水电解制氢装置

4.矿物燃料转化制氢
由各种矿物燃料——天燃气、石油及其制品、煤制氢，其过程有很大的相似性。基本过程是：烃类的蒸汽转化——包括天然气、轻油等的蒸汽转化；部分氧化法——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。
5.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），
显然，电化当量的数值应等于化学当量e被法拉第常数除所得的商，即
G＝KeIt＝ ·It
因此在阴极上析出1克分子的氢，所需的电量为：
It＝G·F/e＝2×l＝（安·时）
2.水的电解
水存在下面的电离平衡：
H2OH＋＋OH－
将一对电极插入水中，通以电流，氢离子逐渐向阴极移动，在阴极上取得电子被还原为H2。Na＋或K＋离子在电解液的浓度下，其析出电位要比氢析出电位负得多，因此阴极上H＋先放电，析出氢；OH－逐渐移向阳极，阳极失去电子而被氧化为O2。
1.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40～50％，水电解制氢的成本可降低到目前的1/3～1/4。
65
氧气产量（Nm3/h）
3
4
5
6
8
10
12
15
20
25
30
氢气纯度（V/V）
≥%
氧气纯度（V/V）
≥%
工作压力（Mpa）
～
～
氢气含水量(g/Nm3)
≤4
氢气含碱量(mg/Nm3)
≤1
电解槽工作温度（℃）
85±5
直流额定电流(A)
380
760
1450
直流额定电压(V)
64
74
96
122
146
90
114
6.3.1甲醇分解转化
来自原料液贮槽的脱盐水与甲醇经计量、混合后，用进料泵加压后送入换热器，与分解气换热升温后进入汽化器，生成甲醇、水蒸气过热混合气体后进入反应器，反应温度为240－280℃，在催化剂的作用下同时发生下列分解和变换反应：
CH3OH→CO＋2H2－Q1（1）
CO＋H2O→CO2＋H2＋Q2（2）
表1 ZDQ5～300型及CNDQ5～10型水电解制氢装置主要技术参数表（20℃）
型 号
ZDQ-5
ZDQ-6
ZDQ-8
ZDQ-10
ZDQ-12
ZDQ-16
ZDQ-20
ZDQ-24
ZDQ-30
ZDQ-40
ZDQ-50
ZDQ-60
ZDQ-65
氢气产量（Nm3/h）
5
6
8
10
12
16
20
24
30
40
50
60
当前工业水电解制氢装置多数仍采用石棉隔膜，操作温度80～90℃，操作压力～，小室电压～，氢气纯度≥％（体积比），氧气纯度≥％，使用寿命15～20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。
6.甲醇分解制氢
甲醇分解制氢装置是采用甲醇和水在催化剂上分解、转化制取氢气的一种方法。与其它制氢方法相比具有投资成本低、运行费用少、反应条件温和等优点，可用于化工、医药、轻工、建材、冶金等多种工业部门，其缺点主要是甲醇的价格不稳定。我所研制的各种型号的甲醇分解制置已有多台投入运行。现将其原理及主要技术指标简介如下：
第一节
1.电解定律
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：
电解时，在电极上析出的物质的数量，与通过溶液的电流强度和通电时间成正比，也就是说与通过溶液的电量成正比，即
G＝KeIt
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
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库伦（C）的电量，以法拉第（F）表示。（1法拉第＝96500库伦＝安培·小时）
纯水是极弱的电解质，H＋及OH－离子浓度极少，在25℃时，[H＋]＝1×10－7M；[OH－]＝1×10－7M。所以纯水几乎是不导电的。所以在水电解时必须加入其它的强电解质，如NaOH或KOH，以增强导电能力。此时，
阳极反应：4OH――4e＝2H2O＋O2↑
阴极反应：4H2O＋4e＝2H2↑＋4OH－
水电解制氢装置讲义
第七一八研究所
通用部分
专用部分
前
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，寻找新型隔膜和材料，力图降低能耗，提高水电解制氢效率。
附件1
甲醇＋水 氢气
甲醇分解制氢系统框图
第二节
1.氢气的性质
氢气是无色、无臭、无毒和无味的可燃气体。它同氮气、氩气、甲烷等气体一样，都是窒息气，可使肺缺氧。氢是最轻的气体，分子量是。它的粘度最小，导热系数高，临介温度－239.9℃，凝固点－259.14℃。氢气的化学性质活泼，可与许多非金属化合，生成各种类型的氢化物。
氢气是一种易燃、易爆的气体。在空气中的爆炸极限：上限％，下限4％；在纯氧中的爆炸极限：上限94％，下限4％。氢气的着火性能随着温度和压力的不同而变化。通常压力增加，温度上升，可燃气体混合物的着火下限降低，上限提高，着火范围变宽。压力、温度下降则相反。氢气的燃烧过程由于密闭、引燃的状况和气体组合等条件的不同，可以成为爆炸和爆轰两种燃烧反应中的任何一种。
ZDQ-125
ZDQ-150
ZDQ-175
ZDQ-200
ZDQ-225
ZDQ-250
ZDQ-275
ZDQ-300
ZDQ-350
CNDQ-5
CNDQ-10
氢气产量（Nm3/h）
80
100
125
150
175
200
2.氢气的用途
氢气广泛应用于化学、冶金、电子、电力等工业部门。在化学化工方面，氢是合成氨、氯化氢、有机合成的氢化反应和油脂硬化等的原料。在尼龙、塑料、农药的生产中也都离不开氢，需加入一定纯度的氢气，生产相应的产品。
在冶金工业中，氢气的使用颇为广泛。在有色金属——钨、钼、钛等的生产和加工中，使用高纯度的氢气作为还原气。在一些磁性材料、磁性合金的生产中，需要高纯度氢气作保护气，以提高其磁性和稳定性；在硅钢片的生产中，需要高纯度的氢气作保护气；在硬质合金、粉末冶金材料的生产中，也需要高纯度氢气作保护气；在一些薄板、带钢的轧制中常常使用氮气——氢气混合气作为保护气。
138
170
114
146
170
186
纯水耗量(kg/h)
5
6
8
10
12
16
20
24
30
40
50
60
65
冷却水用量(m3/h)
主电源动力电源容量(KVA)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ40
48
63
80
90
110
125
160
200
250
315
380
400
电解槽直流电耗
≤m3H2
碱液浓度
25%NaOH或30%KOH
自控气源压力
～
气源耗量
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。
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。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/h～300m3/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。
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
6KVA 380V 三相四线 50Hz
冷却水温度
≤32℃
冷却水压力
～
冷却水水质
≤6德国度
环境温度
0～45℃
续表1
型 号
ZDQ-80
ZDQ-100
2.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。
3.光催化作用制取氢气