【正文】 水電解制氫裝置講義中國船舶重工集 團(tuán) 公 司 第七一八研究所4水電解制氫裝置講義目 錄前 言 1通用部分第一章 氫 氣 1第一節(jié) 氫氣的制備 1第二節(jié) 氫氣的性質(zhì)和用途 6第二章 水電解制氫 8第一節(jié) 水電解制氫裝置的工作原理 8第二節(jié) 水電解制氫裝置的用途與技術(shù)參數(shù) 9第三節(jié) 水電解制氫裝置 121. 水電解制氫裝置的組成 122. 工藝流程簡介 123. 電解槽 154. 處理器（框架I） 20第四節(jié) 其它設(shè)備 301. 控制柜 302. 整流裝置 303. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 304. 框架Ⅱ 305. 框架Ⅲ 316. 柱塞泵 317. 堿箱、水箱 338. 阻火器 33第三章 安 裝 351. 制氫站 352. 工藝部分 363. 自控部分 404. 整流部分 42第四章 設(shè)備維護(hù)、安全事項(xiàng)與故障的排除 43第五章 配制電解液 50第一節(jié) 物料及器材 50第二節(jié) 堿液配制方法 51專用部分第六章 微機(jī)控制系統(tǒng)的操作規(guī)程 57第一節(jié) 開機(jī)前的準(zhǔn)備 57第二節(jié) 開機(jī)順序 76第七章 氣動(dòng)儀表控制系統(tǒng)的操作規(guī)程 80第一節(jié) 開機(jī)前的準(zhǔn)備 80第二節(jié) 開機(jī)順序 82附錄1 NaOH溶液溫度比重對(duì)照表 84附錄2 氫氧化鉀溶液比重表 85附錄3 KOH溶液比重——溫度——濃度關(guān)系表 86前 言自從1800年尼爾科森等人成功地將水電解成氫氣和氧氣以來，水電解制氫技術(shù)的發(fā)展已有近200年的歷史了。現(xiàn)今，水電解制氫技術(shù)已在全世界得到了普遍的應(yīng)用。由于能源的日漸緊張和工業(yè)飛速發(fā)展，對(duì)氫的需求量也在不斷的增加，致使世界各國紛紛制定研制新型水電解制氫技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃。而當(dāng)前水電解制氫技術(shù)普遍存在的問題是能耗大、效率低、成本高。針對(duì)這些問題，世界各國除對(duì)現(xiàn)行技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)外，同時(shí)還在研究和探索新的水電解制氫工藝，尋找新型隔膜和材料，力圖降低能耗，提高水電解制氫效率。當(dāng)前工業(yè)水電解制氫裝置多數(shù)仍采用石棉隔膜，操作溫度80～90℃，～，～，氫氣純度≥％（體積比），氧氣純度≥％，使用壽命15～20年。同時(shí)，高效水電解制氫裝置、固體聚合物和高溫水蒸汽固體聚合物水電解制氫裝置也在研制中。固體聚合物水電解制氫裝置具有效率高、能耗低、安全可靠、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。我所是全國唯一的一家從事水電解制氫技術(shù)研究的科研單位，至今已有四十多年的歷史。我所研制開發(fā)的水電解制氫裝置是在總結(jié)以前的科研成果并吸收國內(nèi)外同類裝置優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上研制而成的。經(jīng)過多年的努力，逐步形成了現(xiàn)今具有相當(dāng)規(guī)模的系列產(chǎn)品?！?00m3/h的不同型號(hào)和不同規(guī)格的水電解制氫裝置，我所均已設(shè)計(jì)生產(chǎn)。這些產(chǎn)品已廣泛地應(yīng)用于航天、電力、電子、冶金、化工、氣象和玻璃制造等工業(yè)部門，并有多臺(tái)已出口國外。我所研制生產(chǎn)的水電解制氫裝置配套齊全。設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)接近或達(dá)到國外同類裝置的先進(jìn)水平。槽體密封性能好，在反復(fù)開停機(jī)的條件下確保槽體不漏。