电解水制氢

电解水制氢制氢装置•中压电解水制氢装置：–工作温度：70~80℃–电解液：KOH溶液•系统构成：–电解槽：主设备–氢侧系统、–氧侧系统–补给水系统–碱液系统–纯水制备–其它：氢气和氧气的储存、纯化、压缩输送设备以及有关控制仪表和电源等。制氢系统图•1-电解槽；2-氢侧分离器；3-氢侧洗涤器；4-氢侧压力调节器；5-平衡箱；6-冷却器；7-储氢罐；8-氧侧分离器；9-氧侧洗涤器；10-氧侧压力调节器；11-氧侧水封槽；12-碱液箱；13-碱液过滤器；14-挡火器•氢侧系统：由电解槽1各间隔电解出来的氢气汇集于总管，经过氢侧分离器2、洗涤器3、压力调节器4、平衡箱5，再经两级冷却器6后，存入储氢罐备用。•氧侧系统：由电解槽1各间隔分解出来的氧气汇集于总管，经过氧侧分离器8、洗涤器9、压力调节器10和水封槽11后，排放大气或存罐备用。氢侧系统由电解槽1各间隔电解出来的氢气汇集于总管，经过氢侧分离器2、洗涤器3、压力调节器4、平衡箱5，再经两级冷却器6后，存入储氢罐备用。氧侧系统•由电解槽1各间隔分解出来的氧气汇集于总管，经过氧侧分离器8、洗涤器9、压力调节器10和水封槽11后，排放大气或存罐备用。补给水系统•图中的虚线部分为补给水系统•在电解水的过程中，必须连续不断地补充被消耗的纯水。•各系统中的分离器、洗涤器和压力调节器中分离和洗涤下来的KOH溶液也必须重新回到电解槽中，所以它们都与补给水箱（平衡箱5）连通，以达到节省KOH的目的。碱液系统•双点划线部分为碱液系统。•在电解水装置实际运行时，由于漏泄、携带等原因，KOH溶液的浓度会逐渐降低，因此必须每隔一定时间向电解槽中补充碱液电解槽•电解槽是制氢装置的主体设备。发电厂广泛使用压滤式水电解槽•主要性能要求：–制得的氢气纯度高；–能耗低；–结构简单；–制造维修方便且使用寿命长；–材料的利用率高；–价格低廉。•电解槽中平行、直立地设置数块至数十块电极板，它们将整个电解槽分成若干个电解室，串联相接。•电解槽的总电压为各电解室电压之和，总电流与各电解室电流相等。•电解液是以一根总管供给各电解室的。•每一电解室又用石棉布分隔成氢侧（阴极）和氧侧（阳极）。•电解产生的氢气和氧气分别汇总于隔膜框上的氢气总管和氧气总管后导出。极板与端极板•极板：电解槽中间的隔板。–极板由三片钢板组成，中间一块起分隔电解室及支持作用，无孔。其两侧分别铆接一块带小孔的钢板，一侧为阳极，一侧为阴极。–阳极的一侧为防止氧腐蚀而镀有镍保护层。•端极板：电解槽两端的极板。–阴、阳端极板内侧各焊不镀镍的阴极和一块镀镍的阳极。–端极板除了起引入电流的作用外，也起紧固整个电解槽钢板的作用，所以要厚一些。隔膜框•隔膜框是构成各电解室的主要部分，每一个隔膜框构成一个电解室。•它是一种空心环状厚钢板，在里圈由压环将石棉布固定在上面。•石棉布呈多微孔组织，以便通过K+和OH-。•隔膜框上部在氢、氧两侧均开有小孔，称为气道圈，用以通过氢气和氧气。隔膜框下部设有液道圈，用以通过电解液。•气体总出口和碱液进口均设在电解槽中部，称为中心隔膜框，它比其他隔膜框稍厚，这样可以改善电解液的均匀性，并使各部分的温差减小。绝缘材料•隔膜框与极板之间设有难解难分缘垫圈。要求绝缘垫圈能够耐碱、耐热、耐压力。它能起到绝缘作用，使隔膜框不带电，而且有密封作用，以防止电解液外漏。电解液•电解液中的杂质对水的电解有很大的影响。