制氢系统工作原理及主设备电解槽的结构和检修工序工艺

制氢系统工作原理及主设备电解槽的结构和检修工序工艺

一、氢气基本知识

1．氢气的性质和用途：

氢是宇宙中分布最广的一种元素，它在地球上主要以化合状态存在于化合物中，在大气层中的含量很低，仅有1ppm（体积比）。气体中，氢气最轻，粘度最小，导热系数最高，化学活性、渗透和扩散性强（扩散系数为0.63cm2/s，约为甲烷的三倍）。它是一种强的还原剂，可同许多物质进行不同程度的化学反应，生成各种类型的氢化物。

氢气的着火、燃烧、爆炸性能是它的主要特性。氢气含量范围在4-75％（空气环境）、4.65-93.9％（氧气环境）时形成可爆燃气体，遇到明火或温度在585℃以上时可引起燃爆。

压力水电解制出的氢气具有压力高（1.6或3.2MPa）便于输送，纯度高（99.8％以上）可直接用于一般场合，还可以通过后续纯化（氢气纯度提高到99.995以上）和干燥（露点提高到-40～-85℃），可作为燃料、载气、还原或保护气、冷却介质，广泛用于国民经济的各行各业。

2．水电解制氢、纯化脱氧、干燥原理

2.1 水电解制氢原理

利用电能使某电解质溶液分解为其它物质的单元装置称为电解池。

任何物质在电解过程中，从数量上的变化服从法拉第定律。法拉第定律指出：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；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1法拉第单位96500库仑（26.8Ah）的电量。水电解制氢符合法拉第电解定律，即在标准状态下，阴极析出1克分子的氢气，所需电量为53.6Ah。生产1Nm3氢气（1.073m3，20℃）（氧气为氢气产量的50%），所需电量2390Ah，原料水消耗0.805kg。

将水电解为氢气和氧气的过程，其电极反应为：

阴极： 2H O ＋ 2e → H ↑ ＋ 2OH

阳极： 2OH ＋ 2e → H O ＋ 1/2O ↑

总反应： 2H O → 2H ↑ ＋ O ↑

从反应式得出：

1) 水电解时产生两个氢和一个氧。

2) 电解过程中只消耗水和电能。

3) 加入氢氧化钾只起导电作用。

由浸没在电解液中的一对电极，中间隔以隔膜，通以一定电压（水的分解电压1.23V、热平衡电压1.47V）以上的直流电，水就电解。浸润的隔膜可以允许电解过程的离子穿透

