适用于每个电解槽的正确防爆概念

多余的绿色电力可以储存起来，并提供给电解槽生产氢气。这种将电能转化为气体的方法有望实现电力供应领域的气候中和。目前，全球各地的开发团队正在努力推动各种可能的电解方法，并将其推广到兆瓦级和千兆瓦级电解槽中使用，这个过程要求效率、安全性和可靠性达到最大化。

那么，这对防爆有什么影响呢？

水电解的历史可以追溯到很久以前。早在 1800 年，英国化学家就首次成功实现了利用电流将水分离成氢和氧，大约 40 年后，科学家们又成功地逆转了这一过程，从这两种气体的反应中获得了电能–这就是燃料电池的基础，但直到二十世纪初，氢气才首次作为一种有用的化学原料受到关注。Haber-Bosch工艺就是在那个时候被开发出来的–从那时起，我们就一直使用这种工艺通过氢气和氮气合成氨（最终合成肥料）。煤炭气化和蒸汽重整（使用天然气和水）一直是生产该工艺需的大量氢气的主要方法，但与电解法不同的是，这些方法会释放二氧化碳作为副产物，从而对地球气候造成负面影响。遗憾的是，在很长一段时间里，电解槽技术还不够成熟，无法成为一种现实的既经济又环保的替代方法。

在 20 世纪 70 年代和 80 年代第一次石油危机之后，开发人员提出了第一批以氢为能源载体的概念。在 Hysolar 等项目中，氢气是利用太阳能生产的，尽管这些工工艺够经济，但令人惊讶的是，开发人员却并未努力对其进行优化，因为在那个阶段，人们已经意识到化石燃料是一种有限的资源，而且许多专家已经对大气中二氧化碳浓度的不断增加表示了担忧，认为它已经达到了极其危急的程度。尽管如此，1994 年，Hysolar 合作伙伴（沙特阿拉伯和德国）提出了世界上第一项直接将光伏发电和水电解结合起来的制氢技术。

不同的水电解方法

现在，我们看到越来越多的风力涡轮机和光伏发电装置被用来生产电能，越来越明晰的是：利用超发的绿色电力所生产的氢气在可持续的能源实践过渡中发挥着重要作用，就各种能源的整合过程而言，氢气可用作储存介质。水电解的原理非常简单，包括两个部分的反应，这两个部分的反应因所使用的溶液是酸性还是碱性而不同，在酸性溶液中，在阴极，氢和水由氢离子 (H3O+) 生成，在阳极，水转化为氧和氢离子。

相反，使用氢氧化钾溶液或中性盐作为电解质时，水会在阴极转化为氢和氢氧根离子（OH-），在阳极，水反应生成氧和氢离子。

除了阴极、阳极和电解液容器外，这些工序中使用的水电解槽还有一层膜（隔膜）。这层膜将阴极和阳极部分隔开，防止产生的氢气和氧气相互接触，同时有选择性地允许形成的离子（酸性电解槽中的 H+，碱性电解槽中的 OH-）通过隔膜，这样，电路就可以形成闭合。

现在有各种类型的水电解槽，多个电解池排列在一起，除了所使用的电解质类型不同外，它们在电解池的具体组件（如膜、气体扩散层 (GDL)、双极板类型和催化剂）以及电解过程中的温度和压力方面也各不相同。但从本质上讲，所有电解槽都使用直流电将两个水分子分成两个氢分子和一个氧分子。

最常见的电解槽

AEL（碱性电解槽）： 这类电解槽通常使用氢氧化钾溶液作为电解质，并配以镍基电极，此外，还可以使用带有氧化钌或氧化铱涂层的钛电极。 AEL电解槽的工作温度为 40 至 90 °C，压力为 1 至 30 巴。这种类型的电解槽从 20 世纪 50 年代开始使用，具有出色的长期稳定性。

PEM（质子交换膜，酸性电解槽）： 这种电解槽使用蒸馏水或饮用水，其使用可渗透质子的聚合物膜作为电解质，阴极一侧涂有铂/碳，阳极一侧涂有氧化铱或氧化钌。其双极板由钛制成，此外，还有可逆式PEM，既可用作燃料电池，也可用作电解槽，与储氢系统结合使用时，可用于储能目的。PEM 电解槽基本上无需维护，与 AEL 电解槽不同，这种电解槽可以在几秒钟内从待机模式进入满负荷运行，这一点在储存风能时尤为重要。

SOE（固体氧化物电解，固体氧化物电解槽）：半电池之间的电解质是一种陶瓷材料，水以蒸汽的形式供应。SOE电解槽的工作温度为 600 至 900 °C（高温电解），效率很高（超过 80%），部分原因是由于多余的能量以热量的形式耦合进来。

AEM（阴离子交换膜）： 其特点是离子导电膜的两面都涂有催化剂，与 PEM 电解槽不同的是，氢氧根离子 (OH-) 会通过这种膜。最近开发的 AEM 电解槽中的膜比 PEM 电解槽中的膜更具成本效益，它夹在气体扩散层之间，组件两侧的端板是钢制双极板，其效率为 62.5%，产生的氢气纯度为 99.9%。

