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Circulation d'hydrogène et d'alcali dans le procédé de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau par électrolyseur alcalin

09 janvier 2025

Dans le processus de production d'hydrogène de l'électrolyseur alcalin, comment faire fonctionner l'appareil de manière stable, en plus de la qualité de l'électrolyseur lui-même, dans lequel la quantité de circulation de lessive du réglage est également un facteur d'influence important.

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

 

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 première à s'impliquer dans le domaine de l'énergie hydrogène, a commencé à étendre le développement de la technologie et des équipements de l'hydrogène vert, y compris la conception des canaux de cuve d'électrolyse, la fabrication d'équipements, le placage d'électrodes, ainsi que les tests, l'exploitation et la maintenance des cuves d'électrolyse.

 

UnPrincipe de fonctionnement de l'électrolyseur alcalin

En faisant passer un courant continu dans 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, celui-ci est généralement une solution aqueuse concentrée à 30 % d'hydroxyde de potassium ou à 25 % d'hydroxyde de sodium.

L'électrolyseur est composé de plusieurs cellules électrolytiques. Chaque chambre d'électrolyse comprend une cathode, une anode, un diaphragme et un électrolyte. La fonction principale du diaphragme est d'empêcher la perméation des gaz. La partie inférieure de l'électrolyseur comporte une entrée et une sortie communes, tandis que la partie supérieure est traversée par un canal d'écoulement du mélange gaz-liquide alcalin et oxy-alcalin. Sous une tension continue donnée, lorsque cette tension dépasse la tension théorique de décomposition de l'eau (1,23 V) et la tension de neutre thermique (1,48 V), une réaction redox se produit entre l'électrode et l'interface liquide, décomposant l'eau en hydrogène et en oxygène.

 

Deux Comment la lessive est distribuée

1️⃣Cycle mixte de lessive côté hydrogène et oxygène

Dans ce mode de circulation, la lessive pénètre dans la pompe de circulation par le tuyau de raccordement situé en bas du séparateur d'hydrogène et du séparateur d'oxygène, puis, après refroidissement et filtration, pénètre dans les chambres cathodique et anodique de l'électrolyseur. La circulation mixte présente les avantages suivants : une structure simple, un processus court, un faible coût et une circulation uniforme de lessive dans les chambres cathodique et anodique de l'électrolyseur. Son inconvénient réside dans le risque d'altération de la pureté de l'hydrogène et de l'oxygène, et de déséquilibre du niveau du séparateur hydrogène-oxygène, augmentant ainsi le risque de mélange hydrogène-oxygène. Actuellement, le cycle de mélange hydrogène-oxygène est le procédé le plus courant.

2️⃣Circulation séparée de la lessive côté hydrogène et côté oxygène

Ce mode de circulation nécessite deux pompes de circulation de lessive, soit deux circulations internes. La lessive au fond du séparateur d'hydrogène traverse la pompe de circulation côté hydrogène, est refroidie et filtrée, puis pénètre dans la chambre cathodique de l'électrolyseur ; la lessive au fond du séparateur d'oxygène traverse la pompe de circulation côté oxygène, est refroidie et filtrée, puis pénètre dans la chambre anodique de l'électrolyseur. L'avantage de la circulation indépendante de la lessive réside dans la grande pureté de l'hydrogène et de l'oxygène produits par électrolyse, évitant ainsi le risque de mélange de l'hydrogène et du séparateur d'oxygène. L'inconvénient réside dans la complexité et le coût de la structure et du procédé, ainsi que dans la nécessité de garantir la constance du débit, de la hauteur manométrique, de la puissance et d'autres paramètres des pompes des deux côtés, ce qui complexifie l'opération et impose de contrôler la stabilité des deux côtés du système.

 

Trois influences du débit de circulation de la lessive sur la production d'hydrogène par l'eau électrolytique et les conditions de fonctionnement de l'électrolyseur

1️⃣Circulation excessive de lessive

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

Étant donné que l'hydrogène et l'oxygène ont une certaine solubilité dans la lessive, le volume de circulation est trop grand de sorte que la quantité totale d'hydrogène et d'oxygène dissous augmente et pénètre 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 grand de sorte que le temps de rétention du séparateur liquide d'hydrogène et d'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 se déshydrogéner et à se désoxygéner, ce qui entraînera un mauvais effet de la purification de l'hydrogène et de l'oxygène et affectera la qualité des produits.

(2) Effet sur la température du réservoir

Dans la mesure où la température de sortie du refroidisseur de lessive reste inchangée, un débit de lessive trop important évacuera davantage 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 affecte la stabilité du courant et de la tension. Un débit de liquide excessif perturbe les fluctuations normales du courant et de la tension, rendant leur stabilisation difficile, ce qui entraîne des fluctuations du fonctionnement du redresseur et du transformateur, et affecte 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, des coûts d'exploitation et une baisse de l'efficacité énergétique du système. L'augmentation de la circulation interne de l'eau de refroidissement auxiliaire, de la circulation externe par pulvérisation et ventilation, de la charge d'eau réfrigérée, etc., entraîne une augmentation de la consommation d'énergie et de la consommation totale d'énergie.

