一、引言

      在全球能源轉型的大背景下，氫氣作為一種清潔、高效且具有廣泛應用前景的能源載體，其制取技術備受關注。固態氧化物電解（SOEC）高壓氫氣發生器因在高溫工況下展現出較高的電解效率、可有效利用余熱以及能與多種熱源（如太陽能、核能、工業余熱等）耦合等顯著優勢，成為具潛力的大規模制氫技術之一。然而，高溫工況對設備的壓力穩定性提出了嚴苛挑戰，如何保障 SOEC 高壓氫氣發生器在高溫下壓力穩定，成為實現其大規模商業化應用的關鍵問題。本文將深入剖析該設備在高溫工況下壓力穩定性的設計原理。

二、SOEC 高壓氫氣發生器工作基礎原理

      SOEC 高壓氫氣發生器主要基于固體氧化物電解質在高溫環境下傳導氧離子或質子的特性來實現水電解產氫。其核心組件包括陽極、陰極和固體氧化物電解質。在工作過程中，水蒸氣被引入陰極側，在高溫和外加電場的作用下，由于是在高溫（通常為 600 - 1000℃）下進行電解，反應動力學得到促進，使得電解效率得以提升，同時減少了電能的消耗。

三、高溫工況對壓力穩定性的挑戰

3.1 材料熱膨脹與變形

      在高溫環境下，SOEC 高壓氫氣發生器的各部件材料會發生熱膨脹。不同材料的熱膨脹系數存在差異，這就導致在升溫或降溫過程中，部件之間會產生熱應力。例如，電極材料與電解質材料的熱膨脹不匹配，可能使電解質出現裂紋，破壞其氣密性，進而影響系統壓力穩定性。當溫度急劇變化時，這種熱應力還可能導致部件變形，如電解槽框架的變形可能使密封結構失效，造成氣體泄漏，引起系統壓力波動。

3.2 電極材料性能變化

      陰極材料在高溫高壓水蒸氣環境下，面臨著諸多性能衰減問題。以常用的 Ni - YSZ（鎳 - 釔穩定氧化鋯）金屬陶瓷材料為例，其中的 Ni 顆粒在高溫高濕條件下易發生團聚和遷移。隨著時間推移，Ni 顆粒團聚長大，使得電極的有效反應面積減小，電催化活性降低，電解反應速率改變，從而影響氫氣的產生速率，進一步導致系統壓力波動。此外，陽極材料在高溫下可能發生元素揮發等現象，影響其催化性能和電子傳導能力，間接對系統壓力穩定性產生不利影響。

3.3 氣體擴散與滲透

      高溫工況下，氣體分子的擴散速率加快。在 SOEC 內部，氫氣和氧氣在電極與電解質之間的擴散過程變得復雜。如果氣體擴散不均勻，會導致局部壓力差異。例如，在陰極側，若氫氣擴散受阻，會造成局部氫氣濃度過高，壓力升高；而在陽極側，氧氣的不均勻擴散也會引發類似問題。同時，固體氧化物電解質并非致密，在高溫高壓下，存在一定程度的氣體滲透現象。氫氧氣體的相互滲透不僅會降低電解效率，還可能引發局部的化學反應，產生額外的壓力變化，破壞系統壓力平衡。

3.4 化學反應熱與溫度分布

      SOEC 高壓氫氣發生器的電解過程是強吸熱反應，但在實際運行中，由于電阻等因素會產生一定的焦耳熱。若不能有效管理這些熱量，會導致系統內部溫度分布不均勻。溫度的不均勻會引起氣體的熱脹冷縮程度不同，進而產生壓力梯度。例如，電解槽中局部溫度過高，該區域的氣體膨脹，壓力升高，而低溫區域則相對壓力較低，這種壓力差會破壞系統整體的壓力穩定性，并且可能加速材料的老化和損壞。

