알칼리 전해조에서의 수소 및 알칼리 순환을 이용한 물 전기분해 수소 생산 공정

알칼리 전해조를 이용한 수소 생산 공정에서, 전해조 자체의 품질 외에도 전해액 순환량 설정 또한 중요한 영향 요인이므로, 장치를 안정적으로 작동시키는 방법은 무엇인가?

최근 중국산업가스협회 수소전문위원회 안전생산기술교류회의에서 수소수전해 수소운영 및유지보수 프로그램 책임자인 황리 씨가 실제 시험 및 운영유지보수 과정에서 수소와 가성소다 순환량 설정에 대한 경험을 공유했습니다.

다음은 원문입니다.

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국가 이중탄소 전략을 배경으로, 25년간 수소 생산에 특화해 왔으며 수소 에너지 분야에 선구적으로 진출한 Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd.는 전해조 러너 설계, 장비 제조, 전극 도금, 전해조 시험 및 운영·유지보수를 포함한 친환경 수소 기술 및 장비 개발을 확대하기 시작했습니다.

하나알칼리 전해조 작동 원리

전해액이 채워진 전해조에 직류를 통과시키면 물 분자가 전극에서 전기화학적으로 반응하여 수소와 산소로 분해됩니다. 전해액의 전도성을 높이기 위해 일반적으로 사용되는 전해액은 30% 수산화칼륨 또는 25% 수산화나트륨의 수용액입니다.

전해조는 여러 개의 전해조로 구성됩니다. 각 전해조는 음극, 양극, 격막 및 전해액으로 이루어져 있습니다. 격막의 주요 기능은 기체의 투과를 방지하는 것입니다. 전해조 하단에는 공통 유입구와 유출구가 있으며, 상단에는 알칼리 및 산화알칼리 기체-액체 혼합물의 흐름 통로가 있습니다. 일정 전압의 직류 전류가 흐르면, 전압이 물의 이론적 분해 전압인 1.23V와 열적 중성 전압인 1.48V를 초과하는 특정 값에 도달할 때 전극과 액체 계면에서 산화환원 반응이 일어나 물이 수소와 산소로 분해됩니다.

두 번째, 가성소다가 순환되는 방식

1️⃣수소, 산소 측면 가성소다 혼합 사이클

이러한 순환 방식에서, 가성소다는 수소 분리기와 산소 분리기의 하단 연결관을 통해 가성소다 순환 펌프로 유입된 후 냉각 및 여과 과정을 거쳐 전해조의 음극실과 양극실로 들어갑니다. 혼합 순환 방식의 장점은 구조가 간단하고 공정이 짧으며 비용이 저렴하고 전해조의 음극실과 양극실로 유입되는 가성소다의 양을 동일하게 유지할 수 있다는 것입니다. 단점은 수소와 산소의 순도에 영향을 미칠 수 있고, 수소-산소 분리기의 수위 조절이 제대로 되지 않아 수소-산소 혼합 위험이 증가할 수 있다는 것입니다. 현재 가성소다 순환에서 수소-산소 측 혼합 방식이 가장 일반적입니다.

2️⃣ 수소와 산소 측면의 분리 순환

이러한 순환 방식은 두 개의 가성소다 순환 펌프, 즉 두 개의 내부 순환을 필요로 합니다. 수소 분리기의 하단에 있는 가성소다는 수소 측 순환 펌프를 통과하여 냉각 및 여과된 후 전해조의 음극실로 들어갑니다. 산소 분리기의 하단에 있는 가성소다는 산소 측 순환 펌프를 통과하여 냉각 및 여과된 후 전해조의 양극실로 들어갑니다. 가성소다 독립 순환 방식의 장점은 전기분해로 생성된 수소와 산소의 순도가 높고, 수소와 산소 분리기에서 혼합될 위험을 물리적으로 방지할 수 있다는 것입니다. 단점은 구조와 공정이 복잡하고 비용이 많이 들며, 양측 펌프의 유량, 양정, 동력 등의 매개변수를 일정하게 유지해야 하므로 운전이 복잡해지고 시스템 양측의 안정성 제어가 중요해진다는 것입니다.

