一文了解堿性電解槽的部分負(fù)載與間歇運(yùn)行

堿性水電解（ALK）作為一種成熟且成本較低的電能制氫技術(shù)，結(jié)合干燥和氧氣純化步驟，可有效生產(chǎn)純度超過(guò)99.9%的氫氣。然而，該技術(shù)主要設(shè)計(jì)用于額定工況或接近滿負(fù)荷的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，其適應(yīng)部分負(fù)載特別是間歇性運(yùn)行的能力有限。隨著電網(wǎng)中可再生能源（如風(fēng)電、光伏）占比持續(xù)提升，以及利用儲(chǔ)能消納波動(dòng)性可再生能源電力的需求日益增長(zhǎng)，堿性水電解技術(shù)在此領(lǐng)域面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

一、部分（低）負(fù)載運(yùn)行的主要挑戰(zhàn)：氣體雜質(zhì)與安全風(fēng)險(xiǎn)

電解過(guò)程中，陽(yáng)極產(chǎn)生氧氣，陰極產(chǎn)生氫氣。雖然隔膜能顯著抑制大部分氣體（如氧氣向陰極側(cè)、氫氣向陽(yáng)極側(cè)）的滲透遷移，但生成的氫氣與氧氣并非絕對(duì)純凈，其中仍含有微量交叉雜質(zhì)。在額定工況下，這些微量雜質(zhì)可通過(guò)后端的純化步驟有效去除（如氫氣流除氧、氧氣流除氫）。

問(wèn)題核心在于負(fù)載降低時(shí)：

隔膜滲漏率基本恒定：隔膜對(duì)氣體的物理滲透速率主要由材料特性和兩側(cè)壓差決定，近似為常數(shù)。

產(chǎn)氣速率下降：負(fù)載降低導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)陰極產(chǎn)生的H?和陽(yáng)極產(chǎn)生的O?總量（即分母）減少。

雜質(zhì)相對(duì)濃度攀升：當(dāng)(1)恒定（分子）而(2)降低時(shí)，產(chǎn)物氣體中對(duì)方氣體的相對(duì)濃度顯著升高，導(dǎo)致污染水平超標(biāo)。

這種雜質(zhì)濃度的上升帶來(lái)了關(guān)鍵的安全問(wèn)題。當(dāng)氫氧混合物達(dá)到特定比例（如H?中O?含量≥4% vol，或O?中H?含量≥4% vol）時(shí)，即進(jìn)入爆炸極限范圍。為確保運(yùn)行安全，堿性電解槽設(shè)有安全聯(lián)鎖機(jī)制：一旦監(jiān)測(cè)到任一氣體流中雜質(zhì)濃度達(dá)到2% vol（低于爆炸極限的安全冗余），即觸發(fā)系統(tǒng)停機(jī)，以便在低風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)下進(jìn)行有序吹掃。

因此，部分負(fù)載運(yùn)行時(shí)，污染水平隨負(fù)載下降而升高，電解槽存在一個(gè)最低允許負(fù)載（下限），其對(duì)應(yīng)的就是2% vol的雜質(zhì)限值。不同設(shè)計(jì)的電解槽，其負(fù)載下限普遍處于額定負(fù)荷的10%-40%區(qū)間。這意味著：

電力供應(yīng)強(qiáng)度波動(dòng)至額定值40%以下時(shí)，可能導(dǎo)致非計(jì)劃停機(jī)。

停機(jī)帶來(lái)的危害遠(yuǎn)超產(chǎn)氫中斷本身：

重啟耗時(shí)長(zhǎng)：重啟過(guò)程復(fù)雜耗時(shí)，往往遠(yuǎn)超電力波動(dòng)恢復(fù)所需的時(shí)間。

加速設(shè)備老化：每次啟停循環(huán)都會(huì)對(duì)電極（如鎳基電極）造成應(yīng)力損傷，顯著縮短其壽命（典型電極壽命僅5000-10000次啟停循環(huán)），增加了維護(hù)頻率和設(shè)備資產(chǎn)成本。

二、負(fù)載下限區(qū)間（10%-40%）的成因：電解液循環(huán)模式差異

堿性電解槽負(fù)載下限范圍（10%-40%）的差異主要源于其電解液循環(huán)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）挑戰(zhàn)：反應(yīng)后，電極處的氣-液混合物分別進(jìn)入獨(dú)立的陰極和陽(yáng)極分離器進(jìn)行氣液分離。若分離后的電解液再混合再循環(huán)（共用回路）：

氣體交叉污染加劇：溶解在分離后液相中的微量殘余氣體（陰極液中含少量O?，陽(yáng)極液中含少量H?）會(huì)隨著電解液混合而相互轉(zhuǎn)移。

雜質(zhì)濃度基線升高：導(dǎo)致陰極氫氣中O?雜質(zhì)、陽(yáng)極氧氣中H?雜質(zhì)的本底濃度更高。

被迫高負(fù)荷停機(jī)：為了在低負(fù)載時(shí)不觸發(fā)2% vol的安全閾值，系統(tǒng)必須在相對(duì)較高負(fù)載（通常在額定40%左右） 停機(jī)，其下限較差（如~40%）。

分流回路（Separated Loop）優(yōu)勢(shì)與代價(jià)：若陰極和陽(yáng)極分離后的電解液各自獨(dú)立循環(huán)（不混合），能有效抑制上述交叉污染，顯著降低雜質(zhì)基線濃度，從而將安全負(fù)載下限推近至更低水平（如~10%）。