四、壓力穩定性設計原理

4.1 材料選擇與優化

4.1.1 熱膨脹匹配材料

      為解決部件間熱膨脹不匹配問題，在選材時需重點考慮材料的熱膨脹系數。例如，選用熱膨脹系數與固體氧化物電解質相近的電極材料和連接材料。目前，一些新型復合電極材料被研發出來，通過在傳統 Ni - YSZ 中引入熱膨脹系數適配且具有高穩定性的納米氧化物（如 CeO?、Al?O?），形成復合結構。這種結構不僅能抑制 Ni 的團聚和遷移，還能有效調節材料整體的熱膨脹系數，使其與電解質更好地匹配，減少熱應力的產生，保障壓力穩定性。在連接材料方面，采用具有良好高溫性能和熱膨脹匹配性的玻璃陶瓷密封材料，其在高溫下能保持良好的密封性，同時與電極和電解質材料的熱膨脹兼容性好，降低因熱應力導致的密封失效風險。

4.1.2 高穩定性電極材料

      針對電極材料在高溫高壓下的性能衰減問題，研發新型高穩定性電極材料至關重要。例如，開發基于鈣鈦礦結構的陰極材料，這類材料在 SOEC 運行工況下具有優良的電化學穩定性和結構穩定性，能有效抵抗高溫水蒸氣環境的侵蝕，減少 Ni 基陰極材料常見的 Ni 顆粒團聚和遷移現象，維持電極長期穩定的電催化活性，確保氫氣產生速率穩定，從而有利于系統壓力穩定。此外，對現有電極材料進行表面改性處理，如在 Ni - YSZ 陰極表面涂覆一層具有抗高溫氧化和抑制顆粒團聚作用的涂層，也能顯著提高電極在高溫高壓下的性能穩定性。

4.2 結構設計優化

4.2.1 電解槽結構設計

       優化電解槽結構以促進氣體均勻擴散和降低局部壓力差。采用新型的流場設計，如在陰極和陽極側設計特殊的氣體流道結構，使水蒸氣和空氣（或氧氣）均勻分布在電極表面，保證電解反應在整個電極區域均勻進行，減少因氣體分布不均導致的局部壓力異常。例如，采用蛇形流道或多孔擴散層結構，能有效引導氣體流動，增加氣體與電極的接觸面積，提高氣體擴散效率，使氫氣和氧氣在生成過程中能均勻地從電極表面逸出，維持系統壓力平衡。同時，合理設計電解槽的尺寸和形狀，減少氣體在內部的滯留和死區，也有助于提升壓力穩定性。

4.2.2 密封結構設計

      高溫高壓環境下，可靠的密封結構是保障壓力穩定性的關鍵。采用先進的密封技術，如采用壓縮密封和焊接密封相結合的方式。在一些關鍵部位，先通過壓縮密封初步保證密封性，再輔以焊接密封，形成雙重密封保障。同時，選用高性能的密封材料，如一些耐高溫、高壓且具有良好柔韌性的橡膠基復合材料或金屬密封材料。這些材料在高溫下能保持良好的密封性能，且能適應部件的熱膨脹和微小變形，有效防止氣體泄漏，維持系統壓力穩定。此外，優化密封結構的幾何形狀，增加密封面的接觸面積和密封路徑的長度，也能進一步提高密封效果。

4.3 溫度與壓力控制策略

4.3.1 溫度控制系統設計

       構建精確的溫度控制系統以確保系統溫度均勻分布。采用多區域加熱和冷卻的方式，在 SOEC 高壓氫氣發生器內部設置多個溫度傳感器，實時監測各區域溫度。根據溫度反饋，通過調節加熱元件的功率或冷卻介質的流量，對不同區域進行針對性的溫度調節。例如，在溫度較高的區域增加冷卻介質流量，在溫度較低的區域提高加熱功率，使系統整體溫度保持在設定范圍內且分布均勻。同時，利用余熱回收系統，將電解過程中產生的多余熱量回收利用，用于預熱水蒸氣或其他需要加熱的工藝環節，既能提高能源利用效率，又能避免熱量積累導致的溫度不均和壓力波動。

4.3.2 壓力反饋控制機制

      建立完善的壓力反饋控制機制以實現壓力實時調節。在系統的進氣口、出氣口以及關鍵部位安裝高精度壓力傳感器，實時采集壓力數據。將壓力數據傳輸至控制系統，控制系統根據預設的壓力值與實際測量值的偏差，通過調節進氣流量、出氣流量或電解電流來調整系統壓力。當壓力高于設定值時，控制系統自動增大出氣流量或減小電解電流，減少氫氣生成量，使壓力降低；當壓力低于設定值時，則增大進氣流量或提高電解電流，增加氫氣生成量，使壓力回升。此外，采用先進的控制算法，如比例 - 積分 - 微分（PID）控制算法，對壓力變化進行快速、精確的響應，確保系統壓力穩定在目標范圍內。

