Bei der Wasserstoffproduktion mittels alkalischer Elektrolyse ist neben der Qualität des Elektrolyseurs selbst auch die Einstellung der Laugenumwälzmenge ein wichtiger Einflussfaktor für einen stabilen Betrieb des Geräts.
Kürzlich teilte Huang Li, Leiter des Programms für Betrieb und Wartung von Wasserstoff-Wasserstoffelektrolyse, auf dem Technologieaustauschtreffen des Fachkomitees Wasserstoff der China Industrial Gases Association unsere Erfahrungen zur Einstellung des Wasserstoff- und Laugenkreislaufvolumens im Rahmen der praktischen Erprobung und des Betriebs und der Wartung mit.
Nachfolgend das Originaldokument.
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Vor dem Hintergrund der nationalen Dual-Carbon-Strategie hat die Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd., die sich seit 25 Jahren auf die Wasserstoffproduktion spezialisiert hat und als erste im Bereich der Wasserstoffenergie tätig wurde, damit begonnen, die Entwicklung von grüner Wasserstofftechnologie und -ausrüstung auszuweiten. Dazu gehören die Konstruktion von Elektrolysebehälter-Laufrädern, die Herstellung von Ausrüstung, die Elektrodenplattierung sowie die Prüfung, der Betrieb und die Wartung von Elektrolysebehältern.
EinsFunktionsprinzip des alkalischen Elektrolyseurs
Durch Anlegen von Gleichstrom an einen mit Elektrolyt gefüllten Elektrolyseur werden Wassermoleküle an den Elektroden elektrochemisch in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Um die Leitfähigkeit des Elektrolyten zu erhöhen, wird üblicherweise eine wässrige Lösung mit einer Konzentration von 30 % Kaliumhydroxid oder 25 % Natriumhydroxid verwendet.
Der Elektrolyseur besteht aus mehreren Elektrolysezellen. Jede Elektrolysekammer enthält eine Kathode, eine Anode, eine Membran und Elektrolyt. Die Membran dient hauptsächlich dazu, das Eindringen von Gas zu verhindern. Im unteren Teil des Elektrolyseurs befinden sich ein gemeinsamer Ein- und Auslass, im oberen Teil der Strömungskanal für das Gas-Flüssigkeits-Gemisch aus Alkali und Oxyalkali. Wird eine bestimmte Gleichspannung angelegt, und überschreitet diese einen bestimmten Wert – die theoretische Zersetzungsspannung von Wasser (1,23 V) und die thermoneutrale Spannung (1,48 V) –, findet eine Redoxreaktion an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Flüssigkeit statt, wobei Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt wird.
Zwei. Wie die Lauge zirkuliert
1️⃣Wasserstoff, Sauerstoff Seitenlauge Mischzyklus
Bei dieser Kreislaufform gelangt die Lauge über das Verbindungsrohr am Boden des Wasserstoff- und Sauerstoffabscheiders in die Laugenumwälzpumpe und anschließend, nach Kühlung und Filterung, in die Kathoden- und Anodenkammer des Elektrolyseurs. Die Vorteile der Mischzirkulation liegen in der einfachen Struktur, dem kurzen Prozessablauf, den geringen Kosten und der Gewährleistung einer gleichmäßigen Laugenmenge in Kathoden- und Anodenkammer. Zu den Nachteilen zählen die mögliche Beeinträchtigung der Wasserstoff- und Sauerstoffreinheit sowie die mögliche Fehljustierung des Wasserstoff-Sauerstoff-Abscheiders, was das Risiko einer Wasserstoff-Sauerstoff-Vermischung erhöhen kann. Derzeit ist die Wasserstoff-Sauerstoff-Seite des Laugenkreislaufs das gängigste Verfahren.
2️⃣Getrennte Zirkulation der Wasserstoff- und Sauerstoff-Seitenlauge
Diese Zirkulationsform erfordert zwei Laugenumwälzpumpen, also zwei interne Kreisläufe. Die Lauge am Boden des Wasserstoffabscheiders durchläuft die wasserstoffseitige Umwälzpumpe, wird gekühlt und gefiltert und gelangt dann in die Kathodenkammer des Elektrolyseurs. Die Lauge am Boden des Sauerstoffabscheiders durchläuft die sauerstoffseitige Umwälzpumpe, wird gekühlt und gefiltert und gelangt dann in die Anodenkammer des Elektrolyseurs. Der Vorteil der unabhängigen Laugenzirkulation liegt in der hohen Reinheit des durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoffs und Sauerstoffs, wodurch eine Vermischung der beiden Abscheider vermieden wird. Der Nachteil besteht in der komplexen und kostspieligen Konstruktion und dem hohen Aufwand. Zudem muss die Konstanz von Fördermenge, Förderhöhe, Leistung und anderen Parametern der Pumpen auf beiden Seiten sichergestellt werden, was den Betrieb komplexer macht und die Stabilität des Systems auf beiden Seiten gewährleistet.