在自動(dòng)控制方面，可根據(jù)用戶的要求采用氣動(dòng)控制、程序控制和最先進(jìn)的微機(jī)控制。設(shè)備具有很高的自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)化程度，便于操作和維護(hù)。在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，我們嚴(yán)格遵循質(zhì)量第一，用戶至上的原則，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，確保不合格的產(chǎn)品不出廠。同時(shí)，我們還為用戶提供周到的售后服務(wù)，指導(dǎo)安裝調(diào)試，代培運(yùn)行操作人員。由于時(shí)間緊迫，水平有限，錯(cuò)誤缺點(diǎn)在所難免，請(qǐng)批評(píng)指正。第一章 氫 氣第一節(jié) 氫氣的制備氫氣的發(fā)展是隨著用氫工業(yè)部門和石油工業(yè)部門的發(fā)展而向前發(fā)展的。進(jìn)入70年代以來，由于能源緊張，人們開始尋找新的能源。氫氣作為能源，在來源、使用和儲(chǔ)運(yùn)等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)和較強(qiáng)的適應(yīng)性。由于氫氣燃燒后形成水，無污染，所以氫氣被譽(yù)為“清潔能源”而倍受人們青睞。制氫方法多種多樣，但工業(yè)上通常采用水電解制氫。下面簡單介紹各種制氫方法：1. 水電解制氫水電解制氫技術(shù)可靠，操作簡單、維修方便，不產(chǎn)生污染，制取的氫氣純度高。伴隨著國家大力發(fā)展水電事業(yè)及水電解制氫工藝和設(shè)備的改進(jìn)，如新型隔膜、新型電極的不斷推出，將會(huì)大大提高單位體積的產(chǎn)氣量，從而大大提高它的適用范圍。特別是高溫固定聚合物水電解工藝的開發(fā)應(yīng)用，將可能使制氫的總效率達(dá)40～50％，水電解制氫的成本可降低到目前的1/3～1/4。2. 熱化學(xué)分解水制取氫氣在閉合循環(huán)中利用熱化學(xué)法制取氫氣，是使水在某一化學(xué)反應(yīng)過程中，在熱的作用下進(jìn)行分解。熱化學(xué)法分解水是在復(fù)雜的系統(tǒng)和多個(gè)中間反應(yīng)來完成的，至少為兩個(gè)以上的階段。這種制氫方法，目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。3. 光催化作用制取氫氣在光的作用下，當(dāng)有光催化劑存在時(shí)，水可以分解成氫氣和氧氣，所選用的光催化劑應(yīng)在相當(dāng)寬的光譜區(qū)域內(nèi)有吸收光的能力和光合再生的性能。所以首先要研制出有效的光催化劑，目前已取得了一些實(shí)驗(yàn)室成果，如TiO2晶體。4. 礦物燃料轉(zhuǎn)化制氫由各種礦物燃料——天燃?xì)?、石油及其制品、煤制氫，其過程有很大的相似性。基本過程是：烴類的蒸汽轉(zhuǎn)化——包括天然氣、輕油等的蒸汽轉(zhuǎn)化；部分氧化法——原油、重油等液體的部分氧化；煤的轉(zhuǎn)化。隨著國家西氣東輸工程的發(fā)展，我所已研制出經(jīng)濟(jì)實(shí)用的天然氣制氫設(shè)備。5. 氨分解制氫在一定溫度下，通過催化劑的氨氣被分解為氮?dú)浠旌蠚猓?5％的氫、25％的氮），2NH3 催化劑 3H2↑＋N2↑－Q催化劑一般可采用合成氨用的催化劑，如國產(chǎn)的A6催化劑時(shí)，分解溫度為650℃～700℃，分解率可達(dá)99％以上。分解后的高溫混合氣體經(jīng)過冷卻器、分離器、干燥器后，純度為：含氧量20PPm，含水量（露點(diǎn)）－40℃，含氨量％。我所在此方面已研制多年。6. 甲醇分解制氫甲醇分解制氫裝置是采用甲醇和水在催化劑上分解、轉(zhuǎn)化制取氫氣的一種方法。與其它制氫方法相比具有投資成本低、運(yùn)行費(fèi)用少、反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn)，可用于化工、醫(yī)藥、輕工、建材、冶金等多種工業(yè)部門，其缺點(diǎn)主要是甲醇的價(jià)格不穩(wěn)定。