碱液流量对水电解槽运行的影响

黄登高 ， 尹玉国 ， 胡石林 ， 阮　浩

(中国原子能科学研究院 ， 北京　102413)



•生产与实践•

碱液流量对水电解槽运行的影响

黄登高 ， 尹玉国 ， 胡石林 ， 阮浩

(中国原子能科学研究院 ， 北京102413)

摘要：主要研究碱液流量对水电解槽运行的影响。通过研究碱液流量对水电解槽的氧槽温和氢槽温、碱液冷却控制温度、脱氢塔和脱氧塔的出口温度、氢气纯度和氧气纯度、电解槽小室平均电压的影响，得到水电解槽电耗较低，气体纯度较高，运行平稳的碱液流量。

关键词：水电解槽 ； 碱液流量 ； 平稳运行

0前言

氢气是一种极其重要的工业原料气，它作为燃料、还原剂与冷却剂，被广泛应用于航天、气象、冶金、材料、电子与电力等行业，也是解决未来能源危机的最有潜力的能源之一[1-2]。水电解制氢的生产过程无污染，生产的氢气纯度高，成为工业制氢的重要生产途径之一。水电解制氢的工作原理是当电解槽的电解小室通入直流电后, 电解小室内的水被分解，在阴极析出氢气, 在阳极析出氧气。水电解制氢是一种成熟的制氢方法，虽然成本较高，但是工艺流程简单、无污染、操作和维护简便，生产的氢气纯度高，特别适用于氢气纯度要求高和用量不多的企业[3-4]。比如，优质浮法玻璃和石英玻璃对保护气质量要求高，我国有1/3的玻璃生产线采用水电解制氢工艺制氢。发展电解水制氢的关键在于降低能耗，一些富有水电国家，如挪威、冰岛和印度正在利用廉价的电力开动大型制氢装置。此外，由于太阳能、风能等可再生能源的间歇性、不易储存和运输等特点, 需要氢这种高效清洁的能源载体作为可再生能源和用户之间的桥梁。在目前各种制氢技术中，利用可再生能源所产生的电能作为动力来电解水是最为成熟和最有潜力的技术，被视为通向氢经济的最佳途径[5]。

水电解制氢中电解槽的槽温是水电解制氢的重要参数之一。升高电解槽的槽温可以减少电解槽电压，从而降低电解槽能耗。但与此同时，槽温有上限，以避免隔膜受破坏，导致隔膜两侧的氢氧相互渗透。氢气和氧气纯度也是电解槽的重要参数之一，因为水电解槽中氢气中的杂质主要是氧气，而氧气中的杂质是氢气，所以氢气和氧气越纯，则水电解槽越安全。

在电解槽系统中，通过碱液泵的作用，水电解槽将在电解槽槽体内因电解形成的高温气水混合物抽出到分离罐进行气液分离。其中氢气和氧气各有一个分离罐和一条气液出口管道，在出口管道上各有一个热电偶。测得氢气侧(阳极)电解液温度，简称氢槽温，同理氧气侧的电解液温度简称氧槽温。

分离后的高温碱液通过冷却器，冷却后再进入槽体，从而控制了槽体温度。冷却器是内外双层管式，15 ℃的冷却水在外管与内管的碱液逆向流动，从而使碱液冷却。冷却水的流量由一个气动调节阀根据控制程序调节，而控制程序有个循环碱液设定值，水电解槽通过设定循环碱液设定值，从而控制了循环碱液温度。同时，碱液循环泵后的碱液管有手动球阀和碱液流量计，通过调节手动球阀开度来调节制氢设备的碱液流量。电解槽槽体内有31个串联的电解室，每个电解室的小室电压原本都应是2V左右，但由于电极做工、电解小室内清洁情况和安装等因素，各小室电压会有一些区别，这里取它们的平均值，即平均小室电压。气液混合物在分离罐分离后得到的气体经过冷却和洗涤后进入脱氢/氧塔进一步脱除杂质(氢气中的杂质主要是氧气，氧气中的杂质主要是氢气)，脱氢/氧塔出口有个热电偶监测出口气体的温度。

为了降低水电解槽的电压和能耗，研究碱液流量对槽温、气体纯度、小室电压、脱氢塔和脱氧塔出口温度，以及对碱液冷却控制温度的影响。在保障气体纯度在安全范围(氢气纯度>99%，氧气纯度>98%)和槽温为最佳值的前提下，研究碱液流量对水电解槽各个参数特别是电解槽电压的影响，从而为水电解槽稳定和低能耗运行提供参考。

1实验方法

实验在天津市大陆制氢设备有限公司的WDQ40/0.5-02型水电解槽上进行。

实验时，设备直流电流为3 080 A，槽压为0.5 MPa，电解液质量浓度为30%的KOH；脱氧塔加热起始温度为150 ℃，加热结束温度为160 ℃，脱氢塔加热起始温度为325 ℃，加热结束温度为330 ℃；碱液流量分别为2.6、3.0、3.5、4.5 m3/h； 气体用agilent公司7890气相色谱分析，分析温度为50 ℃，分析时间为6.5 min；氢气纯度分析的载气为氦气，氧气纯度分析的载气为氩气和氮气。

