在碱性电解槽制氢工艺中，如何让装置运行稳定运行，除了电解槽本身质量外，其中碱液循环量的设置也是一个重要影响因素。

近期，在中国工业气体协会氢气专业委员会安全生产技术交流会上，亚联氢能水电解制氢运维项目负责人黄利将我司在实际测试和运维过程中，有关氢碱液循环量设置上的经验做了技术分享。

以下为论文原文。

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在国家双碳战略背景下，专业制氢25年，最早涉足氢能领域的四川亚联氢能科技股份有限公司开始拓展绿氢技术和设备的开发，包括电解槽流道设计、设备制造、极板电镀以及电解槽测试和运维。

我司在实际测试和运维中发现，在碱性电解槽水电解制氢工艺中，电解槽碱液循环方式和循环流量的设置对电解效率、气体纯度及电解槽设备寿命有着重要影响。

壹

碱性电解槽工作原理

通过在充满电解液的电解槽中通入直流电，使水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。为了增强电解液的导电性,一般电解液是浓度为30%氢氧化钾或25%氢氧化钠的水溶液。

电解槽由若干个电解小室组成。每个电解小室由阴极、阳极、隔膜及电解液构成。隔膜的主要作用是防止气体渗透。在电解槽内下部有共用的进液口和排污口，上部为碱和氧碱的气液混合体流动通道。通入一定电压的直流电，当电压超过水的理论分解电压 1.23v和热中性电压1.48V以上某个值时，电极和液体界面发生氧化还原反应，水被分解成氢气和氧气。

贰

碱液的循环方式

1️⃣氢、氧侧碱液混合循环

这种循环形式中，碱液通过氢分离器与氧分离器底部的连通管道进入碱液循环泵，经过冷却、过滤，然后分别进入电解槽的阴极室和阳极室。混合循环的优点是结构简单、流程短、造价较低，能确保进入电解槽阴极室和阳极室碱液循环量大小一致；缺点是一方面可能会影响氢气、氧气纯度，另一方面可能会引起氢氧分离器液位失调,从而造成氢氧混合风险增大。目前，氢氧侧碱液混合循环是最为常见的工艺流程。

2️⃣氢、氧侧碱液独立循环

这种循环形式需要两台碱液循环泵，即两个内循环。氢分离器底部的碱液通过氢侧循环泵，经过冷却、过滤，再进入电解槽的阴极小室；氧分离器底部的碱液通过氧侧循环泵，经过冷却、过滤，再进入电解槽的阳极小室。碱液独立循环的优点是电解产生的氢气、氧气纯度高，物理上避免了氢、氧分离器混合风险；缺点是结构和流程复杂、造价较高，还需要确保两侧泵的流量、扬程、功率等参数的一致，增加了操作上的复杂性，对系统两侧的稳定提出控制要求。

叁

碱液循环流量对电解水制氢及电解槽工作状况的影响

1️⃣碱液循环量过大

（1）对氢、氧纯度的影响

由于氢气和氧气在碱液中有一定的溶解度，循环量过大使溶解的氢气、氧气总量增加，随碱液进入各小室，引起电解槽出口氢、氧的纯度降低；循环量过大导致在氢、氧气液分离器停留时间过短，未完全分离的气体重新随碱液带入电解槽内部，影响电解槽电化学反应效率及氢、氧的纯度，进一步影响氢、氧纯化设备对脱氢、脱氧的能力，导致氢、氧纯化的效果不佳，影响产品质量。

（2） 对槽温的影响

在碱液冷却器出口温度不变的条件下，碱液流量过大，会带走更多的电解槽内热量，造成槽温下降，功率增加。

（3）对电流电压的影响

碱液循环量过大会影响电流电压的稳定性。过快的液体流动会干扰电流电压的正常波动，造成电流电压不易稳定，使整流柜、变压器工作状态产生波动，进而影响氢气的产量和质量。

（4）增加能耗

碱液循环量过大还可导致能耗增加，增加运行成本，降低系统能量效率。主要表现在增加辅助冷却水内循环系统和外循环喷淋及风机、冷冻水的负荷等，使耗电增加，总能耗增加。

（5）引起设备故障

碱液循环量过大，增加了碱液循环泵的负荷，对应电解槽的流速、压力和温度波动增大，进而对电解槽内部的电极、隔膜和垫片产生影响，从而可能引起设备故障或损坏，维护和修理工作量增大。

2️⃣碱液循环量过小

（1）对槽温的影响

当碱液循环量不足时，电解槽内的热量不能被及时带走，导致温度升高。高温环境使气相中水的饱和蒸汽压升高，含水量增加，如水分不能充分冷凝，会增加纯化系统的负担，影响纯化效果，同时还会影响催化剂和吸附剂的效果和寿命。

（2）对隔膜寿命的影响

持续高温环境会加速隔膜老化，使其性能下降甚至破裂，易引起隔膜两侧的氢、氧相互渗透，影响氢气、氧气的纯度。当相互渗透接近爆炸下限使电解槽发生危险的概率大大增加。同时持续高温还会使密封垫片造成泄损坏，缩短其使用寿命。

（3）对电极的影响

碱液循环量过小，产生的气体不能快速离开电极的活性中心，而影响电解效率；如电极不能与碱液充分接触进行电化学反应，将会发生局部放电异常和干烧情况，加速电极上催化剂的脱落。

（4 ）对小室电压影响

碱液循环量过小，因电极活性中心生成的氢、氧气泡不能被及时带走，电解液溶解气体量增加，引起小室电压增加，电耗上升。

肆

确定最佳碱液循环流量的方法

解决上述问题，需采取相应的措施，如定期检查碱液循环系统，确保其正常运行；保持电解槽周围有良好的散热条件；以及在必要时调整电解槽的操作参数，以避免碱液循环量过大过小的情况发生。

最佳的碱液循环流量需要根据具体的电解槽技术参数来确定，如电解槽尺寸、小室数、操作压力、反应温度、发热量、碱液浓度、碱液冷却器、氢氧分离器、电流密度、气体纯度等要求，设备和管道的耐久性等因素。

技术参数尺寸：

4800x2240x2281mm

总重量40700Kg

小室有效尺寸1830、小室数238个

电解槽电流密度5000A/m²

操作压力1.6Mpa

反应温度90℃±5℃

单套电解槽产品氢气量1300Nm³/h

产品氧气量650Nm³/h

直流电流13100A、直流电压480V

碱液冷却器 Φ700x4244mm

换热面积88.2m²

氢、氧分离器Φ1300x3916mm

氧分离器Φ1300x3916mm

氢氧化钾溶液浓度30%

纯水电阻值>5MΩ·cm

氢氧化钾溶液和电解槽的关系：

使纯水具有导电性，带出氢气和氧气，并带走热量。用冷却水流量来控制碱液温度使电解槽反应的温度相对稳定，电解槽的发热量和冷却水的流量来匹配系统热量平衡，达到最佳工况和最节能的运行参数。

根据实际操作情况：

碱液循环量控制在60m³/h，

冷却水的流量开度在95%左右，

电解槽满负荷的反应温度控制在90℃，

最优工况电解槽直流电耗4.56度/Nm³H₂。

伍

总结

综上所述，碱液循环量是水电解制氢工艺中一个重要参数，关系到气体纯度、小室电压、电解槽温度等参数。循环量控制在槽内碱液更换次数2~4次/h/min为宜。通过有效地控制碱液循环量，确保水电解制氢装备长周期稳定安全运行。

在碱性电解槽水电解制氢工艺中，优化工况参数和电解槽流道设计，结合电极材料和隔膜材料选型是提高电流、降低槽电压、节省能耗的关键。