アルカリ電解槽水素製造プロセスにおいて、安定した運転を実現するためには、電解槽自体の品質に加え、水酸化カリウム溶液(以下、ライ液)循環量の設定も重要な要素となります。
先日、中国工業ガス協会水素専門委員会安全生産技術交流会において、水素水電解水素の運転・保守プログラム責任者である黄麗氏が、実際の試験・運転・保守プロセスにおける水素とライ液循環量の設定に関する経験を共有しました。
以下は、その原稿です。
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国家の二酸化炭素排出量削減戦略を背景に、水素製造に25年間専門的に携わり、水素エネルギー分野にいち早く参入したAlly Hydrogen Energy Technology Co., Ltd.は、電解槽ランナーの設計、機器製造、電極めっき、電解槽試験、運転・保守など、グリーン水素技術と設備の開発を拡大し始めました。
1アルカリ電解槽の動作原理
電解液を満たした電解槽に直流電流を流すことで、水分子が電極上で電気化学的に反応し、水素と酸素に分解されます。電解液の導電性を高めるため、一般的には30%水酸化カリウムまたは25%水酸化ナトリウムの濃度を持つ水溶液が使用されます。
電解槽はいくつかの電解セルで構成されています。各電解室は、陰極、陽極、隔膜、電解液で構成されています。隔膜の主な機能は、ガスの透過を防ぐことです。電解槽の下部には共通の入口と出口があり、上部にはアルカリと酸素アルカリの混合物の流路があります。一定の電圧の直流電流が流れると、電圧が水の理論分解電圧1.23Vと熱中性電圧1.48Vをある程度超えると、電極と液体の界面で酸化還元反応が起こり、水が水素と酸素に分解されます。
2 ライ液の循環方法
1️⃣水素、酸素側ライ液混合循環
この循環形式では、ライ液は水素セパレーターと酸素セパレーターの下部にある接続パイプを介してライ液循環ポンプに入り、冷却・ろ過された後、電解槽の陰極室と陽極室に入ります。混合循環の利点は、構造が単純で、プロセスが短く、コストが低いことであり、電解槽の陰極室と陽極室へのライ液循環が同じサイズであることを保証できます。欠点は、一方では水素と酸素の純度に影響を与える可能性があり、他方では水素-酸素セパレーターのレベルが調整から外れる可能性があり、水素-酸素混合のリスクが増加する可能性があります。現在、水素-酸素側のライ液混合循環が最も一般的なプロセスです。
2️⃣水素と酸素側のライ液の個別循環
この循環形式では、2つのライ液循環ポンプ、つまり2つの内部循環が必要です。水素セパレーターの下部にあるライ液は、水素側循環ポンプを通過し、冷却・ろ過された後、電解槽の陰極室に入ります。酸素セパレーターの下部にあるライ液は、酸素側循環ポンプを通過し、冷却・ろ過された後、電解槽の陽極室に入ります。ライ液の独立循環の利点は、電解によって生成される水素と酸素が高純度であることであり、水素-酸素セパレーターの混合のリスクを物理的に回避できます。欠点は、構造とプロセスが複雑でコストがかかることであり、両側のポンプの流量、ヘッド、電力などのパラメータの一貫性を確保する必要もあり、操作の複雑さを増し、システムの安定性を制御するという要件を提示します。
3 電解水による水素生成と電解槽の運転状態に対するライ液循環流量の影響
1️⃣ライ液の過剰循環
(1)水素と酸素の純度への影響
水素と酸素はライ液にある程度の溶解度を持っているため、循環量が多すぎると、溶解した水素と酸素の総量が増加し、ライ液とともに各室に入り、電解槽の出口で水素と酸素の純度が低下します。循環量が多すぎると、水素と酸素の液体セパレーターの滞留時間が短くなり、完全に分離されていないガスがライ液とともに電解槽の内部に持ち込まれ、電解槽の電気化学反応の効率と水素と酸素の純度に影響を与え、さらに水素と酸素精製装置の脱水素と脱酸素能力に影響を与え、水素と酸素の精製効果が悪くなり、製品の品質に影響を与えます。
(2)タンク温度への影響
ライ液クーラーの出口温度が一定の条件下では、ライ液流量が多すぎると、電解槽からより多くの熱が奪われ、タンク温度が低下し、電力が上昇します。
(3)電流と電圧への影響
ライ液の過剰循環は、電流と電圧の安定性に影響を与えます。過剰な液体の流れは、電流と電圧の正常な変動を妨げ、電流と電圧が安定しにくくなり、整流器キャビネットと変圧器の運転状態に変動を引き起こし、水素の生産と品質に影響を与えます。
(4)エネルギー消費量の増加