运动（离子导电）并防止已合成的氢、氧气体混合。根据产量要求，使用多组水电解池组合增加产量，就形成了水电解槽的压滤式组合结构。

二、制氢系统概述

我公司2台300MW汽轮发电机采用水-氢-氢冷却方式，即定子采用水冷却，转子和铁芯采用氢气冷却方式。

我公司制氢站采用苏州竞立制氢设备公司生产的两套DQ--5/3.2型中压水电解制氢装置及配套干燥装置，为发电机供氢。单套额定出力为H2：5Nm3/h，O2：

2.5Nm3/h，由主体电解槽和气体分离装置、氢气干燥装置、整流柜、控制柜、框

架Ⅱ、原料水箱、碱液箱、送水泵、压缩空气罐、储氢罐、冷却水装置、PLC控

制系统等组成。

电解槽的电流采用硅整流，将交流电（380V）变为直流电供给，采用氢氧化

钾为电解质，以五氧化二矾或四氧化三钴为添加剂，电解除盐水来获得高纯度的

氢气，以满足发电机氢冷却的需要。

整套制氢系统实现全自动化运行，达到无人值班条件。系统控制采用PLC控

制系统，与水局域网相连可在锅炉补给水处理车间集控室监控。

三、制氢系统及设备

1.水电解制氢装置结构及作用

DQ---5/3.2型制氢装置由电解槽、气液处理器、整流装置、控制柜、计算

机管理系统、加水泵、碱箱、水箱等八大部分组成。

1) 电解槽

电解槽为并联压滤式双极性结构，下部有进液管，上部有氢、氧出口管，直

流电从两端极板输入，对并联槽型，中间极板为正极，两端极板为负极。

电解槽的作用：电解槽是水电解制氢、氧的主要设备，电解液在电解槽内，

在直流电作用下在阴极表面产生氢气，在阳极表面产生氧气。

2) 气液处理器

本装置气液处理器为框架组合式，由氢、氧分离洗涤器、碱液循环泵、碱液

过滤器及阀门、管路、一次仪表、框架等组成。氢、氧分离洗涤器下部为分离器

及碱液冷却器，上部为洗涤冷却器，顶部为气体除雾器。

a) 氢氧分离器的作用：借助于重力的作用使水电解产生的氢气和氧气与循

环的碱液分离，维持水电解过程中所需的电解液容量，有利于观察液位，通过分

离器内设置的蛇形冷却管冷却循环的碱液，控制槽温。

b) 氢洗涤器的作用：除掉氢气中的碱雾及液滴并降低氢气温度。

c) 碱液循环泵的作用：补充电解过程中消耗的介质，带走电解槽内氢氧气

体的热碱液，使碱液搅拌均匀减少浓差极化电压，降低碱液中的含气量。

d) 碱液过滤器的作用：滤除碱液中的机械杂质和绒毛。

e) 干燥器的作用及原理：干燥氢气，将氢气中的水分除掉。干燥器内填装

的吸附剂是一种具有大量微孔的固体，当含水氢气通过微孔时，属于极性分子的

水被强烈的吸附在微孔表面，属于非极性分子的氢则不易被吸附而顺利通过微

孔，从而将氢气中的水分吸掉。

f) 干燥冷却塔的作用及原理：分离水分子，冷却氢气。干燥器失效后再生

时，由于干燥器再生时出口高温氢气携带大量水蒸气，进入干燥冷却塔后气体温

度降低，所携带的水蒸气被迅速冷凝成水而与氢气分离，并同时降低氢气温度，

此装置运行时应保证冷却水充足畅通。

g) 氢气过滤器的作用：滤去气体中夹带的微小粒状物质。

h) 汽水分离器的作用：除去气体中的游离液滴。

3) 整流装置

整流装置由整流变压器，整流柜组成，用于供给电解所需直流电源。使用方

法详见“可控硅整流装置使用说明书”。

4) 控制柜

控制柜包括工业控制机、二次仪表、氢和氧气分析仪、稳压电源及操作按钮、

开关等。可实现自动检测、调节、显示、故障报警、联锁、自动开机与停机等功

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能。

5) 计算机管理系统

包括一台微机（上位机），一台打印机。可实现装置的自动程序运行及各参

数的调节、显示、记录等功能，是控制部分的核心。

6) 加水泵

供给装置所需的碱液或原料水。

7) 碱箱、水箱

碱箱用于氢氧化钠或氢氧化钾电解液的配制和贮存，设有原料水进口管、碱

液出口管、排污口等。水箱用于原料水的贮存。碱箱也可作水箱用，水箱也可用

于贮存碱液。

四、水电解制氢装置工艺流程及子系统

DQ-5/3.2型制氢装置，工艺流程详见工艺流程图。该装置可分为以下九个子

系统

1）电解液循环系统

从电解槽出来夹带氢气和氧气的碱液在氢分离洗涤器和氧分离洗涤器中，靠

重力作用分别与氢气、氧气分离经蛇形管冷却后，通过氢、氧分离器底部的连通

管经碱液过滤器去除机械杂质，进入循环泵，然后进入电解槽形成了电解液循环

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，以便电解槽在稳定条件下工作；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。

