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堿性電解水制氫電解槽的設計與計算

發布時間：

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計與計算流程。
一、設計邊界
對于堿性電解槽來講，需要輸入的設計條件主要有電解槽制氫量、設計電流密度以及電解槽的有效活性面積。

 
設計值輸入表產氫量按照1000Nm³/h進行設計，產氧量為產氫量的一半，為500Nm³/h，設計電流密度按照目前常用的電流密度3000 A/m2進行設計（可能低了一點），電解槽有效活性區域直徑為200cm，溫度壓力為90℃、1.6MPa。三個主要的總體設計值確定后，我們就可以依據這些參數進行電解槽的總體設計和計算。
二、電解槽參數計算
（1）電解小室數計算
根據設計電流密度及有效電解區域直徑可計算出電解槽電流：
I=i*S=3000*3.14=9420 A
制氫電解槽產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計值計算出電解槽的小室數量。
首先需要清楚制取1 Nm3氫氣到底需要多少電量。根據電解水的整體反應式，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轉換為A.h，為（2 mol * 96485 C/mol /3600 s ） A.h。標準狀況下，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
（這個數據是很重要的，一定要把這個數字牢記）
假設電解槽在9420 A的電流下運行了1h，那么消耗的電量為9420 A.h，標準狀況下制取1 Nm3氫氣需要的電荷量為2380 A.h，那么單個小室的產氫量為
V1=9420/2380=3.95 Nm³/h
那么一臺1000 Nm³/h的堿性電解槽的小室數N為
N=1000/3.95=253
實際的電解槽設計中，一般小室數會取10%的余量，小室數為280個左右。
（2）電解槽整體電流、電壓及電功率計算值
在這小室電壓取目前的經驗值，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”的接線方式，相當于140個小室串聯，另外140個小室串聯，這兩套140個小室之間是并聯關系，關系如下圖所示。

 
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1000Nm3/h的堿性電解槽總功率為5.01 MW。
（3）耗水量
根據反應式的質量守恒，生成1mol H2需要消耗1 mol水，那么生成 1Nm3 H2需要消耗的反應水的體積為0.8 L，那么整體電解槽的反應水消耗量為800 L/h。單個電解小室的反應水耗量為2.85 L/h。
三、設計參數分析
（1）電解槽的直流電耗只和小室電壓有關。
根據標準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值只和小室電壓E0有關，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，此時電解槽的效率為100%，對應的電解槽直流電耗為3.4 kW.h/Nm3。這個數據也希望大家記住，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量？
目前在開發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，但是這種方法會導致電解槽的設備體積過大，而且小室過多也會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，電解小室的數量只和電解槽的設計電流有關。根據設計電流密度及有效電解區域直徑可計算出電解槽電流：I=i*S，所以較少小室數量的主要路徑有兩個：
一是增大電解槽電解區域的有效面積，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，目前現有的制造裝備可能無法適配，還有一個問題就是電解有效區域面積增大之后對于電解槽流體流動和熱量的管理還需要進一步優化。
二是增大電解槽的電流密度，通過對于電極、隔膜材料的優化和電解槽結構的優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量。提高電流密度這一路徑是最具有吸引力和應用前景的，目前也有很多企業和高校正在研發高性能的電極和隔膜材料，正在對堿性電解槽的整體結構做進一步的優化。

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