Nieuws

Bij de productie van waterstof met een alkalische elektrolyzer is, naast de kwaliteit van de elektrolyzer zelf, ook de juiste instelling van de loogcirculatie een belangrijke factor om een stabiele werking te garanderen.

Onlangs deelde Huang Li, hoofd van het programma voor de exploitatie en het onderhoud van waterstofinstallaties voor waterstofelektrolyse, tijdens de bijeenkomst van het professionele comité voor waterstof van de Chinese Vereniging voor Industriële Gassen over de veiligheidsproductietechnologie. Hij deelde zijn ervaringen met het instellen van de circulatievolumes van waterstof en loog in de praktijk tijdens testen, exploitatie en onderhoud.

Hieronder volgt het originele document.

——————

In het kader van de nationale duale koolstofstrategie is Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd, dat al 25 jaar gespecialiseerd is in waterstofproductie en als eerste actief was op het gebied van waterstofenergie, begonnen met de uitbreiding van de ontwikkeling van groene waterstoftechnologie en -apparatuur. Dit omvat het ontwerp van elektrolysetanks, de fabricage van apparatuur, het plateren van elektroden, evenals het testen, bedienen en onderhouden van elektrolysetanks.

EenWerkingsprincipe van een alkalische elektrolyzer

Door een gelijkstroom door een elektrolyzer gevuld met elektrolyt te leiden, reageren watermoleculen elektrochemisch op de elektroden en worden ze ontleed in waterstof en zuurstof. Om de geleidbaarheid van de elektrolyt te verbeteren, wordt doorgaans een waterige oplossing gebruikt met een concentratie van 30% kaliumhydroxide of 25% natriumhydroxide.

De elektrolyzer bestaat uit meerdere elektrolytische cellen. Elke elektrolysekamer bestaat uit een kathode, een anode, een membraan en een elektrolyt. De belangrijkste functie van het membraan is het voorkomen van gasdoorlaatbaarheid. In het onderste deel van de elektrolyzer bevindt zich een gemeenschappelijke inlaat en uitlaat, in het bovenste deel een kanaal voor de stroming van een gas-vloeistofmengsel van alkali en oxy-alkali. Wanneer een gelijkstroom met een bepaalde spanning wordt toegevoerd, en deze spanning een bepaalde waarde overschrijdt (de theoretische ontledingsspanning van water van 1,23 V en de thermische neutrale spanning van 1,48 V), vindt er een redoxreactie plaats aan het grensvlak tussen de elektrode en de vloeistof, waarbij water wordt ontleed in waterstof en zuurstof.

Twee: Hoe de loog wordt verspreid

1️⃣ Waterstof-, zuurstofzijde loog gemengde cyclus

Bij deze vorm van circulatie komt de loog via de verbindingspijp aan de onderkant van de waterstofscheider en de zuurstofscheider in de loogcirculatiepomp terecht, waarna deze na koeling en filtratie in de kathode- en anodekamers van de elektrolyzer stroomt. De voordelen van gemengde circulatie zijn een eenvoudige structuur, een kort proces, lage kosten en de garantie dat er een gelijke hoeveelheid loog in de kathode- en anodekamers van de elektrolyzer terechtkomt. Het nadeel is dat het enerzijds de zuiverheid van waterstof en zuurstof kan beïnvloeden en anderzijds de afstelling van de waterstof-zuurstofscheider kan verstoren, wat het risico op waterstof-zuurstofvermenging kan verhogen. Momenteel is de waterstof-zuurstof-zijde van de loogmengcyclus het meest gangbare proces.

2️⃣ Gescheiden circulatie van waterstof en zuurstof aan de loogzijde

Deze vorm van circulatie vereist twee loogcirculatiepompen, oftewel twee interne circulatiesystemen. De loog onderin de waterstofscheider stroomt door de waterstofcirculatiepomp, wordt gekoeld en gefilterd en komt vervolgens in de kathodekamer van de elektrolyzer terecht; de loog onderin de zuurstofscheider stroomt door de zuurstofcirculatiepomp, wordt gekoeld en gefilterd en komt vervolgens in de anodekamer van de elektrolyzer terecht. Het voordeel van onafhankelijke loogcirculatie is dat de door elektrolyse geproduceerde waterstof en zuurstof een hoge zuiverheid hebben, waardoor het risico op vermenging van waterstof en zuurstof in de scheider fysiek wordt vermeden; het nadeel is dat de structuur en het proces complex en kostbaar zijn, en dat het bovendien noodzakelijk is om de consistentie van de stroomsnelheid, opvoerhoogte, vermogen en andere parameters van de pompen aan beide zijden te waarborgen, wat de complexiteit van de werking verhoogt en de eis stelt aan de stabiliteit van beide zijden van het systeem te controleren.