전해수 순환 유량과 전해조 작동 조건이 수소 생산에 미치는 영향 3가지

1️⃣가성소다의 과도한 순환

(1) 수소 및 산소 순도에 미치는 영향

수소와 산소는 가성소다 용액에 일정 용해성을 가지고 있기 때문에, 순환량이 너무 많으면 용해된 수소와 산소의 총량이 증가하여 용액과 함께 각 전해조로 유입되고, 이로 인해 전해조 출구에서 수소와 산소의 순도가 저하됩니다. 또한, 순환량이 너무 많으면 수소-산소 액체 분리기의 체류 시간이 너무 짧아져 완전히 분리되지 않은 기체가 용액과 함께 전해조 내부로 다시 유입되어 전해조의 전기화학 반응 효율과 수소 및 산소의 순도에 영향을 미칩니다. 나아가 이는 수소 및 산소 정제 장비의 탈수소화 및 탈산소화 능력에도 영향을 미쳐 수소 및 산소 정제 효율을 저하시키고 제품 품질에 악영향을 미칩니다.

(2) 수조 온도에 미치는 영향

알칼리 냉각기의 출구 온도가 변하지 않는다는 조건 하에서, 알칼리 유량이 너무 많으면 전해조에서 더 많은 열을 빼앗아 탱크 온도가 떨어지고 전력이 증가합니다.

(3) 전류 및 전압에 미치는 영향

수산화나트륨 용액의 과도한 순환은 전류 및 전압의 안정성에 영향을 미칩니다. 과도한 액체 흐름은 전류 및 전압의 정상적인 변동을 방해하여 전류 및 전압의 안정화를 어렵게 하고, 정류기 캐비닛 및 변압기의 작동 상태에 변동을 일으켜 수소 생산 및 품질에 악영향을 미칩니다.

(4) 에너지 소비 증가

과도한 알칼리 순환은 에너지 소비 증가, 운영 비용 상승 및 시스템 에너지 효율 저하를 초래할 수 있습니다. 이는 주로 보조 냉각수 내부 순환 시스템 및 외부 순환 분무 및 팬의 증가, 냉각수 부하 증가 등으로 인해 전력 소비가 늘어나고 총 에너지 소비가 증가하기 때문입니다.

(5) 장비 고장의 원인

과도한 가성소다 순환은 가성소다 순환 펌프에 부하를 증가시켜 전해조 내부의 유량, 압력 및 온도 변동을 초래하고, 이는 결국 전해조 내부의 전극, 격막 및 개스킷에 영향을 미쳐 장비 오작동이나 손상을 야기하고 유지 보수 및 수리 작업량을 증가시킬 수 있습니다.

2️⃣양잿물 순환이 너무 작음

(1) 수조 온도에 미치는 영향

순환되는 가성소다의 양이 부족하면 전해조 내부의 열이 제때 제거되지 못해 온도가 상승합니다. 고온 환경에서는 기체 상태의 수분 포화 증기압이 상승하고 수분 함량이 증가합니다. 만약 수분이 충분히 응축되지 못하면 정화 시스템에 부담을 가중시켜 정화 효과를 저해할 뿐만 아니라 촉매와 흡착제의 성능 및 수명에도 영향을 미칩니다.

(2) 횡격막 수명에 미치는 영향

지속적인 고온 환경은 다이어프램의 노화를 가속화하여 성능 저하 또는 파열을 초래할 수 있으며, 다이어프램 양쪽 면의 수소와 산소 상호 투과를 쉽게 유발하여 수소와 산소의 순도에 영향을 미칩니다. 상호 침투가 폭발 하한선에 근접할 경우 전해조의 위험 가능성이 크게 증가합니다. 또한, 지속적인 고온은 밀봉 가스켓의 누출 손상을 일으켜 수명을 단축시킵니다.

