电解槽的合适防爆方案

绿色电力的过剩产量可以储存，并用于电解槽生产氢气。这种“电转气”方法被认为将在电力供应部门实现气候中和目标中扮演关键角色。全球研发团队正在致力于改进各种电解技术，并将其扩展到兆瓦级和吉瓦级规模的电解槽中。这些设备需要达到最高的效率、安全性和可靠性。那么，对于防爆保护而言，这些要求意味着什么？

水电解的历史可以追溯到很久以前。早在1800年，英国化学家首次利用电流将水分解为氢气和氧气。约40年后，科学家们成功逆转了这一过程，从两种气体的反应中产生电力——这便是燃料电池的基础。但直到20世纪初，氢才首次作为一种有用的化学原料被广泛关注。那时，哈柏-博施法被发明出来，使得人类能够将氢和氮合成氨（最终转化为化肥）。为了满足这一过程所需的大量氢气，煤气化和天然气蒸汽重整法（天然气和水）一直是主要手段。但与电解法不同，这些方法会产生二氧化碳副产物，给地球气候带来负面影响。不幸的是，长期以来，电解槽技术并未发展成熟，未能成为实际的经济且环保的替代方案。

在20世纪70年代和80年代的第一次石油危机后，开发人员提出了氢作为能源载体的初步概念。在例如Hysolar这样的项目中，利用太阳能生产氢气。尽管这些工艺还远未具备经济性，但令人惊讶的是，人们当时并未全力优化这些工艺，尽管那时人们已意识到化石燃料是有限资源，许多专家也已警告大气中二氧化碳浓度的迅速增加已达到极其危险的水平。然而，1994年，Hysolar合作伙伴（沙特阿拉伯和德国）展示了世界上首个直接将光伏与水电解耦合的氢气生产技术。

不同的水电解方法

随着风力发电机和光伏设备越来越多地用于发电，有一点愈加清晰：利用多余绿色电力生产的氢将在向可持续能源过渡中发挥重要作用。为了实现能源部门耦合，氢气可以用作储能介质。水电解基于一个极为简单的原理，由两个部分反应组成，取决于所使用的溶液是酸性还是碱性。在酸性溶液中，氢和水在阴极由氢氧根离子（H3O+）形成；在阳极，水转化为氧气和氢氧根离子。

相比之下，使用氢氧化钾溶液或中性盐作为电解质时，水在阴极被转化为氢气和氢氧根离子（OH-）；在阳极，水则反应生成氧气和氢氧根离子。

除了阴极、阳极和电解质容器外，用于这些工艺的水电解槽还配有一层膜（隔膜），它将阴极和阳极区域分开，防止生成的氢气和氧气接触，同时选择性地允许生成的离子（在酸性电解槽中为H+，在碱性电解槽中为OH-）通过，从而闭合电路。

现在有多种水电解槽，多个电解池单元排列成堆。除了使用的电解质种类不同外，它们在电解池的特定组件（例如膜、气体扩散层（GDL）、双极板和催化剂的类型）及电解过程中的温度和压力方面也各不相同。总体而言，所有电解槽都利用直流电将两个水分子分解为两个氢分子和一个氧分子。

最常见的电解槽类型如下

碱性电解槽（AEL）：通常使用氢氧化钾溶液作为电解质，配以镍基电极。或者，可以使用涂覆有氧化钌或氧化铱的钛电极。AEL电解槽在40至90°C和1至30巴的压力下运行，自1950年代起就已投入使用，具有出色的长期稳定性。

质子交换膜电解槽（PEM，酸性电解槽）：使用蒸馏水或饮用水。电解质是一种对质子通透的聚合物膜。阴极侧涂有铂/碳，阳极侧涂有氧化铱或氧化钌。双极板由钛制成。还存在可逆的PEM，既可作为燃料电池也可用作电解槽。结合氢气储存系统，这在储能方面很有用。PEM电解槽基本无需维护。与AEL电解槽不同，这种电解槽可以在几秒钟内从待机模式切换到满载操作，特别适用于储存风能。

固体氧化物电解槽（SOE，固体氧化物电解槽）：电解质是半电池间的陶瓷材料，以蒸汽形式供应水。SOE电解槽在600至900°C（高温电解）下运行，效率极高（超过80%），部分原因是额外的热能被耦合进来。

阴离子交换膜电解槽（AEM）：具备一层离子导电膜，双面涂有催化剂。与PEM电解槽不同，OH-离子通过此膜。新型AEM电解槽的膜成本显著低于PEM电解槽的膜。膜夹在气体扩散层之间，组件两侧的端板为钢双极板，效率为62.5%，生成的氢气纯度为99.9%。