我所研制的各種型號(hào)的甲醇分解制置已有多臺(tái)投入運(yùn)行?，F(xiàn)將其原理及主要技術(shù)指標(biāo)簡介如下： 主要技術(shù)指標(biāo)產(chǎn)品氣流量 50～1500m3/h壓力 ≥溫度 ≤40℃純度 ≥%(vol)CO ≤5ppm 主要消耗指標(biāo)甲醇 ～脫鹽水 ～電 ≤煤 ≤冷卻水 ≤20kg/m3H2儀表空氣 ≤10m3/h 原理甲醇分解制氫裝置包括甲醇分解轉(zhuǎn)化和變壓吸附兩個(gè)過程：流程框圖見（附件1）。 甲醇分解轉(zhuǎn)化來自原料液貯槽的脫鹽水與甲醇經(jīng)計(jì)量、混合后，用進(jìn)料泵加壓后送入換熱器，與分解氣換熱升溫后進(jìn)入汽化器，生成甲醇、水蒸氣過熱混合氣體后進(jìn)入反應(yīng)器，反應(yīng)溫度為240－280℃，在催化劑的作用下同時(shí)發(fā)生下列分解和變換反應(yīng)： CH3OH→CO＋2H2－Q1 （1） CO＋H2O→CO2＋H2＋Q2 （2）總反應(yīng)為：CH3OH＋H2O→CO2＋3H2－Q1 （3）總反應(yīng)是吸熱的，反應(yīng)器和汽化器所需的熱量由導(dǎo)熱油爐的循環(huán)熱油提供。從反應(yīng)器出來的分解氣（主要是氫氣和二氧化碳?xì)怏w）在換熱器內(nèi)與進(jìn)料換熱降溫后，經(jīng)冷卻器冷卻、冷凝和分離出未反應(yīng)的少量甲醇和水，再經(jīng)水洗塔用脫鹽水洗滌殘留的微量甲醇和其它雜質(zhì)，經(jīng)分解氣緩沖罐進(jìn)入變壓吸附裝置（PSA）。 變壓吸附（PSA）純化甲醇分解變換后的分解氣進(jìn)入由數(shù)臺(tái)并列操作的吸附器和一系列程序控制閥構(gòu)成的變壓吸附系統(tǒng)。每個(gè)吸附器內(nèi)裝填有吸附材料，其中一臺(tái)吸附器通過原料氣時(shí)，原料氣中的雜質(zhì)組分被吸附劑吸附而獲得高純度的氫氣；同時(shí)其它吸附器處于吸附床再生的不同階段。各臺(tái)吸附器定時(shí)切換，交替吸附和再生，使原料氣不斷輸入，產(chǎn)品氫氣不斷輸出。水電解制氫裝置講義附件1換 熱 器反 應(yīng) 器冷 卻 器洗 滌 器氣 水 分 離變 壓 吸 附汽 化 器 甲醇＋水 氫氣甲醇分解制氫系統(tǒng)框圖30水電解制氫裝置講義第二節(jié) 氫氣的性質(zhì)和用途 1. 氫氣的性質(zhì)氫氣是無色、無臭、無毒和無味的可燃?xì)怏w。它同氮?dú)?、氬氣、甲烷等氣體一樣，都是窒息氣，可使肺缺氧。氫是最輕的氣體。它的粘度最小，導(dǎo)熱系數(shù)高，臨介溫度－℃，凝固點(diǎn)－℃。氫氣的化學(xué)性質(zhì)活潑，可與許多非金屬化合，生成各種類型的氫化物。氫氣是一種易燃、易爆的氣體。在空氣中的爆炸極限：％，下限4％；在純氧中的爆炸極限：上限94％，下限4％。氫氣的著火性能隨著溫度和壓力的不同而變化。通常壓力增加，溫度上升，可燃?xì)怏w混合物的著火下限降低，上限提高，著火范圍變寬。壓力、溫度下降則相反。氫氣的燃燒過程由于密閉、引燃的狀況和氣體組合等條件的不同，可以成為爆炸和爆轟兩種燃燒反應(yīng)中的任何一種。2. 氫氣的用途氫氣廣泛應(yīng)用于化學(xué)、冶金、電子、電力等工業(yè)部門。在化學(xué)化工方面，氫是合成氨、氯化氫、有機(jī)合成的氫化反應(yīng)和油脂硬化等的原料。在尼龍、塑料、農(nóng)藥的生產(chǎn)中也都離不開氫，需加入一定純度的氫氣，生產(chǎn)相應(yīng)的產(chǎn)品。在冶金工業(yè)中，氫氣的使用頗為廣泛。在有色金屬——鎢、鉬、鈦等的生產(chǎn)和加工中，使用高純度的氫氣作為還原氣。在一些磁性材料、磁性合金的生產(chǎn)中，需要高純度氫氣作保護(hù)氣，以提高其磁性和穩(wěn)定性；在硅鋼片的生產(chǎn)中，需要高純度的氫氣作保護(hù)氣；在硬質(zhì)合金、粉末冶金材料的生產(chǎn)中，也需要高純度氫氣作保護(hù)氣；在一些薄板、帶鋼的軋制中常常使用氮?dú)狻獨(dú)錃饣旌蠚庾鳛楸Ｗo(hù)氣。