(3) 전극에 미치는 영향

순환하는 가성소다의 양이 너무 적으면 생성된 가스가 전극의 활성 중심부에서 빠르게 빠져나가지 못해 전기분해 효율이 저하됩니다. 또한 전극이 가성소다와 충분히 접촉하여 전기화학 반응을 수행하지 못하면 부분 방전 이상 및 건조 연소가 발생하여 전극 표면의 촉매 탈락이 가속화됩니다.

(4) 셀 전압에 미치는 영향

순환하는 가성소다의 양이 너무 적으면 전극 활성 중심부에서 생성되는 수소 및 산소 기포가 제때 제거되지 않아 전해액 내 용존 가스량이 증가하고, 이로 인해 소형 챔버의 전압이 상승하고 전력 소비량이 증가합니다.

최적의 가성소다 순환 유속을 결정하는 네 가지 방법

위의 문제들을 해결하기 위해서는, 수산화나트륨 순환 시스템의 정상 작동을 보장하기 위해 정기적으로 점검하고, 전해조 주변의 열 방출 조건을 양호하게 유지하며, 필요에 따라 전해조의 작동 매개변수를 조정하여 수산화나트륨 순환량이 너무 많거나 너무 적은 상황을 방지하는 등의 상응하는 조치를 취해야 합니다.

최적의 알칼리 용액 순환 유량은 전해조 크기, 챔버 수, 작동 압력, 반응 온도, 발열량, 알칼리 용액 농도, 알칼리 용액 냉각기, 수소-산소 분리기, 전류 밀도, 가스 순도 및 기타 요구 사항, 장비 및 배관 내구성 등의 특정 전해조 기술 매개변수를 기반으로 결정해야 합니다.

기술 사양 및 치수:

크기 4800x2240x2281mm

총 중량 40700kg

유효 챔버 크기 1830, 챔버 수 238개

전해조 전류 밀도 5000A/m²

작동 압력 1.6Mpa

반응 온도 90℃±5℃

단일 전해조 세트의 수소 생산량은 1300Nm³/h입니다.

제품 산소 650Nm³/h

직류 n13100A, 직류 전압 480V

수산화나트륨 냉각기 Φ700x4244mm

열교환 면적 88.2m²

수소 및 산소 분리기 Φ1300x3916mm

산소 분리기 Φ1300x3916mm

수산화칼륨 용액 농도 30%

순수 물 저항값 >5MΩ·cm

수산화칼륨 용액과 전해조 사이의 관계:

순수한 물을 전도성 있게 만들고, 수소와 산소를 방출하며, 열을 제거합니다. 냉각수 흐름은 전해액 온도를 제어하여 전해조 반응 온도를 비교적 안정적으로 유지하는 데 사용되며, 전해조의 발열량과 냉각수 흐름을 조절하여 시스템의 열 균형을 맞추고 최적의 작동 조건과 가장 에너지 효율적인 운전 매개변수를 구현합니다.

실제 운영 사례를 바탕으로:

가성소다 순환량 조절: 60m³/h

냉각수 흐름은 약 95% 정도에서 열립니다.

전해조의 반응 온도는 최대 부하 시 90°C로 제어됩니다.

최적 조건에서 전해조의 직류 전력 소비량은 4.56 kWh/Nm³H₂입니다.

다섯요약

요약하자면, 수전해 수소 생산 공정에서 가성소다 순환량은 가스 순도, 전해조 전압, 전해조 온도 등과 관련된 중요한 변수입니다. 탱크 내 가성소다 순환량은 시간당 2~4회/분으로 유지하는 것이 적절합니다. 가성소다 순환량을 효과적으로 제어함으로써 수전해 수소 생산 설비의 안정적이고 안전한 장기간 운전을 보장할 수 있습니다.

알칼리 전해조를 이용한 물 전기분해 수소 생산 공정에서, 작동 조건 매개변수 및 전해조 러너 설계 최적화와 전극 재료 및 격막 재료 선택은 전류 증가, 탱크 전압 감소 및 에너지 소비 절감의 핵심 요소입니다.

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