该系统包括如下路线：

→氢分离洗涤器 ←碱液泵→碱液过滤器→电解槽 →→ 碱液泵

→氧分离洗涤器 ←2）氢气系统

氢气从电解小室的阴极侧分解出来，借助于电解液的循环和气液比重差，在

氢分离洗涤器中与电解液分离形成产品气，其路线为：

→干燥系统

电解槽→氧分离洗涤器→调节阀

→阻火器排空

氢气的排空主要用于开停机期间不正常操作或故障排空时。

3）氧气系统

氧气系统与氢气系统有很强的对称性，装置的工作压力和工作温度也都以氧

侧为测试点。

它包括：

→用户或储存

电解槽→氧分离洗涤器→调节阀→→或排空

氧气的排空与氢气排空作同样考虑。

4) 原料水系统

原料水箱中的水通过加水泵被打入氢分离器的筛板上面，吸收通过筛孔的氢

气中夹带的碱雾滴，通过溢流管，注入氢分离器洗涤器下部的液位部分，和循环

碱液一并进入电解小室电极反应区域进行电解，同时使电解液中碱的浓度保持在

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最佳浓度范围内。

水箱中的水通过加水泵被注人氢分离洗涤器和氧分离洗涤器上部，先冷却洗涤，然后通过中心溢流管流人碱液循环系统，经循环泵被送入电解槽。为保证水电解制氢设备系统中的带压气体和碱液在加水泵不工作期间外漏，在送水管上装有止回阀。

原料水箱→补水泵→氢分离洗涤器→电解槽

5）冷却水系统

水的电解过程是吸热反应，制氢过程必须供以电能，但水电解过程消耗的电能超过了水电解反应理论吸热量。超出部分主要由冷却水带走，以维持电解反应区正常的温度。本装置要求工作温度不超过90℃。此外，所生成的氢气、氧气必须冷却除湿，可控硅整流装置也设有必要的冷却管路。

冷却水共分五路：

—温度调节阀→冷却器→出口

—氢(氧)分离洗涤器→出口

冷却水入口→—水封

—整流柜冷却管路→排放

—再生冷却器→出口

6）充氮和氮气吹扫系统在开机前要对系统作气密性试验及气相充氮和吹扫，以保证氢氧两侧气相空间的气体远离可燃可爆范围。充氮口设在氢氧分离洗涤器连通管的一侧，氮气引入后流经：

充氮口—

用于系统的气密试验与开机前的氮气吹扫，当使用氮气时用软管与氮气源临时连接，决不可用金属管道与氮气管道气源固定连接。

7）排污系统

排污管道共分四处

第一处：电解槽两端排污管

第二处：碱液过滤器底部，通过过滤器排污阀排出碱液和过滤器中过滤下来的石棉绒杂质及污物。

第三、四处：水箱和碱箱底部排污口，分别通过其排污门排出箱中的污物或残液

8）整流系统

根据法拉第定律，水电解制氢装置产品气的产量与小室电流成正比。

9）控制系统

微机控制的制氢装置，能对本装置的主要参数：压力、温度、氢氧液位差进行自动调节；原料水补充有自动和手动两种方式，对装置的压力、温度、氢液位上下限、氧液位上下限、氢气纯度和氧气纯度能集中指示和定前打印记录；若氢阀后压力、冷却水压力、气源压力、氢氧液位上下限、氢氧纯度产生一定的偏差时能自动声光报警；若装置的主要参数压力、温度、氢氧液位、碱液循环量，气源压力偏离正常值太大，又不能及时处理时，为了保护装置的安全，该装置能自动声光报警停车；为了进一步提高本装置安全运行系数，装置的主要参数压力，设置了双重独立系统，当自控系统失灵，装置的运行状态达到危险值时，该独立

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系统可使装置自动声光报警停车。

10）制氢系统工艺过程叙述

由氢氧分离器回流的碱液进入碱液泵吸口，泵压后经过碱液冷却器、碱液过滤器后进入电解槽下部；碱液沿电解槽内部的通道向上进入各个电解池（小室）。此时，由于整流柜启动，外部供交流电通过变压器连接整流柜6相晶闸管的依次导通，将直流电源电压加到水电解槽的中间极板和两端极板上，于是在每个电解池（以隔膜垫片为界），依次形成2V左右的电压降。当直流电流由正极由中间极板向两端负极流动时，按照法拉第电解定律，每个电解池通过53.6Ah的电流时，在阴极析出1克分子的氢气（阳极析出0.5克分子的氧气）。必要的电解消耗功率1.47V×53.6Ah＝78.792VAh，产生废热的功率消耗为（2V-1.47V）×53.6Ah＝28.408VAh。由于水电解池采用的双极性极板，对于若干的水电解池

