质子交换膜水电解制氢系统本质安全评估：基于喷射火与蒸气云爆炸的定量风险分析

针对质子交换膜水电解制氢系统（PEM）安全研究不足的问题，研究人员构建了集成ISPP与ISAPE的本质安全评估框架，量化分析了喷射火和蒸气云爆炸（VCE）风险。结果表明，氢水分离器出口管道在喷射火中辐射强度达94.24 kW/m2，设备破裂时VCE影响范围达25 m，为系统本质安全设计提供了理论依据与工程指导。

　　

随着全球能源结构转型加速，氢能作为高效清洁能源载体备受关注。质子交换膜水电解（PEMWE）制氢技术因其低碳特性成为绿色氢能生产的重要路径，但系统复杂性和高压氢氧环境带来的安全隐患长期未被充分研究。现有安全评估方法如PIIS、ISI等依赖静态参数，难以全面量化动态风险，而传统定性分析（如HAZOP）无法精准预测事故后果。更严峻的是，氢水分离器等关键设备在泄漏或破裂时可能引发喷射火（辐射强度超90 kW/m²）或蒸气云爆炸（VCE），威胁半径达25米，这对工业安全设计提出重大挑战。

为突破这一瓶颈，中国某研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，创新性地融合了本质安全工艺管道评估（ISPP）与设备评估（ISAPE）框架，首次实现对PEM系统全组件的定量风险分析。通过多物理场耦合建模，该工作量化了不同事故场景下热辐射与冲击波的影响范围，填补了该领域系统性风险数据的空白。

研究采用三大关键技术：1）基于TNT当量法的爆炸风险评估，用于计算VCE冲击范围；2）计算流体动力学（CFD）模拟喷射火热辐射分布；3）概率风险评估模型整合设备失效概率与后果严重度。样本数据来源于某氢能公司的实际PEM系统设计参数。

研究结果
PEM电解水系统：系统核心为质子交换膜电解槽，阳极反应2H₂O→4H⁺+4e^-，阴极产生高纯氢气。辅助设备包括氢水分离器、加热塔冷凝器等，构成潜在风险节点网络。

方法论：建立的评估框架包含指标化与风险计算双模块，突破传统静态参数局限，引入动态过程参数（如氢氧交叉渗透率）与设备失效概率。

结论：氢水分离器出口管道在喷射火中辐射强度达94.24 kW/m²（超人体耐受极限10倍）；设备整体破裂时，该分离器VCE影响范围最大（25米）；小孔径泄漏场景下，加热塔出口冷凝器VCE风险最显著（14米）。

讨论与意义
该研究首次系统量化了PEM制氢系统的设备与管道风险层级，揭示氢水分离器和冷凝器为关键风险源。相比前人工作（如Janssen的爆炸限研究或Grigoriev的催化剂改性方案），本框架实现了从定性防护到定量预测的跨越，为本质安全设计（Inherent Safety）提供数据支撑。实际应用中，可依据评估结果优化设备布局（如风险半径内禁设控制室）或优先强化高风险组件材质。研究获国家自然科学基金（U24B6017）支持，成果对推动绿色氢能安全产业化具有里程碑意义。