氢安全系列之七：制氢安全

admin

从这一期开始我们将从制氢，储氢，运输和使用四个环节分别讨论氢安全问题。

本期的主题是制氢安全。首先看一下有哪些制氢方法，再来讨论制氢安全。

制氢方法

制氢原料按来源可以分为化石燃料和可再生原料两大类。

化石燃料来源包括天然气，石油和煤。

可再生原料包括生物质和水。

从能源转换的角度看化石燃料和生物质制氢是化学能至化学能。

而水制氢是电能转换为化学能。

天然气制氢的方法包括蒸汽重整，甲烷裂解，等离子重整，干式重整。

（甲烷）蒸汽重整

Steam Methane Reforming（SMR）

目前最便宜的工业制氢方式。全世界接近50%的制氢采用这种方式。

重整过程分两阶段，

第一阶段甲烷与水反应产生一氧化碳和氢，

CH4 + H2O → CO + 3 H2

第二阶段一氧化碳和水反应产生

CO + H2O → CO2 + H2

注:天然气的主要成分为甲烷

SMR制氢工厂(图片来源：Linde）

甲烷裂解

Methane pyrolysis

甲烷经催化剂裂解为氢气和固态的碳

制氢过程没有温室气体排放，也不会污染地下水

CH4(g) → C(s) + 2 H2(g)

等离子重整

Plasma reforming

轻烃经等离子加热至1600°C，产生氢气和碳，没有二氧化碳排放。

干式重整

Dry reforming

天然气在二氧化碳气流中重整。

石油（重烃）不适合采用蒸汽重整方法制氢，是通过部分氧化工艺制氢

部分氧化

Partial oxidation

重烃通过部分氧化生成一氧化碳和氢气的混合气体。

CnHm + n/2 O2 → n CO + m/2 H2

部分氧化过程示意图（图片来源：Linde Gas)

煤制氢采用的煤气化工艺，一种用途是在发电厂，将煤气化后的可燃混合气体燃烧或者通过燃料电池发电，另一种用途是直接将煤气化后的可燃混合气体作为气体燃料注入燃气管网。

煤气化

Coal gasification

煤碳与蒸汽，氧气反应产生含有氢气，一氧化碳，二氧化碳，甲烷的混合气体。

煤碳气化过程示意图（图片来源：网络）

生物质原料制氢是生物质能源利用的一种方式或者是生物质能源综合利用的副产品。

生物质气化

Biomass gasification

通过高温，化学，生物科技(Biohydrogen routes)等各种方法生产可再生燃料（如乙醇）和天然气（甲烷氢气等混合气）

生物质燃料加工（图片来源：网络）

水制氢的主要方法是电解水。电解水制氢又分碱性电解，PEM和SOEC三种方法。除了电解水制氢，还有很多其他将水分解制氢的方法，不过电解水制氢目前还是最成熟，成本最低的水制氢方法。

碱性水电解

Alkaline Electrolysis

碱性电解是一项成熟的制氢技术，将电极插入碱性电解液中（通常是氢氧化钾NaOH溶液）将水电解为氢和氧。

H2O → H2 + 1/2 O2

电解槽(图片来源V Magazine)

电解水制氢系统（图片来源:Hydrogenics）

质子交换膜电解和固体氧化物电解

PEM Electrolysis，SOEC Electrolysis

PEM和SOEC是燃料电池(PEMFC和SOFC)发电的逆向过程。与碱性电解方法一样，也是直接将水电解为氢和氧。

PEM电解制氢系统（图片来源：H-TEC）

PEM电堆（图片来源：H-TEC）

水电解制氢过程不需要复杂的化学工艺，通过水的电解将电能转化为化学能。如果使用太阳能，风能发电制氢，能源和原料都是可再生的，且没有污染，没有碳排放。虽然目前(2020)全球只有大约4%的氢生产是通过电解水制氢。但毫无疑问水电解制氢是未来的方向。