Drie: Invloed van de circulerende stroomsnelheid van loog op de waterstofproductie door elektrolytisch water en de werkingsomstandigheden van de elektrolyzer.

1️⃣Overmatige circulatie van loog

(1) Effect op de zuiverheid van waterstof en zuurstof

Omdat waterstof en zuurstof een bepaalde oplosbaarheid hebben in de loog, is het circulatievolume te groot, waardoor de totale hoeveelheid opgeloste waterstof en zuurstof toeneemt en met de loog in elke kamer terechtkomt. Dit leidt tot een verminderde zuiverheid van waterstof en zuurstof aan de uitgang van de elektrolyzer. Een te groot circulatievolume zorgt er ook voor dat de verblijftijd in de vloeistofscheider voor waterstof en zuurstof te kort is, waardoor het gas dat niet volledig is afgescheiden met de loog terug de elektrolyzer in wordt gevoerd. Dit beïnvloedt de efficiëntie van de elektrochemische reactie en de zuiverheid van waterstof en zuurstof. Bovendien heeft dit een negatieve invloed op het vermogen van de waterstof- en zuurstofzuiveringsapparatuur om waterstof en zuurstof te dehydrogeneren en deoxygeneren, wat resulteert in een slechte waterstof- en zuurstofzuivering en een verminderde productkwaliteit.

(2) Effect op de tanktemperatuur

Als de uitlaattemperatuur van de loogkoeler onveranderd blijft, zal een te grote loogstroom meer warmte aan de elektrolyzer onttrekken, waardoor de temperatuur in de tank daalt en het vermogen toeneemt.

(3) Effect op stroom en spanning

Overmatige circulatie van loog zal de stabiliteit van stroom en spanning beïnvloeden. Een te grote vloeistofstroom verstoort de normale schommelingen van stroom en spanning, waardoor deze moeilijker te stabiliseren zijn. Dit veroorzaakt schommelingen in de werking van de gelijkrichterkast en transformator, en beïnvloedt daardoor de productie en kwaliteit van waterstof.

(4) Verhoogd energieverbruik

Overmatige circulatie van loog kan ook leiden tot een hoger energieverbruik, hogere bedrijfskosten en een lagere energie-efficiëntie van het systeem. Dit komt met name door de toename van het interne circulatiesysteem voor hulpkoelwater en de externe circulatie met sproeiers en ventilatoren, de koelwaterbelasting, enz., waardoor het stroomverbruik en dus het totale energieverbruik toenemen.

(5) Oorzaak van apparatuurstoring

Overmatige circulatie van loog verhoogt de belasting van de loogcirculatiepomp, wat overeenkomt met een hogere stroomsnelheid, druk- en temperatuurschommelingen in de elektrolyzer. Dit heeft op zijn beurt gevolgen voor de elektroden, membranen en pakkingen in de elektrolyzer, wat kan leiden tot storingen of schade aan de apparatuur en een toename van de onderhouds- en reparatiewerkzaamheden.

2️⃣Loogcirculatie te klein

(1) Effect op de tanktemperatuur

Wanneer het circulerende volume loog onvoldoende is, kan de warmte in de elektrolyzer niet tijdig worden afgevoerd, wat resulteert in een temperatuurstijging. De hoge temperatuur zorgt ervoor dat de verzadigde dampdruk van water in de gasfase stijgt en het watergehalte toeneemt. Als het water niet voldoende kan condenseren, verhoogt dit de belasting van het zuiveringssysteem en beïnvloedt het de zuiveringsefficiëntie. Bovendien heeft dit gevolgen voor de werking en levensduur van de katalysator en het adsorptiemiddel.

(2) Impact op de levensduur van het middenrif

Een continu hoge temperatuur versnelt de veroudering van het membraan, waardoor de prestaties afnemen of het membraan zelfs scheurt. Dit kan leiden tot een wederzijdse doorlaatbaarheid van waterstof en zuurstof aan beide zijden van het membraan, wat de zuiverheid van waterstof en zuurstof beïnvloedt. Wanneer deze wederzijdse doorlaatbaarheid de explosiegrens nadert, neemt de kans op gevaar voor de elektrolyzer aanzienlijk toe. Tegelijkertijd kan de continu hoge temperatuur ook lekkageschade aan de afdichtingspakking veroorzaken, waardoor de levensduur ervan wordt verkort.

