水电解制氢装置

1、水电解制氢装置讲义中国船舶重工第七一八研究所 集团公司刖 百通用部分第一章氢气第一节氢气的制备第二节氢气的性质和用途第二章水电解制氢第一节水电解制氢装置的工作原理 第二节水电解制氢装置的用途与技术参数 第三节水电解制氢装置.水电解制氢装置的组成 .工艺流程简介.电解梢.处理器（框架I ）第四节其它设备.控制柜.整流装置.计算机系统.框架U .框架田.柱塞泵.碱箱、水箱.阻火器第三章安装.制氢站.工艺部分.自控部分.整流部分第四章 设备维护、安全事项与故障的排除 第五章配制电解液第一节物料及器材第二节碱液配制方法专用部分第六章微机控制系统的操作规程第一节开机前的准备第二节开机顺序第七章 气动仪表

2、控制系统的操作规程 第一节开机前的准备第二节开机顺序附录1 NaOH溶液温度比重对照表 附录2 氢氧化钾溶液比重表 附录3 KOH溶液比重一一温度一一浓度关系表、夕 4-前言自从 1800 年尼尔科森等人成功地将水电解成氢气和氧气以来，水电解制氢技术的发展已有近 200 年的历史了。现今，水电解制氢技术已在全世界得到了普遍的应用。由于能源的日渐紧张和工业飞速发展，对氢的需求量也在不断的增加，致使世界各国纷纷制定研制新型水电解制氢技术的发展规划。而当前水电解制氢技术普遍存在的问题是能耗大、效率低、成本高。针对这些问题，世界各国除对现行技术进行改进外，同时还在研究和探索新的水电解制氢工艺，寻找新型

3、隔膜和材料，力图降低能耗，提高水电解制氢效率。当前工业水电解制氢装置多数仍采用石棉隔膜，操作温度 8090C,操作 压力0.73.2Mpa,小室电压2.02.2V,氢气纯度99.8 % （体积比），氧气 纯度99.2 %,使用寿命1520年。同时，高效水电解制氢装置、固体聚合物和高温水蒸汽固体聚合物水电解制氢装置也在研制中。 固体聚合物水电解制氢装置具有效率高、 能耗低、 安全可 靠、体积小、重量轻的优点，具有广阔的应用前景。我所是全国唯一的一家从事水电解制氢技术研究的科研单位，至今已有四十多年的历史。我所研制开发的水电解制氢装置是在总结以前的科研成果并吸收国内外同类装置优点的基础上研制而成的

4、。经过多年的努力，逐步形成了现今具有相当规模的系列产品。从0.5m3/h300n3/h的不同型号和不同规格的水电解制氢装置，我所均已设计生产。这些产品已广泛地应用于航天、电力、电子、冶金、化工、气象和玻璃制造等工业部门，并有多台已出口国外。我所研制生产的水电解制氢装置配套齐全。设备的主要技术指标接近或达 到国外同类装置的先进水平。槽体密封性能好，在反复开停机的条件下确保槽体 不漏。在自动控制方面，可根据用户的要求采用气动控制、 程序控制和最先进的 微机控制。设备具有很高的自动化和标准化程度，便于操作和维护。在设计和生产过程中，我们严格遵循质量第一，用户至上的原则，严把质 量关，确保不合格的产品

5、不出厂。同时，我们还为用户提供周到的售后服务， 指导安装调试，代培运行操作人员。由于时间紧迫，水平有限，错误缺点在所难免，请批评指正。第一章第一节 氢气的制备氢气的发展是随着用氢工业部门和石油工业部门的发展而向前发展的。进入 70 年代以来，由于能源紧张，人们开始寻找新的能源。氢气作为能源，在来源、使用和储运等方面具有较大的优势和较强的适应性。由于氢气燃烧后形成水，无污染，所以氢气被誉为“清洁能源”而倍受人们青睐。制氢方法多种多样，但工业上通常采用水电解制氢。下面简单介绍各种制氢方法：. 水电解制氢水电解制氢技术可靠，操作简单、维修方便，不产生污染，制取的氢气纯度高。伴随着国家大力发展水电事业