ライ液の過剰循環は、エネルギー消費量の増加、運転コストの増加、およびシステムのエネルギー効率の低下にもつながります。主に、補助冷却水内部循環システムと外部循環スプレーおよびファン、冷水負荷などの増加により、電力消費量が増加し、総エネルギー消費量が増加します。
(5)機器の故障の原因
ライ液の過剰循環は、ライ液循環ポンプへの負荷を増加させ、電解槽内の流量、圧力、温度の変動を増加させ、電解槽内の電極、隔膜、ガスケットに影響を与え、機器の誤動作や損傷につながり、メンテナンスと修理の作業量が増加する可能性があります。
2️⃣ライ液循環が少なすぎる
(1)タンク温度への影響
ライ液の循環量が不足すると、電解槽内の熱を時間内に奪うことができず、温度が上昇します。高温環境は、気相中の水の飽和蒸気圧を上昇させ、含水量を増加させます。水が十分に凝縮できない場合、精製システムの負担が増加し、精製効果に影響を与え、触媒と吸着剤の効果と寿命にも影響を与えます。
(2)隔膜寿命への影響
継続的な高温環境は、隔膜の老化を加速させ、その性能を低下させたり、さらには破裂させたりし、隔膜の両側での水素と酸素の相互透過を引き起こしやすく、水素と酸素の純度に影響を与えます。相互浸透が爆発の下限に近づくと、電解槽の危険性が大幅に増加します。同時に、継続的な高温は、シーリングガスケットへの漏れ損傷を引き起こし、その耐用年数を短縮します。
(3)電極への影響
ライ液の循環量が少なすぎると、生成されたガスが電極の活性中心からすぐに離れることができず、電解効率が影響を受けます。電極が電気化学反応を行うためにライ液と完全に接触できない場合、部分放電異常とドライバーニングが発生し、電極上の触媒の脱落を加速させます。
(4)セル電圧への影響
ライ液の循環量が少なすぎると、電極の活性中心で生成された水素と酸素の気泡を時間内に除去することができず、電解液中の溶解ガスの量が増加し、小室の電圧が上昇し、電力消費量が増加します。
4 最適なライ液循環流量を決定する方法
上記の問題を解決するには、ライ液循環システムを定期的にチェックして正常な動作を確保する、電解槽周辺の良好な放熱状態を維持する、必要に応じて電解槽の運転パラメータを調整するなど、対応する対策を講じる必要があります。ライ液循環量が多すぎたり少なすぎたりするのを避けるためです。
最適なライ液循環流量は、電解槽のサイズ、室数、運転圧力、反応温度、発熱量、ライ液濃度、ライ液クーラー、水素-酸素セパレーター、電流密度、ガス純度などの要件、機器と配管の耐久性などの特定の電解槽の技術パラメータに基づいて決定する必要があります。
技術パラメータ寸法:
サイズ4800x2240x2281mm
総重量40700Kg
有効室サイズ1830、室数238個
電解槽電流密度5000A/m²
運転圧力1.6Mpa
反応温度90℃±5℃
単一の電解槽製品水素量1300Nm³/h
製品酸素650Nm³/h
直流n13100A、dc電圧480V
ライ液クーラーΦ700x4244mm
熱交換面積88.2m²
水素と酸素セパレーターΦ1300x3916mm
酸素セパレーターΦ1300x3916mm
水酸化カリウム溶液濃度30%
純水抵抗値>5MΩ・cm
水酸化カリウム溶液と電解槽の関係:
純水を導電させ、水素と酸素を取り出し、熱を取り除きます。冷却水流量は、電解槽の反応温度を比較的安定させるためにライ液温度を制御するために使用され、電解槽の発熱量と冷却水流量は、システムの熱バランスを一致させて、最適な運転状態と最も省エネな運転パラメータを実現するために使用されます。
実際の運用に基づくと:
ライ液循環量は60m³/hに制御
冷却水流量は約95%で開きます
電解槽の反応温度は全負荷で90℃に制御
最適な状態の電解槽の直流電力消費量は4.56 kWh/Nm³H₂です。
5要約
要約すると、ライ液の循環量は、水電解による水素製造プロセスにおける重要なパラメータであり、ガス純度、室電圧、電解槽温度などのパラメータに関連しています。タンク内のライ液交換の2〜4回/h/分の循環量を制御することが適切です。ライ液の循環量を効果的に制御することにより、長期間にわたる水電解水素製造設備の安定かつ安全な運転を保証します。
アルカリ電解槽における水電解による水素製造プロセスでは、運転条件パラメータの最適化と電解槽ランナーの設計、電極材料と隔膜材料の選択を組み合わせることが、電流を増加させ、タンク電圧を下げ、エネルギー消費を節約するための鍵となります。
--------------------お問い合わせ--------------------
電話番号:+86 028 6259 0080
ファックス:+86 028 6259 0100
メールアドレス:tech@allygas.com