液位平衡管理：確保兩側(cè)液位穩(wěn)定，避免虹吸或泵送問(wèn)題。

濃度調(diào)節(jié)能力：以維持電解液在最佳濃度窗口運(yùn)行（例如，NaOH在<20 wt%、~50°C時(shí)峰值電導(dǎo)率≈65 S/m；KOH在>30 wt%時(shí)峰值電導(dǎo)率≈95 S/m），這對(duì)保證低能耗和高效率至關(guān)重要。

面臨的挑戰(zhàn)：分流回路本身存在新的問(wèn)題。

維持平衡的復(fù)雜性：這要求系統(tǒng)具備精密的。

陰極區(qū)域濃度升高：陰極反應(yīng)消耗水導(dǎo)致局部KOH/NaOH濃度上升。

陽(yáng)極區(qū)域濃度稀釋：陽(yáng)極反應(yīng)生成水導(dǎo)致局部KOH/NaOH濃度下降。

三、壓力運(yùn)行的疊加影響

高壓運(yùn)行雖然能減少氫氣后續(xù)壓縮的能耗，但會(huì)加劇低負(fù)載下的氣體交叉污染問(wèn)題：

隔膜擴(kuò)散增強(qiáng)：壓力增加可能提高氣體通過(guò)隔膜的滲透速率。

氣體溶解度上升：氣體在電解液中的溶解度隨壓力增大而升高，導(dǎo)致溶解攜帶的雜質(zhì)氣體量增多。

結(jié)論：在部分負(fù)載+加壓運(yùn)行這一最嚴(yán)苛的工況組合下，必須采用分流回路設(shè)計(jì)，并配套實(shí)施高效的液位和濃度平衡策略，以維持雜質(zhì)濃度在安全范圍內(nèi)。研究表明，共用電解液循環(huán)對(duì)此組合工況的適應(yīng)性高度敏感且不穩(wěn)定。

四、斷電與低電壓管理

在雜質(zhì)濃度維持安全限值以內(nèi)的前提下，系統(tǒng)可短暫容忍低于負(fù)載下限的運(yùn)行，但必須嚴(yán)格控制電極電壓：

陰極保護(hù)電壓：當(dāng)陰極電壓低于約0.25 V時(shí)，電極材料的劣化（如腐蝕、溶解）會(huì)顯著加速。

安全冗余：即使雜質(zhì)濃度可控，一旦電壓逼近該閾值，也需立即停機(jī)保護(hù)電極。

應(yīng)對(duì)策略：

電容效應(yīng)緩沖：現(xiàn)代多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)可發(fā)揮一定的電容效應(yīng)（相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)部大電容）。實(shí)驗(yàn)證明，在完全斷電后，此效應(yīng)能夠延緩電極電壓的跌落速度，為系統(tǒng)爭(zhēng)取重啟時(shí)間。研究數(shù)據(jù)顯示，若能在斷電后10分鐘內(nèi)恢復(fù)供電，有可能避免停機(jī)并維持持續(xù)運(yùn)行，顯著提高系統(tǒng)應(yīng)對(duì)短暫波動(dòng)的能力。

五、溫度管理的復(fù)雜性

部分負(fù)載運(yùn)行也給系統(tǒng)溫控帶來(lái)了顯著挑戰(zhàn)：

最佳效率區(qū)間狹窄：堿性電解通常在 50-80°C 之間達(dá)到最佳效率（高電導(dǎo)率且不發(fā)生顯著材料劣化）。

負(fù)載降低時(shí)熱量不足：負(fù)載降低，反應(yīng)熱（歐姆熱與反應(yīng)焓）相應(yīng)減少，在環(huán)境溫度較低或保溫不足時(shí)，系統(tǒng)難以維持在最低的50°C以上（有損效率和安全性）。

高負(fù)載高溫需散熱：在滿負(fù)載或高環(huán)境溫度下，需有效的冷卻系統(tǒng)防止溫度超過(guò)上限（通常80-90°C），以免加速材料退化或加劇腐蝕。

六、應(yīng)對(duì)部分負(fù)載波動(dòng)的外部策略

為有效應(yīng)對(duì)低于負(fù)載下限（如10%-25%）的功率波動(dòng)，避免頻繁啟停，常需結(jié)合外部策略，使電解槽子模塊保持較高負(fù)載運(yùn)行：

功率波動(dòng)緩沖：集成儲(chǔ)能系統(tǒng)（如電池、超級(jí)電容或飛輪），平抑可再生能源的快速波動(dòng)，提供穩(wěn)定的直流輸入。

電解堆分組運(yùn)行：將大型電解系統(tǒng)劃分為多個(gè)獨(dú)立的子模塊。當(dāng)總需求功率下降時(shí)，可關(guān)閉部分子模塊（使其處于停機(jī)或待機(jī)狀態(tài)），同時(shí)維持仍在運(yùn)行的子模塊接近其額定負(fù)載運(yùn)行。

技術(shù)難點(diǎn)：

負(fù)載分配算法：高效、靈活地將功率波動(dòng)分配到不同子模塊。

熱狀態(tài)管理：?jiǎn)⑼２煌幽K時(shí)需管理其溫升、溫降過(guò)程及保溫要求。

運(yùn)行歷史記錄與分析：精確跟蹤記錄每個(gè)子模塊的啟動(dòng)次數(shù)、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、負(fù)載曲線等，用于評(píng)估老化狀態(tài)、預(yù)測(cè)壽命、制定精準(zhǔn)維護(hù)計(jì)劃（如電極更換）及優(yōu)化運(yùn)行策略。