6、及水电解制氢工艺和设备的改进，如新型隔膜、新型电极的不断推出，将会大大提高单位体积的产气量，从而大大提高它的适用范围。特别是高温固定聚合物水电解工艺的开发应用，将可能使制氢的总效率达4050%,水电解制氢的成本可降低到目前的 1/31/4。. 热化学分解水制取氢气在闭合循环中利用热化学法制取氢气，是使水在某一化学反应过程中，在热的作用下进行分解。热化学法分解水是在复杂的系统和多个中间反应来完成的，至少为两个以上的阶段。这种制氢方法，目前仍处于实验室研究阶段。. 光催化作用制取氢气在光的作用下，当有光催化剂存在时，水可以分解成氢气和氧气，所选用的光催化剂应在相当宽的光谱区域内有吸收光的能力和光合

7、再生的性能。所以首先要研制出有效的光催化剂，目前已取得了一些实验室成果，如 TiO2 晶体。.矿物燃料转化制氢由各种矿物燃料一一天燃气、石油及其制品、煤制氢，具过程有很大的相 似性。基本过程是：烧类的蒸汽转化一一包括天然气、轻油等的蒸汽转化；部 分氧化法一一原油、重油等液体的部分氧化；煤的转化。随着国家西气东输工 程的发展，我所已研制出经济实用的天然气制氢设备。.氨分解制氢在一定温度下，通过催化剂的氨气被分解为氮氢混合气（75%的氢、25%的氮），2NH 催化剂 13H 2T + NT Q催化剂一般可采用合成氨用的催化剂，如国产的A6催化剂时，分解温度为650c700C,分解率可达99%以上。

8、分解后的高温混合气体经过冷却器、 分离器、干燥器后，纯度为：含氧量20PPm含水量（露点）40 C ,含氨量 1.0Mpa温度0 40 c纯度99.99%(vol)CO 5Ppm主要消耗指标甲醇0.59 0.68kg/m3H2脱盐水0.35 0.45kg/m3H2电0.2kWh/mH2煤0.36kg/m 3H2冷却水 20kg/m3H2仪表空气99.8%氧气纯度（V/V）99.2%工作压力（Mpa1.5 3.21.5 3.2氢气含水量（g/Nm3）4氢气含碱量（mg/Nm3） 1电解槽工作温度（C）85 5直流额定电流（A）3807601450直流额定电压（V）6474961221469011

9、4138170114146170186纯水耗量（kg/h）56810121620243040506065冷却水用t （m3/h）1.31.41.61.92.13.64.14.65.16.68.19.19.6主电源动力电源容量 （KVA）4048638090110125160200250315380400电解槽直流电耗一一. .3.& 4.8kwh/m 代碱液浓度一25%NaOK 30%KOH自控气源压力0.5 0.7MPa气源耗量5m3/h主电源动力电电压AC 380V（50Hz）变压器在整流柜内AC 6kv 或 10KV (50Hz)整流柜电源1KW 380V三相四线 50Hz控制柜电源6K

10、VA 380V三相四线50Hz冷却水温度32冷却水压力0.4 0.6MPa冷却水水质99.8 %氧气纯度（V/V）99.2%工作压力（Mpa）1.52.01.5 3.2氢气含水量（g/Nm3） 4氢气含碱量（mg/Nm3） 1电解槽工作温度（C）85 5直流额定电流（A）45606360820直流额定电压（V）821021261501261461621821982182503058纯水耗量（kg/h）80100125150175200225250275300350510冷却水IW (m3/h)12152025262833384348551.31.9主电源动力电源容量 （KVA）63080010

