電解水制氫裝置技術培訓主講人：張磊目錄1234氫氣概述電解水制氫原理電解水制氫設備制氫設備控制原理5水電解制氫系統危險因素

第一部分氫氣概述01物理性質無色無味氣體導熱系數高氫氣的密度是0.08987kg/m3化學性質易燃易爆還原性強著火性能不助燃著火能極低1、氫氣的性質密度比較：空氣的密度是H2的14.3倍，CO2是H2的21.8倍，N2是H2的13.8倍；導熱系數比較：導熱系數是空氣的1.51倍，且氫氣擴散性好;爆炸極限范圍：4%-75%（在空氣中）；4%-94%（在純氧中）；著火能約為20μJ,氫氣的著火性能隨著溫度和壓力的不同而變化。2、為什么用氫氣作為發電機冷卻介質？密度小，通風損耗低，機械（指發電機轉子上的風扇）效率高。導熱系數高，冷卻效率高；易擴散，散熱快。危險性小（發電機內充入的氫氣中含氧又小于2%，所以一旦發電機繞組被擊穿時，著火的危險性很小）。經嚴格處理的氫氣可以保證發電機內部清潔，不會產生由于臟污引起的事故。絕緣材料不易受氧化和電暈的損壞。123543、使用氫氣冷卻的缺點氫氣的滲透性很強，易于擴散泄露，所以發電機的外殼必須很好的密封。氫氣與空氣混合物能形成爆炸性氣體，一旦泄露，遇火即能引起爆炸。因此，在用氫冷卻的發電機四周嚴禁明火。采用氫氣冷卻必須設置一套制氫的電解設備和控制系統，這就增加了基建投資及維修費用。只要嚴格執行有關的安全規章制度和采取有效的措施氫冷卻還是可靠的，而其高效率冷卻則是其它冷卻介質無可比擬的，所以大多數發電機還是采用氫冷方式。

第二部分電解水制氫原理021、電解原理當兩個電極(陰極和陽極)分別通上直流電，并且浸入水中時，水將會被分解并在陰極和陽極分別產生氫氣和氧氣。整個電解水的過程服從法拉第定律：電解時，在電極上析出物質的數量與通過溶液的電流強度和通電時間成正比，也就是與通過溶液的電量成正比，即：G=Ke×l×t式中：G—化學反應生成物的量

I—電流

t—通電時間

Ke—電化當量1.1電解定律法拉第定律第二種表述：用相同的電量通過不同的電解質溶液時，各種溶液在兩極上析出的物質量與它的電化當量成正比，而析出1克當量的任何物質都需要96500庫侖（C）的電量，以法拉第（F）表示。

1F=96500C=26.8Ah任何物質在電解過程中，在數量上的變化都服從法拉第定律。1.2電解電壓水電解，必須在一對電極上施加上一定的直流電壓，此電壓必須大于水的理論分解電壓。水電解的操作電壓可以用下式表示：U=E+IR+

ηH+

ηo式中：U：電解水操作電壓E：表示水的理論分解電壓

I：表示電解電流R:水電解池的內阻（電解液、電極、隔膜及接觸點等）

ηH表示氫超電壓

ηO表示氫超電壓

ηH+ηo表示水電解池超電壓在1標準大氣壓及25℃下水的理論分解電壓為1.23V。2、電解質的選擇高純度的氫氣是通過電解純水而獲得的，由于純水的導電性能較差，則需加入電解質溶液，以促進水的電解。電解質的選擇需考慮其水溶液的導電性、穩定性、腐蝕性計劃經濟性等因素。離子傳導性能高；在電解電壓下不發生分解；在溶液PH變化時，具有阻止其變化的緩沖性在操作壓力下不因揮發而與氫氧一并逸出在操作條件下對電解池的有關材料無強腐蝕性強酸、強堿都可以滿足要求。目前工業上通常選擇堿性水溶液作為電解質。KOH導電性能比NaOH好；高溫情況KOH對電解槽的腐蝕強于NaOH3、能量與物料平衡3.1電能消耗

3.2水的消耗電解用水的理論用量可用水的電化學反應方程計算：

式中：x為標準狀況下，生產1m3氫氣時的理論耗水量；22.4L為1mol氫氣在標準狀況下的體積。在實際工作過程中，由于氫氣和氧氣都要攜帶走一定的水分，所以實際耗水量稍高于理論耗水量。目前生產1m3氫氣的實際耗水量約為845~880g。X=?

