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アルカリ電解水素製造プロセスにおいて、裝置をいかに安定運(yùn)転させるかは、電解槽自體の品質(zhì)に加え、灰汁循環(huán)量の設(shè)定も重要な影響因子となります。

最近、中國(guó)工業(yè)ガス協(xié)會(huì)水素専門委員會(huì)の安全生産技術(shù)交流會(huì)で、水素水電解水素運(yùn)転メンテナンスプロジェクトの責(zé)任者である黃利は、水素とアルカリ循環(huán)量の設(shè)定について、実際のテストと運(yùn)転メンテナンス工程での経験を紹介した。

以下為論文原文。

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四川亜聯(lián)水素エネルギー有限公司は、25年にわたり水素製造に特化し、水素エネルギー分野に最初に參入した企業(yè)であり、國(guó)家デュアルカーボン戦略の中で、電解槽のランナー設(shè)計(jì)、設(shè)備製造、電極めっき、電解槽の試験、運(yùn)転保守など、グリーン水素技術(shù)と設(shè)備の開発を拡大し始めた。

當(dāng)社は、アルカリ電解槽での水電解による水素製造プロセスにおいて、電解槽內(nèi)の灰汁の循環(huán)方法や循環(huán)流量の設(shè)定が、電解効率やガス純度、電解槽內(nèi)機(jī)器の壽命に重要な影響を及ぼすことを、実際の試験や運(yùn)転保守の中で見出してきました。

壹

アルカリ電解槽の動(dòng)作原理

電解液を満たした電解槽に直流電流を流すと、電極上で水分子が電気化學(xué)的に反応し、水素と酸素に分解される。 電解液の導(dǎo)電性を高めるため、一般的な電解液は水酸化カリウム30％または水酸化ナトリウム25％の濃度の水溶液である。

電解槽は複數(shù)の電解室で構(gòu)成されている。 各室は陰極、陽極、隔膜、電解液で構(gòu)成されている。 隔膜の主な機(jī)能はガスの透過を防ぐことである。 電解槽の下部には共通の入口と出口ポートがあり、上部はアルカリとオキシアルカリの気液混合流路になっている。 ある電圧の直流に通して、電圧がある値以上の水の理論分解電圧1.23Vと熱中性電圧1.48Vを超えると、電極と液體界面の酸化還元反応が起きて、水が水素と酸素に分解される。

貳

灰汁の循環(huán)方法

1??水素?酸素側(cè)灰汁混合サイクル

この形式の循環(huán)では、灰汁は水素分離器と酸素分離器の下部にある接続パイプを通って灰汁循環(huán)ポンプに入り、冷卻とろ過の後、それぞれ電解槽の陰極室と陽極室に入る。 混合循環(huán)の長(zhǎng)所は、構(gòu)造が簡(jiǎn)単で、工程が短く、コストが低く、電解槽の陰極室と陽極室への灰汁の循環(huán)量を同じ大きさにできることである。短所は、一方では水素と酸素の純度に影響を與える可能性があり、他方では水素-酸素分離器のレベルが調(diào)整不能になり、水素と酸素が混合する危険性が高まる可能性があることである。 現(xiàn)在、灰汁混合サイクルの水素-酸素側(cè)は最も一般的なプロセスである。

2??水素と酸素の灰汁側(cè)獨(dú)立循環(huán)

この形式の循環(huán)には、2臺(tái)の灰汁循環(huán)ポンプ、すなわち2つの內(nèi)部循環(huán)が必要である。 水素分離器の底にある灰汁は、水素側(cè)循環(huán)ポンプを通過し、冷卻?濾過された後、電解槽の陰極室に入り、酸素分離器の底にある灰汁は、酸素側(cè)循環(huán)ポンプを通過し、冷卻?濾過された後、電解槽の陽極室に入る。 灰汁を獨(dú)立して循環(huán)させる利點(diǎn)は、電解によって生成される水素と酸素が高純度であり、水素分離器と酸素分離器の混合の危険性を物理的に回避できることである。欠點(diǎn)は、構(gòu)造と工程が複雑であり、コストが高いことである。また、両側(cè)のポンプの流量、揚(yáng)程、動(dòng)力を同じパラメーターに一致させる必要があるため、操作が複雑になり、両側(cè)のシステムの安定性を制御する要求が前面に押し出される。

