Dans le processus de production d'hydrogène par électrolyseur alcalin, comment assurer le fonctionnement stable de l'appareil, en plus de la qualité de l'électrolyseur lui-même, le réglage du débit de circulation de la lessive est également un facteur d'influence important.

Récemment, lors de la réunion d'échange de technologies de production et de sécurité du Comité professionnel de l'hydrogène de l'Association chinoise des gaz industriels, Huang Li, responsable du programme d'exploitation et de maintenance de l'hydrogène par électrolyse de l'eau, a partagé notre expérience sur le réglage du volume de circulation de l'hydrogène et de la lessive dans le processus de test et d'exploitation et de maintenance réels.

Ce qui suit est le document original.

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Dans le contexte de la stratégie nationale à double carbone, Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd, spécialisée dans la production d'hydrogène depuis 25 ans et ayant été la première à s'impliquer dans le domaine de l'énergie hydrogène, a commencé à développer l'énergie hydrogène verte et les équipements, y compris la conception des coureurs de cuves d'électrolyse, la fabrication d'équipements, le placage d'électrodes, ainsi que les tests et l'exploitation et la maintenance des cuves d'électrolyse.

Un Principe de fonctionnement de l'électrolyseur alcalin

En faisant passer un courant continu à travers un électrolyseur rempli d'électrolyte, les molécules d'eau réagissent électrochimiquement sur les électrodes et se décomposent en hydrogène et en oxygène. Afin d'améliorer la conductivité de l'électrolyte, l'électrolyte général est une solution aqueuse avec une concentration de 30 % d'hydroxyde de potassium ou de 25 % d'hydroxyde de sodium.

L'électrolyseur est constitué de plusieurs cellules électrolytiques. Chaque chambre d'électrolyse est constituée d'une cathode, d'une anode, d'un diaphragme et d'un électrolyte. La fonction principale du diaphragme est d'empêcher la perméation des gaz. Dans la partie inférieure de l'électrolyseur, il y a une entrée et une sortie communes, la partie supérieure du mélange gaz-liquide de canal d'écoulement alcalin et oxy-alcalin. Soumis à une certaine tension de courant continu, lorsque la tension dépasse la tension de décomposition théorique de l'eau de 1,23 V et la tension neutre thermique de 1,48 V au-dessus d'une certaine valeur, la réaction redox de l'interface de l'électrode et du liquide se produit, l'eau se décompose en hydrogène et en oxygène.

Deux Comment la lessive est-elle circulée

1️⃣Cycle mixte de lessive côté hydrogène et oxygène

Dans cette forme de circulation, la lessive entre dans la pompe de circulation de lessive par le tuyau de raccordement au fond du séparateur d'hydrogène et du séparateur d'oxygène, puis entre dans les chambres cathodique et anodique de l'électrolyseur après refroidissement et filtration. Les avantages de la circulation mixte sont une structure simple, un processus court, un faible coût et peuvent assurer la même taille de circulation de lessive dans les chambres cathodique et anodique de l'électrolyseur ; l'inconvénient est que, d'une part, cela peut affecter la pureté de l'hydrogène et de l'oxygène, et d'autre part, cela peut entraîner un dérèglement du niveau du séparateur hydrogène-oxygène, ce qui peut entraîner un risque accru de mélange hydrogène-oxygène. À l'heure actuelle, le cycle de mélange de lessive côté hydrogène-oxygène est le processus le plus courant.

2️⃣Circulation séparée de la lessive côté hydrogène et oxygène

Cette forme de circulation nécessite deux pompes de circulation de lessive, c'est-à-dire deux circulations internes. La lessive au fond du séparateur d'hydrogène passe par la pompe de circulation côté hydrogène, est refroidie et filtrée, puis entre dans la chambre cathodique de l'électrolyseur ; la lessive au fond du séparateur d'oxygène passe par la pompe de circulation côté oxygène, est refroidie et filtrée, puis entre dans la chambre anodique de l'électrolyseur. L'avantage de la circulation indépendante de la lessive est que l'hydrogène et l'oxygène produits par électrolyse sont de grande pureté, évitant physiquement le risque de mélange du séparateur hydrogène et oxygène ; l'inconvénient est que la structure et le processus sont compliqués et coûteux, et il est également nécessaire d'assurer la cohérence du débit, de la pression, de la puissance et d'autres paramètres des pompes des deux côtés, ce qui augmente la complexité de l'opération et pose l'exigence de contrôler la stabilité des deux côtés du système.