与氢有关的风险是可控的

从安全角度来看，所有工艺是相似的。生产氢气时，氢气最初以溶解在水中的气体形式存在，如果任何电解质泄漏，都可能导致氢气释放。氢气可与生产过程中产生的氧气和/或环境空气结合，形成爆炸性极强的混合物，爆炸范围极广，含量在 4 Vol% 到 77 Vol% 之间的混合物都可能发生爆炸，而引发爆炸只需要极小的点火能量（0.02 mJ）。因此，氢被列入最危险的点火类别 IIC，极高的火焰传播速度使氢气爆炸具有惊人的破坏力。

100 多年的氢气使用经验使化工行业对这些相关风险以及如何降低风险有了很好的认识。防爆保护目前以 IEC 60079 和 IEC 80079 系列标准作为规范，国际标准 ISO 22734 规定了与电解系统的安全建造和运行有关的要求。

通过适当的设计和构造实现初级防爆

首先是要防止爆炸性混合物的产生，采取措施以确保整个系统密封，防止氢气泄漏是初级防爆保护的支柱之一，即使只检测到微量的氢气，周围区域的气体传感器也会发出警报，确保这些初级防爆措施到位极其重要。氢分子的尺寸仅为 0.276 纳米，小得令人难以置信，它可以在许多金属材料中扩散，使金属变脆，因此，与大多数其他工艺比，设备和管道接合处的防漏工作更加复杂和费力。对于高温工序（如 SOE），严格的要求尤其重要，因为 SOE 的温度超过了氢气的最低点燃温度（585 °C），同时还必须采取措施防止形成的氢气被氧气污染。

区域划分和二级防爆保护

系统制造商必须进行风险评估–这些评估能系统地确定潜在的危险以及必要的应对措施，安全策略则必须以IEC 60079-10-1中规定的区域划分系统为基础—生产运营商对此负责，这不仅要考虑电解槽，还要考虑下游气体调节系统、所有压缩机、管道和存储系统，根据可能出现危险爆炸性气体环境 (HEA) 的持续时间和频率来划分危险区域：

0 区：持续、长期或频繁出现危险性爆炸环境的区域。

1 区：在正常操作中可能偶尔出现危险性爆炸环境的场所。

2 区：在正常运行中不会或不可能发生危险性爆炸环境，即使发生也只会持续很短时间的地方。

这种区域划分系统构成了二级防爆保护的基础，其重点是防止引燃源。2区关键区域的一个例子可能是电解槽正在运行的房间天花板正下方的区域，是否需要将这一区域划分为 2 区，取决于是否采取了其他减轻影响的组织和技术措施。例如，在该区域进行强制通风可以防止氢气积聚到临界爆炸水平，由于气态氢的消散速度非常快，这通常足以将爆炸风险降至最低，因此，无需对该区域进行区域划分。

低压和高压电解槽的不同方法

对于工作压力不超过50毫巴的常压电解系统，只要氢气泄漏量控制在可忽略不计的范围内，通常就能达到上述要求，这一标准必须通过定期监测和检查设备以及在必要时更换密封件等部件来持续保持。此外，气体探测器也是一种保障措施，一旦室内的氢气浓度达到不允许的水平，探测器就会立即发出警报。

对于工作压力高达100巴的高压电解系统来说，这些气体探测器至关重要，如果情况需要，它们可能需要提前关闭系统。一般来说，电池组周围0.5米的区域以及延伸至天花板的区域被划分为2区，虽然高压系统在能效上是有利的，但需要精确了解压力和温度对氢氧系统爆炸极限的影响。为了防止出现氢气被氧气污染的危险情况（例如，由于在加工过程中气体分离不当），专家们还必须仔细确定渗透率和泄漏率，同时电解槽的操作也必须十分小心。

在2区经防爆认证的设备

不言而喻，只有获得相应认证的设备才能用于0区至2区。 即使员工在工厂周围走动时通常只停留在2区，但便携式设备最好用于 0 区，这样才能最大程度地确保安全。防爆1区和2区的操作屏，Ex d隔爆或Ex e增安的电气箱可以安装在电解槽附近。继电器和变送器供电模块也需要具有1区或2区的防爆认证。控制柜也可配备通风系统，以防止氢气积聚到临界水平。

总结和未来发展： 千兆瓦级系统的全面防爆保护

氢气生产需要遵守严格的法规。法规对氢气系统中的电解槽和其他设备的初、二级和三级防爆保护有特殊要求，其具体取决于它们的类型、构造和运行方式。严格的安全要求也适用于输送水或电解液的泵、气体干燥器和其他一系列设备，此外，还必须采取措施，确保用于为系统供电和控制系统的产品，以及任何风扇、灯具、传感器和许多其他装置始终安全可靠地运行，并确保一旦形成氢气-空气混合物，它们不会将其点燃。设计用于大规模生产的电解系统时必须特别小心，除了安全方面的考虑外，还必须优化其可靠性，这为未来生产模块化、千兆瓦级系统奠定了基础，而这些系统将在采用绿色的、候中和技术在安全可靠地供电方面发挥重要作用。