Drei Einflüsse der Zirkulationsflussrate der Lauge auf die Wasserstoffproduktion durch Elektrolysewasser und der Betriebsbedingungen des Elektrolyseurs
1️⃣Übermäßige Zirkulation von Lauge
(1) Auswirkung auf die Wasserstoff- und Sauerstoffreinheit
Da Wasserstoff und Sauerstoff eine gewisse Löslichkeit in der Lauge aufweisen, ist das Zirkulationsvolumen zu groß. Dadurch erhöht sich die Gesamtmenge an gelöstem Wasserstoff und Sauerstoff, der zusammen mit der Lauge in die einzelnen Kammern gelangt. Dies führt zu einer Verringerung der Reinheit von Wasserstoff und Sauerstoff am Auslass des Elektrolyseurs. Gleichzeitig ist die Verweilzeit im Flüssigkeitsabscheider für Wasserstoff und Sauerstoff aufgrund des zu großen Zirkulationsvolumens zu kurz. Nicht vollständig abgetrennte Gase werden mit der Lauge zurück in den Elektrolyseur geführt, was die Effizienz der elektrochemischen Reaktion und die Reinheit von Wasserstoff und Sauerstoff beeinträchtigt. Dies wiederum wirkt sich negativ auf die Effizienz der elektrochemischen Reaktion im Elektrolyseur und die Reinheit von Wasserstoff und Sauerstoff aus und beeinträchtigt somit die Fähigkeit der Wasserstoff- und Sauerstoffreinigungsanlage zur Dehydrierung und Desoxygenierung. Die Folge sind eine unzureichende Wasserstoff- und Sauerstoffreinigung und somit eine verminderte Produktqualität.
(2) Auswirkung auf die Tanktemperatur
Unter der Voraussetzung, dass die Auslasstemperatur des Laugenkühlers unverändert bleibt, würde ein zu hoher Laugenfluss dem Elektrolyseur mehr Wärme entziehen, wodurch die Tanktemperatur sinkt und die Leistung steigt.
(3) Auswirkung auf Strom und Spannung
Eine übermäßige Zirkulation der Lauge beeinträchtigt die Strom- und Spannungsstabilität. Ein zu hoher Flüssigkeitsdurchfluss stört die normalen Strom- und Spannungsschwankungen, wodurch sich diese nicht stabilisieren lassen. Dies führt zu Schwankungen im Betriebszustand des Gleichrichterschranks und des Transformators und beeinträchtigt somit die Wasserstoffproduktion und -qualität.
(4) Erhöhter Energieverbrauch
Eine übermäßige Laugenzirkulation kann zu erhöhtem Energieverbrauch, höheren Betriebskosten und einer geringeren Energieeffizienz des Systems führen. Dies liegt hauptsächlich an dem erhöhten Bedarf an Zusatzkühlwasser im internen Zirkulationssystem sowie an der externen Zirkulation durch Sprüh- und Lüftersysteme, der erhöhten Kaltwasserlast usw., wodurch der Stromverbrauch und somit der Gesamtenergieverbrauch steigen.
(5) Geräteausfall verursachen
Eine übermäßige Laugenumwälzung erhöht die Belastung der Laugenumwälzpumpe, was zu einer Erhöhung der Durchflussrate sowie zu Druck- und Temperaturschwankungen im Elektrolyseur führt. Dies wiederum beeinträchtigt die Elektroden, Membranen und Dichtungen im Inneren des Elektrolyseurs, was zu Fehlfunktionen oder Beschädigungen des Geräts und einem erhöhten Wartungs- und Reparaturaufwand führen kann.
2️⃣Laugenzirkulation zu gering
(1) Auswirkung auf die Tanktemperatur
Bei unzureichender Laugenzufuhr kann die Wärme im Elektrolyseur nicht rechtzeitig abgeführt werden, was zu einem Temperaturanstieg führt. Die hohe Temperatur bewirkt einen Anstieg des Sättigungsdampfdrucks von Wasser in der Gasphase und damit des Wassergehalts. Kann das Wasser nicht ausreichend kondensiert werden, erhöht dies die Belastung des Reinigungssystems und beeinträchtigt dessen Reinigungswirkung. Auch die Wirkung und Lebensdauer von Katalysator und Adsorptionsmittel werden dadurch beeinträchtigt.
(2) Auswirkungen auf die Lebensdauer der Membran
Eine dauerhaft hohe Temperatur beschleunigt die Alterung der Membran, führt zu Leistungseinbußen oder sogar zum Bruch. Dadurch kann es leicht zu einer gegenseitigen Durchlässigkeit von Wasserstoff und Sauerstoff auf beiden Seiten der Membran kommen, was die Reinheit des Wasserstoffs und Sauerstoffs beeinträchtigt. Nähert sich diese Durchlässigkeit der unteren Explosionsgrenze, steigt die Gefahr für den Elektrolyseur erheblich. Gleichzeitig verursacht die dauerhaft hohe Temperatur auch Leckagen an der Dichtung und verkürzt deren Lebensdauer.
