アルカリ電解槽における水素とアルカリの循環 水電解水素製造プロセス

アルカリ電解装置の水素製造プロセスでは、装置をいかに安定的に稼働させるかが、電解装置自体の品質に加え、苛性ソーダ循環量の設定も重要な影響要因となります。

最近、中国工業ガス協会水素専門委員会の安全生産技術交流会において、水素水電解水素運転保守プログラム責任者の黄立氏が、実際のテストと運転保守プロセスにおける水素と苛性ソーダの循環量設定に関する当社の経験を共有しました。

以下は原論文です。

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国家のデュアルカーボン戦略を背景に、25年間水素製造に特化し、水素エネルギー分野に最初に参入したアリー水素エネルギーテクノロジー株式会社は、電解タンクランナーの設計、設備製造、電極メッキ、さらには電解タンクのテストと操作とメンテナンスを含む、グリーン水素技術と設備の開発を拡大し始めました。

1つアルカリ電解槽の動作原理

電解液を満たした電解槽に直流電流を流すと、水分子が電極上で電気化学的に反応し、水素と酸素に分解されます。電解液の導電性を高めるため、一般的な電解液は濃度30%の水酸化カリウムまたは25%の水酸化ナトリウムの水溶液です。

電解槽は複数の電解セルで構成されています。各電解槽は、陰極、陽極、隔膜、電解質で構成されています。隔膜の主な機能はガスの透過を防ぐことです。電解槽の下部には共通の入口と出口があり、上部にはアルカリとオキシアルカリのガスと液体の混合流路があります。一定の直流電圧を流し、その電圧が水の理論分解電圧1.23Vと熱中性電圧1.48Vを超えると、電極と液体の界面で酸化還元反応が発生し、水は水素と酸素に分解されます。

2 灰汁の循環方法

1️⃣水素、酸素、苛性ソーダ混合サイクル

この循環方式では、苛性ソーダは水素分離器と酸素分離器の底部にある接続管を通って苛性ソーダ循環ポンプに入り、冷却・濾過を経て電解槽の陰極室と陽極室に入ります。混合循環方式の利点は、構造が簡単で、工程が短く、コストが低く、電解槽の陰極室と陽極室への苛性ソーダ循環量を一定に確保できることです。欠点は、水素と酸素の純度に影響を与える可能性があることと、水素酸素分離器の水位調整が狂い、水素と酸素が混合するリスクが高まる可能性があることです。現在、苛性ソーダ混合サイクルの水素酸素側が最も一般的なプロセスです。

2️⃣水素側と酸素側の苛性ソーダを別々に循環させる

この循環方式では、2台の苛性ソーダ循環ポンプ、つまり2つの内部循環が必要です。水素分離器底部の苛性ソーダは、水素側循環ポンプを通過し、冷却・濾過された後、電解槽の陰極室に入ります。一方、酸素分離器底部の苛性ソーダは、酸素側循環ポンプを通過し、冷却・濾過された後、電解槽の陽極室に入ります。苛性ソーダを独立して循環させる利点は、電気分解によって生成される水素と酸素の純度が高く、水素分離器と酸素分離器が混ざるリスクを物理的に回避できることです。欠点は、構造とプロセスが複雑でコストが高いことです。また、両側のポンプの流量、揚程、電力などのパラメータの一貫性を確保する必要があり、操作が複雑になり、システムの両側の安定性を制御する必要性が高まります。

3 電解水による水素生成と電解槽の運転条件に対する苛性ソーダ循環流量の影響

1️⃣灰汁の過剰な循環

（1）水素と酸素の純度への影響

水素と酸素は苛性ソーダに対してある程度の溶解度を持っているため、循環量が多すぎると、溶解した水素と酸素の総量が増加して苛性ソーダとともに各チャンバーに入り、電解槽の出口で水素と酸素の純度が低下します。循環量が多すぎると、水素と酸素の液体分離器の滞留時間が短くなり、完全に分離されていないガスが苛性ソーダとともに電解槽の内部に持ち込まれ、電解槽の電気化学反応の効率と水素と酸素の純度に影響を与え、さらに電解槽内の電気化学反応の効率と水素と酸素の純度に影響を与え、さらに水素と酸素の精製装置の脱水素と脱酸素の能力に影響を与え、水素と酸素の精製効果が悪くなり、製品の品質に影響を与えます。

（2）タンク温度への影響

苛性ソーダ冷却器の出口温度が変化しない状態では、苛性ソーダの流量が多すぎると電解装置から奪われる熱量が増加し、タンク温度が低下して電力が増加します。

（3）電流と電圧への影響

苛性ソーダの循環が過剰になると、電流と電圧の安定性に影響を及ぼします。過剰な液流は電流と電圧の正常な変動を妨げ、電流と電圧の安定化を阻害し、整流器キャビネットと変圧器の動作状態に変動を引き起こし、水素の生産量と品質に影響を与えます。