[color=inherit !important]应不应该对燃料电池（氢能源）继续抱有幻想？148 赞同 · 41 评论回答

目前电解水制氢的效率是70-80%（约有20%-30%的能量损失），提升制氢的效率是电解制氢技术发展的重要课题。

化学辅助电解

Chemically assisted electrolysis

将外部输入燃料与电解槽内的氧气通过电化学反应产生热量，以减少电解的电能消耗。

核方法

Nuclear method

放射分解Radiolysis是通过核辐射将水分子分解

热分解Thermolysis是将水加热至2500°C而热分解

温度化学循环

Thermochemical cycle

一种将化学反应与外部加热（比如光热系统）结合的方法。

硅铁合金方法

Ferrosilicon method

硅铁合金与水反应快速产生氢气，多用于军事。

光生物水分离

Photobiological water splitting

通过藻类光合作用制氢。

光催化水分离

Photocatalytic water splitting

通过特殊的光催化剂直接用光能制氢，相当于将光伏发电和电解制氢两个步骤合并成一个步骤，以提高效率。

纳米铝合金粉末

Nanogalvanic alumimum alloy powder

目前还处于实验室阶段的一种制氢方法。

各种制氢方法总结如下表。

表一：化石燃料制氢（来源：自制）

表二：可再生原料制氢（来源：自制）

制氢安全

虽然目前工业制氢中超过90%都是使用化石燃料，只有4%左右是电解水制氢。但是电解水制氢，特别是采用太阳能，风能发电制氢，能源和原料都是可再生的，没有污染，没有碳排放，即所谓的绿氢，无疑将是未来的发展方向。

eFarm项目，德国Schleswig-Holstein（图片来源：H-TEC）

所以在这个系列里对制氢安全的讨论只会限定在电解制氢过程。

电解制氢，无论是PEM/SOEC电解还是碱性水电解，都是将水分解为氢气和氧气，氢气从阳极析出，氧气从阴极析出。由于氢气与氧气的混合气体会产生爆炸性环境，（见本系列文章之二，防爆基础知识），如何有效的分离氢气和氧气避免出现爆炸性环境就是电解制氢过程的一个最主要的安全议题。

[color=inherit !important]氢安全系列之二：防爆基础知识24 赞同 · 2 评论文章

PEM电解系统的主要组成部分:

• 过程仓：包括与电解过程相关的器件，如阀，管路，电堆，压力容器，泵，水源和气源输入及预处理单元等
• 电气仓：包括各种电气部件，如配电系统，电源系统，控制系统，电气散热系统等。
• 电解过程的制冷系统，换热系统等
• 外壳
  

电解过程要采取保护措施防止氢气，氧气在电堆和分离器内部混合聚集形成爆炸性环境，这往往是通过精确的过程控制以及物理测量监控实现的（比如水流，水位，反应温度，压力，电压，电流，氢气浓度等等）。

此外要防止氢气从过程容器和管路中泄露至过程仓，防止过程仓内产生爆炸性环境。防护措施包括改善过程容器和管路的密封性能，通过强排风降低可能的氢气浓度至爆炸浓度下限，氢浓度检测及报警系统，采用ATEX认证的传感器和其他电气部件等。

见本系列第一阶段文章

[color=inherit !important]氢安全系列之三：防爆分区及设备保护等级18 赞同 · 0 评论文章

[color=inherit !important]氢安全系列之四：防爆设备上12 赞同 · 0 评论文章

[color=inherit !important]氢安全系列之五：设备防爆标志及设备选型9 赞同 · 0 评论文章

[color=inherit !important]氢安全系列之六：防爆设备下8 赞同 · 7 评论文章

对于电气仓的电气设备，无论从技术可行性还是成本角度都不大可能选用有ATEX认证的设备，可以通过整体结构布局和适当的保护措施将电气仓划分为安全区。

碱性水电解系统与PEM/SOEC电解系统类似，主要风险也是爆炸风险，采用的防护措施类似。除了爆炸风险，碱性水电解系统还有一个风险是碱性电解液泄露，应有保护措施防止在泄露情况下碱性电解液对环境的腐蚀，比如泄露电解液的收集池和隔离层等。

除了防爆风险，电解制氢系统还要考虑电气安全，机械安全，电池兼容，和环境方面(比如噪声，化学污染)的风险。

此外电解制氢系统自身的防爆风险，还要考虑场地的防爆风险。由于未来的电解制氢系统往往会与光伏和风能发电系统建在同一场地以建立新能源发电与制氢的一体化设施。场地的防爆风险必须充分考虑，合理布局并有足够的安全措施。

欧盟MYRTE项目场地俯瞰，地点：Ajaccio, Corsica, Fance

(图片来源:University of Corsica)

场地布局

(图片来源:University of Corsica)

————2022/8/25更新—————

简单做了一个氢与电网在未来能源系统中的基石地位的示意图，谨供参考。