叁

電解水による水素発生に及ぼす灰汁循環(huán)流量の影響と電解セルの使用條件

1??灰汁の過剰循環(huán)

（1）水素と酸素の純度への影響

灰汁中の水素と酸素は一定の溶解度を持っているため、循環(huán)が大きすぎて、溶存水素と酸素の総量が増加し、灰汁がチャンバー內(nèi)に入り、電解槽出口の水素、酸素純度が低下する。循環(huán)が大きすぎて、水素、酸素液體分離器の滯在時(shí)間が短すぎるため、ガスが完全に分離されず、再び灰汁が電解槽內(nèi)に入り、電解槽の電気化學(xué)反応の効率と水素と酸素の純度に影響を與え、さらに これは電解槽の電気化學(xué)反応の効率と水素と酸素の純度に影響を與え、さらに水素と酸素の精製設(shè)備の脫水素と脫酸素の能力に影響を與え、水素と酸素の精製効果が悪くなり、製品の品質(zhì)に影響を與える。

（2）タンク溫度への影響

灰汁冷卻器の出口溫度が変わらないという條件下では、灰汁の流量が多すぎると電解槽から多くの熱を奪うことになり、その結(jié)果、槽の溫度が下がり、電力が増加する。

（3）電流と電圧への影響

灰汁の過度の循環(huán)は電流と電圧の安定性に影響を與える。 過剰な液體の流れは、電流と電圧の正常な変動(dòng)を妨げ、電流と電圧が安定しにくくなり、整流器キャビネットと変圧器の作動(dòng)狀態(tài)に変動(dòng)を引き起こし、水素の生産と品質(zhì)に影響を與える。

（4）エネルギー消費(fèi)の増加

過剰な灰汁循環(huán)はまた、エネルギー消費(fèi)量の増加、運(yùn)用コストの増加、システムのエネルギー効率の低下につながる可能性があります。 主に補(bǔ)助冷卻水內(nèi)部循環(huán)システムと外部循環(huán)スプレーとファン、冷水負(fù)荷などの増加で、消費(fèi)電力が増加するように、総エネルギー消費(fèi)量が増加します。

（5）機(jī)器の故障の原因

灰汁の過剰な循環(huán)は、灰汁循環(huán)ポンプの負(fù)荷を増大させ、電解槽の流量、圧力、溫度の変動(dòng)の増大に対応し、その結(jié)果、電解槽內(nèi)部の電極、隔膜、ガスケットに影響を及ぼし、機(jī)器の故障や損傷、保守?修理の作業(yè)負(fù)擔(dān)の増大につながる可能性があります。

2??灰汁の循環(huán)が小さすぎる

（1）タンク溫度への影響

灰汁の循環(huán)量が不足すると、電解槽內(nèi)の熱の奪取が間に合わず、溫度が上昇する。 高溫環(huán)境下では、気相中の水の飽和蒸気圧が上昇し、水分量が増加するため、水分を十分に凝縮できないと、精製裝置の負(fù)擔(dān)が増加し、精製効果に影響を及ぼすほか、觸媒や吸著剤の効果や壽命にも影響を及ぼす。

（2）ダイアフラム壽命への影響

連続的な高溫環(huán)境はダイヤフラムの老化を加速し、性能を低下させるか、または破裂させ、水素および酸素の純度に影響を與える相互透磁率の両側(cè)のダイヤフラムを引き起こすことは容易である。 相互浸透が爆発の下限に近い場(chǎng)合、電解槽の危険性が大幅に増加する可能性があります。 同時(shí)に、継続的な高溫はまた、シールガスケットへの漏れ損傷を引き起こし、その壽命を短縮します。

