一文了解堿性電解槽旁路電流對制氫工廠的影響

可再生能源供電存在間歇性，當其用于驅動電解槽時，帶來了諸多挑戰。這包括供電不穩定對運行的沖擊、低負荷下氫氧混合加劇的安全隱患，以及在部分負荷運行時高旁路電流導致的電流效率下降。

一、旁路電流的成因及其對堿性電解槽的影響

旁路電流，也叫寄生電流或泄漏電流，是指電流沒有走設定的電解路徑，而是沿著電堆中電阻更低的路徑流走的現象。在工業規模的堿性電解水（AWE）電堆中，電解槽通常采用雙極性結構（電解小室串聯）和帶循環的共用歧管供應系統（電解液并聯流動），這種設計很容易在共用歧管內形成顯著的旁路電流（離子分流）。如圖所示，電解池在電氣上是串聯的，但電解液的供應系統卻是并聯的。

圖示：實線為有效電解電流路徑，虛線為共用歧管內形成的旁路電流路徑。由于工業電堆小室數量多，中間小室省略顯示。

共用循環的電解液管路如同“鹽橋”，為電流提供了額外的低電阻通道。這會導致電流和電勢分布不均，進而引發腐蝕問題并降低效率（電流效率下降）。旁路電流在液流電池、電解槽和燃料電池中普遍存在，設計時必須重視并解決。

為了平衡效率與成本，工業電化學堆的設計往往面臨兩難選擇：采用低電流密度運行雖然能提高效率、降低運行成本，但需要更大的電極面積，推高了設備投資。除了產能和效率，電流效率（或法拉第效率）也是關鍵性能指標之一。

從電氣配置角度看，直接提供大量低壓直流電經濟性不佳，因此通常需要將多個電解小室串聯以提高運行電壓。雙極性結構是實現小室串聯的一種高效方式。它的優點在于電流分布均勻，對小室間隙設計更靈活。但這種結構也有兩大弊端：

單個小室失效可能導致整個電堆停機；首尾小室間的高電壓差，結合共用歧管系統，極易產生嚴重的旁路電流。

旁路電流的危害顯著：造成功率損耗、降低電流效率、導致各小室性能不均、引發腐蝕、干擾流體流動（液壓故障）、影響產品純度并增加反應物消耗。高壓系統因其在成本和電力電子轉換效率方面的優勢更受青睞，所以串聯雙極結構比并聯結構應用更廣。

串聯雙極結構又可分為共用歧管供應和分離歧管供應兩種。雖然共用歧管系統是旁路電流的主要來源，但因其能實現以下目標而被廣泛采用：

為所有小室提供均勻的電解液；實現高效的熱傳導、冷卻和整體熱管理；有效排出產生的氣體（氫氣和氧氣）。

研究人員提出了一些減少旁路電流的潛在方法：

減少串聯小室的數量；將歧管設計得更長、更細，增加該區域的電阻（但過度設計可能帶來其他問題）；在歧管內創造氣液兩相流（注入氣體）以提高電阻；使用旋轉閥、噴淋頭、堰或溢流等物理隔斷手段，打斷小室間的連續電解液連通。

然而，最后一種方法（物理隔斷）與采用共用歧管系統以優化電解液分布和熱管理的初衷相悖。

行業通常的做法是采用長而細的回流管，增加歧管區域的電阻，以此最小化旁路電流。即便如此，采用內部分流歧管設計的工業電堆，其串聯小室的數量通常不宜超過50個。超過此限值，旁路電流會急劇增加，導致有效電流損失和腐蝕風險加劇。研究表明，在部分負荷運行時，電流效率會顯著下降，這對風、光等間歇性可再生能源供電的AWE運行非常不利。因此，在設計工業級AWE并將其接入可再生能源系統時，必須充分考慮旁路電流的影響。

總結以往研究，在采用雙極性結構和共用歧管的電化學裝置（包括AWE）中都觀察到旁路電流現象。其負面作用包括：降低電流效率和整體能效、造成功率損耗、導致電堆和電解液溫度升高、引發副反應（主要是腐蝕，損害液壓系統部件）、以及產生不均勻的電流分布。特別關鍵的是，在部分負荷運行時，旁路電流占總電流的比例顯著上升，嚴重限制了電解槽運行的靈活性。

二、核心研究發現及其對制氫工廠的啟示

單臺AWE電堆能效表現分析：

負荷影響： 降低電解槽運行負荷會大幅提高旁路電流比例。有數據顯示，滿負荷（100%）時旁路電流約占16.8%，而當負荷降至30%時，這一比例躍升至75.4%（注：此數據用于說明趨勢）。

原因解析： 主要在于低負荷下歧管電阻降低以及產生的氣體純度下降。

優化潛力： 理論模擬表明，有效抑制旁路電流可顯著提升部分負荷工況下電堆的能效。

制氫工廠多產線（多電堆）負荷分配優化策略：

目標： 在滿足指定氫氣需求的前提下，優化各條產線（每個電堆）的供電電流分配，使整個工廠的生產單位能耗（比能耗，SEC）最小化。SEC = 系統總功耗 / 產氫質量。

主要結論： 在同時運行多條產線的情況下，為各產線分配均等的電流負荷（即等比例運行）通常能實現最低的整體SEC。

產線數量決策： 決定投入多少條產線運行最優，這與旁路電流的強度有直接關系（旁路電流越大，可能越傾向于集中運行較少產線接近或達到滿負荷）。

未來值得深入的研究方向：

參數影響規律： 深入研究不同參數（如旁路電流系數差異、各產線性能衰減速率等）對比能耗（SEC）影響的敏感性。

系統配置創新： 評估將獨立平衡系統（BoP）的產線改用共享工廠級平衡系統（BoP）在成本和效率方面的可行性（如共享冷卻系統、純水系統等）。

防腐蝕保護： 探索停機時電極保護策略（如犧牲陽極、陰極保護等），防止旁路電流導致深度放電腐蝕。

術語說明：

比能耗 (SEC)： 衡量生產單位質量氫氣所需消耗的總能量（電能為主），kWh/kg-H?，是最核心的能效指標之一。

歧管電阻： 指電解槽進出口歧管結構對旁路電流的阻礙作用（等效電阻）。其大小取決于電解液本身的電導率、歧管內氣體體積分數（氣液兩相流）以及流道的具體幾何參數（長度、截面積等）。