（4）エネルギー消費量の増加

過剰な苛性ソーダ循環は、エネルギー消費量の増加、運転コストの増加、システムのエネルギー効率の低下につながる可能性があります。主に補助冷却水内部循環システム、外部循環スプレー、ファン、冷水負荷の増加などにより、消費電力が増加し、総エネルギー消費量が増加します。

（5）機器の故障を引き起こす

過度の苛性ソーダ循環は苛性ソーダ循環ポンプの負荷を増大させ、電解槽内の流量、圧力、温度変動の増加につながります。その結果、電解槽内の電極、ダイヤフラム、ガスケットが影響を受け、機器の故障や損傷、メンテナンスや修理の作業負荷の増大につながる可能性があります。

2️⃣苛性ソーダの循環が小さすぎる

（1）タンク温度への影響

苛性ソーダの循環量が不足すると、電解槽内の熱が時間通りに除去されず、温度上昇を引き起こします。高温環境下では、気相中の水の飽和蒸気圧が上昇し、水分含有量が増加します。水分が十分に凝縮されない場合、浄化システムへの負担が増加し、浄化効果に影響を与えるだけでなく、触媒や吸着剤の効果と寿命にも影響を与えます。

（2）ダイヤフラム寿命への影響

高温環境が継続すると、隔膜の劣化が加速され、性能低下や破裂を引き起こします。また、隔膜の両側の水素と酸素の相互浸透性が低下しやすくなり、水素と酸素の純度に影響を与えます。相互浸透が爆発の下限に近づくと、電解槽の危険性が大幅に高まります。同時に、高温環境が継続すると、シールガスケットのリーク損傷も引き起こされ、その寿命が短くなります。

（3）電極への影響

苛性ソーダの循環量が少なすぎると、発生したガスが電極の活性中心から速やかに排出されず、電気分解効率に影響を及ぼします。また、電極が苛性ソーダと十分に接触できず電気化学反応が起こらない場合は、部分放電異常や空燃比が発生し、電極上の触媒の脱落が促進されます。

（4）セル電圧への影響

循環する苛性ソーダの量が少なすぎると、電極の活性中心で発生した水素と酸素の泡が時間内に除去できず、電解液中の溶解ガス量が増加し、小室の電圧が上昇して消費電力が増加します。

最適な苛性ソーダ循環流量を決定する4つの方法

上記の問題を解決するには、定期的に苛性ソーダ循環システムを点検して正常に動作していることを確認する、電解槽周辺の放熱状態を良好に保つ、必要に応じて電解槽の動作パラメータを調整して苛性ソーダ循環量が多すぎたり少なすぎたりしないようにするなどの適切な対策を講じる必要があります。

最適な苛性ソーダ循環流量は、電解槽のサイズ、チャンバー数、動作圧力、反応温度、発熱、苛性ソーダ濃度、苛性ソーダ冷却器、水素酸素分離器、電流密度、ガス純度などの要件、機器や配管の耐久性などの要因など、電解槽の特定の技術パラメータに基づいて決定する必要があります。

技術的パラメータ寸法：

サイズ 4800x2240x2281mm

総重量 40700Kg

有効チャンバーサイズ1830、チャンバー数238個

電解槽電流密度5000A/m²

作動圧力1.6Mpa

反応温度90℃±5℃

電解装置1セット当たりの水素生成量1300Nm³/h

製品酸素 650Nm³/h

直流 n13100A、直流電圧 480V

ライクーラー Φ700x4244mm

熱交換面積88.2m²

水素酸素分離器 Φ1300x3916mm

酸素分離器 Φ1300x3916mm

水酸化カリウム溶液濃度30％

純水抵抗値 >5MΩ·cm

水酸化カリウム溶液と電解槽の関係：

純水に導電性を持たせ、水素と酸素を放出し、熱を奪います。冷却水の流れを利用して苛性ソーダの温度を制御することで、電解反応の温度が比較的安定します。また、電解装置の発熱と冷却水の流れを利用してシステムの熱バランスを調整することで、最適な動作状態と最も省エネな運転パラメータを実現します。

実際の運用に基づく：

苛性ソーダ循環量制御60m³/h、

冷却水流量は約95％で開き、

電解槽の反応温度は全負荷時に90℃に制御され、

最適条件の電解装置の DC 電力消費量は 4.56 kWh/Nm³H₂ です。

五要約する

まとめると、苛性ソーダの循環量は水電解による水素製造プロセスにおける重要なパラメータであり、ガス純度、槽電圧、電解槽温度などのパラメータと関連しています。循環量を制御する際は、タンク内の苛性ソーダ交換量の2～4倍/時/分が適切です。苛性ソーダの循環量を効果的に制御することで、水電解水素製造装置の長期にわたる安定した安全な運転を確保できます。

アルカリ電解槽での水電気分解による水素製造プロセスでは、動作条件パラメータと電解槽ランナーの設計を最適化し、電極材料と隔膜材料の選択を組み合わせることが、電流の増加、タンク電圧の低減、エネルギー消費の節約の鍵となります。

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