2结果和讨论

2.1碱液流量对槽温的影响

碱液流量的大小，关系到参与热交换的碱液量大小，所以对槽温有影响，碱液流量对槽温的影响如表1所示。

表1　碱液流量对槽温的影响

注：碱液冷却设定温度为65.5 ℃。

通过表1可知，碱液流量越大，氢槽温和氧槽温就越低。这是因为在冷却器设定温度不变的情况下，碱液流量越大，单位时间内冷却的碱液的量就越大，使得氧槽温和氢槽温就越低。由于电解槽的阴极和阳极之间的隔膜对温度有一定要求，所以电解槽运行时槽温应小于85 ℃。因此在冷却温度设定值为65.5 ℃时，碱液流量≥3.0 m3/h，否则槽温过高，影响隔膜的热稳定性。槽温长时间严重偏高时，隔膜将破损，使得隔膜两侧的氢气和氧气混合，导致水电解槽不再安全。

2.2碱液流量对碱液控制设定温度的影响

在冷却水温度和流量一定的情况下，要将槽温控制在 84.5 ℃以下所需的碱液冷却设置温度如表2所示。

表2　碱液流量对碱液控制设定温度的影响

注：氧槽温控制在84.5 ℃，氢槽温控制在79.5 ℃。

从表2可以看出，碱液流量越低，碱液的控制温度就需要越低，以便控制槽温。在控制的槽温一定时，碱液流量越大，碱液冷却控制温度就越低。这是因为碱液流量越大，循环的碱液携带的热量就越大。因此，需要降低碱液冷却控制温度，以便转移热量。

2.3碱液流量对氢气和氧气纯度的影响

碱液流量越低，氢气和氧气纯度越高，随着碱液流量升高，氢气和氧气纯度降低，如表3所示。这是因为氢气或氧气会溶解在电解液即碱液中，随着碱液流量增加，在碱液泵作用下回流槽体带杂质气体的碱液也越多，所以电解产生的气液混合物挟带的杂质气也越多，导致分离罐分离得到的氢气和氧气的纯度下降[6]。

表3　碱液流量对氢气和氧气纯度的影响

从表3可以看出，氧气纯度比氢气纯度低，这是因为水电解槽氢向氧侧渗透力强，更易造成氢氧混合，氧气纯度下降。

2.4碱液流量对脱氢塔和脱氧塔出口温度的影响

循环碱液流量的大小对气体纯度有影响，而脱氢塔和脱氧塔的除杂反应是放热反应，所以碱液流量对脱氢塔和脱氧塔出口温度有影响，如表4所示。从表4可以看出，碱液流量越低，脱氢塔和脱氧塔出口温度较低，碱液流量增加时，脱氢塔和脱氧塔出口温度升高，因为水电解槽制备的气体纯化反应都是放热的氢氧复合反应，气体越不纯，脱氢(氧)塔出口温度越高。

表4　碱液流量对脱氢塔和脱氧塔出口温度的影响

由表4可知，随着碱液流量的增加，气体纯度下降。脱氧塔出口温度之所以低于脱氢塔出口温度，是因为脱氢塔加热温度高，而脱氧塔加热温度低。脱氢塔和脱氧塔的加热温度是由其内部装填的催化剂的种类决定的。但塔的出口温度应该>100 ℃，以便气体携带和塔内除杂产生的水分脱除并由气体带走。

2.5碱液流量对电解槽小室平均电压的影响

碱液流量对电解槽小室平均电压的影响如表5所示。

表5　碱液流量对电解槽小室平均电压的影响

注：氧槽温84.5 ℃，氢槽温79.5 ℃。

一般槽温越高，电解电压就越低，水电解槽的能耗也越低，所以槽温一般需要控制在80 ℃以上。由于碱液流量对槽温有影响，而槽温对电解槽小室平均电压有影响，所以碱液流量对电解槽小室电压有影响。随着碱液流量的大幅度增加，电解槽小室平均电压细微变小。这可能是因为在槽温一定时，随着碱液流量增加，电极电解产生的气泡被及时带走，使电解液和电极接触更紧密。

3结论

通过碱液流量对电解系统参数影响的研究，得到以下结论：①碱液流量越大，为控制一定的槽温所需设置的碱液冷却控制温度就越低。②碱液流量越大，气体纯度越低。③碱液流量越大，脱氢塔和脱氧塔出口温度越高。④碱液流量越大，槽温就越低。⑤ 碱液流量越大，电极的小室平均电压下降，能耗变小。

通过研究，我们认为碱液流量为3.0 m3/h时，水电解槽电解水得到的气体纯度较高，槽温可控，运行也平稳，电耗也比较低，是比较合适的碱液流量。

参考文献：

[1]刘国华,王桂珠.水电解槽槽温预测前馈控制器[J].自动化与仪表.2000,15(5):27-30.

[2]刘芸.绿色能源氢能及其电解水制氢技术进展[J].电源技术,2012,136(10):1579-1581.

[3]电子工业部第十设计院.氢气生产与纯化(水电解制)[M].哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,1983.

[4]毛宗强.氧能——21世纪的绿色能源[M].北京:化学工业出版社,2005.

[5]倪萌,Leung M K H,Sumathy K.电解水制氢技术进展[J].能源环境保护,2004,18(5):5-9.

[6]张鹏举.由水电解制取高纯氢气[J].低温与特气,2003(3):18-21.

收稿日期：2016-03-29

作者简介：黄登高(1982- )，男，博士，从事水氢交换工艺研究工作，E-mail：hdg320@163.com。

中图分类号：TQ116.2

文献标识码：B

文章编号：1003-3467(2016)06-0026-03