第三部分電解水制氫設備03電解水制氫設備完整的水電解制氫系統由是由電解槽、堿液循環系統、氫（氧）分離洗滌系統、原料補給系統、冷凍水系統、氫氣純化系統，氣體匯流排、儲罐、變壓器、整流柜、控制柜及人機界面組成。3.1電解槽槽壓控制堿液循環量槽體清潔原料質量3.2電極板雙極性電極板每個電極板即產生氫，又產生氧，每個電極既是陽極又是陰極。它使用有絕緣邊的隔膜作為電解小室的中間層，這樣具有壓濾機的結構，所以稱雙極性壓濾式電解槽。雙極性水電解槽中的每塊極板都傳導總的電流。槽內電壓決定于相鄰兩電極的電位差。電解槽的總電壓為各個小室電壓之和。電解槽隔膜的技術說明：氣泡不能通過；能被電解液潤濕，使溶液中的離子能順利地通過；有足夠的機械強度；在電解液中不被堿液腐蝕，不影響電解液的純度．且化學穩定性強。3.3堿液循環系統電解液循環的目的在于向電極區域補充電解消耗的純水，帶走電解過程中產生的氫氣、氧氣和熱量，增加電極區域電解液的攪拌，減少濃差極化電壓，降低堿液中的含氣度，降低小室電壓，減少能耗等，以使電解槽在穩定條件下工作。氫分離器氧分離器堿液循環泵堿液過濾器堿液冷卻器堿液循環流程對于一個特定的電解槽，應有一個合適的循環量。一般槽內電解液更換次數每小時2～4次。電解槽3.4冷凍水系統由冷凍機裝置輸出的低溫水分為兩路，第一路：經過冷卻水調節閥送入冷卻器以冷卻循環堿液，從而達到控制系統工作溫度的目的；第二路送入氫分離洗滌器和氧分離洗滌器以冷卻氫氣和氧氣。3.5氫（氧）分離洗滌系統我廠氫（氧）分離洗滌器立式布置，分離器由筒體，上下封頭焊接而成并裝有液位計、溫度計。除維持水電解過程中所需的電解液容量外，對來自電解槽內各電解小室陰（陽）極側的氫（氧）氣和堿液進行氣液分離。分離后的氣體進入洗滌段，對氣體進行冷卻、洗滌和除霧。分離洗滌塔作用氣液分離降溫洗滌維持液位3.6原料補給系統由一臺除鹽水箱、一臺堿溶液箱、一臺柱塞泵和管道閥門等組成。電解過程中，原料水一直不停地在消耗，因此為保證水電解的連續進行，需定期向制氫裝置內補充原料水。純水箱中的水通過補水泵打入氫洗滌器，然后再溢流到分離器，可以稀釋洗滌器中的堿含量，降低產品氣的含堿度。然后純水與循環堿液一并進入電解小室進行連續電解，保持電解液濃度在最佳濃度范圍。3.7氫氣干燥系統氫氣干燥系統是利用分子篩吸附氫氣流中的微量水分，達到干燥氫氣的目的。分子篩低于100℃有吸附作用，解吸溫度≥160℃，所以再生時一般出口溫度定在160℃—180℃，13X分子篩最高耐溫350℃，超出此溫度分子篩失效。吸附是一種物理過程，是放熱過程，解吸為吸熱過程，一般熱量小，不于考慮。3.8氫氣匯流排匯流排是一個由閥門、儀表及減壓裝置構成的氣體分配系統，其進口與制氫設備相連，出口分別與儲罐和供氣管道相連接。該裝置可以將制氫設備輸出的成品氣送入各儲罐儲存，在需要補氣時，將儲罐內儲存的氣體減壓后送入供氣管道。3.9電解液的配制1.物料及器材名稱要求備注水除鹽水，電導率≤10μS/cm輸送管路要求是耐腐蝕、無銹、無臟物的不銹鋼管KOH或NaOH分析純或優級純配制KOH溶液，要保持在26－30％之間，在25～30℃時，比重在1.244～1.281之間；配制NaOH溶液，應在20～26％的范圍，在25～30℃時，比重為1.2～1.28之間。V2O5分析純添加量為0.2%，即2g/L堿液比重計1.0-1.1、1.1-1.2、1.2-1.3各一支量筒500ml或1000L一支溫度計0-100℃一支防護用品2％硼酸水、眼鏡、橡膠手套、口罩、膠靴2.堿液配制計算配制新堿液，一般知道要配制的體積（一般為升），百分比濃度（重量濃度）。然后根據百分比濃度查得一定溫度下的比重，再用比重乘以已知配制堿液的體積，求得堿液總重量，再把堿液總重量乘以百分比濃度，得出所需配堿液用固體堿的總重量。堿液總重量減去需用固體堿總重量，所得的差即為所需蒸餾水的總重量。2.1新堿液配制步驟內容已知配堿液的體積V，濃度A％2由濃度A％查堿液比重表，查得一定溫度下的比重為B。3計算堿液總重量M＝B×V總。4計算加五氧化二釩(V2O5)重量5計算配堿時所需固體堿總重量，即1M堿＝B×V總×A％。6計算配堿時所需蒸餾水總重量M水＝M總－M堿Tips若固體堿純度不是100%，而是低于此值，則用低于100％數值去除固體純堿的總重量，得出純度低于100%固體堿所需用的總重量，因純度低于100%的固體堿影響其純度的主要原因是含結晶水，所以用純度低于100％的堿配溶液，其加水量也應適當減少2.2補充加堿電解槽經過較長時間運行，電解液中的堿由于帶走一部分，排污和其他損耗，溶液濃度會變稀，為確保溶液濃度在規定范圍，必須及時補堿，否則將使溶液電導下降，小室電壓上升。補充加堿的步驟如下測定堿溶液在一定溫度下的比重：從循環泵排氣閥放出堿液，收集至量筒中，用比重計測出一定溫度下的比重B1。由比重B1，查比重表，找出該溫度下的對應濃度A1。求現在槽體中堿液含堿的總量M堿1(M堿1＝B1V總A1％)求規定濃度下堿液需要純堿的總重量：仍然按由百分比濃度A％查比重表，查得在溫度下的比重B（M堿＝BV總A％）計算需補充加堿的總重量：