(3) Auswirkung auf die Elektroden
Ist die zirkulierende Laugenmenge zu gering, kann das entstehende Gas das aktive Zentrum der Elektrode nicht schnell genug verlassen, was die Elektrolyseeffizienz beeinträchtigt; kann die Elektrode nicht vollständig mit der Lauge in Kontakt treten, um die elektrochemische Reaktion durchzuführen, kommt es zu Teilentladungsanomalien und Trockenverbrennung, wodurch sich der Katalysator von der Elektrode schneller ablöst.
(4) Auswirkung auf die Zellspannung
Die zirkulierende Laugemenge ist zu gering, da die im aktiven Zentrum der Elektrode entstehenden Wasserstoff- und Sauerstoffblasen nicht rechtzeitig abgeführt werden können und sich die Menge der im Elektrolyten gelösten Gase erhöht, was zu einem Anstieg der Spannung in der kleinen Kammer und einem Anstieg des Stromverbrauchs führt.
Vier Methoden zur Bestimmung der optimalen Laugenzirkulationsrate
Zur Lösung der oben genannten Probleme sind entsprechende Maßnahmen erforderlich, wie z. B. die regelmäßige Überprüfung des Laugenkreislaufsystems, um dessen ordnungsgemäßen Betrieb sicherzustellen; die Aufrechterhaltung guter Wärmeableitungsbedingungen rund um den Elektrolyseur; und gegebenenfalls die Anpassung der Betriebsparameter des Elektrolyseurs, um ein zu großes oder zu kleines Laugenvolumen zu vermeiden.
Die optimale Laugenzirkulationsrate muss anhand spezifischer technischer Parameter des Elektrolyseurs bestimmt werden, wie z. B. Elektrolyseurgröße, Anzahl der Kammern, Betriebsdruck, Reaktionstemperatur, Wärmeerzeugung, Laugenkonzentration, Laugenkühler, Wasserstoff-Sauerstoff-Abscheider, Stromdichte, Gasreinheit und andere Anforderungen, Haltbarkeit der Ausrüstung und Rohrleitungen sowie andere Faktoren.
Technische Parameter Abmessungen:
Abmessungen: 4800 x 2240 x 2281 mm
Gesamtgewicht 40700 kg
Effektive Kammergröße 1830, Anzahl der Kammern 238
Elektrolyseurstromdichte 5000 A/m²
Betriebsdruck 1,6 MPa
Reaktionstemperatur 90℃±5℃
Wasserstoffvolumen pro Elektrolyseur: 1300 Nm³/h
Produkt-Sauerstoff 650 Nm³/h
Gleichstrom n13100A, Gleichspannung 480V
Laugenkühler Φ700x4244mm
Wärmetauscherfläche 88,2 m²
Wasserstoff- und Sauerstoffabscheider Φ1300x3916mm
Sauerstoffabscheider Φ1300x3916mm
Kaliumhydroxidlösung, Konzentration 30%
Reinwasserwiderstandswert >5MΩ·cm
Zusammenhang zwischen Kaliumhydroxidlösung und Elektrolyseur:
Reines Wasser wird leitfähig gemacht, Wasserstoff und Sauerstoff werden freigesetzt und Wärme abgeführt. Der Kühlwasserstrom dient der Temperaturregelung der Lauge, um eine relativ stabile Temperatur der Elektrolyseurreaktion zu gewährleisten. Die Wärmeerzeugung des Elektrolyseurs und der Kühlwasserstrom werden so aufeinander abgestimmt, dass die Wärmebilanz des Systems optimal ist und somit beste Betriebsbedingungen und energiesparendste Betriebsparameter erreicht werden.
Basierend auf tatsächlichen Abläufen:
Laugenumwälzregelung bei 60 m³/h
Der Kühlwasserstrom öffnet sich zu etwa 95 %.
Die Reaktionstemperatur des Elektrolyseurs wird bei Volllast auf 90°C geregelt.
Der Gleichstromverbrauch des Elektrolyseurs unter optimalen Bedingungen beträgt 4,56 kWh/Nm³H₂.
Fünfzusammenfassen
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Zirkulationsvolumen der Lauge ein wichtiger Parameter bei der Wasserstofferzeugung durch Wasserelektrolyse ist und von der Gasreinheit, der Kammerspannung, der Elektrolyseurtemperatur und weiteren Parametern abhängt. Es empfiehlt sich, das Zirkulationsvolumen auf 2–4 Laugenwechsel pro Stunde bzw. Minute einzustellen. Durch eine effektive Steuerung des Laugenvolumens wird ein stabiler und sicherer Betrieb der Wasserelektrolyseanlage über einen langen Zeitraum gewährleistet.
Bei der Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse im alkalischen Elektrolyseur liegt der Schlüssel zur Stromerhöhung, zur Reduzierung der Tankspannung und zur Einsparung von Energie in der Optimierung der Arbeitsbedingungen und der Auslegung des Elektrolyseur-Laufrads, kombiniert mit der Auswahl des Elektrodenmaterials und des Membranmaterials.
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Veröffentlichungsdatum: 09.01.2025
