Nel：碱性水电解系统在加氢站内运行数据分析(上）

篇幅所限，本期内容将分上、下两期推文发出。

1.挪威波斯格伦加氢站简介

图1 加氢站实景

图2 加氢站系统单元

电解系统不直接使用可再生能源，系统是并网的。所有的可再生能源通过DC/AC转换器输出到电网，操作人员可调整向电解槽提供的电力。

2.站内加压电解槽技术介绍

技术参数见下表：

使用先进的PLC控制系统，工厂可自动运行，只需偶尔例行检查即可。电解装置可被监控，一旦出现问题，就会发出警报，任何部件或系统故障都将导致装置以可控的方式自动关闭。碱性电解负载有一个可接受的最大变化率。这种限制是为了让系统有足够的时间从电解槽中除去产物气体，以便在任何时候都能完全控制电解槽中的气体体积。分离器中气泡的数量也可以限制允许的功率渐变率，因此为了有快速的响应，系统需要大的分离器。在波斯格伦站运行的小型加压电解槽中，这种限制主要是由于PLC和整流器的响应时间所致。该装置所能接受的最大功率变化率为18480kW/min，就电流而言，这大致约为924kA/min。

碱液的速度应足以在可接受的时间内从电池中去除所有气体。加压碱性电解槽比常压设计有更快的响应时间，因为在高压工作条件下，在操作过程中的总气体体积更小。因此，常压电解槽当压力降低到大气水平时，系统关闭后重新启动，它不能立即满负荷运行。如果系统保持在一个有压力的待机状态，即可更快地增加负载。

碱性电解有一个确定的最小操作负载点，因为在较低的电流密度下，气体杂质积聚，最终将带来安全隐患。氢氧气体混合主要通过二次电解、H₂通过隔膜以及阴阳极电解液混合造成。

80A是电池槽的最小允许设定点电流，但实际电流总是略低于该值，这是因为整流器使输出电流总是低于它的设定值。如果设定点电流由于任何原因低于这个值，系统进入待机模式，保持系统的压力。为了实现这一点，一旦风力涡轮机提供的电力下降到所需的临界值以下，控制系统强制电流设定为0。通过对阳极和阴极碱液处理系统的分离，可以提高气体纯度，从而进一步拓宽电解槽的操作范围。电解装置有一个冷却系统，以维持电解槽的温度在操作范围内。该冷却系统采用PID控制器，通过冷却水调节碱液温度。电解液的流速足以保证其冷却并将电解槽中产生的气体予以去除。

通过整流器控制调节输出电流，用以控制氢气生成速率。安装的整流器可以为电解槽提供高达42kw(800A, 60V)的功率，远远超出了电解槽的工作范围。此外，整流输出电流通过PLC设备的信号控制。该电解槽的工作温度为60℃、压力9-15bar。碱性电解槽的效率在升高的温度水平下更高，但高温会增加电池内部材料的腐蚀速率以及水的蒸发速率。

该电解槽的最大可接受电流为1440A，其标称工作电流密度为400A/cm²。这个限制是由于整流器的电流限制造成的，但是如果整流器能够提供更高的电流，这个限制可以提高到800mA/cm²。电解槽从冷启动开始正常工作需要一段时间。在加压电解槽中，用N₂吹扫系统大约需要25min，达到额定产氢速率大约需要10min，总的来说典型的启动时间为35min。在紧急情况下，完全关闭电解槽大约需要2分钟。由于执行启动和关闭过程所需的时间约为35分钟，每天大约有20个启动/停止循环的限制。如果操作人员在关闭电解槽后立即启动电解槽，则可以省略一个清洗顺序，从而将开/关循环次数增加到每天大约40次。

3.加压电解槽的运行数据

图3 电解槽内实际的DC变化

A：启动前N₂吹扫

B：冷启动

C：6 bar操作

D：逐步增加电流

E：12 bar操作

F：待机模式操作

G：逐步增加电流

H：使用可再生能源运行

I：关闭进程

J：实验结束N₂吹扫

电解槽极化曲线见图4

N_c是电解槽单元个数，V_stack是电解槽工作电压。电解槽效率与电流关系如图5，电流越小，效率越高，但产气量也相应变少。

图5 电解槽效率与DC电流关系