(5)Provoquer une panne 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, des fluctuations de pression et 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 à l'équipement, et une augmentation de la charge de travail pour l'entretien et la réparation.

2️⃣Circulation de lessive trop faible

(1)Effet sur la température du réservoir

Lorsque le volume de lessive en circulation est insuffisant, la chaleur dans l'électrolyseur ne peut être évacuée à temps, ce qui entraîne une augmentation de la température. L'environnement à haute température entraîne une augmentation de la pression de vapeur saturante de l'eau en phase gazeuse et de sa teneur en eau. Une condensation insuffisante de l'eau alourdit le système de purification et affecte son efficacité, ainsi que l'efficacité et la durée de vie du catalyseur et de l'adsorbant.

(2)Impact sur la durée de vie du diaphragme

Un environnement constamment à haute température accélère le vieillissement de la membrane, diminue ses performances, voire la rompt. Cela peut facilement entraîner une perméabilité mutuelle à l'hydrogène et à l'oxygène, affectant ainsi la pureté de ces deux gaz. L'infiltration mutuelle, proche de la limite inférieure d'explosion, augmente considérablement le risque de danger pour l'électrolyseur. De plus, une température élevée continue peut entraîner des fuites au niveau du joint d'étanchéité, réduisant ainsi sa durée de vie.

(3)Effet sur les électrodes

Si la quantité de lessive en circulation 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 complètement en contact avec la lessive pour effectuer la réaction électrochimique, une anomalie de décharge partielle et une combustion à sec se produiront, accélérant la perte du catalyseur sur l'électrode.

(4)Effet sur la tension cellulaire

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 éliminées à temps, et la quantité de gaz dissous dans l'électrolyte augmente, provoquant une augmentation de la tension de la petite chambre et une augmentation de la consommation d'énergie.

 

Quatre méthodes pour déterminer le débit optimal de circulation de lessive

Pour résoudre les problèmes ci-dessus, il est nécessaire de prendre des mesures correspondantes, telles que la vérification régulière du système de circulation de lessive pour assurer son fonctionnement normal ; le maintien de bonnes conditions de dissipation de la chaleur autour de l'électrolyseur ; et le réglage des paramètres de fonctionnement de l'électrolyseur, si nécessaire, afin d'éviter l'apparition d'un volume de circulation de lessive trop grand ou trop petit.

Le débit optimal de circulation de 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.

Paramètres techniques Dimensions :

tailles 4800x2240x2281mm

poids total 40700 kg

Taille effective de la chambre 1830, nombre de chambres 238

Densité de courant de l'électrolyseur 5000A/m²

pression de service 1,6 MPa

température de réaction 90℃±5℃

Ensemble unique de produit d'électrolyseur volume d'hydrogène 1300 Nm³/h

Oxygène produit 650 Nm³/h

courant continu n13100A, tension continue 480V

Refroidisseur de lessive Φ700x4244mm

surface d'échange thermique 88,2 m²

Séparateur d'hydrogène et d'oxygène Φ1300x3916mm

séparateur d'oxygène Φ1300x3916mm

Solution d'hydroxyde de potassium concentration 30%

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

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

L'eau pure devient conductrice, extrait l'hydrogène et l'oxygène et évacue la chaleur. Le débit d'eau de refroidissement permet de réguler la température de la lessive afin de stabiliser la température de réaction de l'électrolyseur. La production de chaleur de l'électrolyseur et le débit d'eau de refroidissement permettent d'équilibrer le bilan thermique du système et d'obtenir ainsi des conditions de fonctionnement optimales et des paramètres d'exploitation économes en énergie.

Basé sur des opérations réelles :

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

Le flux 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 électrique CC optimale de l'électrolyseur est de 4,56 kWh/Nm³H₂.

 

Cinqrésumer

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. Il 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 recommandé de contrôler le volume de circulation à une fréquence de 2 à 4 fois par heure et par minute, correspondant au remplacement de la lessive dans le réservoir. Un contrôle efficace du volume de circulation de la lessive garantit un fonctionnement stable et sûr de l'équipement de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau sur une longue période.

Dans le processus de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau dans un électrolyseur alcalin, l'optimisation des paramètres des conditions de travail et de la conception du canal d'électrolyseur, combinée 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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Tél. : +86 028 6259 0080

Fax : +86 028 6259 0100

E-mail: tech@allygas.com


Date de publication : 09/01/2025

Tableau d'entrée technologique

État de la matière première

Exigences relatives au produit

Exigences techniques