Alkali Elektrolizörde Hidrojen ve Alkali Sirkülasyonu Su Elektrolizi Hidrojen Üretim Süreci

Alkalin elektrolizörde hidrojen üretim sürecinde, cihazın istikrarlı bir şekilde çalışmasını sağlamak için, elektrolizörün kalitesine ek olarak, ayarlanan lye sirkülasyon miktarı da önemli bir etkendir.

Geçtiğimiz günlerde, Çin Endüstriyel Gazlar Birliği Hidrojen Profesyonel Komitesi'nin Güvenli Üretim Teknolojisi Bilgi Paylaşımı Toplantısı'nda, Hidrojen Su Elektrolizi Hidrojen İşletme ve Bakım Programı Başkanı Huang Li, gerçek test ve işletme-bakım süreçlerinde hidrojen ve kostik sirkülasyon hacmi ayarı konusundaki deneyimlerimizi paylaştı.

Aşağıda orijinal makale yer almaktadır.

——————

Ulusal çift karbon stratejisi çerçevesinde, 25 yıldır hidrojen üretimi konusunda uzmanlaşmış ve hidrojen enerjisi alanına ilk giren şirketlerden biri olan Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd., elektroliz tankı çarklarının tasarımı, ekipman imalatı, elektrot kaplama, elektroliz tankı testleri, işletme ve bakımı da dahil olmak üzere yeşil hidrojen teknolojisi ve ekipmanlarının geliştirilmesini genişletmeye başladı.

BirAlkalin Elektrolizörün Çalışma Prensibi

Elektrolit ile doldurulmuş bir elektrolizörden doğru akım geçirilerek, su molekülleri elektrotlar üzerinde elektrokimyasal olarak reaksiyona girer ve hidrojen ve oksijene ayrışır. Elektrolitin iletkenliğini artırmak için, genel elektrolit %30 potasyum hidroksit veya %25 sodyum hidroksit konsantrasyonuna sahip sulu bir çözeltidir.

Elektrolizör, birkaç elektrolitik hücreden oluşur. Her elektroliz odası katot, anot, diyafram ve elektrolitten oluşur. Diyaframın ana işlevi gaz geçirgenliğini önlemektir. Elektrolizörün alt kısmında ortak bir giriş ve çıkış, üst kısmında ise alkali ve oksijen-alkali gaz-sıvı karışımının akış kanalı bulunur. Belirli bir voltajda doğru akım verildiğinde, voltaj suyun teorik ayrışma voltajı olan 1,23 V ve termal nötr voltaj olan 1,48 V'nin belirli bir değerini aştığında, elektrot ve sıvı arayüzünde redoks reaksiyonu meydana gelir ve su hidrojen ve oksijene ayrışır.

İki. Kostik soda nasıl dolaştırılıyor?

1️⃣Hidrojen, Oksijen Yan Sodyum Karışım Döngüsü

Bu sirkülasyon şeklinde, kostik soda, hidrojen ayırıcı ve oksijen ayırıcının altındaki bağlantı borusundan kostik soda sirkülasyon pompasına girer ve soğutulup filtrelendikten sonra elektrolizörün katot ve anot odalarına girer. Karışık sirkülasyonun avantajları basit yapı, kısa işlem süresi, düşük maliyet ve elektrolizörün katot ve anot odalarına aynı miktarda kostik soda sirkülasyonu sağlamasıdır; dezavantajı ise bir yandan hidrojen ve oksijenin saflığını etkileyebilmesi, diğer yandan hidrojen-oksijen ayırıcısının seviyesinin ayarlanmasının bozulmasına ve hidrojen-oksijen karışımı riskinin artmasına neden olabilmesidir. Şu anda, kostik soda karıştırma döngüsünün hidrojen-oksijen tarafı en yaygın işlemdir.

2️⃣Hidrojen ve oksijen yan çözeltisinin ayrı dolaşımı

Bu sirkülasyon şekli iki lye sirkülasyon pompası, yani iki iç sirkülasyon gerektirir. Hidrojen ayırıcısının altındaki lye, hidrojen tarafındaki sirkülasyon pompasından geçer, soğutulur ve filtrelenir, ardından elektrolizörün katot odasına girer; oksijen ayırıcısının altındaki lye ise oksijen tarafındaki sirkülasyon pompasından geçer, soğutulur ve filtrelenir, ardından elektrolizörün anot odasına girer. Lye'nin bağımsız sirkülasyonunun avantajı, elektrolizle üretilen hidrojen ve oksijenin yüksek saflıkta olması ve hidrojen ile oksijen ayırıcısının karışma riskinin fiziksel olarak önlenmesidir; dezavantajı ise yapının ve işlemin karmaşık ve maliyetli olması, ayrıca her iki taraftaki pompaların akış hızı, basma yüksekliği, güç ve diğer parametrelerinin tutarlılığının sağlanması gerekliliğidir; bu da işlemin karmaşıklığını artırır ve sistemin her iki tarafının stabilitesinin kontrol edilmesi gerekliliğini ortaya koyar.

