Nel：堿性水電解系統在加氫站內運行數據分析(上）

篇幅所限，本期內容將分上、下兩期推文發出。

1.挪威波斯格倫加氫站簡介

圖1 加氫站實景

圖2 加氫站系統單元

電解系統不直接使用可再生能源，系統是并網的。所有的可再生能源通過DC/AC轉換器輸出到電網，操作人員可調整向電解槽提供的電力。

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2.站內加壓電解槽技術介紹

技術參數見下表：

使用先進的PLC控制系統，工廠可自動運行，只需偶爾例行檢查即可。電解裝置可被監控，一旦出現問題，就會發出警報，任何部件或系統故障都將導致裝置以可控的方式自動關閉。堿性電解負載有一個可接受的最大變化率。這種限制是為了讓系統有足夠的時間從電解槽中除去產物氣體，以便在任何時候都能完全控制電解槽中的氣體體積。分離器中氣泡的數量也可以限制允許的功率漸變率，因此為了有快速的響應，系統需要大的分離器。在波斯格倫站運行的小型加壓電解槽中，這種限制主要是由于PLC和整流器的響應時間所致。該裝置所能接受的最大功率變化率為18480kW/min，就電流而言，這大致約為924kA/min。

堿液的速度應足以在可接受的時間內從電池中去除所有氣體。加壓堿性電解槽比常壓設計有更快的響應時間，因為在高壓工作條件下，在操作過程中的總氣體體積更小。因此，常壓電解槽當壓力降低到大氣水平時，系統關閉后重新啟動，它不能立即滿負荷運行。如果系統保持在一個有壓力的待機狀態，即可更快地增加負載。

堿性電解有一個確定的最小操作負載點，因為在較低的電流密度下，氣體雜質積聚，最終將帶來安全隱患。氫氧氣體混合主要通過二次電解、H₂通過隔膜以及陰陽極電解液混合造成。

80A是電池槽的最小允許設定點電流，但實際電流總是略低于該值，這是因為整流器使輸出電流總是低于它的設定值。如果設定點電流由于任何原因低于這個值，系統進入待機模式，保持系統的壓力。為了實現這一點，一旦風力渦輪機提供的電力下降到所需的臨界值以下，控制系統強制電流設定為0。通過對陽極和陰極堿液處理系統的分離，可以提高氣體純度，從而進一步拓寬電解槽的操作范圍。電解裝置有一個冷卻系統，以維持電解槽的溫度在操作范圍內。該冷卻系統采用PID控制器，通過冷卻水調節堿液溫度。電解液的流速足以保證其冷卻并將電解槽中產生的氣體予以去除。

通過整流器控制調節輸出電流，用以控制氫氣生成速率。安裝的整流器可以為電解槽提供高達42kw(800A, 60V)的功率，遠遠超出了電解槽的工作范圍。此外，整流輸出電流通過PLC設備的信號控制。該電解槽的工作溫度為60℃、壓力9-15bar。堿性電解槽的效率在升高的溫度水平下更高，但高溫會增加電池內部材料的腐蝕速率以及水的蒸發速率。

該電解槽的最大可接受電流為1440A，其標稱工作電流密度為400A/cm²。這個限制是由于整流器的電流限制造成的，但是如果整流器能夠提供更高的電流，這個限制可以提高到800mA/cm²。電解槽從冷啟動開始正常工作需要一段時間。在加壓電解槽中，用N₂吹掃系統大約需要25min，達到額定產氫速率大約需要10min，總的來說典型的啟動時間為35min。在緊急情況下，完全關閉電解槽大約需要2分鐘。由于執行啟動和關閉過程所需的時間約為35分鐘，每天大約有20個啟動/停止循環的限制。如果操作人員在關閉電解槽后立即啟動電解槽，則可以省略一個清洗順序，從而將開/關循環次數增加到每天大約40次。

3.加壓電解槽的運行數據

圖3 電解槽內實際的DC變化

A：啟動前N₂吹掃

B：冷啟動

C：6 bar操作

D：逐步增加電流

E：12 bar操作

F：待機模式操作

G：逐步增加電流

H：使用可再生能源運行

I：關閉進程

J：實驗結束N₂吹掃

電解槽極化曲線見圖4

N_c是電解槽單元個數，V_stack是電解槽工作電壓。電解槽效率與電流關系如圖5，電流越小，效率越高，但產氣量也相應變少。

圖5 電解槽效率與DC電流關系