电解水制氢

电解液的主要质量指标是氢氧化钾含量。 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。 在配制和运行监督中，为方便起见，重点掌握其比重。
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。
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。
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。
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。
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
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：
名 称 含量（%） KOH NaCl Na2CO3 ＞95 ＜0.5 ＜0.2
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
2CO32 4e = 2CO 2 ↑ +O2 ↑
2Cl 2e = Cl 2 ↑
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。
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。
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。
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(Solid Polymer Electrolyte， SPE)水电解法
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。
补充水质量要求
名 称
Fe2++Fe3+ Cl干燥残渣
含量（mg/L）
＜1 ＜6 ＜7
电解液中的杂质除来源于药品之外，还可能 电解液中的杂质除来源于药品之外， 来自不纯净的补充水常用的补充水是汽轮机 的凝结水
电解液质量标准
项目 KOH KOH密度 Fe2++Fe3+ ClNa2CO3 单位 g/L g/mL mg/L mg/L mg/L 含量 300~400 1.25~1.30 ≯3 ≯800 ≯100
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。
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。