11、00120014001600180020002200240027004080电解槽直流电耗一一 一一 3. .& 4.6Kwh/m 代碱液浓度25%NaOK 30% KOH自控气源压力0.5 -0.7Mpa气源耗量35m/h主电源动力电电压6KV 或 10KV(50Hz)AC380V（50Hz）变压器在整流柜内整流柜电源1KW 380V三相四线 50Hz控制柜电源10KVA 380V 三相四线 50Hz6 kVA、AC380V 三相四线 50Hz冷却水温度32C冷却水压力0.4 -0.6Mpa冷却水水质6德国度环境温度0-45C第三节 水电解制氢装置水电解制氢装置的组成本装置由电解槽、气液处理

12、器、整流装置、控制柜（计算机管理系统）、加水泵、碱箱、水箱等几大部分组成。工艺流程简介气体系统当电解槽接通直流电源，电解电流上升到一定数值时，电解槽内的水被电解成氢气和氧气。来自电解槽内各电解小室阴极侧的氢气和碱液，借助循环泵的扬程和气体升力，进入氢分离洗涤器的分离段（制氢量80m3/h的先进入碱液换热器，然后进入分离器），在重力的作用下氢气和碱液分离。分离后的气体进入洗涤段，对气体进行冷却、洗涤（制氢量175m3/h的无洗涤）和除雾，然后进入贮罐待用（对 CND般制氢装置，气体再经过 干燥处理才进入贮罐）。氧气分离过程基本相同。氧气放空或进入贮罐待用。电解液循环系统电解液循环的目的在于向电极

13、区域补充电解消耗的纯水，带走电解过程中产生的氢气、氧气和热量，增加电极区域电解液的搅拌，减少浓差极化电压，降低碱液中的含气度，降低小室电压，减少能耗等，以使电解槽在稳定条件下工作。碱液循环量的大小影响槽内小室电压和气体纯度。对于一个特定的电解槽，应有一个合适的循环量。一般槽内电解液更换次数每小时24次。在常压电解系统中，通常用自然循环，而在压力电解系统中，因电解装置体积小，管 道细，气液流通阻力大，加上电流密度较大，要求电解液更换的次数比较多，采用自然循环难于达到，一般采用强制循环。碱液在氢分离器和氧分离器中，靠重力作用与氢、氧气体分离后，通过氢氧分离器的连通管汇总，再经碱液过滤器除去机械杂质

14、，然后由碱液循环泵把碱液送入电解槽，形成完整的电解液循环系统。气体排空（氮气置换）系统水电解制氢装置设有充氮口，用于系统的气密检查与开机前的氮气置换。制氢系统开车后，氢气纯度达到要求后才能被送到贮罐（或净化设备），在未达到要求纯度以前的氢气可通过调节阀后的气体放空阀放空。当水电解制氢装置压力压差系统由于调节阀阀芯的磨损而出现失控现象时或紧急事故需要将水电解制氢系统排空时，可直接打开“手动”气体放空阀，使氢氧气体分别放出，但要注意氢氧分离器液位差不大于150mm2HO。原料水补充系统电解过程中，装置内的原料水一直不停地在消耗，因此，为保证水电解的连续进行，需定期向制氢装置内补充原料水。水箱中的水

15、通过加水泵分别打入氢、氧洗涤器，然后通过溢流管，注入分离器下部的液相部分和循环碱液一并进入电解小室进行连续电解，同时使电解液中碱的浓度保持在最佳浓度范围。原料水通过注入洗涤器然后再溢流到分离器，可以稀释洗涤器中的碱含量，降低产品气的含碱度。为保证水电解制氢装置压力系统中的气体和碱液在加水泵停转期间不外漏，在加水管道上均装有止回阀。运行过程中，只开启单个补水回路，即只开氢侧或氧侧补水回路。冷却水系统总管中的冷却水共分为三路：一路进入整流柜供可控硅元件冷却，一路进入氢（氧）洗涤器白蛇管（产氢量175m3/h的设备是进入气体冷却器）冷却氢（氧）气体。上述二路均为手控截止阀开度来调节所需的冷却水量。另