4.4 氣體凈化與雜質管理

4.4.1 氣體凈化技術應用

       實際應用中的水蒸氣和其他反應氣體中常含有雜質，如硫、氯、磷等化合物，這些雜質會對 SOEC 高壓氫氣發生器的性能產生嚴重影響，進而破壞壓力穩定性。因此，在氣體進入系統前，采用高效的氣體凈化技術至關重要。例如，利用吸附劑去除氣體中的硫雜質，通過分子篩吸附氯、磷等雜質。常見的吸附劑有活性碳、金屬氧化物（如 ZnO 用于脫除 H?S）等，分子篩則根據其孔徑大小選擇性吸附不同尺寸的雜質分子。通過這些凈化技術，能有效降低氣體中的雜質含量，減少雜質對電極和電解質材料的毒害和腐蝕作用，維持系統正常運行，保障壓力穩定。

4.4.2 雜質監測與預警系統

      建立雜質監測與預警系統，實時監測氣體中的雜質濃度。在系統關鍵位置安裝雜質傳感器，如用于檢測硫含量的紫外熒光測硫儀、檢測氯含量的離子選擇性電極等。一旦雜質濃度超過設定的閾值，系統立即發出預警信號，并采取相應措施，如切換到備用凈化裝置、調整氣體流量或暫停系統運行進行維護。通過這種實時監測和預警機制，能及時發現并處理雜質問題，避免因雜質積累導致系統性能惡化和壓力異常波動。

五、結論

      固態氧化物電解（SOEC）高壓氫氣發生器在高溫工況下的壓力穩定性設計是一個涉及材料科學、結構工程、控制技術以及氣體處理等多學科領域的復雜問題。通過合理選擇與優化材料，確保部件在高溫下的熱膨脹匹配和電極性能穩定；精心設計電解槽和密封結構，促進氣體均勻擴散和防止泄漏；構建精準的溫度與壓力控制策略，維持系統溫度均勻和壓力穩定；以及采用有效的氣體凈化與雜質管理措施，減少雜質對系統的損害，能夠有效提升 SOEC 高壓氫氣發生器在高溫工況下的壓力穩定性。這不僅為該技術的大規模商業化應用奠定堅實基礎，也將有力推動氫能產業的發展，助力全球能源向清潔、可持續方向轉型。未來，隨著相關技術的不斷創新和完善，SOEC 高壓氫氣發生器有望在能源領域發揮更為重要的作用。

產品介紹

      SC-HPH高壓氫氣發生器是針對制藥?精細化工?高校科研等行業研發的一款緊湊型實驗室儀器;采用先進質子交換膜(SPE)電解制氫,直接電解純水,無需增壓泵,經過多級凈化,得到高壓高純氫氣?儀器內置多個高靈敏度壓力?溫度?液位傳感器，結合嵌入式操作系統，使維護更簡便,使用更安全,操作更友好,可替代氫氣鋼瓶?

產品特點：

1、電解純水制氫,無需加堿,純度高達99.999-99.9999%

2、4.3寸LCD觸摸屏,顯示各種運行參數,壓力流量一體式控制算法,自動化程度高

3、可自動補水,自動凈化水質,氫氣泄露及高壓報警,安全系數高

4、固態電解槽,貴金屬催化劑,壽命長,高壓下不變形,不漏水

       SPE電解制氫技術是通過直接電解純水產生高純氫氣（不加堿），電解池只電解純水即可產氫。通電后，在電解池的陰極產氫氣，陽極產氧氣，氫氣進入氫-水分離器進行氣液分離。氧氣排入大氣。氫-水分離器將氫氣和水分離。氫氣進入干燥器除濕后，經穩壓閥、調節閥調整到額定壓力由出口輸出。電解池的產氫壓力由傳感器控制在設定值，當壓力達到設定值時，電解池電源供應切斷；壓力下降，低于設定值時電源恢復供電產氫，維持壓差，維持氫氣穩壓穩流持續輸出。