Elektrolitik su ile hidrojen üretimi üzerinde kostik soda sirkülasyon hızının ve elektrolizörün çalışma koşullarının üç etkisi

1️⃣Aşırı kostik dolaşımı

(1) Hidrojen ve oksijen saflığı üzerindeki etki

Hidrojen ve oksijenin kostik soda içinde belirli bir çözünürlüğe sahip olması nedeniyle, dolaşım hacmi çok büyük olduğundan, çözünmüş hidrojen ve oksijenin toplam miktarı artar ve kostik soda ile birlikte her bir bölmeye girer; bu da elektrolizörün çıkışında hidrojen ve oksijenin saflığının azalmasına neden olur. Ayrıca, dolaşım hacminin çok büyük olması, hidrojen ve oksijen sıvı ayırıcısının tutma süresinin çok kısa olmasına ve tamamen ayrılmamış gazın kostik soda ile birlikte elektrolizörün içine geri dönmesine neden olur; bu da elektrolizörün elektrokimyasal reaksiyon verimliliğini ve hidrojen ve oksijenin saflığını etkiler ve ayrıca hidrojen ve oksijen saflaştırma ekipmanının dehidrojenasyon ve deoksijenasyon yeteneğini etkileyerek hidrojen ve oksijen saflaştırmasının etkisinin azalmasına ve ürün kalitesinin etkilenmesine yol açar.

(2) Tank sıcaklığı üzerindeki etkisi

Kostik soğutucunun çıkış sıcaklığı değişmeden kaldığı takdirde, çok fazla kostik akışı elektrolizörden daha fazla ısıyı uzaklaştırarak tank sıcaklığının düşmesine ve gücün artmasına neden olur.

(3) Akım ve gerilim üzerindeki etkisi

Aşırı miktarda kostik soda dolaşımı, akım ve voltajın kararlılığını etkileyecektir. Aşırı sıvı akışı, akım ve voltajın normal dalgalanmasına müdahale ederek, akım ve voltajın kolayca stabilize edilememesine, doğrultucu kabin ve transformatörün çalışma koşullarında dalgalanmalara ve dolayısıyla hidrojen üretimi ve kalitesini etkilemesine neden olacaktır.

(4) Artan enerji tüketimi

Aşırı kostik sirkülasyonu, enerji tüketiminin artmasına, işletme maliyetlerinin yükselmesine ve sistem enerji verimliliğinin azalmasına da yol açabilir. Bu durum, özellikle yardımcı soğutma suyu iç sirkülasyon sistemi ve dış sirkülasyon püskürtme ve fanı, soğutulmuş su yükü vb. unsurların artmasıyla güç tüketiminin artması ve dolayısıyla toplam enerji tüketiminin artmasıyla ortaya çıkar.

(5) Ekipman arızasına neden olur

Aşırı kostik sirkülasyonu, kostik sirkülasyon pompasındaki yükü artırır; bu da elektrolizördeki akış hızında, basınçta ve sıcaklık dalgalanmalarında artışa yol açar. Bu durum, elektrolizörün içindeki elektrotları, diyaframları ve contaları etkileyerek ekipman arızalarına veya hasarlarına ve bakım ve onarım iş yükünün artmasına neden olabilir.

2️⃣Kostik soda dolaşımı çok küçük

(1) Tank sıcaklığı üzerindeki etki

Dolaşımdaki kostik hacmi yetersiz olduğunda, elektrolizördeki ısı zamanında uzaklaştırılamaz ve bu da sıcaklık artışına neden olur. Yüksek sıcaklık ortamı, gaz fazındaki suyun doymuş buhar basıncının yükselmesine ve su içeriğinin artmasına yol açar. Su yeterince yoğunlaştırılamazsa, arıtma sisteminin yükünü artırır ve arıtma etkisini etkiler; ayrıca katalizör ve adsorbanın etkisini ve ömrünü de etkiler.

(2) Diyafram ömrü üzerindeki etki

Sürekli yüksek sıcaklık ortamı, diyaframın yaşlanmasını hızlandırır, performansının düşmesine hatta yırtılmasına neden olur; bu da diyaframın her iki tarafında hidrojen ve oksijenin karşılıklı geçirgenliğine yol açarak hidrojen ve oksijenin saflığını etkiler. Karşılıklı geçirgenlik patlama alt sınırına yaklaştığında, elektrolizörün tehlike olasılığı büyük ölçüde artar. Aynı zamanda, sürekli yüksek sıcaklık, sızdırmazlık contasında sızıntı hasarına da neden olarak kullanım ömrünü kısaltır.

