固体氧化物电解池与堆栈测试最佳实践：安全高效制氢技术的关键突破

针对固体氧化物电解池(SOE)技术测试中缺乏标准化指导的难题，美国爱达荷国家实验室(INL)团队系统研究了从纽扣电池到500 kW级堆栈的测试方法。研究提出了基于集成安全管理系统(ISMS)的设计流程，详细阐述了蒸汽供应、热管理、电力转换等关键子系统设计规范，开发了涵盖HAZOP分析、ASME B31.3管道标准的安全评估体系，为SOEC/SOFC可逆系统提供了可扩展的测试解决方案，对推进MW级高温电解(HTE)系统商业化具有重要指导意义。

　　

在全球能源转型背景下，氢能作为清洁能源载体正受到前所未有的关注。然而，当前主流的碱性电解和质子交换膜电解技术面临效率瓶颈，而具有更高电能转化效率的固体氧化物电解池(SOEC)技术却因复杂的测试要求限制了其商业化进程。测试过程中需要精确控制高温(700-850°C)环境下的蒸汽供应、热平衡和气体循环，任何操作失误都可能导致价值数百万美元的堆栈损坏。更棘手的是，现有文献中缺乏系统性的测试指导，使得研究人员不得不依赖"工艺诀窍"这种难以量化的经验知识。

针对这一技术痛点，美国爱达荷国家实验室的研究团队Shaleena Jaison、Jan W. Lambrechtsen等人在《International Journal of Hydrogen Energy》发表了系统性研究成果。该团队基于对纽扣电池至500 kW级堆栈的多年测试经验，开发了一套完整的SOE测试方法论，重点解决了三个核心问题：如何确保测试过程的安全性？如何设计可适应不同规模测试的平衡装置(BOP)？如何获取可靠且可重复的实验数据？

研究采用了多尺度测试平台设计方法，结合HAZOP风险分析模型和ASME B31.3管道标准，开发了集成安全管理系统(ISMS)。关键技术包括：(1)分级蒸汽供应系统(气泡器/蒸汽发生器/锅炉)；(2)CE+T America Stabiliti 30C3双向功率转换系统；(3)热中性电压(TNV)控制策略；(4)氢气循环压缩与安全排放系统；(5)基于Dr?ger REGARD 3920的多气体监测系统。测试样本涵盖不同厂商提供的SOEC堆栈，在Azure(5kW)、Blue Star(25kW)等系列测试平台上验证方法论。

系统设计方法部分，研究团队提出了模块化设计理念。对于小型测试(如纽扣电池)，采用简化系统配置，通过气泡器产生蒸汽，直接利用电炉加热；而对于MW级系统，则采用锅炉蒸汽供应、热交换器余热回收等复杂配置。特别值得注意的是，研究详细分析了不同规模系统对NFPA 2氢气安全标准的具体实施要求，如通风系统需维持1 scf/min/ft²的换气速率，这对实验室安全设计具有直接指导价值。

在子系统设计章节，论文详细比较了三种蒸汽发生方法的优劣。研究发现，对于实验室规模测试，采用改良的Armstrong液体排放器的蒸汽系统能精确控制湿度，但存在下游冷凝风险；而MW级测试必须使用Chromalox CSSB-100A锅炉系统，其最大蒸汽产量达139 kg/h。一个关键发现是，锅炉压力波动主要源于给水温度变化——当注入15°C冷水时，压力会骤降68.9-137.9 kPa。研究团队通过增加90°C预热器成功解决了这一问题。

电力转换系统的设计突破尤为突出。研究证实，传统继电器控制的电源在断开连接时仍会吸收微小电流，导致堆栈电压异常下降。为此，团队创新性地采用Gigavac HX22大电流断路器和80A熔断器组合，配合四台30kW双向Stabiliti 30C3转换器，实现了12个堆栈的稳定供电。电压测量使用XTW-XT镍基合金导线，可耐受1200°C高温，确保在强电磁干扰环境下仍能获得准确数据。

在安全管理系统方面，研究提出了分层保护策略：一级保护采用硬件联锁(如氧浓度>40%时触发紧急停机)；二级保护通过PLC系统监控热梯度(限制在<100°C/m)；三级保护则是管理措施如LOTO(上锁挂牌)程序。特别值得关注的是对氢气回收系统的改进——早期设计的储氢罐因压缩机频繁启停导致隔膜损坏，改进后的连续泵送系统配合背压调节器，使运行寿命延长了3倍。

热管理部分的研究发现具有重要指导意义。研究量化了不同运行模式下的热收支：当工作电压低于1.29V(典型TNV)时，堆栈呈吸热状态；而高于TNV时则转为放热。这解释了为什么在启动阶段需要额外加热功率，而高负荷运行时又必须加强散热。团队开发的"热箱"设计(图7所示)通过氧化铝球蓄热层，成功将堆栈内部温差控制在±5°C以内。

这项研究的意义不仅在于提供了SOE测试的实用指南，更重要的是建立了可扩展的安全评估框架。研究提出的ISMS流程已成功应用于INL多个测试平台，支持了从基础研究到产业化的全链条开发。特别是对蒸汽纯度控制(硅含量<3 μg/L)、材料兼容性(316不锈钢抗氢脆)等细节的规范，为行业树立了质量标准。随着Topsoe等企业建设500MW级SOEC工厂，这些最佳实践将加速电解制氢技术的商业化进程。