电解水制氢培训课件

电解水制氢装置技术培训主讲人：张磊目录1234氢气概述电解水制氢原理电解水制氢设备制氢设备控制原理5水电解制氢系统危险因素

第一部分氢气概述01物理性质无色无味气体导热系数高氢气的密度是0.08987kg/m3化学性质易燃易爆还原性强着火性能不助燃着火能极低1、氢气的性质密度比较：空气的密度是H2的14.3倍，CO2是H2的21.8倍，N2是H2的13.8倍；导热系数比较：导热系数是空气的1.51倍，且氢气扩散性好;爆炸极限范围：4%-75%（在空气中）；4%-94%（在纯氧中）；着火能约为20μJ,氢气的着火性能随着温度和压力的不同而变化。2、为什么用氢气作为发电机冷却介质？密度小，通风损耗低，机械（指发电机转子上的风扇）效率高。导热系数高，冷却效率高；易扩散，散热快。危险性小（发电机内充入的氢气中含氧又小于2%，所以一旦发电机绕组被击穿时，着火的危险性很小）。经严格处理的氢气可以保证发电机内部清洁，不会产生由于脏污引起的事故。绝缘材料不易受氧化和电晕的损坏。123543、使用氢气冷却的缺点氢气的渗透性很强，易于扩散泄露，所以发电机的外壳必须很好的密封。氢气与空气混合物能形成爆炸性气体，一旦泄露，遇火即能引起爆炸。因此，在用氢冷却的发电机四周严禁明火。采用氢气冷却必须设置一套制氢的电解设备和控制系统，这就增加了基建投资及维修费用。只要严格执行有关的安全规章制度和采取有效的措施氢冷却还是可靠的，而其高效率冷却则是其它冷却介质无可比拟的，所以大多数发电机还是采用氢冷方式。

第二部分电解水制氢原理021、电解原理当两个电极(阴极和阳极)分别通上直流电，并且浸入水中时，水将会被分解并在阴极和阳极分别产生氢气和氧气。整个电解水的过程服从法拉第定律：电解时，在电极上析出物质的数量与通过溶液的电流强度和通电时间成正比，也就是与通过溶液的电量成正比，即：G=Ke×l×t式中：G—化学反应生成物的量

I—电流

t—通电时间

Ke—电化当量1.1电解定律法拉第定律第二种表述：用相同的电量通过不同的电解质溶液时，各种溶液在两极上析出的物质量与它的电化当量成正比，而析出1克当量的任何物质都需要96500库仑（C）的电量，以法拉第（F）表示。

1F=96500C=26.8Ah任何物质在电解过程中，在数量上的变化都服从法拉第定律。1.2电解电压水电解，必须在一对电极上施加上一定的直流电压，此电压必须大于水的理论分解电压。水电解的操作电压可以用下式表示：U=E+IR+

ηH+

ηo式中：U：电解水操作电压E：表示水的理论分解电压

I：表示电解电流R:水电解池的内阻（电解液、电极、隔膜及接触点等）

ηH表示氢超电压

ηO表示氢超电压

ηH+ηo表示水电解池超电压在1标准大气压及25℃下水的理论分解电压为1.23V。2、电解质的选择高纯度的氢气是通过电解纯水而获得的，由于纯水的导电性能较差，则需加入电解质溶液，以促进水的电解。电解质的选择需考虑其水溶液的导电性、稳定性、腐蚀性计划经济性等因素。离子传导性能高；在电解电压下不发生分解；在溶液PH变化时，具有阻止其变化的缓冲性在操作压力下不因挥发而与氢氧一并逸出在操作条件下对电解池的有关材料无强腐蚀性强酸、强碱都可以满足要求。目前工业上通常选择碱性水溶液作为电解质。KOH导电性能比NaOH好；高温情况KOH对电解槽的腐蚀强于NaOH3、能量与物料平衡3.1电能消耗

3.2水的消耗电解用水的理论用量可用水的电化学反应方程计算：

式中：x为标准状况下，生产1m3氢气时的理论耗水量；22.4L为1mol氢气在标准状况下的体积。在实际工作过程中，由于氢气和氧气都要携带走一定的水分，所以实际耗水量稍高于理论耗水量。目前生产1m3氢气的实际耗水量约为845~880g。X=?