组合的水电解槽来说，当中间极板接入直流电源正极（阳极产生氧气），通过隔膜垫片（产生2V电压降）相邻的水电解池为阴极（产生氢气），其极板背面的水电解池为阳极（产生氧气），相对第二块隔膜垫片（产生2V的电压降），相邻的水电解池为阴极（产生氢气），依此类推，直至接入直流电源负极的端极板为阴极（产生氢气）。水电解槽将阳极和阴极分别产生的氧气和氢气汇流引出，进入各自的氧分离器和氢分离器，进行气液分离。氧气和氢气向上引出送出系统外，碱液回流返回碱液泵进行再次循环。

在上述的循环中，系统添加了一些功能。例如，碱液冷却器带走水电解槽电解时产生的废热，碱液过滤器过滤碱液中的杂质，气体冷却器冷却气体温度以降低气体的饱和含湿量以及自动补水功能等等。

为了满足工艺系统的自动运行，控制系统分别对压力、液位平衡、碱液温度进行控制和形成闭环调节。

为了防止意外的发生，控制系统分别对压力、槽温、碱液流量进行监控和联锁。

为了对系统运行的次要参数有所了解，控制系统分别对氢气温度、氧气温度进行显示。如果实现上位机显示和控制，还将整流器的运行电流进行显示和控制。

五、电解槽检修工序工艺

1. 三方确认：点检、运行、检修三方安全确认。

2. 检修前作防爆措施检查：检修前后应严格执行停机联系制度和有关安全规定作防爆措施。

3. 电解槽的拆卸

3.1拆除与电解槽连接的管道和两极电缆线；

3.2测量两个极板之间的距离；

3.3均匀的松开四个拉紧螺栓，取出上部一个螺栓；

3.4将端极板稍稍移动，然后从端极板阳极侧将垫片、极板、隔膜框安顺序取出，作好标记；

3.5下部两根螺栓及两个端极板不可取出；

4. 电解槽的检查清理

4.1电极：用除盐水清洗，白布擦干；

4.2检查有无腐蚀及锈垢，特别是阳极侧的镀镍保护层，如有锈垢用毛刷轻轻刷去，然后用航空汽油清理干净；

4.3隔膜框应清理检查密封结合面及气液孔道；

4.4密封结合面应无腐蚀、损坏、孔洞和裂纹；

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4.5所有气液孔道畅通无杂物堵塞；

4.6密封垫圈应完好无损，大小合适并与气液孔道对正；

4.7拉紧螺栓应无锈垢、腐蚀，丝扣完好；

4.8弹簧垫圈性能良好，无裂纹和锈垢，检修后应涂铅粉；

4.9石棉布在铆钉前应清理干净,喷水使其潮湿,便于铆钉时拉紧,铆好的石棉布应绷紧,如鼓面不正、有脏物和损坏处、石棉纤维和其他杂物不应堵塞导气孔和给水孔,铆钉石棉布应用1Cr18Ni9Ti不锈钢铆钉,钉头向氧气侧；

4.10聚四佛乙烯垫大小应与隔膜框相符,垫片的孔洞应与隔膜框上的孔洞对正。

5. 管道系统及阀门的检修

5.1 所有管道均应冲洗干净,无污垢及堵塞物；

5.2所有阀门均应开关灵活,严密不漏；

5.3检修完打压3.2Mpa、12小时,泄漏量小于0.5%/小时,总压降小于19.6Kpa,

视为合格。

6．严格检漏

6.1各部件、各管道、各阀门均应进行严格检漏。

7. 试运合格

7.1确认无泄漏，压力、温度、各仪表均正常，正常投备。