最近国内媒体报道，彭博新能源财经发文质疑，中国电解槽制造商夸大了其电堆的效率10-20%。其理由是为了准确计算碱性电解槽的总效率，不能只考虑电压效率，还需要考虑电流效率。国内标准假定电流效率为 100%（因为制定该标准时生产的小型电解槽的电流效率往往接近100%），但目前国内槽商生产的大型电解槽的实际电流效率基本未见企业报道。那么碱性电解槽实际的电流效率有多少？它又主要受到什么影响呢？下面来讲讲旁路电流的方方面面。
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1. 什么是旁路电流？
在碱性电解槽中，旁路电流是沿着不同于电解路径的低阻路径传导的电流，也被称作寄生电流、泄漏电流或分流电流。对于目前主流的碱性电解槽，普遍采用双极式设计和碱液循环系统，如图1所示，在这种设计中，电解槽小室之间是串联连接的，电解槽的第一个小室到最后一个小室之间存在较大的电势差（由小室数量决定），每个小室的碱液循环管路是并联的，使得小室通过碱液循环管路共用碱液，相当于产生了“盐桥”，这提供了一个次生的低阻抗通道，从而引起小室到小室的离子旁路电流。这种结构设计产生了不均匀的电流和电压分布，容易引起腐蚀和电流效率问题。旁路电流对于电解水反应没有任何好处，通常是在碱液歧管中以热的形式损失掉了。碱性电解槽在下列情况下更容易产生旁路电流：1.电解液均匀输送到各个小室；2.高效的热转移、冷却和热管理系统；3.产生的气体能够被快速排掉。
图1 碱性电解槽中有效电流和旁路电流通路的一般和简化描述。阳极液歧管中的旁流电流路径表现出与阴极液相似的行为。由于工业碱性电解槽可以由许多小室组成，因此省略了中间小室的描述，并用虚线表示
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1. 影响旁路电流的因素？
在已有的研究中，采用模型分析了负载供给、电解液温度、电解液质量流量、氢氧化钾浓度、工艺压力等工艺条件对电电解槽旁路电流和能耗的影响。结果表明，由于阳极和阴极流道出口气体少，旁路电流随着负荷的减少而增加，限制了部分负载运行的灵活性。
影响电流效率的主要因素包括歧管系统的阻抗和电解槽的小室数。内歧管系统限制了缓解旁路电流的程度，但是成本更便宜。外歧管系统能够最小化旁路电流，但是成本更高，同时外歧管在电解槽更高压力运行时也会面临更大的困难。
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2. 旁路电流到底有多大？
图2展示了模拟条件下的100个小室的碱性电解槽在满载时（电流10000A）通过双极板的电流和通过内歧管系统的旁路电流分布情况。
从图3的模拟结果来看，当旁路电流系数为0.2时，即使在较低的负载情况下，电流效率仍然能维持在＞90％，但是当旁路电流系数太高时，低负载情况下的电流效率仅能达到60％。有媒体报道，目前国内槽商生产的大型电解槽的实际电流效率在满负荷时为 83-91%，这与图3中满负荷情况下的电流效率范围也比较接近。表1展示了旁路电流系数和电解槽最小功率值的关系。
图3 不同旁路电流系数在不同电流负载下的电流效率模拟和理论数值。
表1 不同旁路电流系数下的电解槽最小功率值
国外研究报道了芬兰一座3MW的电解槽工厂，该工厂在16 bar的压力下运行，有326个小室，采用一正两负结构，因此只有一半的小室（163个）是串联的，电解槽采用内部歧管设计。通过动态质量和能量平衡发现，电解槽在标定负载下的电流效率仅为86%，高电流效率损失归因于旁路电流。该电解槽由国内某老牌电解槽厂商于2016年交付。
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1. 旁路电流的危害？
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1) 旁路电流会降低电解槽的电流和整体效率，造成功率损失，提高电解槽和电解液温度，引发二次电化学反应，主要是腐蚀反应，并造成电流密度分布不均匀。
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2) 旁路电流对于电解槽堆和单个小室在停机状态下如何放电产生重要影响。旁路电流充当一个短路，使得电极更快、更深的放电。电极放电的方式和程度对于催化层的稳定性和避免腐蚀非常重要。因此，针对动态和间歇负载条件下可再生能源运行的下一代碱性水电解槽，旁路电流和歧管设计是非常重要的设计标准。
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3) 在部分负载下，总电流供应的旁路电流比例增加，限制了电解槽的负载灵活性，从而使得碱性电解槽在于风光等可再生能源耦合时更具挑战。
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2. 如何缓解旁路电流？
一些措施：1.减少碱性电解槽的小室数量；2.使用长且细的进口歧管去增加传输阻力（比如借鉴传统氯碱槽的方形电解槽，有数据表明，传统的内歧管设计的通道长度约30mm，但是外歧管设计中的通道长度可达1m，两者的电流效率分别是＜90％和＞98％）；3.增加出口歧管中的气体去增加传输阻力；4. 其他技术，如利用旋转阀、花洒、堰和溢流，基本上可以中断电解液从一个小室流向另一个小室。但是这些措施也可能增加压力降，增加泵的能耗，同时也增加了腐蚀和入口堵塞的风险。
参考文献：
(1) ECS Transactions, 113 (9) 25-41 (2024)
(2) Renewable Energy 225 (2024) 120266
原文始发于微信公众号（新氢年2024）：一文详解碱性电解槽旁路电流