M補＝M堿－M堿1＝B×V總×A％－B1V總×A1％＝V總（BA％－B1A1％）TIPS對于補充加堿若表中沒有合適數據正好是B1，則在兩個接近B1數據之間用插入法求出B1，進而根據這兩個比重變化之間的濃度變化求出A1％，如A1％低于堿液規定值，則要補充堿。堿液配制好后，要用比重計再測定一下，查表求出濃度，看是否合乎要求。若濃度低再加堿，直至符合要求濃度為止。

新配堿液與補充加堿方法略有不同。配新堿知道體積、濃度、查表找比重，進而求出配堿液所需的固體堿和水的重量。補充加堿知道體積，測定比重，再查表求出濃度，進而計算出補充加固體堿的重量。堿在電解過程中不參加電化學反應，僅起導電作用，理論上不損耗，它的損耗主要是氫、氧氣體帶走、排污及其他損失。添加劑五氧化二釩理論上也不損耗，它們的作用主要是減少電化腐蝕，提高氣體純度、降低小室電壓。

第四部分制氫系統控制原理04制氫裝置自動控制內容系統壓力、溫度進行自動調節及控制，以保持系統壓力及溫度的穩定對氫、氧液位進行調節，使氫液位、氧液位始終保持平衡，自動補充消耗的原料水根據制氫裝置的實際運行狀態自動進行整流輸出的電流給定對水電解后產出的氫氣進行在線分析，并根據據此度判斷是否使氫氣進入下一工藝流程對氫氣干燥的工作狀態進行選擇，保證氫氣干燥單元把制氫單元產生的純度合格的氫氣(原料氫)中所含的水分去除當裝置運行異常時及時發出報警信號，主要受控參數超出極限值時，自動切斷整流柜輸出電流，使電解槽停止工作