アルカリ電解槽水素製造プロセスにおいて、安定した運転を実現するためには、電解槽自体の品質に加え、水酸化カリウム溶液(以下、ライ液)循環量の設定も重要な要素となります。
先日、中国工業ガス協会水素専門委員会安全生産技術交流会において、水素水電解水素の運転・保守プログラム責任者である黄麗氏が、実際の試験・運転・保守プロセスにおける水素とライ液循環量の設定に関する経験を共有しました。
以下は、その原稿です。
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国家の二酸化炭素排出量削減戦略を背景に、水素製造に25年間専門的に携わり、水素エネルギー分野にいち早く参入したAlly Hydrogen Energy Technology Co., Ltd.は、電解槽ランナーの設計、機器製造、電極めっき、電解槽試験、運転・保守など、グリーン水素技術と設備の開発を拡大し始めました。
1アルカリ電解槽の動作原理
電解液を満たした電解槽に直流電流を流すことで、水分子が電極上で電気化学的に反応し、水素と酸素に分解されます。電解液の導電性を高めるため、一般的には30%水酸化カリウムまたは25%水酸化ナトリウムの濃度を持つ水溶液が使用されます。
電解槽はいくつかの電解セルで構成されています。各電解室は、陰極、陽極、隔膜、電解液で構成されています。隔膜の主な機能は、ガスの透過を防ぐことです。電解槽の下部には共通の入口と出口があり、上部にはアルカリと酸素アルカリの混合物の流路があります。一定の電圧の直流電流が流れると、電圧が水の理論分解電圧1.23Vと熱中性電圧1.48Vをある程度超えると、電極と液体の界面で酸化還元反応が起こり、水が水素と酸素に分解されます。
2 ライ液の循環方法
1️⃣水素、酸素側ライ液混合循環
この循環形式では、ライ液は水素セパレーターと酸素セパレーターの下部にある接続パイプを介してライ液循環ポンプに入り、冷却・ろ過された後、電解槽の陰極室と陽極室に入ります。混合循環の利点は、構造が単純で、プロセスが短く、コストが低いことであり、電解槽の陰極室と陽極室へのライ液循環が同じサイズであることを保証できます。欠点は、一方では水素と酸素の純度に影響を与える可能性があり、他方では水素-酸素セパレーターのレベルが調整から外れる可能性があり、水素-酸素混合のリスクが増加する可能性があります。現在、水素-酸素側のライ液混合循環が最も一般的なプロセスです。
2️⃣水素と酸素側のライ液の個別循環
この循環形式では、2つのライ液循環ポンプ、つまり2つの内部循環が必要です。水素セパレーターの下部にあるライ液は、水素側循環ポンプを通過し、冷却・ろ過された後、電解槽の陰極室に入ります。酸素セパレーターの下部にあるライ液は、酸素側循環ポンプを通過し、冷却・ろ過された後、電解槽の陽極室に入ります。ライ液の独立循環の利点は、電解によって生成される水素と酸素が高純度であることであり、水素-酸素セパレーターの混合のリスクを物理的に回避できます。欠点は、構造とプロセスが複雑でコストがかかることであり、両側のポンプの流量、ヘッド、電力などのパラメータの一貫性を確保する必要もあり、操作の複雑さを増し、システムの安定性を制御するという要件を提示します。
3 電解水による水素生成と電解槽の運転状態に対するライ液循環流量の影響
1️⃣ライ液の過剰循環
(1)水素と酸素の純度への影響
水素と酸素はライ液にある程度の溶解度を持っているため、循環量が多すぎると、溶解した水素と酸素の総量が増加し、ライ液とともに各室に入り、電解槽の出口で水素と酸素の純度が低下します。循環量が多すぎると、水素と酸素の液体セパレーターの滞留時間が短くなり、完全に分離されていないガスがライ液とともに電解槽の内部に持ち込まれ、電解槽の電気化学反応の効率と水素と酸素の純度に影響を与え、さらに水素と酸素精製装置の脱水素と脱酸素能力に影響を与え、水素と酸素の精製効果が悪くなり、製品の品質に影響を与えます。
(2)タンク温度への影響
ライ液クーラーの出口温度が一定の条件下では、ライ液流量が多すぎると、電解槽からより多くの熱が奪われ、タンク温度が低下し、電力が上昇します。
(3)電流と電圧への影響
ライ液の過剰循環は、電流と電圧の安定性に影響を与えます。過剰な液体の流れは、電流と電圧の正常な変動を妨げ、電流と電圧が安定しにくくなり、整流器キャビネットと変圧器の運転状態に変動を引き起こし、水素の生産と品質に影響を与えます。
(4)エネルギー消費量の増加