–Cl-和SO42-能强烈地腐蚀镍阳极；–Fe3+附着于石棉布隔膜和阴极上，会增大电解池电压，–CO32+能恶化电解液的导电度，含量过高会析出结晶；–Ca2+、Mg2+有可能生成其碳酸盐沉淀，堵塞进液孔和出气小孔，造成电解液循环不良。–在电解过程中不断地补充水和碱都将可能引入上述杂质离子。为了保证电解槽的正常运行和延长使用周期，固体碱、补充水和电解液应当符合要求。氢氧化钾的纯度要求名称含量（%）KOHNaClNa2CO3＞95＜0.5＜0.2电解质KOH的纯度，直接影响电解后产生气体的品质和对设备的腐蚀。当电解液含有碳酸盐和氯化物时，阳极上会发生下列有害反应：2223242OCOeCO222CleCl上述反应的发生，导致：•消耗电能，•使氧气中混入氯气等而降低其纯度，•生成的二氧化碳立刻被碱液吸收，复原成碳酸盐，致使CO的放电反应反复进行下去，耗费掉大量电能。•反应生成的氯气也可被碱液吸收生成次氯酸盐和氯酸盐，它们又有被阴极还原的可能，这也要消耗电能。补充水质量要求•电解液中的杂质除来源于药品之外，还可能来自不纯净的补充水常用的补充水是汽轮机的凝结水名称含量（mg/L）Fe2++Fe3+Cl-干燥残渣＜1＜6＜7电解液质量标准•电解液的主要质量指标是氢氧化钾含量。•在配制和运行监督中，为方便起见，重点掌握其比重。项目单位含量KOHKOH密度Fe2++Fe3+Cl-Na2CO3g/Lg/mLmg/Lmg/Lmg/L300~4001.25~1.30≯3≯800≯100气体分离器•电解槽产生的氢气与氧气由电解槽溢出时，携带了部分呈雾状的电解液与气体一同进入各系统中。•分离器的作用：–利用冷却和扩容作用充分分离出电解液，并使之重新流回电解槽，–保证电解槽在满负荷或空载时，始终充满电解液。–由于电流通过电解液时有一部分电能变为热能而使电解液温度升高，分离器还有冷却电解液的作用，使温度保持在80℃以下。分离器•分离器的外形为圆筒形立式容器，内部设有冷却用蛇形管，•系统中有氢、氧分离器，分离器液位•在运行过程中要求分离器中的液位高于电解槽，以保证电解槽中充满电解液，不使隔膜外露，并使分离器与电解槽之间电解液的正常循环和冷却得到保证，否则会使阴阳极之间浓度差增大，降低电解效率，并形成浓差电池而腐蚀设备。气体洗涤器•从分离器送出的氢、氧气体的温度较高，其中仍然含有水蒸气和少量电解液，所以必须再经过气体洗涤器进一步冷却、洗涤•在洗涤器中将气体温度降至常温，–减少气体中的含水量，洗去电解液，以满足用氢设备的要求，–也减少了纯水和电解液的消耗。气体洗涤器的结构•气体洗涤器中部通入由补给水箱（平衡箱）送来的纯水（凝结水），氢气由上部进入，通过下部喇叭口，在穿过洗涤水时将残留的电解液溶于水中，再由中上部排出，成为较纯净的氢气。洗涤器的下部由于溶解了气体中的微量碱液而排出稀碱液。这些稀碱液并入碱液循环系统作为补充水进入电解槽。压力调节器•压力调节器壳体上设有压力表、安全阀与水位计，内部有浮筒和针形阀。•气体（氢或氧）进入口与洗涤器相通，气体排出量由针形阀控制。•氢、氧两侧各装一台压力调节器，两台调节器的下部用水连通，以保证氢、氧两侧的压力相等，防止电解槽中石棉布因压差过大而破损•电解所产生的氢气与氧气的体积不等，氢气体积为氧气的2倍，若两个调节器的下部不连通，则两侧压力就会不等，这将造成电解室内石棉布氢、氧两侧气压不等，氢气则有通过石棉布混入氧气的可能，导致电解工况被破坏，甚至发生事故。