果：以H₂FFS运行态配气，EC传感器分程标定（ATO 100: 0–50 ppm；ATO 5000: 0–50 ppm及0–1000 ppm），TC传感器标定0–2%，R²达0.9982–0.9999，显著修正饱和与漂移。

全样本回收测试（FSRT）系统不确定度：部署前FSRT误差?21.7%~+4.8%，XEN（TC）在100/250 g/h误差≤1.6%，NEO偏差大被弃用；EC传感器随时间零漂加剧，部署后ATO 100在1 g/h误差升至17.1%，多次复测后EC误差可超40%，重校后回至±20%内；XEN长期±1.6%。首轮现场保守取系统不确定度±21%。

重复性：表4显示EC与NEO随暴露天数误差累积，XEN稳居±1.6%内；重做整体校准可将EC/NEO拉回±20%。

LI-COR分析仪初步结果：LI-7835经整体校准覆盖0–3%，0–100 ppm段误差最高；单台可替代EC+TC多传感器，实现H₂特异测量。

现场初步测试：加氢站泄漏0.0–2.2 g/h（需ppm级分辨），通风排放更高促系统扩容至17 m³/min与3%浓度，但间歇排放>4.3 kg/h仍超量程。

讨论与结论翻译

讨论指出，H₂FFS成功将CH₄FFS框架迁移至H₂，通过移除热丝式流量计、改用EFM、引入整体校准与多原理传感器比对，解决了H₂低密度导致高浓度、EC饱和与TC氧干扰三大瓶颈。XEN（TC）在100–500 g/h表现最优，LI-7835（OF-CEAS）在0.5–500 g/h全域可用，EC仅适0.5–10 g/h且需频繁重校。现场加氢站泄漏远低于预期，但通风与压缩机排放提示未来需进一步扩容至高流段与多通道并行。

结论：研究人员开发了氢能全流量采样（H₂FFS）系统以量化0.5–500 g/h质量排放，目标不确定度±15%，实测系统保守不确定度±21%（EC主导时段）。EC传感器适低流段但零漂大；TC-XEN在中高流段误差<1.6%；LI-7835光谱仪单台覆盖全域且抗交叉干扰。初步现场数据显示加氢站微漏为主，系统经扩容可捕集更高通风排放，为氢供应链环境足迹评估提供首套工程化量化工具。