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堿性電解水制氫電解槽的設(shè)計(jì)與計(jì)算

發(fā)布時(shí)間：

2023-09-18 10:21

以1000Nm³/h的堿性電解水制氫電解槽為例，說明對于堿性電解槽整體的設(shè)計(jì)與計(jì)算流程。
一、設(shè)計(jì)邊界
對于堿性電解槽來講，需要輸入的設(shè)計(jì)條件主要有電解槽制氫量、設(shè)計(jì)電流密度以及電解槽的有效活性面積。

 
設(shè)計(jì)值輸入表產(chǎn)氫量按照1000Nm³/h進(jìn)行設(shè)計(jì)，產(chǎn)氧量為產(chǎn)氫量的一半，為500Nm³/h，設(shè)計(jì)電流密度按照目前常用的電流密度3000 A/m2進(jìn)行設(shè)計(jì)（可能低了一點(diǎn)），電解槽有效活性區(qū)域直徑為200cm，溫度壓力為90℃、1.6MPa。三個(gè)主要的總體設(shè)計(jì)值確定后，我們就可以依據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行電解槽的總體設(shè)計(jì)和計(jì)算。
二、電解槽參數(shù)計(jì)算
（1）電解小室數(shù)計(jì)算
根據(jù)設(shè)計(jì)電流密度及有效電解區(qū)域直徑可計(jì)算出電解槽電流：
I=i*S=3000*3.14=9420 A
制氫電解槽產(chǎn)氫量與電解總電流成正比（法拉第電流），可以通過總電流和制氫量設(shè)計(jì)值計(jì)算出電解槽的小室數(shù)量。
首先需要清楚制取1 Nm3氫氣到底需要多少電量。根據(jù)電解水的整體反應(yīng)式，制取1 molH2需要2 mol的電子，2 mol電子的電荷量為2 mol * 96485 C/mol，再把這些電荷量的單位由C轉(zhuǎn)換為A.h，為（2 mol * 96485 C/mol /3600 s ） A.h。標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1 molH2的體積為22.4 L，也就是0.00224 m3。綜上，制取1 Nm³氫氣需要的電量Q0為：
Q0=（2 mol * 96485 C/mol /3600 s ）/0.00224 m3=2380 A.h/Nm3H2
（這個(gè)數(shù)據(jù)是很重要的，一定要把這個(gè)數(shù)字牢記）
假設(shè)電解槽在9420 A的電流下運(yùn)行了1h，那么消耗的電量為9420 A.h，標(biāo)準(zhǔn)狀況下制取1 Nm3氫氣需要的電荷量為2380 A.h，那么單個(gè)小室的產(chǎn)氫量為
V1=9420/2380=3.95 Nm³/h
那么一臺(tái)1000 Nm³/h的堿性電解槽的小室數(shù)N為
N=1000/3.95=253
實(shí)際的電解槽設(shè)計(jì)中，一般小室數(shù)會(huì)取10%的余量，小室數(shù)為280個(gè)左右。
（2）電解槽整體電流、電壓及電功率計(jì)算值
在這小室電壓取目前的經(jīng)驗(yàn)值，在3000 A/m2的電流密度下小室電壓E0取1.85 V，且電解槽采用“中間正，兩邊負(fù)”的接線方式，相當(dāng)于140個(gè)小室串聯(lián)，另外140個(gè)小室串聯(lián)，這兩套140個(gè)小室之間是并聯(lián)關(guān)系，關(guān)系如下圖所示。

 
電解小室電路示意圖那么電解槽的總電壓E為：
E總=140*1.9=266 V
電解槽總電流I為：I總=9420*2=18840 A
電解槽總功率P為：
P總=E總*I總=266*18840=5.01 MW
也就是說1臺(tái)1000Nm3/h的堿性電解槽總功率為5.01 MW。
（3）耗水量
根據(jù)反應(yīng)式的質(zhì)量守恒，生成1mol H2需要消耗1 mol水，那么生成 1Nm3 H2需要消耗的反應(yīng)水的體積為0.8 L，那么整體電解槽的反應(yīng)水消耗量為800 L/h。單個(gè)電解小室的反應(yīng)水耗量為2.85 L/h。
三、設(shè)計(jì)參數(shù)分析
（1）電解槽的直流電耗只和小室電壓有關(guān)。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB3211-2015，電解槽單位直流能耗值Wd（kW.h/Nm³）為
Wd=2390*E0/1000
電解槽直流電耗的數(shù)值只和小室電壓E0有關(guān)，小室電壓越高，電解槽的直流電耗越高。以此降低電解槽能耗的優(yōu)化思路就是在保持相同的操作電流密度下，想辦法降低小室的電壓。可以從減低陰陽極的電化學(xué)極化、降低接觸電阻和歐姆極化等方面入手，這些在之前的文章中都有詳細(xì)的闡述。
（2）電解槽的最低直流電耗能到多少？
電解水的熱中性電壓為1.48 V，此時(shí)電解槽的效率為100%，對應(yīng)的電解槽直流電耗為3.4 kW.h/Nm3。這個(gè)數(shù)據(jù)也希望大家記住，甄別一些吹牛吹過頭的電解槽廠家。
（3）如何減少電解槽的小室數(shù)量？
目前在開發(fā)更大出力的電解槽方面（2000-3000Nm³/h），更多的解決辦法是采用大量小室的堆疊，但是這種方法會(huì)導(dǎo)致電解槽的設(shè)備體積過大，而且小室過多也會(huì)在密封和壓緊方面帶來問題，電解槽靠近中間極板的部分在重力的作用下有向下位移的趨勢。
 

2000Nm3/h堿性電解水制氫電解槽

 

對于固定出力的電解槽來講，電解小室的數(shù)量只和電解槽的設(shè)計(jì)電流有關(guān)。根據(jù)設(shè)計(jì)電流密度及有效電解區(qū)域直徑可計(jì)算出電解槽電流：I=i*S，所以較少小室數(shù)量的主要路徑有兩個(gè)：
一是增大電解槽電解區(qū)域的有效面積，也就是極板、電極、隔膜的尺寸都要增大，對部件制造裝備的要求更高，目前現(xiàn)有的制造裝備可能無法適配，還有一個(gè)問題就是電解有效區(qū)域面積增大之后對于電解槽流體流動(dòng)和熱量的管理還需要進(jìn)一步優(yōu)化。
二是增大電解槽的電流密度，通過對于電極、隔膜材料的優(yōu)化和電解槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提高電解槽的操作電流密度，在固定出力的條件下減少電解小室的數(shù)量。提高電流密度這一路徑是最具有吸引力和應(yīng)用前景的，目前也有很多企業(yè)和高校正在研發(fā)高性能的電極和隔膜材料，正在對堿性電解槽的整體結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的優(yōu)化。

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