16、外一路冷却水通过气动薄膜调节阀控制进入分离器蛇管中（产氢量80m3/h 的设备是控制进入碱液冷却器中），根据循环碱液温度的高低自动控制冷却水量，从而达到控制操作温度的目的。对于CNDQ510型装置，还有第四路冷却水，第四路冷却水进入氢气干燥系统用气体冷却器中，以给待干燥的气体降温或冷却从干燥器出来的再生气体。排污系统排污管道共分四处：第一处：为碱液过滤器底部，通过过滤器排污阀排出碱液和过滤器中过滤下来的石棉绒杂质及污物。对CNDQ510型装置，可通过拆卸管道过滤器法兰来清除机械杂物。第二、三处：为水箱和碱箱底部排污口，通过其排污阀排出箱中的污物或残液。第四处：从氢气干燥部分的气水分离器中排出冷

17、凝水（仅用于CNDQ510型装置）。补碱系统CND 510装置需补碱时，应在停机泄压状态下进行，按要求计算应补充碱的数量，重新配制碱液，通过碱箱到电解槽的阀门系统将碱液打入电解槽中，对ZDQ 系列的装置需补充的碱液可直接送入分离器的连通管，直接进入碱液循环中，在补碱管道上也装有止回阀电解槽电解槽的分类单极性电解槽极性意图种联块极单极性电解槽是由外部并联若干个单元电解槽组成的。而单元电解槽则由 若干个彼此交替着的、彼此平行的阳极板和阴极板组成。每个单元浸没在盛有 电解液的箱中，箱可以是开放的，也可以是密闭的。图1单电解槽示在这接中，每 板只有 性，即一块板只担负着阳极作用，或只担负着阴极作用，因

18、此称为单极性电解单极电解槽安装、维修简便，但效率低，体积大。双极性压滤式电解槽以串联式双极性压滤式电解槽为例，电解槽的极板也是垂直的，互相平行 排列，电流只从一端极板导入，通过电极经电解液，传到下一块极板，最后由 另一端极板输出。由于操作电压的关系，造成电解槽电压输入端至输出端的递 降，这样就使得前一块极板相对于次一块极板就带正电荷。因此，对同一块极 板而言，在前一个电解小室中作阴极，在下一个电解小室中就作阳极，即每块图2双极性电解槽示意图双极性水电解槽中的每块极板都传导总的电流。 总的电流强度极板上的电流密度二极板正面（或背面）面一祺槽内电压决定于相邻两电极的电位差。电解槽的总电压为各个小室

19、电压之和。双极性水电解槽使用有绝缘边的隔膜作为电解小室的中间层，这样具有压 滤机的结构，所以又称为双极性压滤式电解槽。双极性压滤式电解槽的体积小，效率高，但造价高，维修不便。加压水电解槽的特点加压水电解槽采用双极性压滤式电解槽型式，在压力下运行，氢气可 在压力情况下进入氢气纯化干燥装置或贮氢罐，不需氢压机。电解槽的操作温度比常压电解槽高，因此提高了电解液的电导率，电解效率高，小室电压较低，降低了能耗和制氢成本；槽体的密封性能好，允许间断操作，使用寿命可达1520年；产品气体质量高，氢气纯度超过行业标准（CB352卜93）;电解槽的结构及作用电解槽外部结构电解槽为并联双极性压滤式结构，由螺栓和二

20、块端压板把极板夹在一起，呈园柱体结构。（1）大螺栓、大螺母、弹簧导套、蝶形弹簧等用来将各小室间的垫片压紧，使槽体能承受内压，保证槽体不漏。必须使各螺栓承受有一定的预紧力，而且各螺栓受力要均匀。端压板：两端的端压板的作用是承受电解槽的内部压力及密封垫片的密封压力。电解槽在1.5 3.2Mpa 压力下工作，承受的压力很大，因此要有足够的厚度，以免变形并保证槽体的密封性。输电板：电解槽的中间极板和左右端极板上都焊有输电板。中间极板接直流输出正极，两个端极板接直流输出负极。一般工业上用的电解槽也可采用串联型式，即一端为正极，另一端为负极。正负端极板与端压板间有良好的绝缘。3.3.2 电解槽的内部结构电

