在堿性電解槽制氫工藝中，如何讓裝置運(yùn)行穩(wěn)定運(yùn)行，除了電解槽本身質(zhì)量外，其中堿液循環(huán)量的設(shè)置也是一個重要影響因素。
近期，在中國工業(yè)氣體協(xié)會氫氣專業(yè)委員會安全生產(chǎn)技術(shù)交流會上，亞聯(lián)氫能水電解制氫運(yùn)維項(xiàng)目負(fù)責(zé)人黃利將我司在實(shí)際測試和運(yùn)維過程中，有關(guān)氫堿液循環(huán)量設(shè)置上的經(jīng)驗(yàn)做了技術(shù)分享。
以下為論文原文。
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在國家雙碳戰(zhàn)略背景下，專業(yè)制氫25年，最早涉足氫能領(lǐng)域的四川亞聯(lián)氫能科技股份有限公司開始拓展綠氫技術(shù)和設(shè)備的開發(fā)，包括電解槽流道設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、極板電鍍以及電解槽測試和運(yùn)維。
我司在實(shí)際測試和運(yùn)維中發(fā)現(xiàn)，在堿性電解槽水電解制氫工藝中，電解槽堿液循環(huán)方式和循環(huán)流量的設(shè)置對電解效率、氣體純度及電解槽設(shè)備壽命有著重要影響。
壹
堿性電解槽工作原理
通過在充滿電解液的電解槽中通入直流電，使水分子在電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，分解成氫氣和氧氣。為了增強(qiáng)電解液的導(dǎo)電性,一般電解液是濃度為30%氫氧化鉀或25%氫氧化鈉的水溶液。
電解槽由若干個電解小室組成。每個電解小室由陰極、陽極、隔膜及電解液構(gòu)成。隔膜的主要作用是防止氣體滲透。在電解槽內(nèi)下部有共用的進(jìn)液口和排污口，上部為堿和氧堿的氣液混合體流動通道。通入一定電壓的直流電，當(dāng)電壓超過水的理論分解電壓 1.23v和熱中性電壓1.48V以上某個值時(shí)，電極和液體界面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，水被分解成氫氣和氧氣。
貳
堿液的循環(huán)方式
1??氫、氧側(cè)堿液混合循環(huán)
這種循環(huán)形式中，堿液通過氫分離器與氧分離器底部的連通管道進(jìn)入堿液循環(huán)泵，經(jīng)過冷卻、過濾，然后分別進(jìn)入電解槽的陰極室和陽極室?；旌涎h(huán)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、流程短、造價(jià)較低，能確保進(jìn)入電解槽陰極室和陽極室堿液循環(huán)量大小一致；缺點(diǎn)是一方面可能會影響氫氣、氧氣純度，另一方面可能會引起氫氧分離器液位失調(diào),從而造成氫氧混合風(fēng)險(xiǎn)增大。目前，氫氧側(cè)堿液混合循環(huán)是最為常見的工藝流程。
2??氫、氧側(cè)堿液獨(dú)立循環(huán)
這種循環(huán)形式需要兩臺堿液循環(huán)泵，即兩個內(nèi)循環(huán)。氫分離器底部的堿液通過氫側(cè)循環(huán)泵，經(jīng)過冷卻、過濾，再進(jìn)入電解槽的陰極小室；氧分離器底部的堿液通過氧側(cè)循環(huán)泵，經(jīng)過冷卻、過濾，再進(jìn)入電解槽的陽極小室。堿液獨(dú)立循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)是電解產(chǎn)生的氫氣、氧氣純度高，物理上避免了氫、氧分離器混合風(fēng)險(xiǎn)；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和流程復(fù)雜、造價(jià)較高，還需要確保兩側(cè)泵的流量、揚(yáng)程、功率等參數(shù)的一致，增加了操作上的復(fù)雜性，對系統(tǒng)兩側(cè)的穩(wěn)定提出控制要求。
叁
堿液循環(huán)流量對電解水制氫及電解槽工作狀況的影響
1??堿液循環(huán)量過大
（1）對氫、氧純度的影響
由于氫氣和氧氣在堿液中有一定的溶解度，循環(huán)量過大使溶解的氫氣、氧氣總量增加，隨堿液進(jìn)入各小室，引起電解槽出口氫、氧的純度降低；循環(huán)量過大導(dǎo)致在氫、氧氣液分離器停留時(shí)間過短，未完全分離的氣體重新隨堿液帶入電解槽內(nèi)部，影響電解槽電化學(xué)反應(yīng)效率及氫、氧的純度，進(jìn)一步影響氫、氧純化設(shè)備對脫氫、脫氧的能力，導(dǎo)致氫、氧純化的效果不佳，影響產(chǎn)品質(zhì)量。
（2） 對槽溫的影響
在堿液冷卻器出口溫度不變的條件下，堿液流量過大，會帶走更多的電解槽內(nèi)熱量，造成槽溫下降，功率增加。
（3）對電流電壓的影響