（3）電極への影響

灰汁の循環(huán)量が少なすぎると、発生したガスが電極の活性中心から速やかに離れることができず、電解効率に影響する。電極が灰汁と十分に接觸して電気化學(xué)反応を行うことができないと、部分放電異常やドライバーニングが発生し、電極上の觸媒の脫落が促進(jìn)される。

（4 ）セル電圧への影響

灰汁の循環(huán)量が少なすぎると、電極の活性中心で発生した水素や酸素の気泡の持ち去りが間に合わず、電解液中の溶存ガス量が増えて小室の電圧が上昇し、消費(fèi)電力が増大する。

肆

最適灰汁循環(huán)流量の決定方法

上記の問題を解決するためには、灰汁循環(huán)システムが正常に作動(dòng)するよう定期的にチェックする、電解槽周辺の放熱條件を良好に保つ、灰汁循環(huán)量が多すぎたり少なすぎたりすることがないよう、必要に応じて電解槽の運(yùn)転パラメーターを調(diào)整するなど、対応策を講じる必要がある。

最適な灰汁循環(huán)流量は、電解槽のサイズ、槽數(shù)、運(yùn)転圧力、反応溫度、発熱量、灰汁濃度、灰汁冷卻器、水素-酸素分離器、電流密度、ガス純度などの要件、機(jī)器や配管の耐久性など、特定の電解槽技術(shù)パラメーターに応じて決定する必要があります。

技術(shù)パラメーター

 寸法4800x2240x2281mm

総重量40700Kg

チャンバー1830の有効サイズ、チャンバー數(shù)238

電解槽の電流密度5000A/m2。

操作圧力 1.6Mpa

反応溫度 90°C±5°C

一組の電気分解機(jī)のプロダクト水素の容積 1300Nm3/h

プロダクト酸素の量 650Nm3/h

DC の流れ 13100A の DC 電圧 480V

灰汁クーラー Φ700x4244mm

熱交換の區(qū)域 88.2m の 2 の

水素?酸素セパレーター Φ1300x3916mm

酸素セパレーター Φ1300x3916mm

水酸化カリウム溶液濃度30

純水抵抗値>5MΩ?cm

水酸化カリウム水溶液と電解槽の関係：

純水を?qū)щ娦预摔?、水素と酸素を取り出し、熱を奪う。 冷卻水の流れを利用して灰汁溫度を制御し、電解槽の反応溫度が比較的安定するようにし、電解槽の発熱量と冷卻水の流れがシステムの熱バランスと一致するようにすることで、最良の作業(yè)狀態(tài)と最も省エネな運(yùn)転パラメーターを?qū)g現(xiàn)します。

実際の操作に従って：

灰汁の循環(huán)量は60m3/hに制御されます。

冷卻水の開口率は約95%である。

全負(fù)荷時(shí)の電気分解機(jī)の反応溫度は90℃に制御。

電解槽の最適運(yùn)転條件の直流消費(fèi)電力は4.56kWh/Nm3H?である。

伍

結(jié)論

まとめると、水電解水素製造プロセスにおいて、灰汁の循環(huán)量は重要なパラメータであり、ガス純度、チャンバー電圧、電解槽溫度などに関係する。 タンク內(nèi)の灰汁交換のためには、循環(huán)量を2~4回/h/minで制御するのが適切である。 灰汁の循環(huán)量を効果的に制御することで、水電解水素製造裝置の長(zhǎng)期にわたる安定した安全運(yùn)転を保証します。

アルカリ性電解槽での水電解による水素製造プロセスでは、作業(yè)パラメーターと電解槽流路の設(shè)計(jì)の最適化が、電極と隔膜材料の選択と相まって、電流の増加、槽電圧の低下、エネルギー消費(fèi)の節(jié)減の鍵となる。