氢气的相关风险是可控的

从安全角度来看，各种工艺在安全性方面相当。在生产过程中，氢气最初以溶解在水中的气体形式出现。如果电解液泄漏，可能导致氢气的释放。氢气可与生成的氧气和/或周围空气结合，形成极易爆炸的混合物，其爆炸范围非常广。含量在4%至77%之间的混合物可以爆炸。触发爆炸仅需微量的点火能量——0.02毫焦耳。这使得氢气被列为最危险的点火组别IIC。氢气爆炸的高火焰传播速度使其极具破坏性。

超过100年的氢气使用经验让化工行业对这些风险有了深入了解，并制定了相应的缓解措施。防爆保护目前由IEC 60079和IEC 80079系列标准进行规范。电解系统的安全结构和操作要求则在国际标准ISO 22734中有所规定。

通过适当的设计和结构实现一级防爆保护

首要任务是防止爆炸性混合物的产生。确保整个系统完全密封以防止氢气泄漏是一级防爆保护的支柱之一。即使检测到微量的氢气，周围环境中的气体传感器也会发出警报。确保这些一级防爆保护措施到位尤为重要。氢分子直径仅为0.276纳米，极其微小，能够渗透许多金属材料，这可能导致金属脆化。因此，使设备和管道接头密封的任务比大多数其他工艺更为复杂和费力。特别是对于SOE等高温工艺，温度远超氢气的最低点火温度（585°C），因此要求更为严格。此外，还必须采取措施防止生成的氢气受到氧气污染。

区域划分与二级防爆保护

系统制造商需进行风险评估，这些评估系统地识别潜在的危险及相应的防范措施。安全策略必须基于IEC 60079-10-1中规定的区域划分系统，由运营公司负责。需要考虑的不仅是电解槽，还包括下游的气体调节系统、压缩机、管道和储存系统。区域划分是基于爆炸性环境（HEA）可能出现的频率和持续时间来界定的：

区域0：爆炸性环境持续或经常出现的场所。

区域1：在正常操作中偶尔可能出现爆炸性环境的场所。

区域2：在正常操作中不大可能出现爆炸性环境，若出现则仅在短时间内存在。

该区域划分系统构成了二级防爆保护的基础，主要着眼于点火源的防范。例如，在操作电解槽的房间内，直接位于天花板下方的区域可能是关键的2区区域。是否需要将该区域分类为2区，取决于是否有其他缓解措施，例如在该位置提供强制通风，以防止氢气积累至危险浓度。由于氢气迅速扩散，通常这已足够减少爆炸风险，因此该区域不必被划为危险区。

低压和高压电解槽的不同处理方法

上述措施通常适用于运行压力不超过50毫巴的大气电解系统，前提是氢气泄漏仅为可忽略不计的微量。通过定期监测和检查设备，确保达到这一标准，同时根据需要更换密封等部件。此外，气体探测器是一种安全保障，当室内氢气浓度达到不允许的水平时将立即发出警报。

对于操作压力高达100巴的高压电解系统，气体探测器至关重要。如果情况需要，可能需要提前关闭系统。一般来说，电池块周围0.5米范围内并延伸至天花板的区域被划为2区。尽管高压系统在能量方面具有优势，但这要求对压力和温度对氢氧系统爆炸极限的影响有准确的认识。专家还需仔细确定渗透率和泄漏率。为了避免氢气被氧气污染的危险情况（例如，由于气体在过程中分离不当），电解槽的操作需格外谨慎。

用于0至2区的ATEX认证设备

显然，只有具备适当认证的设备才可用于划分为0区至2区的区域。便携式设备最好适用于0区，以确保最大安全性，即使员工通常仅在2区内活动。安装在电解槽附近的1区和2区的操作面板、带Ex d或Ex e防护外壳的防爆面板也需要相应的ATEX认证。继电器模块和变送器供电单元也应具备1区或2区的ATEX认证。控制柜可配备通风系统，以防止氢气积累至危险水平。

总结及未来发展

吉瓦级系统的全面防爆保护氢气生产受严格的法规约束。根据电解槽及氢气系统内其他装置的类型、结构和操作模式，针对一级、二级和三级防爆保护的特别要求适用。这些严格的安全要求也适用于水和/或电解液输送泵、气体干燥器及其他设备。此外，还需确保供电、控制系统的设备、风扇、灯具、传感器等装置能够始终安全可靠地运行，且在氢气-空气混合物形成时不会点燃。为实现批量生产设计的电解槽系统尤其需注重安全性与可靠性。