堿液循環(huán)量過大會影響電流電壓的穩(wěn)定性。過快的液體流動會干擾電流電壓的正常波動，造成電流電壓不易穩(wěn)定，使整流柜、變壓器工作狀態(tài)產(chǎn)生波動，進(jìn)而影響氫氣的產(chǎn)量和質(zhì)量。
（4）增加能耗
堿液循環(huán)量過大還可導(dǎo)致能耗增加，增加運(yùn)行成本，降低系統(tǒng)能量效率。主要表現(xiàn)在增加輔助冷卻水內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)和外循環(huán)噴淋及風(fēng)機(jī)、冷凍水的負(fù)荷等，使耗電增加，總能耗增加。
（5）引起設(shè)備故障
堿液循環(huán)量過大，增加了堿液循環(huán)泵的負(fù)荷，對應(yīng)電解槽的流速、壓力和溫度波動增大，進(jìn)而對電解槽內(nèi)部的電極、隔膜和墊片產(chǎn)生影響，從而可能引起設(shè)備故障或損壞，維護(hù)和修理工作量增大。
2??堿液循環(huán)量過小
（1）對槽溫的影響
當(dāng)堿液循環(huán)量不足時(shí)，電解槽內(nèi)的熱量不能被及時(shí)帶走，導(dǎo)致溫度升高。高溫環(huán)境使氣相中水的飽和蒸汽壓升高，含水量增加，如水分不能充分冷凝，會增加純化系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，影響純化效果，同時(shí)還會影響催化劑和吸附劑的效果和壽命。
（2）對隔膜壽命的影響
持續(xù)高溫環(huán)境會加速隔膜老化，使其性能下降甚至破裂，易引起隔膜兩側(cè)的氫、氧相互滲透，影響氫氣、氧氣的純度。當(dāng)相互滲透接近爆炸下限使電解槽發(fā)生危險(xiǎn)的概率大大增加。同時(shí)持續(xù)高溫還會使密封墊片造成泄損壞，縮短其使用壽命。
（3）對電極的影響
堿液循環(huán)量過小，產(chǎn)生的氣體不能快速離開電極的活性中心，而影響電解效率；如電極不能與堿液充分接觸進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，將會發(fā)生局部放電異常和干燒情況，加速電極上催化劑的脫落。
（4 ）對小室電壓影響
堿液循環(huán)量過小，因電極活性中心生成的氫、氧氣泡不能被及時(shí)帶走，電解液溶解氣體量增加，引起小室電壓增加，電耗上升。
肆
確定最佳堿液循環(huán)流量的方法
解決上述問題，需采取相應(yīng)的措施，如定期檢查堿液循環(huán)系統(tǒng)，確保其正常運(yùn)行；保持電解槽周圍有良好的散熱條件；以及在必要時(shí)調(diào)整電解槽的操作參數(shù)，以避免堿液循環(huán)量過大過小的情況發(fā)生。
最佳的堿液循環(huán)流量需要根據(jù)具體的電解槽技術(shù)參數(shù)來確定，如電解槽尺寸、小室數(shù)、操作壓力、反應(yīng)溫度、發(fā)熱量、堿液濃度、堿液冷卻器、氫氧分離器、電流密度、氣體純度等要求，設(shè)備和管道的耐久性等因素。
技術(shù)參數(shù)尺寸：
4800x2240x2281mm
總重量40700Kg
小室有效尺寸1830、小室數(shù)238個
電解槽電流密度5000A/m2
操作壓力1.6Mpa
反應(yīng)溫度90℃±5℃
單套電解槽產(chǎn)品氫氣量1300Nm3/h
產(chǎn)品氧氣量650Nm3/h
直流電流13100A、直流電壓480V
堿液冷卻器 Φ700x4244mm
換熱面積88.2m2
氫、氧分離器Φ1300x3916mm
氧分離器Φ1300x3916mm
氫氧化鉀溶液濃度30%
純水電阻值>5MΩ·cm
氫氧化鉀溶液和電解槽的關(guān)系：
使純水具有導(dǎo)電性，帶出氫氣和氧氣，并帶走熱量。用冷卻水流量來控制堿液溫度使電解槽反應(yīng)的溫度相對穩(wěn)定，電解槽的發(fā)熱量和冷卻水的流量來匹配系統(tǒng)熱量平衡，達(dá)到最佳工況和最節(jié)能的運(yùn)行參數(shù)。
根據(jù)實(shí)際操作情況：
堿液循環(huán)量控制在60m3/h，
冷卻水的流量開度在95%左右，
電解槽滿負(fù)荷的反應(yīng)溫度控制在90℃，
最優(yōu)工況電解槽直流電耗4.56度/Nm3H?。
伍
總結(jié)
綜上所述，堿液循環(huán)量是水電解制氫工藝中一個重要參數(shù)，關(guān)系到氣體純度、小室電壓、電解槽溫度等參數(shù)。循環(huán)量控制在槽內(nèi)堿液更換次數(shù)2~4次/h/min為宜。通過有效地控制堿液循環(huán)量，確保水電解制氫裝備長周期穩(wěn)定安全運(yùn)行。
在堿性電解槽水電解制氫工藝中，優(yōu)化工況參數(shù)和電解槽流道設(shè)計(jì)，結(jié)合電極材料和隔膜材料選型是提高電流、降低槽電壓、節(jié)省能耗的關(guān)鍵。
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