第三部分电解水制氢设备03电解水制氢设备完整的水电解制氢系统由是由电解槽、碱液循环系统、氢（氧）分离洗涤系统、原料补给系统、冷冻水系统、氢气纯化系统，气体汇流排、储罐、变压器、整流柜、控制柜及人机界面组成。3.1电解槽槽压控制碱液循环量槽体清洁原料质量3.2电极板双极性电极板每个电极板即产生氢，又产生氧，每个电极既是阳极又是阴极。它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，所以称双极性压滤式电解槽。双极性水电解槽中的每块极板都传导总的电流。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电压之和。电解槽隔膜的技术说明：气泡不能通过；能被电解液润湿，使溶液中的离子能顺利地通过；有足够的机械强度；在电解液中不被碱液腐蚀，不影响电解液的纯度．且化学稳定性强。3.3碱液循环系统电解液循环的目的在于向电极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。氢分离器氧分离器碱液循环泵碱液过滤器碱液冷却器碱液循环流程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2～4次。电解槽3.4冷冻水系统由冷冻机装置输出的低温水分为两路，第一路：经过冷却水调节阀送入冷却器以冷却循环碱液，从而达到控制系统工作温度的目的；第二路送入氢分离洗涤器和氧分离洗涤器以冷却氢气和氧气。3.5氢（氧）分离洗涤系统我厂氢（氧）分离洗涤器立式布置，分离器由筒体，上下封头焊接而成并装有液位计、温度计。除维持水电解过程中所需的电解液容量外，对来自电解槽内各电解小室阴（阳）极侧的氢（氧）气和碱液进行气液分离。分离后的气体进入洗涤段，对气体进行冷却、洗涤和除雾。分离洗涤塔作用气液分离降温洗涤维持液位3.6原料补给系统由一台除盐水箱、一台碱溶液箱、一台柱塞泵和管道阀门等组成。电解过程中，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。纯水箱中的水通过补水泵打入氢洗涤器，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。然后纯水与循环碱液一并进入电解小室进行连续电解，保持电解液浓度在最佳浓度范围。3.7氢气干燥系统氢气干燥系统是利用分子筛吸附氢气流中的微量水分，达到干燥氢气的目的。分子筛低于100℃有吸附作用，解吸温度≥160℃，所以再生时一般出口温度定在160℃—180℃，13X分子筛最高耐温350℃，超出此温度分子筛失效。吸附是一种物理过程，是放热过程，解吸为吸热过程，一般热量小，不于考虑。3.8氢气汇流排汇流排是一个由阀门、仪表及减压装置构成的气体分配系统，其进口与制氢设备相连，出口分别与储罐和供气管道相连接。该装置可以将制氢设备输出的成品气送入各储罐储存，在需要补气时，将储罐内储存的气体减压后送入供气管道。3.9电解液的配制1.物料及器材名称要求备注水除盐水，电导率≤10μS/cm输送管路要求是耐腐蚀、无锈、无脏物的不锈钢管KOH或NaOH分析纯或优级纯配制KOH溶液，要保持在26－30％之间，在25～30℃时，比重在1.244～1.281之间；配制NaOH溶液，应在20～26％的范围，在25～30℃时，比重为1.2～1.28之间。V2O5分析纯添加量为0.2%，即2g/L碱液比重计1.0-1.1、1.1-1.2、1.2-1.3各一支量筒500ml或1000L一支温度计0-100℃一支防护用品2％硼酸水、眼镜、橡胶手套、口罩、胶靴2.碱液配制计算配制新碱液，一般知道要配制的体积（一般为升），百分比浓度（重量浓度）。然后根据百分比浓度查得一定温度下的比重，再用比重乘以已知配制碱液的体积，求得碱液总重量，再把碱液总重量乘以百分比浓度，得出所需配碱液用固体碱的总重量。碱液总重量减去需用固体碱总重量，所得的差即为所需蒸馏水的总重量。2.1新碱液配制步骤内容已知配碱液的体积V，浓度A％2由浓度A％查碱液比重表，查得一定温度下的比重为B。3计算碱液总重量M＝B×V总。4计算加五氧化二钒(V2O5)重量5计算配碱时所需固体碱总重量，即1M碱＝B×V总×A％。6计算配碱时所需蒸馏水总重量M水＝M总－M碱Tips若固体碱纯度不是100%，而是低于此值，则用低于100％数值去除固体纯碱的总重量，得出纯度低于100%固体碱所需用的总重量，因纯度低于100%的固体碱影响其纯度的主要原因是含结晶水，所以用纯度低于100％的碱配溶液，其加水量也应适当减少2.2补充加碱电解槽经过较长时间运行，电解液中的碱由于带走一部分，排污和其他损耗，溶液浓度会变稀，为确保溶液浓度在规定范围，必须及时补碱，否则将使溶液电导下降，小室电压上升。补充加碱的步骤如下测定碱溶液在一定温度下的比重：从循环泵排气阀放出碱液，收集至量筒中，用比重计测出一定温度下的比重B1。由比重B1，查比重表，找出该温度下的对应浓度A1。求现在槽体中碱液含碱的总量M碱1(M碱1＝B1V总A1％)求规定浓度下碱液需要纯碱的总重量：仍然按由百分比浓度A％查比重表，查得在温度下的比重B（M碱＝BV总A％）计算需补充加碱的总重量：

