碱性电解槽旁路电流对制氢工厂的影响

可再生能源供电存在间歇性，当其用于驱动电解槽时，带来了诸多挑战。这包括供电不稳定对运行的冲击、低负荷下氢氧混合加剧的安全隐患，以及在部分负荷运行时高旁路电流导致的电流效率下降。

一、旁路电流的成因及其对碱性电解槽的影响

旁路电流，也叫寄生电流或泄漏电流，是指电流没有走设定的电解路径，而是沿着电堆中电阻更低的路径流走的现象。在工业规模的碱性电解水（AWE）电堆中，电解槽通常采用双极性结构（电解小室串联）和带循环的共用歧管供应系统（电解液并联流动），这种设计很容易在共用歧管内形成显著的旁路电流（离子分流）。如图所示，电解池在电气上是串联的，但电解液的供应系统却是并联的。

共用循环的电解液管路如同“盐桥”，为电流提供了额外的低电阻通道。这会导致电流和电势分布不均，进而引发腐蚀问题并降低效率（电流效率下降）。旁路电流在液流电池、电解槽和燃料电池中普遍存在，设计时必须重视并解决。

为了平衡效率与成本，工业电化学堆的设计往往面临两难选择：采用低电流密度运行虽然能提高效率、降低运行成本，但需要更大的电极面积，推高了设备投资。除了产能和效率，电流效率（或法拉第效率）也是关键性能指标之一。

从电气配置角度看，直接提供大量低压直流电经济性不佳，因此通常需要将多个电解小室串联以提高运行电压。双极性结构是实现小室串联的一种高效方式。它的优点在于电流分布均匀，对小室间隙设计更灵活。但这种结构也有两大弊端：

单个小室失效可能导致整个电堆停机；首尾小室间的高电压差，结合共用歧管系统，极易产生严重的旁路电流。

旁路电流的危害显著：造成功率损耗、降低电流效率、导致各小室性能不均、引发腐蚀、干扰流体流动（液压故障）、影响产品纯度并增加反应物消耗。高压系统因其在成本和电力电子转换效率方面的优势更受青睐，所以串联双极结构比并联结构应用更广。

串联双极结构又可分为共用歧管供应和分离歧管供应两种。虽然共用歧管系统是旁路电流的主要来源，但因其能实现以下目标而被广泛采用：

为所有小室提供均匀的电解液；实现高效的热传导、冷却和整体热管理；有效排出产生的气体（氢气和氧气）。

研究人员提出了一些减少旁路电流的潜在方法：

减少串联小室的数量；将歧管设计得更长、更细，增加该区域的电阻（但过度设计可能带来其他问题）；在歧管内创造气液两相流（注入气体）以提高电阻；使用旋转阀、喷淋头、堰或溢流等物理隔断手段，打断小室间的连续电解液连通。

然而，最后一种方法（物理隔断）与采用共用歧管系统以优化电解液分布和热管理的初衷相悖。

行业通常的做法是采用长而细的回流管，增加歧管区域的电阻，以此最小化旁路电流。即便如此，采用内部分流歧管设计的工业电堆，其串联小室的数量通常不宜超过50个。超过此限值，旁路电流会急剧增加，导致有效电流损失和腐蚀风险加剧。研究表明，在部分负荷运行时，电流效率会显著下降，这对风、光等间歇性可再生能源供电的AWE运行非常不利。因此，在设计工业级AWE并将其接入可再生能源系统时，必须充分考虑旁路电流的影响。

总结以往研究，在采用双极性结构和共用歧管的电化学装置（包括AWE）中都观察到旁路电流现象。其负面作用包括：降低电流效率和整体能效、造成功率损耗、导致电堆和电解液温度升高、引发副反应（主要是腐蚀，损害液压系统部件）、以及产生不均匀的电流分布。特别关键的是，在部分负荷运行时，旁路电流占总电流的比例显著上升，严重限制了电解槽运行的灵活性。

二、核心研究发现及其对制氢工厂的启示

单台AWE电堆能效表现分析：

负荷影响： 降低电解槽运行负荷会大幅提高旁路电流比例。有数据显示，满负荷（100%）时旁路电流约占16.8%，而当负荷降至30%时，这一比例跃升至75.4%（注：此数据用于说明趋势）。

原因解析： 主要在于低负荷下歧管电阻降低以及产生的气体纯度下降。

优化潜力： 理论模拟表明，有效抑制旁路电流可显著提升部分负荷工况下电堆的能效。

制氢工厂多产线（多电堆）负荷分配优化策略：

目标： 在满足指定氢气需求的前提下，优化各条产线（每个电堆）的供电电流分配，使整个工厂的生产单位能耗（比能耗，SEC）最小化。SEC = 系统总功耗 / 产氢质量。

主要结论： 在同时运行多条产线的情况下，为各产线分配均等的电流负荷（即等比例运行）通常能实现最低的整体SEC。

产线数量决策： 决定投入多少条产线运行最优，这与旁路电流的强度有直接关系（旁路电流越大，可能越倾向于集中运行较少产线接近或达到满负荷）。

未来值得深入的研究方向：

参数影响规律： 深入研究不同参数（如旁路电流系数差异、各产线性能衰减速率等）对比能耗（SEC）影响的敏感性。

系统配置创新： 评估将独立平衡系统（BoP）的产线改用共享工厂级平衡系统（BoP）在成本和效率方面的可行性（如共享冷却系统、纯水系统等）。

防腐蚀保护： 探索停机时电极保护策略（如牺牲阳极、阴极保护等），防止旁路电流导致深度放电腐蚀。

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(出处: 海川化工论坛)