21、解槽的每个小室由阳极板、阳副极网、隔膜、垫片、阴副极网、阴极板组成。在电解槽中，每块极板既是阳极又是阴极，中间极板为阳极，左右端极板为阴极，极板面向中间极板的一侧为阴极，另一侧为阳极。在阴极上产生氢气，在阳极上产生氧气。在槽体上除中间极板、左端极板、右端极板外，按极板处的位置不同又分为左极板和右极板，它们的区别在于出气孔的位置不同。1） 极板：极板 （又称圾框组件） 是由主极板和极框焊接后镀镍而成。镍是非消耗性电极，在碱液里不会被腐蚀，超电压低。极板上的乳头起支承副极网、隔膜布和输电的作用。电解液能够在乳头与隔膜布形成的空间里流动。2）阴副极网：用纯镍丝编织而成的，又用等离子喷涂法涂上拉内镍活

22、化层 ，使 用前 要用 稀碱 液 进 行活化 处理 。电化学反应时，在其表面 上产生氢气。3）阳副极网：与阴副极网相同（可不喷涂拉内镍），电化学反应时，在其表面上产生氧气。隔膜：现行工业水电解槽通常采用石棉布作为隔膜。隔膜的作用是隔开电解时所产生的氢、氧气体，而不阻止离子运动。石棉隔膜布在25%NaOH或30%KOH）液里长期使用时其工作温度不得高于 90c。隔膜石棉布必须符合国家标准。（ 5）绝缘密封垫：绝缘密封垫即起绝缘作用，又起密封作用，它是采用特制 的塑 料模 压而 成的 ， 也 可与石 棉布 模压在一起 ，是比较理想 的 密封材料。压片：压片是用来保护极板上的进液孔和出气孔的。当垫片

23、压紧时，保证各通道不被密封垫的塑料因填充而阻塞。电解槽内各种孔道的设置：观察电解槽总装配图，在左右端极板的中下部有外接管口，它们是电解液的进口，电解液从端极板进入槽体，穿过左、右极板和密封垫片的液流孔道到达中间极板内，再通过中间极板下部的孔，经极板下部液体环道，通过进液孔分配到各小室里去。水电解后，各阳极小室生成的氧气和碱液一起通过出气孔经气体环道一同流出氧气出口管；各阴极室生成的氢气和碱液一同流出氢气出口管。电解槽采用对角线循环路径，各电解小室碱液循环量均匀，小室电压均匀。3.4 电解槽使用时的注意事项及故障与维护注意事项电解槽是水电解制氢装置的核心，它的使用寿命与操作维护紧密相关。严 格地

24、按照操作说明书进行操作使用是电解槽经久耐用的关键所在。所以在使用中必须注意下述各点：槽温控制在90以下；槽压控制在规定值范围内；电解液循环量控制在正常值；密切监视气体纯度；按时测量小室电压，测电压时注意电极方向，且不能让电压表某一极棒的触头同时接触两片极板造成短路；电解槽上一定要清理干净，不得有金属物和碱液等导电介质，周围不能放置其它金属物品，以防不慎落在槽体上造成小室短路；期清洗过滤器，清除滤网上的石棉绒毛和其它杂质；向槽体内补充的原料水水质一定要符合要求。电解质为分析纯或优级纯NaOHt KOH定期测量碱液浓度，使浓度处于合适值。电解液中杂质的含量应控制在：SO4 2100mg/L； Fe