Trois Influence du débit de circulation de la lessive sur la production d'hydrogène par électrolyse de l'eau et l'état de fonctionnement de l'électrolyseur

1️⃣Circulation excessive de lessive

（1）Effet sur la pureté de l'hydrogène et de l'oxygène

Parce que l'hydrogène et l'oxygène ont une certaine solubilité dans la lessive, le volume de circulation est trop important de sorte que la quantité totale d'hydrogène et d'oxygène dissous augmente et entre dans chaque chambre avec la lessive, ce qui entraîne une réduction de la pureté de l'hydrogène et de l'oxygène à la sortie de l'électrolyseur ; le volume de circulation est trop important de sorte que le temps de rétention du séparateur de liquide hydrogène et oxygène est trop court, et le gaz qui n'a pas été complètement séparé est ramené à l'intérieur de l'électrolyseur avec la lessive, ce qui affecte l'efficacité de la réaction électrochimique de l'électrolyseur et la pureté de l'hydrogène et de l'oxygène, et en outre cela affectera l'efficacité de la réaction électrochimique dans l'électrolyseur et la pureté de l'hydrogène et de l'oxygène, et affectera en outre la capacité de l'équipement de purification de l'hydrogène et de l'oxygène à déshydrogéner et à désoxygéner, ce qui entraînera un mauvais effet de purification de l'hydrogène et de l'oxygène et affectera la qualité des produits.

（2） Effet sur la température du réservoir

Dans la condition où la température de sortie du refroidisseur de lessive reste inchangée, un débit de lessive trop important emportera plus de chaleur de l'électrolyseur, ce qui entraînera une baisse de la température du réservoir et une augmentation de la puissance.

（3）Effet sur le courant et la tension

Une circulation excessive de lessive affectera la stabilité du courant et de la tension. Un débit de liquide excessif interférera avec la fluctuation normale du courant et de la tension, ce qui empêchera le courant et la tension de se stabiliser facilement, entraînant des fluctuations de l'état de fonctionnement de l'armoire de redresseur et du transformateur, et affectant ainsi la production et la qualité de l'hydrogène.

（4）Augmentation de la consommation d'énergie

Une circulation excessive de lessive peut également entraîner une augmentation de la consommation d'énergie, une augmentation des coûts d'exploitation et une réduction de l'efficacité énergétique du système. Principalement dans l'augmentation du système de circulation interne d'eau de refroidissement auxiliaire et de la pulvérisation et du ventilateur de circulation externe, de la charge d'eau glacée, etc., de sorte que la consommation d'énergie augmente, la consommation totale d'énergie augmente.

（5）Provoquer une défaillance de l'équipement

Une circulation excessive de lessive augmente la charge sur la pompe de circulation de lessive, ce qui correspond à une augmentation du débit, de la pression et des fluctuations de température dans l'électrolyseur, ce qui affecte à son tour les électrodes, les diaphragmes et les joints à l'intérieur de l'électrolyseur, ce qui peut entraîner des dysfonctionnements ou des dommages de l'équipement, et une augmentation de la charge de travail pour la maintenance et la réparation.

2️⃣Circulation de lessive trop faible

（1）Effet sur la température du réservoir

Lorsque le volume de circulation de la lessive est insuffisant, la chaleur dans l'électrolyseur ne peut pas être emportée à temps, ce qui entraîne une augmentation de la température. L'environnement à haute température fait monter la pression de vapeur saturée de l'eau en phase gazeuse et augmenter la teneur en eau. Si l'eau ne peut pas être suffisamment condensée, cela augmentera la charge du système de purification et affectera l'effet de purification, et cela affectera également l'effet et la durée de vie du catalyseur et de l'adsorbant.

（2）Impact sur la durée de vie du diaphragme

Un environnement à haute température continu accélérera le vieillissement du diaphragme, diminuera ses performances ou même le rompra, ce qui facilitera la perméabilité mutuelle de l'hydrogène et de l'oxygène des deux côtés du diaphragme, affectant la pureté de l'hydrogène et de l'oxygène. Lorsque l'infiltration mutuelle est proche de la limite inférieure de l'explosion, la probabilité de danger de l'électrolyseur augmente considérablement. En même temps, la température élevée continue causera également des dommages de fuite au joint d'étanchéité, raccourcissant sa durée de vie.