M补＝M碱－M碱1＝B×V总×A％－B1V总×A1％＝V总（BA％－B1A1％）TIPS对于补充加碱若表中没有合适数据正好是B1，则在两个接近B1数据之间用插入法求出B1，进而根据这两个比重变化之间的浓度变化求出A1％，如A1％低于碱液规定值，则要补充碱。碱液配制好后，要用比重计再测定一下，查表求出浓度，看是否合乎要求。若浓度低再加碱，直至符合要求浓度为止。

新配碱液与补充加碱方法略有不同。配新碱知道体积、浓度、查表找比重，进而求出配碱液所需的固体碱和水的重量。补充加碱知道体积，测定比重，再查表求出浓度，进而计算出补充加固体碱的重量。碱在电解过程中不参加电化学反应，仅起导电作用，理论上不损耗，它的损耗主要是氢、氧气体带走、排污及其他损失。添加剂五氧化二钒理论上也不损耗，它们的作用主要是减少电化腐蚀，提高气体纯度、降低小室电压。

第四部分制氢系统控制原理04制氢装置自动控制内容系统压力、温度进行自动调节及控制，以保持系统压力及温度的稳定对氢、氧液位进行调节，使氢液位、氧液位始终保持平衡，自动补充消耗的原料水根据制氢装置的实际运行状态自动进行整流输出的电流给定对水电解后产出的氢气进行在线分析，并根据据此度判断是否使氢气进入下一工艺流程对氢气干燥的工作状态进行选择，保证氢气干燥单元把制氢单元产生的纯度合格的氢气(原料氢)中所含的水分去除当装置运行异常时及时发出报警信号，主要受控参数超出极限值时，自动切断整流柜输出电流，使电解槽停止工作

4.1压力调节控制系统压力变送器隔离栅联锁整流柜DCS报警薄膜调节阀电气装换器系统压力经压力变送器转换后，变成4～20mA的标准电信号进入制氢控制柜，经隔离栅隔离后输入DCS的模拟量输入模块，在DCS中与设定的系统工作压力进行比较，应用PID算法进行运算得出结果，并将此结果通过DCS的模拟量输出模块输出一个标准的4～20mA信号，经电气转换器后转换成的标准气动信号，控制气动薄膜调节阀(氧阀)开度的大小，使系统运行时的槽压稳定在设定值。4.2氢、氧液位控制系统氢侧差压变送器隔离栅联锁整流柜DCS加水控制回路薄膜调节阀电气装换器氧侧差压变送器隔离栅报警补水泵氧分离器、氧分离器中的液位经差压变送器转换成4～20mA的标准电信号，送入制氢控制柜，经隔离栅隔离后输入DCS的模拟量输入模块；DCS在接收到氢、氧液位信号后，利用PID控制算法，把氢液位信号作为PID算法的给定值，氧液位信号作为测量值进行运算，将运算结果通过DCS的模拟量输出模块输出一个标准的4～20mA电信号，经电气转换器转换成的标准气信号，控制调节氢侧气动薄膜调节阀开度的大小，使系统运行时的氢、氧液位保持平衡。原料水由于电解而被消耗，需要不时地补充，故可按氢液位的高低来判断是否对装置进行自动补水。DCS将氢液位信号与氢液位加水下限值及氢液位加水上限值进行比较，控制加水泵的启停从而达到装置自动补水的目的。4.3槽温调节控制系统测温元件隔离栅联锁整流柜DCS报警薄膜调节阀电气装换器安装在碱循环泵入口测温元件采样循环碱液的温度，将随温度变化的电阻信号送入DCS的模拟量输入模块。在DCS中与设定的系统工作温度进行比较，运用PID算法进行运算得出结果，并将此结果通过DCS的模拟量输出模块输出一个标准的4～20mA信号，经电气转换器后转换成的标准气动信号，控制调节槽温的气动薄膜调节阀开度的大小，使系统运行时的槽温稳定在设定值。

4.4整流输出电流调节控制

整流柜电流互感器整流柜电压互感器DCS整流柜电流给定回路电流变送器整流柜内的电流、电压互感装置将直流电流及电压的采样信号通过电流变送器、电压变送器送入制氢控制柜内的DCS，DCS将电流信号与控制程序中设定的额定电流值进行比较，当电流采样信号低于设定电流值时，控制程序按一定的速率自动提升电流；而当电流采样信号高于设定电流值时，控制程序则将电流自动给定信号锁定在设定值。

电流变送器电压变送器器4.5干燥塔再生温度控制

干燥塔下部测量元件干燥塔上部测量元件可控硅电加热元件下部测温元件将温度信号送至温度调节仪，经与设定温度比较后由调节仪输出信号控制可控硅的导通，上部测温元件的信号送入DCS作为加热器的联锁信号，当上部温度达到设定值时即停止加热器的工作。