在電子工業(yè)中，也十分廣泛地使用高純度氫氣，主要用于電子材料、半導(dǎo)體材料和器件、集成電路以及真空器件的生產(chǎn)。在建筑材料和輕工業(yè)中，如玻璃和人造寶石的制造和加工，氫氣被廣泛地用作燃燒氣和保護(hù)氣；在電力工業(yè)中，氫氣可作為汽輪發(fā)電機(jī)的冷卻劑。液態(tài)氫又是宇航和火箭的重要燃料；固態(tài)氫具有金屬性并有超導(dǎo)性能。氫氣的應(yīng)用不只上述幾個(gè)方面。由于能源危機(jī)，氫氣作為一種新型能源受到人們的普遍重視。人們已認(rèn)識(shí)到，盡管能從煤、石油和天燃?xì)獾仍现兄迫錃?，但這些原料正逐年減少以至枯竭，人們不得不尋找新型的能源。水電解制氫是比較理想的。許多專家認(rèn)為，未來除了電以外，起重要作用的一種二次能量載體將是氫氣。氫氣具有許多優(yōu)點(diǎn)，它便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無污染，被譽(yù)為“清潔”的新能源。第二章 水電解制氫第一節(jié) 水電解制氫裝置的工作原理 1. 電解定律任何物質(zhì)在電解過程中，在數(shù)量上的變化都服從法拉第定律： 電解時(shí)，在電極上析出的物質(zhì)的數(shù)量，與通過溶液的電流強(qiáng)度和通電時(shí)間成正比，也就是說與通過溶液的電量成正比，即 G＝KeIt式中：G——化學(xué)反應(yīng)生成物的量 I——電流 t——通電時(shí)間 Ke——電化當(dāng)量 ，各種溶液在兩極上析出的物質(zhì)量與它的電化當(dāng)量成正比，而析出1克當(dāng)量的任何物質(zhì)都需要96500庫倫（C）的電量，以法拉第（F）表示。（1法拉第＝96500庫倫＝小時(shí)）顯然，電化當(dāng)量的數(shù)值應(yīng)等于化學(xué)當(dāng)量e被法拉第常數(shù)除所得的商，即 G＝KeIt＝ It因此在陰極上析出1克分子的氫，所需的電量為： It＝GF/e＝2＝（安時(shí)）2. 水的電解水存在下面的電離平衡： H2O H＋＋OH－將一對(duì)電極插入水中，通以電流，氫離子逐漸向陰極移動(dòng)，在陰極上取得電子被還原為H2。Na＋或K＋離子在電解液的濃度下，其析出電位要比氫析出電位負(fù)得多，因此陰極上H＋先放電，析出氫；OH－逐漸移向陽極，陽極失去電子而被氧化為O2。純水是極弱的電解質(zhì)，H＋及OH－離子濃度極少，在25℃時(shí)，[H＋]＝110－7M；[OH－]＝110－7M。所以純水幾乎是不導(dǎo)電的。所以在水電解時(shí)必須加入其它的強(qiáng)電解質(zhì)，如NaOH或KOH，以增強(qiáng)導(dǎo)電能力。此時(shí)，陽極反應(yīng)：4OH――4e＝2H2O＋O2↑陰極反應(yīng)：4H2O＋4e＝2H2↑＋4OH－總 反 應(yīng)：2H2O＝2H2↑＋O2↑從反應(yīng)方程式看出：1) 水電解時(shí)，產(chǎn)生一份氧氣和兩份氫氣。2) 加入OH－只起導(dǎo)電作用，在電解過程中不被消耗。第二節(jié) 水電解制氫裝置的用途與技術(shù)參數(shù) 1. 設(shè)備的用途水電解制氫除用于宇航、核潛艇和水下試驗(yàn)室等軍事設(shè)備外，還廣泛用于化工、冶金、電子、電力、航天、建材、氣象等工業(yè)部門。2. 主要技術(shù)參數(shù)（部分型號(hào)）（見表1）。水電解制氫裝置講義表1 ZDQ5～300型及CNDQ5～10型水電解制氫裝置主要技術(shù)參數(shù)表（20℃）型 號(hào)ZDQ5ZDQ6ZDQ8ZDQ10ZDQ12ZDQ16ZDQ20ZDQ24ZDQ30ZDQ40ZDQ50ZDQ60ZDQ65氫氣產(chǎn)量（Nm3/h）56810121620243040506065氧氣產(chǎn)量（Nm3/h）34568101215202530氫氣純度（V/V）≥%氧氣純度（V/V）≥%工作壓力（Mpa）～～氫氣含水量(g/Nm3)≤4氫氣含堿量(mg/Nm3)≤1電解槽工作溫度（℃）85177。5直流額定電流(A)3807601450直流額定電壓(V)64749612214690114