压力调节器的工作过程•当氢侧压力升高时，调节器内水位压向氧侧。氧侧水位升高而引起浮筒上升，关闭针形阀，氧侧压力也随之升高。当氧侧压力与氢侧压力相等时，水位又回到原来状态。氢侧在压力升高、水位下降的同时，浮筒随之下降而使针形阀开启，排出气体。氧侧同样在压力升高时排出气体，这样就调整了系统压力，使之达到平衡。•这种平衡只是相对的、暂时的，常有瞬时不平衡的现象，但两侧压差不能超过490~590Pa。因为氢气的体积为氧气体积的2倍，所以氢侧压力调节器的排气动作次数是氧侧压力调节器的2倍。•压力调节器还有对氢气和氧气的冷却净化作用，所以下部的水也是稀碱液，与补充水系统连通。平衡箱•平衡箱又称补水器，用于中压制氢系统生产中向洗涤器补充纯水平衡箱的设置•从压力调节器出来的氢气经管路由上部进入平衡箱，气体入口管伸入水下100mm，氢气经过水层出来，便再经过一次洗涤，除去残余的碱雾及杂质。凝结水从平衡箱下部进入，经另一管路与补充水系统连通。•制氢设备在运行中不断地消耗纯水，所以，要不断地向电解槽内补充水。由于系统中各设备内部压力是相同的，同时平衡箱在系统设备中的安装标高比其他设备高，所以，主要依靠平衡箱内纯水的压差、自重而完成向洗涤器的自动补水。平衡箱的安装标高的合理性是决定系统能否实现自动补水的关键。平衡箱只在氢侧设置。•平衡水箱还起到对氢气的缓冲作用，使氢气压力变得更均匀，因此又称为缓冲水箱。冷却器•冷却器的构造与分离器的基本相同。•容器内有蛇形管，冷却水在容器内由下至上进行循环冷却。•冷却器与分离器的不同之处是氢气走蛇形管，冷却水走管外。冷却器只在氢侧系统中设置。冷却器的作用•分离和除掉由平衡箱出来的氢气中所带的少量水分，并使气体得到冷却，•可使氢气中的水含量降低到5g/m3以下•冷凝后的水分可通过排污门定期排出。干燥器•干燥器为圆形立式设备，其主要作用是利用干燥剂对氢气进一步干燥，以获得更干燥的氢气。•干燥器内一般装填5A的球形分子筛，其再生温度为180~250℃，再生时间为8~10h。循环干燥器结构图1-过滤网；2-顶盖；3-罐壳；4-干燥剂；5-窥视窗（水位计）6-放水阀门水封槽、档火器•系统运行时为保障安全而设置水封槽和档火器。•如果气体出口处发生火灾，两个设备可以阻止火焰延烧到系统内部，避免造成重大事故。水封槽•氧侧系统中设有水封槽，•作用：–净化氧气，–挡火密封。–一般氧气不收集而对空排放掉，因此，水封槽的重要性就更大了。砾石挡火器•挡火器内部充填粒度为10~20mm的洁净碎石，设置于氢气放空出口处，三个氢气储罐在弹簧安全阀后面可以串联起来，使用一个挡火器。储气罐•电解产生的氢气、氧气，经过一系列净化和冷却处理，最后存入储气罐备用。•储氢罐的数量由发电机的氢冷容积确定，通常为3~5个。•为防止着火事故，储氢罐与大气间安有挡火器和弹簧安全阀。当罐内压力超过规定值时，气体可安全排出。碱液过滤器和碱液溶解箱•碱液过滤器的作用是消除电解液中的残渣污物，使电解槽运行正常。一般采用80~100目的镍丝网制作过滤器的滤芯，并且要定期清洗。•配碱箱用于配制KOH电解液及储存碱液，一般为钢制容器，也可内衬耐腐蚀的塑料板，箱侧装有液位计。硅整流装置•电解槽工作的直流电源，•备用电力回路•照明回路。四、电解水技术的发展1.固体高分子电解质膜(SolidPolymerElectrolyte，SPE)水电解法