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    堿性電解水制氫電解槽的設計與計算

    
    
    
    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(shuō)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(lái)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(chǎn)氫量按照1000Nm³/h進(jìn)行設計，產(chǎn)氧量為產(chǎn)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(jìn)行設計（可能低了一點(diǎn)），電解槽有效活性區域直徑為200cm，溫度壓力為90℃、1.6MPa。三個(gè)主要的總體設計值確定后，我們就可以依據這些參數進(jìn)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(chǎn)氫量與電解總電流成正比（法拉第電流），可以通過(guò)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(gè)數據是很重要的，一定要把這個(gè)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(gè)小室的產(chǎn)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(shí)際的電解槽設計中，一般小室數會(huì )取10%的余量，小室數為280個(gè)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(jīng)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(xiàn)方式，相當于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(shuō)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(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(gè)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(guān)。
    


    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(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?？梢詮臏p低陰陽(yáng)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%，對應的電解槽直流電耗為3.4 kW.h/Nm3。這個(gè)數據也希望大家記住，甄別一些吹牛吹過(guò)頭的電解槽廠(chǎng)家。
    


    （3）如何減少電解槽的小室數量？
    


    目前在開(kāi)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 )導致電解槽的設備體積過(guò)大，而且小室過(guò)多也會(huì )在密封和壓緊方面帶來(lái)問(wèn)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(lái)講，電解小室的數量只和電解槽的設計電流有關(guān)。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(gè)：
    


    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(wú)法適配，還有一個(gè)問(wèn)題就是電解有效區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(guò)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(jìn)一步的優(yōu)化。
    

    

    
    
    
    

    

    

    

    
 
    

    
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