25、 33mg/L； Cl 高=1380X 250X20003.自控部分3.1供电供气要求控制柜所需电源总功率不小于 7kw,需三相四线制供电。进柜供电电缆,详见相应的控制柜外部接线图15mg/m,露点比环境最低温度低10Co840O自控部分所需气源为无油、无尘、无水的压缩空气或氮气，含油量小于8203.2秋制柜的安装（）控制咂选用KG- 221寸如图7:型理的4M1长（宽:21000 x 900 x 姗0mm2其控制柜的安装可不设基础，但应置于线缆地沟之上。控制柜要有良好的接地，接地电阻小于4Q控制柜的外接管线控制柜的外接电线、电缆按照控制柜外部电气接线图连接。控制柜外接管路按照控制柜的外接管路

26、连接图连接，控制柜外接电气管线均从控制柜底部进线。控制柜与气液处理器之间的电线、电缆、管缆等可沿地沟铺设或架空铺设。控制柜与屏蔽泵和加水泵之间的电源线以及控制柜与整流柜之间的讯号电缆可预埋穿线管。微机应尽量靠近控制柜摆放，它们之间的通信电缆可沿地沟敷设或架空敷设。4. 整流部分整流部分由变压器及整流柜组成，ZD（Q-512和CNDQ510型制氢 装置变压器在整流柜内部。1.1.1 整流柜的安装整流柜重量近 500kg,外形尺寸为长X宽高=1000X 900X2100mm其地脚螺栓孔尺寸如图 8：整流柜应跨于地沟之上，引出电缆或铜排从整流柜底部进入地沟与电解槽连接，从整流柜顶部架空与变压器相连（

27、产氢量12m3/h 的制氢装置）。4.1.2 变压器的安装参照图纸4.2 电力设备之间电缆铜排的主要连接规格见表7表7电力设备间铜排的规格型号变压器一一整流柜整流柜一一电解槽根数规 格根 数规格ZDQ- 5 12三相四线电缆 3X70+ 1X502电缆2X 150ZDQ- 16 30350 X 6260 X 6ZDQ- 40 652X350 X 6280 X 10ZDQ- 80 150680 X 102(120 X 10) X 2ZDQ- 175 3006120X 102(120 X 10) X4CNDQ- 5/10三相四线电缆 3X70+ 1X502电缆4 X 150第四章 设备维护、安全事

28、项与故障的排除.设备维护当装置正常运转后，操作人员应注意观察装置的运转情况，并按规定的参数条件进行观察与操作，每两小时记录一次。同时注意各种报警，及时发现并处理异常现象，对所有附属设备、各检测仪表与各调节系统经常进行巡视，按使用说明书要求进行检查。根据用氢量的需要情况，可随时调节整流柜输出电流，但整流柜输出电位器旋转时不能过猛，以防产生过流故障损坏快速熔断器或可控硅元件。整流柜在正常运行中选择开关不可任意变换位置，否则也会发生1.2条的故障。如需改变整流柜运行状态，则必须把输出电位器均置于零位，才能转换选择开关的位置。通过手动调节阀调节碱液循环量，注意循环量不能过大或过小，过大会导致氢气纯度下

29、降，过小会使电解槽温度过高而降低隔膜的使用寿命。在正常情况下，经调整好后，不再进行调整。当装置运行一段时间后，若发现槽温较高，而碱温过低，碱液循环量明显下降，即表明碱液过滤器堵塞，需清洗过滤器。保持氢、氧分离器液位在液位计可视范围中部，观察自动加水是否正常。在正常开车情况下，补水阀处于开启状态，加水泵将水直接送入氢分离洗涤器上部。当氧气温度较高时，打开氧分离器上的补水阀，关闭氢分离器上补水阀暂时向氧分离洗涤器补水。每隔 2 个月，需用比重计测定碱液浓度，使碱液浓度保持在所规定的范围内，如低于规定值时，需加入适量的碱。经常观察水箱有无原料水以及冷却水流量是否正常，定期分析原料水的电导率，应满足使用要求。经常观察分析仪一次仪表的气体流量是否处于规定的刻度上，干燥剂是否变