ライ液の過剰循環は、エネルギー消費量の増加、運転コストの増加、およびシステムのエネルギー効率の低下にもつながります。主に、補助冷却水内部循環システムと外部循環スプレーおよびファン、冷水負荷などの増加により、電力消費量が増加し、総エネルギー消費量が増加します。
(5)機器の故障の原因
ライ液の過剰循環は、ライ液循環ポンプへの負荷を増加させ、電解槽内の流量、圧力、温度の変動を増加させ、電解槽内の電極、隔膜、ガスケットに影響を与え、機器の誤動作や損傷につながり、メンテナンスと修理の作業量が増加する可能性があります。
2️⃣ライ液循環が少なすぎる
(1)タンク温度への影響
ライ液の循環量が不足すると、電解槽内の熱を時間内に奪うことができず、温度が上昇します。高温環境は、気相中の水の飽和蒸気圧を上昇させ、含水量を増加させます。水が十分に凝縮できない場合、精製システムの負担が増加し、精製効果に影響を与え、触媒と吸着剤の効果と寿命にも影響を与えます。
(2)隔膜寿命への影響
継続的な高温環境は、隔膜の老化を加速させ、その性能を低下させたり、さらには破裂させたりし、隔膜の両側での水素と酸素の相互透過を引き起こしやすく、水素と酸素の純度に影響を与えます。相互浸透が爆発の下限に近づくと、電解槽の危険性が大幅に増加します。同時に、継続的な高温は、シーリングガスケットへの漏れ損傷を引き起こし、その耐用年数を短縮します。
(3)電極への影響
ライ液の循環量が少なすぎると、生成されたガスが電極の活性中心からすぐに離れることができず、電解効率が影響を受けます。電極が電気化学反応を行うためにライ液と完全に接触できない場合、部分放電異常とドライバーニングが発生し、電極上の触媒の脱落を加速させます。
(4)セル電圧への影響
ライ液の循環量が少なすぎると、電極の活性中心で生成された水素と酸素の気泡を時間内に除去することができず、電解液中の溶解ガスの量が増加し、小室の電圧が上昇し、電力消費量が増加します。
4 最適なライ液循環流量を決定する方法
上記の問題を解決するには、ライ液循環システムを定期的にチェックして正常な動作を確保する、電解槽周辺の良好な放熱状態を維持する、必要に応じて電解槽の運転パラメータを調整するなど、対応する対策を講じる必要があります。ライ液循環量が多すぎたり少なすぎたりするのを避けるためです。
最適なライ液循環流量は、電解槽のサイズ、室数、運転圧力、反応温度、発熱量、ライ液濃度、ライ液クーラー、水素-酸素セパレーター、電流密度、ガス純度などの要件、機器と配管の耐久性などの特定の電解槽の技術パラメータに基づいて決定する必要があります。
技術パラメータ寸法:
サイズ4800x2240x2281mm
総重量40700Kg
有効室サイズ1830、室数238個
電解槽電流密度5000A/m²
運転圧力1.6Mpa
反応温度90℃±5℃
単一の電解槽製品水素量1300Nm³/h
製品酸素650Nm³/h
直流n13100A、dc電圧480V
ライ液クーラーΦ700x4244mm
熱交換面積88.2m²
水素と酸素セパレーターΦ1300x3916mm
酸素セパレーターΦ1300x3916mm
水酸化カリウム溶液濃度30%
純水抵抗値>5MΩ・cm
水酸化カリウム溶液と電解槽の関係:
純水を導電させ、水素と酸素を取り出し、熱を取り除きます。冷却水流量は、電解槽の反応温度を比較的安定させるためにライ液温度を制御するために使用され、電解槽の発熱量と冷却水流量は、システムの熱バランスを一致させて、最適な運転状態と最も省エネな運転パラメータを実現するために使用されます。
実際の運用に基づくと:
ライ液循環量は60m³/hに制御
冷却水流量は約95%で開きます
電解槽の反応温度は全負荷で90℃に制御
最適な状態の電解槽の直流電力消費量は4.56 kWh/Nm³H₂です。
5要約
要約すると、ライ液の循環量は、水電解による水素製造プロセスにおける重要なパラメータであり、ガス純度、室電圧、電解槽温度などのパラメータに関連しています。タンク内のライ液交換の2〜4回/h/分の循環量を制御することが適切です。ライ液の循環量を効果的に制御することにより、長期間にわたる水電解水素製造設備の安定かつ安全な運転を保証します。
アルカリ電解槽における水電解による水素製造プロセスでは、運転条件パラメータの最適化と電解槽ランナーの設計、電極材料と隔膜材料の選択を組み合わせることが、電流を増加させ、タンク電圧を下げ、エネルギー消費を節約するための鍵となります。
--------------------お問い合わせ--------------------
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