(3) Elektrotlar üzerindeki etki

Eğer dolaşımdaki kostik miktarı çok az olursa, üretilen gaz elektrotun aktif merkezinden hızla ayrılamaz ve elektroliz verimliliği etkilenir; eğer elektrot elektrokimyasal reaksiyonu gerçekleştirmek için kostikle tam olarak temas edemezse, kısmi deşarj anormalliği ve kuru yanma meydana gelir ve elektrottaki katalizörün dökülmesi hızlanır.

(4) Hücre voltajı üzerindeki etki

Dolaşımdaki kostik miktarı çok azdır, çünkü elektrotun aktif merkezinde oluşan hidrojen ve oksijen kabarcıkları zamanında uzaklaştırılamaz ve elektrolitteki çözünmüş gaz miktarı artar, bu da küçük haznenin voltajında ​​artışa ve güç tüketiminde yükselişe neden olur.

Optimum kostik sirkülasyon akış hızını belirlemek için dört yöntem

Yukarıdaki sorunları çözmek için, düzenli olarak kontrol edilerek normal çalışmasının sağlanması; elektrolizör çevresinde iyi ısı dağılımı koşullarının korunması; ve gerekirse elektrolizörün çalışma parametrelerinin, çok büyük veya çok küçük bir lye dolaşım hacminin oluşmasını önleyecek şekilde ayarlanması gibi ilgili önlemlerin alınması gerekmektedir.

Optimum lye sirkülasyon akış hızı, elektrolizör boyutu, hazne sayısı, çalışma basıncı, reaksiyon sıcaklığı, ısı üretimi, lye konsantrasyonu, lye soğutucu, hidrojen-oksijen ayırıcı, akım yoğunluğu, gaz saflığı ve diğer gereksinimler, ekipman ve boru dayanıklılığı ve diğer faktörler gibi elektrolizörün teknik parametrelerine bağlı olarak belirlenmelidir.

Teknik Parametreler Boyutlar:

ölçüler 4800x2240x2281 mm

Toplam ağırlık 40700 kg

Etkin hazne boyutu 1830, Hazne sayısı 238

Elektrolizör akım yoğunluğu 5000A/m²

çalışma basıncı 1,6 MPa

reaksiyon sıcaklığı 90℃±5℃

Tek bir elektrolizör setinin ürettiği hidrojen hacmi 1300 Nm³/h'dir.

Ürün Oksijen 650 Nm³/saat

Doğrudan akım n13100A, doğru akım voltajı 480V

Kostik Soğutucu Φ700x4244mm

Isı değişim alanı 88,2 m²

Hidrojen ve oksijen ayırıcı Φ1300x3916mm

oksijen ayırıcı Φ1300x3916mm

Potasyum hidroksit çözeltisi konsantrasyonu %30

Saf su direnci değeri >5MΩ·cm

Potasyum hidroksit çözeltisi ile elektrolizör arasındaki ilişki:

Saf suyu iletken hale getirerek hidrojen ve oksijeni açığa çıkarır ve ısıyı uzaklaştırır. Soğutma suyu akışı, elektrolizör reaksiyonunun sıcaklığının nispeten sabit kalması için lye sıcaklığını kontrol etmek için kullanılır ve elektrolizörün ısı üretimi ile soğutma suyu akışı, sistemin ısı dengesini eşleştirmek için kullanılır; böylece en iyi çalışma koşulu ve en enerji tasarruflu işletme parametreleri elde edilir.

Gerçek operasyonlara dayanarak:

Kostik çözeltinin dolaşım hacmi kontrolü saatte 60 m³ olarak ayarlanmıştır.

Soğutma suyu akışı yaklaşık %95'te açılır.

Elektrolizörün reaksiyon sıcaklığı tam yükte 90°C'de kontrol edilir.

Optimum koşullarda elektrolizörün doğru akım güç tüketimi 4,56 kWh/Nm³H₂'dir.

Beşözetlemek

Özetlemek gerekirse, su elektroliziyle hidrojen üretimi sürecinde lye'nin dolaşım hacmi, gaz saflığı, hazne voltajı, elektrolizör sıcaklığı ve diğer parametrelerle ilişkili önemli bir parametredir. Tanktaki lye değişiminin saatte 2-4 kez/dakika olacak şekilde kontrol edilmesi uygundur. Lye'nin dolaşım hacminin etkin bir şekilde kontrol edilmesi, su elektrolizi hidrojen üretim ekipmanının uzun süre boyunca istikrarlı ve güvenli çalışmasını sağlar.

Alkalin elektrolizörde su elektrolizi yoluyla hidrojen üretim sürecinde, çalışma koşulu parametrelerinin ve elektrolizör çarkı tasarımının optimizasyonu, elektrot malzemesi ve diyafram malzemesi seçimiyle birlikte, akımı artırmak, tank voltajını düşürmek ve enerji tüketimini azaltmak için kilit öneme sahiptir.

--Bize Ulaşın--

Tel: +86 028 6259 0080

Faks: +86 028 6259 0100

E-mail: tech@allygas.com