알칼리 전해조에서의 수소 및 알칼리 순환 수전해 수소 생산 공정

알칼리 전해조 수소 생산 공정에서, 어떻게 하면 장치가 안정적으로 작동할 수 있는가? 전해조 자체의 품질 외에도 알칼리 순환량 설정도 중요한 영향 요인이다.

최근 중국 공업가스협회 수소전문가위원회 안전생산기술교류회에서 수소수전해 수소운영유지보수사업부 책임자인 황리는 실제 시험 및 운영유지보수 과정에서의 수소 및 알칼리 순환량 설정에 대한 경험을 공유했습니다.

다음은 원본 논문입니다.

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국가 이중탄소 전략의 배경 하에, 25년간 수소 생산에 전문화되어 수소 에너지 분야에 가장 먼저 뛰어든 알리수소에너지기술(주)은 전해조 러너 설계, 장비 제작, 전극 도금, 전해조 시험 및 운영 유지 보수를 포함한 녹색 수소 기술 및 장비 개발을 확대하기 시작했습니다.

하나알칼리 전해조 작동 원리

전해질로 채워진 전해조에 직류를 흘려주면 물 분자가 전극에서 전기화학적으로 반응하여 수소와 산소로 분해됩니다. 전해질의 전도도를 높이기 위해 일반적인 전해질은 30% 수산화칼륨 또는 25% 수산화나트륨 농도의 수용액입니다.

전해조는 여러 개의 전해셀로 구성됩니다. 각 전해실은 음극, 양극, 격막, 그리고 전해질로 구성됩니다. 격막의 주요 기능은 기체 투과를 방지하는 것입니다. 전해조 하부에는 공통 입구와 출구가 있으며, 상부에는 알칼리 및 옥시알칼리의 기액 혼합물이 흐릅니다. 일정 전압의 직류 전류가 흐르게 되는데, 이 전압이 물의 이론 분해 전압인 1.23V와 열중성점 전압인 1.48V를 초과하면 전극과 액체 계면에서 산화환원 반응이 일어나 물이 수소와 산소로 분해됩니다.

2. 알칼리가 순환되는 방식

1️⃣수소, 산소 측 알칼리 혼합 사이클

이러한 순환 방식에서, 알칼리액은 수소 분리기와 산소 분리기 하부의 연결 파이프를 통해 알칼리액 순환 펌프로 유입된 후, 냉각 및 여과 과정을 거쳐 전해조의 양극실과 음극실로 유입됩니다. 혼합 순환 방식의 장점은 구조가 간단하고 공정이 짧으며, 비용이 저렴하고 전해조의 양극실과 음극실로 유입되는 알칼리액의 양이 동일하게 유지된다는 것입니다. 단점은 수소와 산소의 순도에 영향을 미칠 수 있고, 수소-산소 분리기의 수위가 조정되지 않아 수소-산소 혼합 위험이 증가할 수 있다는 것입니다. 현재, 알칼리액 혼합 사이클의 수소-산소 측 공정이 가장 널리 사용됩니다.

2️⃣수소와 산소의 분리 순환

이 순환 형태에는 두 개의 알칼리 순환 펌프, 즉 두 개의 내부 순환이 필요합니다.수소 분리기 하단의 알칼리는 수소 측 순환 펌프를 통과하여 냉각 및 여과된 후 전해조의 음극실로 들어갑니다.산소 분리기 하단의 알칼리는 산소 측 순환 펌프를 통과하여 냉각 및 여과된 후 전해조의 양극실로 들어갑니다.알칼리의 독립 순환의 장점은 전기 분해로 생성된 수소와 산소가 고순도이므로 수소와 산소 분리기가 섞일 위험을 물리적으로 피할 수 있다는 것입니다.단점은 구조와 공정이 복잡하고 비용이 많이 들며 양쪽 펌프의 유량, 헤드, 전력 및 기타 매개 변수의 일관성을 보장해야 하므로 작동의 복잡성이 증가하고 시스템 양쪽의 안정성을 제어해야 한다는 요구 사항이 제기됩니다.

알칼리액 순환 유량이 전해수에 의한 수소 생산에 미치는 영향과 전해조의 작동 조건

1️⃣ 알칼리의 과도한 순환

（1）수소 및 산소 순도에 미치는 영향

수소와 산소는 알칼리 용액에 일정한 용해도를 가지고 있기 때문에 순환 용량이 너무 커서 용해된 수소와 산소의 총량이 늘어나 알칼리 용액과 함께 각 챔버로 들어가게 되어 전해조 출구에서 수소와 산소의 순도가 떨어지게 된다. 순환 용량이 너무 커서 수소와 산소 액체 분리기의 체류 시간이 너무 짧아 완전히 분리되지 않은 기체가 알칼리 용액과 함께 전해조 내부로 다시 들어오게 되어 전해조의 전기화학 반응 효율과 수소와 산소의 순도에 영향을 미치고, 나아가 전해조 내에서의 전기화학 반응 효율과 수소와 산소의 순도에 영향을 미치고, 나아가 수소와 산소 정제 장비의 탈수소화 및 탈산소화 능력에 영향을 미쳐 수소와 산소 정제 효과가 떨어지고 제품의 품질에 영향을 미치게 된다.

（2） 탱크 온도에 미치는 영향

알칼리액 냉각기의 출구 온도가 변하지 않는 조건 하에서 알칼리액 흐름이 너무 많으면 전해조에서 더 많은 열이 빠져나가 탱크 온도가 떨어지고 전력이 증가합니다.