（3）Effet sur les électrodes

Si la quantité de circulation de lessive est trop faible, le gaz produit ne peut pas quitter rapidement le centre actif de l'électrode et l'efficacité de l'électrolyse est affectée ; si l'électrode ne peut pas entrer pleinement en contact avec la lessive pour effectuer la réaction électrochimique, une décharge partielle anormale et une combustion à sec se produiront, accélérant le détachement du catalyseur sur l'électrode.

（4 ）Effet sur la tension de la cellule

La quantité de lessive en circulation est trop faible, car les bulles d'hydrogène et d'oxygène générées dans le centre actif de l'électrode ne peuvent pas être emportées à temps, et la quantité de gaz dissous dans l'électrolyte augmente, entraînant une augmentation de la tension de la petite chambre et une augmentation de la consommation d'énergie.

Quatre Méthodes pour déterminer le débit de circulation optimal de la lessive

Pour résoudre les problèmes ci-dessus, il est nécessaire de prendre les mesures correspondantes, telles que vérifier régulièrement le système de circulation de la lessive pour assurer son fonctionnement normal ; maintenir de bonnes conditions de dissipation thermique autour de l'électrolyseur ; et ajuster les paramètres de fonctionnement de l'électrolyseur, si nécessaire, afin d'éviter l'apparition d'un volume de circulation de lessive trop important ou trop faible.

Le débit de circulation optimal de la lessive doit être déterminé en fonction des paramètres techniques spécifiques de l'électrolyseur, tels que la taille de l'électrolyseur, le nombre de chambres, la pression de fonctionnement, la température de réaction, la génération de chaleur, la concentration de lessive, le refroidisseur de lessive, le séparateur hydrogène-oxygène, la densité de courant, la pureté du gaz et d'autres exigences, la durabilité de l'équipement et de la tuyauterie et d'autres facteurs.

Dimensions des paramètres techniques：

tailles 4800x2240x2281mm

poids total 40700Kg

Taille de la chambre effective 1830、Nombre de chambres 238个

Densité de courant de l'électrolyseur 5000A/m²

pression de fonctionnement 1,6 Mpa

température de réaction 90℃±5℃

Volume d'hydrogène du produit d'un seul ensemble d'électrolyseur 1300Nm³/h

Oxygène du produit 650Nm³/h

courant continu n13100A、tension continue 480V

Refroidisseur de lessive Φ700x4244mm

surface d'échange thermique 88,2m²

Séparateur hydrogène et oxygène Φ1300x3916mm

séparateur d'oxygène Φ1300x3916mm

Concentration de la solution d'hydroxyde de potassium 30%

Valeur de résistance de l'eau pure >5MΩ·cm

Relation entre la solution d'hydroxyde de potassium et l'électrolyseur：

Rendre l'eau pure conductrice, faire sortir l'hydrogène et l'oxygène et emporter la chaleur. Le débit d'eau de refroidissement est utilisé pour contrôler la température de la lessive afin que la température de la réaction de l'électrolyseur soit relativement stable, et la génération de chaleur de l'électrolyseur et le débit d'eau de refroidissement sont utilisés pour correspondre à l'équilibre thermique du système afin d'obtenir les meilleures conditions de fonctionnement et les paramètres de fonctionnement les plus économes en énergie.

Basé sur les opérations réelles：

Contrôle du volume de circulation de la lessive à 60 m³/h，

Le débit d'eau de refroidissement s'ouvre à environ 95%，

La température de réaction de l'électrolyseur est contrôlée à 90°C à pleine charge，

La consommation d'énergie CC de l'électrolyseur dans des conditions optimales est de 4,56 kWh/Nm³H₂.

Cinq résumer

En résumé, le volume de circulation de la lessive est un paramètre important dans le processus de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau, qui est lié à la pureté du gaz, à la tension de la chambre, à la température de l'électrolyseur et à d'autres paramètres. Il est approprié de contrôler le volume de circulation à 2~4 fois/h/min de remplacement de la lessive dans le réservoir. En contrôlant efficacement le volume de circulation de la lessive, il assure le fonctionnement stable et sûr des équipements de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau pendant une longue période.

Dans le processus de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau dans un électrolyseur alcalin, l'optimisation des paramètres de fonctionnement et la conception du coureur de l'électrolyseur, combinées à la sélection du matériau de l'électrode et du matériau du diaphragme, sont la clé pour augmenter le courant, réduire la tension du réservoir et économiser la consommation d'énergie.

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