温度调节仪DCS4.6干燥部分的时序控制DCS电磁阀气动球阀继电器由DCS定时控制继电器动作，开启相应的电磁阀向气动球阀供气驱动气动球阀动作。时间0h加热8h吹冷11h自冷12h加热20h吹冷23h自冷24状态阀门干燥塔A吸附干燥塔B加热干燥塔A吸附干燥塔B吹冷干燥塔A吸附干燥塔B自冷干燥塔B吸附干燥塔A加热干燥塔B吸附干燥塔A吹冷干燥塔B吸附干燥塔A自冷干燥塔A进口阀开启开启开启关闭关闭关闭干燥塔A出口阀关闭关闭关闭开启开启关闭干燥塔B进口阀关闭关闭关闭开启开启开启干燥塔B出口阀开启开启关闭关闭关闭关闭干燥装置时序控制表4.7水箱的液位控制

液位变送器DCS继电器隔离栅补水箱电磁阀液位变送器将水箱液位信号经隔离栅送入DCS，DCS将此信号与设定值相比较，如液位低于设定值则输出信号控制继电器吸合，控制补水箱电磁阀开启向水箱内补水，当水箱液位超过上限时，发出信号断开继电器接点使电磁阀关闭，如果水箱液位超下下限则发出报警信号

报警

第五部分水电解制氢系统危险因素055.1水电解制氢系统危险因素水电解制氢系统危险因素火灾和爆炸带压气体腐蚀窒息烫伤机械伤害触电1火灾和爆炸氢气发生着火或爆炸的要素是氢气与氧化剂混合达到可燃或爆炸极限并存在适当的点燃源。制氢系统具有潜在的爆炸性气体环境和点燃源，可能存在但不限于下述场景：系统设计存在缺陷、设备选型错误、控制系统工作异常等原因造成系统中的氢氧气体混合、泄漏。电解槽为制氢系统的核心设备，其结构、组件或组装过程存在缺陷，造成槽体内氢氧气体混合或向外泄漏。电解槽泄漏严重时，槽内液体会随气体喷射而出并雾化。压力容器、管道及安全附件设计、选材、制造、安装存在缺陷，容器、管道未按期检验、安全附件缺失或故障等原因造成容器、管道泄漏甚至爆炸。氢气系统在使用前置换不充分；电解槽电源正负极接反，使氢气系统产生氧气，进入氢气储罐，造成氢氧气体混合。气体纯度分析仪表工作异常，未及时发现气体纯度超标。氢气泄漏检测装置或机械排风系统故障，造成氢气浓度超标。含有过量氧气的氢气直接进入氢气纯化器的脱氧塔，在其内部氢气和氧气在催化剂的作用下复合成水，放出大量热量，造成脱氧塔内部温度过高。氢气管道法兰跨接线接触不良、含杂质的氢气流速过快、工作人员未穿防静电工作服等原因，而产生静电火花。高速氧气流中的杂质颗粒、油脂接触高压氧气、快速打开氧气阀门都可能导致燃烧。生产装置区的防雷设计不符合规范要求，不能覆盖保护区域，雷击损坏设备，导致氢气泄漏并被点燃。电气设备由于漏电、短路、过载、接触电阻过大等原因产生电弧或火花；电气设备的防爆等级不满足使用要求，也可能成为点燃源。作业时未使用防爆工具，摩擦、撞击引起火花。检修过程中，检修设备与在用生产系统未采取有效隔离措施；动火作业前未彻底置换；取样分析不具备代表性，分析数据不准确也可能引发火灾和爆炸事故。

2带压气体制氢系统设备或管道失效可能导致带压氢气、氧气能量迅速释放，形成冲击波，造成周围人员损伤、设施破坏3腐蚀制氢系统的设备和管道存在与氢相关的腐蚀和碱应力腐蚀。

a)氢脆和氢腐蚀

氢进入金属材料内部，引起金属塑性下降、诱发裂纹或延迟断裂，这种现象称为氢脆。在一定温度、压力的氢环境内，钢中的碳与氢反应生成甲烷，导致钢性能不可逆的劣化，这种现象称为氢腐蚀。氢分压越大，氢脆和氢腐蚀越严重。

b)碱应力腐蚀

金属材料在碱性溶液环境中，由于应力和腐蚀介质的共同作用而产生开裂。金属碱应力腐蚀敏感性与碱液浓度、温度和应力水平有关，升高碱液的浓度和温度会增加开裂的可能性和严重程度。4窒息氢气为单纯性窒息性气体，仅在高浓度时，由于空气中氧分压降低才引起缺氧性窒息。5灼烫碱性制氢系统涉及的氢氧化钾或氢氧化钠，具有强腐蚀性，直接接触皮肤和眼睛可引起灼伤。制氢系统中电解槽及部分附属设备工作温度范围在60～90℃,氢气纯化器