（3）전류 및 전압에 미치는 영향

알칼리 용액의 과도한 순환은 전류와 전압의 안정성에 영향을 미칩니다. 과도한 액체 흐름은 전류와 전압의 정상적인 변동을 방해하여 전류와 전압이 쉽게 안정화되지 못하게 하고, 정류기 캐비닛과 변압기의 작동 조건에 변동을 일으켜 수소 생산 및 품질에 영향을 미칩니다.

（4）에너지 소비 증가

과도한 알칼리 순환은 에너지 소비 증가, 운영 비용 증가, 시스템 에너지 효율 저하로 이어질 수 있습니다. 주로 보조 냉각수 내부 순환 시스템, 외부 순환 스프레이 및 팬, 냉수 부하 증가 등으로 인해 전력 소비가 증가하고, 이는 전체 에너지 소비량 증가로 이어집니다.

（5）장비 고장의 원인

과도한 알칼리 순환은 알칼리 순환 펌프의 부하를 증가시키고, 이는 전해조 내의 유량, 압력 및 온도 변동을 증가시키며, 이는 전해조 내부의 전극, 다이어프램 및 개스킷에 영향을 미쳐 장비의 오작동이나 손상을 초래할 수 있으며, 유지 보수 및 수리 작업량이 증가할 수 있습니다.

2️⃣ 알칼리 순환이 너무 작음

（1）탱크 온도에 미치는 영향

알칼리 용액의 순환량이 부족하면 전해조 내 열이 제때 제거되지 않아 온도가 상승합니다. 고온 환경은 기체 상태의 물의 포화 증기압을 상승시켜 수분 함량을 증가시킵니다. 수분을 충분히 응축시키지 못하면 정화 시스템의 부하가 증가하고 정화 효과에 영향을 미치며, 촉매와 흡착제의 효과와 수명에도 영향을 미칩니다.

（2）다이어프램 수명에 미치는 영향

지속적인 고온 환경은 다이어프램의 노화를 가속화하여 성능 저하 또는 파열을 초래하고, 다이어프램 양측의 수소와 산소 상호 침투를 유발하여 수소와 산소의 순도에 영향을 미칩니다. 상호 침투가 폭발 하한선에 가까워지면 전해조의 위험 가능성이 크게 증가합니다. 동시에, 지속적인 고온은 밀봉 개스킷의 누설 손상을 유발하여 수명을 단축시킵니다.

（3）전극에 미치는 영향

순환하는 알칼리액의 양이 너무 적으면 생성된 가스가 전극의 활성 중심을 빠르게 빠져나가지 못해 전기분해 효율에 영향을 미치고, 전극이 알칼리액과 충분히 접촉하여 전기화학 반응을 일으키지 못하면 부분방전 이상과 건식 연소가 발생하여 전극에서 촉매가 떨어지는 현상이 빨라집니다.

（4）셀 전압에 미치는 영향

순환하는 알칼리의 양이 너무 적은 이유는 전극의 활성 중심부에서 생성된 수소와 산소 기포가 제때 제거되지 않고, 전해질에 용해된 가스의 양이 늘어나 소형 챔버의 전압이 높아지고 전력 소모가 증가하기 때문입니다.

최적의 알칼리 순환 유량을 결정하는 4가지 방법

위의 문제를 해결하려면 알칼리 순환 시스템을 정기적으로 점검하여 정상적으로 작동하는지 확인하고, 전해조 주변의 방열 조건을 양호하게 유지하고, 필요한 경우 전해조의 작동 매개변수를 조정하여 알칼리 순환량이 너무 크거나 너무 작아지는 것을 방지하는 등 상응하는 조치를 취해야 합니다.

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

기술 매개변수 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 세트 전해조 생산 수소량 1300Nm³/h

제품 산소 650Nm³/h

직류 n13100A、직류 전압 480V

알칼리성 냉각기 Φ700x4244mm

열교환 면적 88.2m²

수소 및 산소 분리기 Φ1300x3916mm

산소 분리기 Φ1300x3916mm

수산화칼륨 용액 농도 30%

순수 방수 저항값 >5MΩ·cm

수산화칼륨 용액과 전해조의 관계：

순수한 물을 전도성 있게 만들고, 수소와 산소를 방출하며, 열을 제거합니다. 냉각수 유량을 사용하여 알칼리 용액 온도를 제어하여 전해조 반응 온도를 비교적 안정적으로 유지합니다. 또한, 전해조의 발열량과 냉각수 유량을 시스템의 열수지에 맞춰 최적의 작동 조건과 에너지 절감 효과를 달성합니다.

실제 운영을 기준으로:

60m³/h에서 알칼리 순환량 제어,

냉각수 흐름은 약 95%에서 열립니다.

전해조의 반응 온도는 전부하에서 90°C로 제어됩니다.

최적 조건 전해조 DC 전력 소비량은 4.56 kWh/Nm³H₂입니다.

다섯요약하다

요약하자면, 가성소다 순환량은 수전해 수소 생산 공정에서 중요한 변수이며, 가스 순도, 챔버 전압, 전해조 온도 및 기타 변수와 관련이 있습니다. 탱크 내 가성소다 교체 주기는 분당 2~4회로 순환량을 조절하는 것이 적절합니다. 가성소다 순환량을 효과적으로 조절함으로써 수전해 수소 생산 장비의 장기간 안정적이고 안전한 작동을 보장합니다.

알칼리성 전해조에서 물 전기분해를 통한 수소 생산 공정에서 작업 조건 매개변수와 전해조 러너 설계를 최적화하고 전극 재료와 다이어프램 재료를 선택하는 것이 전류를 증가시키고 탱크 전압을 낮추며 에너지 소비를 절감하는 데 핵심입니다.

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