(3) Effect op elektroden

Als de hoeveelheid loog die circuleert te klein is, kan het geproduceerde gas het actieve centrum van de elektrode niet snel genoeg verlaten, waardoor de elektrolyse-efficiëntie afneemt; als de elektrode niet volledig in contact komt met de loog om de elektrochemische reactie uit te voeren, zullen er onregelmatigheden zoals gedeeltelijke ontlading en droogverbranding optreden, wat de afschilfering van de katalysator op de elektrode versnelt.

(4) Effect op de celspanning

De hoeveelheid circulerende loog is te klein, omdat de waterstof- en zuurstofbellen die in het actieve centrum van de elektrode ontstaan niet tijdig kunnen worden afgevoerd. Hierdoor neemt de hoeveelheid opgeloste gassen in de elektrolyt toe, wat leidt tot een verhoging van de spanning in de kleine kamer en een toename van het stroomverbruik.

Vier methoden voor het bepalen van de optimale loogcirculatiesnelheid

Om de bovengenoemde problemen op te lossen, is het noodzakelijk om passende maatregelen te nemen, zoals het regelmatig controleren van het loogcirculatiesysteem om de normale werking ervan te waarborgen; het handhaven van goede warmteafvoeromstandigheden rond de elektrolyzer; en het zo nodig aanpassen van de bedrijfsparameters van de elektrolyzer om te voorkomen dat er een te groot of te klein loogvolume circuleert.

De optimale circulatiesnelheid van de loog moet worden bepaald op basis van specifieke technische parameters van de elektrolyzer, zoals de grootte van de elektrolyzer, het aantal kamers, de werkdruk, de reactietemperatuur, de warmteontwikkeling, de loogconcentratie, de loogkoeler, de waterstof-zuurstofscheider, de stroomdichtheid, de gaszuiverheid en andere vereisten, de duurzaamheid van de apparatuur en leidingen en andere factoren.

Technische parameters Afmetingen:

afmetingen 4800x2240x2281 mm

totaalgewicht 40700 kg

Effectieve kamergrootte 1830, aantal kamers 238

Stroomdichtheid van de elektrolyzer: 5000 A/m²

werkdruk 1,6 MPa

reactietemperatuur 90℃±5℃

Een enkele set elektrolyzerproducten levert waterstof met een volume van 1300 Nm³/h.

Productzuurstof 650 Nm³/h

gelijkstroom n13100A, gelijkspanning 480V

Loogkoeler Φ700x4244mm

warmtewisselingsoppervlakte 88,2 m²

Waterstof- en zuurstofscheider Φ1300x3916mm

zuurstofscheider Φ1300x3916mm

Kaliumhydroxideoplossing met een concentratie van 30%

Weerstandswaarde voor zuiver water >5MΩ·cm

Relatie tussen kaliumhydroxideoplossing en elektrolyzer:

Zuiver water wordt geleidend gemaakt, waardoor waterstof en zuurstof vrijkomen en warmte wordt afgevoerd. De koelwaterstroom wordt gebruikt om de temperatuur van de loog te regelen, zodat de temperatuur van de elektrolysereactie relatief stabiel blijft. De warmteontwikkeling van de elektrolyzer en de koelwaterstroom worden gebruikt om de warmtebalans van het systeem op elkaar af te stemmen, zodat de beste werkingsomstandigheden en de meest energiezuinige bedrijfsparameters worden bereikt.

Gebaseerd op daadwerkelijke werkzaamheden:

Regeling van het loogcirculatievolume op 60 m³/u

De koelwaterstroom opent bij ongeveer 95%.

De reactietemperatuur van de elektrolyzer wordt bij vollast op 90 °C gehouden.

Het gelijkstroomverbruik van de elektrolyzer onder optimale omstandigheden bedraagt 4,56 kWh/Nm³H₂.

Vijfsamenvatten

Samenvattend is het circulatievolume van loog een belangrijke parameter in het proces van waterstofproductie door water-elektrolyse. Dit volume is gerelateerd aan de gaszuiverheid, de kamerspanning, de temperatuur van de elektrolyzer en andere parameters. Het is raadzaam om het circulatievolume te regelen op 2 tot 4 keer per uur/minuut. Door het circulatievolume van loog effectief te regelen, wordt een stabiele en veilige werking van de water-elektrolyse-waterstofproductie-installatie gedurende een lange periode gewaarborgd.

Bij de waterstofproductie door middel van water-elektrolyse in een alkalische elektrolyzer zijn de optimalisatie van de werkingsparameters en het ontwerp van de elektrolyzer, in combinatie met de materiaalkeuze voor de elektroden en het membraan, cruciaal voor het verhogen van de stroomsterkte, het verlagen van de tankspanning en het besparen van energie.

—Neem contact met ons op—

Tel: +86 028 6259 0080

Fax: +86 028 6259 0100

E-mail: tech@allygas.com

Geplaatst op: 9 januari 2025