一文了解碱性电解槽的部分负载与间歇运行

碱性水电解（ALK）作为一种成熟且成本较低的电能制氢技术，结合干燥和氧气纯化步骤，可有效生产纯度超过99.9%的氢气。然而，该技术主要设计用于额定工况或接近满负荷的稳态运行，其适应部分负载特别是间歇性运行的能力有限。随着电网中可再生能源（如风电、光伏）占比持续提升，以及利用储能消纳波动性可再生能源电力的需求日益增长，碱性水电解技术在此领域面临严峻挑战。

一、部分（低）负载运行的主要挑战：气体杂质与安全风险

电解过程中，阳极产生氧气，阴极产生氢气。虽然隔膜能显著抑制大部分气体（如氧气向阴极侧、氢气向阳极侧）的渗透迁移，但生成的氢气与氧气并非绝对纯净，其中仍含有微量交叉杂质。在额定工况下，这些微量杂质可通过后端的纯化步骤有效去除（如氢气流除氧、氧气流除氢）。

问题核心在于负载降低时：

隔膜渗漏率基本恒定：隔膜对气体的物理渗透速率主要由材料特性和两侧压差决定，近似为常数。

产气速率下降：负载降低导致单位时间内阴极产生的H?和阳极产生的O₂总量（即分母）减少。

杂质相对浓度攀升：当(1)恒定（分子）而(2)降低时，产物气体中对方气体的相对浓度显著升高，导致污染水平超标。

这种杂质浓度的上升带来了关键的安全问题。当氢氧混合物达到特定比例（如H₂中O₂含量≥4% vol，或O₂中H₂含量≥4% vol）时，即进入爆炸极限范围。为确保运行安全，碱性电解槽设有安全联锁机制：一旦监测到任一气体流中杂质浓度达到2% vol（低于爆炸极限的安全冗余），即触发系统停机，以便在低风险状态下进行有序吹扫。

因此，部分负载运行时，污染水平随负载下降而升高，电解槽存在一个最低允许负载（下限），其对应的就是2% vol的杂质限值。不同设计的电解槽，其负载下限普遍处于额定负荷的10%-40%区间。这意味着：

电力供应强度波动至额定值40%以下时，可能导致非计划停机。

停机带来的危害远超产氢中断本身：

重启耗时长：重启过程复杂耗时，往往远超电力波动恢复所需的时间。

加速设备老化：每次启停循环都会对电极（如镍基电极）造成应力损伤，显著缩短其寿命（典型电极寿命仅5000-10000次启停循环），增加了维护频率和设备资产成本。

二、负载下限区间（10%-40%）的成因：电解液循环模式差异

碱性电解槽负载下限范围（10%-40%）的差异主要源于其电解液循环管理模式的不同：分流回路（Separated Loop） vs. 共用回路（Shared/Mixed Loop）。

共用回路（Mixed Loop）挑战：反应后，电极处的气-液混合物分别进入独立的阴极和阳极分离器进行气液分离。若分离后的电解液再混合再循环（共用回路）：

气体交叉污染加剧：溶解在分离后液相中的微量残余气体（阴极液中含少量O₂，阳极液中含少量H₂）会随着电解液混合而相互转移。

杂质浓度基线升高：导致阴极氢气中O₂杂质、阳极氧气中H₂杂质的本底浓度更高。

被迫高负荷停机：为了在低负载时不触发2% vol的安全阈值，系统必须在相对较高负载（通常在额定40%左右） 停机，其下限较差（如~40%）。

分流回路（Separated Loop）优势与代价：若阴极和阳极分离后的电解液各自独立循环（不混合），能有效抑制上述交叉污染，显著降低杂质基线浓度，从而将安全负载下限推近至更低水平（如~10%）。

液位平衡管理：确保两侧液位稳定，避免虹吸或泵送问题。

浓度调节能力：以维持电解液在最佳浓度窗口运行（例如，NaOH在<20 wt%、~50°C时峰值电导率≈65 S/m；KOH在>30 wt%时峰值电导率≈95 S/m），这对保证低能耗和高效率至关重要。

面临的挑战：分流回路本身存在新的问题。

维持平衡的复杂性：这要求系统具备精密的。

阴极区域浓度升高：阴极反应消耗水导致局部KOH/NaOH浓度上升。

阳极区域浓度稀释：阳极反应生成水导致局部KOH/NaOH浓度下降。

三、压力运行的叠加影响

高压运行虽然能减少氢气后续压缩的能耗，但会加剧低负载下的气体交叉污染问题：

隔膜扩散增强：压力增加可能提高气体通过隔膜的渗透速率。

气体溶解度上升：气体在电解液中的溶解度随压力增大而升高，导致溶解携带的杂质气体量增多。

结论：在部分负载+加压运行这一最严苛的工况组合下，必须采用分流回路设计，并配套实施高效的液位和浓度平衡策略，以维持杂质浓度在安全范围内。研究表明，共用电解液循环对此组合工况的适应性高度敏感且不稳定。

四、断电与低电压管理

在杂质浓度维持安全限值以内的前提下，系统可短暂容忍低于负载下限的运行，但必须严格控制电极电压：

阴极保护电压：当阴极电压低于约0.25 V时，电极材料的劣化（如腐蚀、溶解）会显著加速。

安全冗余：即使杂质浓度可控，一旦电压逼近该阈值，也需立即停机保护电极。

应对策略：

电容效应缓冲：现代多层复合电极结构可发挥一定的电容效应（相当于一个内部大电容）。实验证明，在完全断电后，此效应能够延缓电极电压的跌落速度，为系统争取重启时间。研究数据显示，若能在断电后10分钟内恢复供电，有可能避免停机并维持持续运行，显著提高系统应对短暂波动的能力。

五、温度管理的复杂性

部分负载运行也给系统温控带来了显著挑战：

最佳效率区间狭窄：碱性电解通常在 50-80°C 之间达到最佳效率（高电导率且不发生显著材料劣化）。

负载降低时热量不足：负载降低，反应热（欧姆热与反应焓）相应减少，在环境温度较低或保温不足时，系统难以维持在最低的50°C以上（有损效率和安全性）。

高负载高温需散热：在满负载或高环境温度下，需有效的冷却系统防止温度超过上限（通常80-90°C），以免加速材料退化或加剧腐蚀。

六、应对部分负载波动的外部策略

为有效应对低于负载下限（如10%-25%）的功率波动，避免频繁启停，常需结合外部策略，使电解槽子模块保持较高负载运行：

功率波动缓冲：集成储能系统（如电池、超级电容或飞轮），平抑可再生能源的快速波动，提供稳定的直流输入。

电解堆分组运行：将大型电解系统划分为多个独立的子模块。当总需求功率下降时，可关闭部分子模块（使其处于停机或待机状态），同时维持仍在运行的子模块接近其额定负载运行。

技术难点：

负载分配算法：高效、灵活地将功率波动分配到不同子模块。

热状态管理：启停不同子模块时需管理其温升、温降过程及保温要求。

运行历史记录与分析：精确跟踪记录每个子模块的启动次数、运行时长、负载曲线等，用于评估老化状态、预测寿命、制定精准维护计划（如电极更换）及优化运行策略。