堿性電解水制氫電解槽的設計與計算

發(fā)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(qū)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(qū)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(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?？梢詮臏p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(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(qū)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(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(qū)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(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)化和電解槽結構的優(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(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構做進一步的優(yōu)化。