4.1壓力調節控制系統壓力變送器隔離柵聯鎖整流柜DCS報警薄膜調節閥電氣裝換器系統壓力經壓力變送器轉換后，變成4～20mA的標準電信號進入制氫控制柜，經隔離柵隔離后輸入DCS的模擬量輸入模塊，在DCS中與設定的系統工作壓力進行比較，應用PID算法進行運算得出結果，并將此結果通過DCS的模擬量輸出模塊輸出一個標準的4～20mA信號，經電氣轉換器后轉換成的標準氣動信號，控制氣動薄膜調節閥(氧閥)開度的大小，使系統運行時的槽壓穩定在設定值。4.2氫、氧液位控制系統氫側差壓變送器隔離柵聯鎖整流柜DCS加水控制回路薄膜調節閥電氣裝換器氧側差壓變送器隔離柵報警補水泵氧分離器、氧分離器中的液位經差壓變送器轉換成4～20mA的標準電信號，送入制氫控制柜，經隔離柵隔離后輸入DCS的模擬量輸入模塊；DCS在接收到氫、氧液位信號后，利用PID控制算法，把氫液位信號作為PID算法的給定值，氧液位信號作為測量值進行運算，將運算結果通過DCS的模擬量輸出模塊輸出一個標準的4～20mA電信號，經電氣轉換器轉換成的標準氣信號，控制調節氫側氣動薄膜調節閥開度的大小，使系統運行時的氫、氧液位保持平衡。原料水由于電解而被消耗，需要不時地補充，故可按氫液位的高低來判斷是否對裝置進行自動補水。DCS將氫液位信號與氫液位加水下限值及氫液位加水上限值進行比較，控制加水泵的啟停從而達到裝置自動補水的目的。4.3槽溫調節控制系統測溫元件隔離柵聯鎖整流柜DCS報警薄膜調節閥電氣裝換器安裝在堿循環泵入口測溫元件采樣循環堿液的溫度，將隨溫度變化的電阻信號送入DCS的模擬量輸入模塊。在DCS中與設定的系統工作溫度進行比較，運用PID算法進行運算得出結果，并將此結果通過DCS的模擬量輸出模塊輸出一個標準的4～20mA信號，經電氣轉換器后轉換成的標準氣動信號，控制調節槽溫的氣動薄膜調節閥開度的大小，使系統運行時的槽溫穩定在設定值。

4.4整流輸出電流調節控制

整流柜電流互感器整流柜電壓互感器DCS整流柜電流給定回路電流變送器整流柜內的電流、電壓互感裝置將直流電流及電壓的采樣信號通過電流變送器、電壓變送器送入制氫控制柜內的DCS，DCS將電流信號與控制程序中設定的額定電流值進行比較，當電流采樣信號低于設定電流值時，控制程序按一定的速率自動提升電流；而當電流采樣信號高于設定電流值時，控制程序則將電流自動給定信號鎖定在設定值。

電流變送器電壓變送器器4.5干燥塔再生溫度控制

干燥塔下部測量元件干燥塔上部測量元件可控硅電加熱元件下部測溫元件將溫度信號送至溫度調節儀，經與設定溫度比較后由調節儀輸出信號控制可控硅的導通，上部測溫元件的信號送入DCS作為加熱器的聯鎖信號，當上部溫度達到設定值時即停止加熱器的工作。

溫度調節儀DCS4.6干燥部分的時序控制DCS電磁閥氣動球閥繼電器由DCS定時控制繼電器動作，開啟相應的電磁閥向氣動球閥供氣驅動氣動球閥動作。時間0h加熱8h吹冷11h自冷12h加熱20h吹冷23h自冷24狀態閥門干燥塔A吸附干燥塔B加熱干燥塔A吸附干燥塔B吹冷干燥塔A吸附干燥塔B自冷干燥塔B吸附干燥塔A加熱干燥塔B吸附干燥塔A吹冷干燥塔B吸附干燥塔A自冷干燥塔A進口閥開啟開啟開啟關閉關閉關閉干燥塔A出口閥關閉關閉關閉開啟開啟關閉干燥塔B進口閥關閉關閉關閉開啟開啟開啟干燥塔B出口閥開啟開啟關閉關閉關閉關閉干燥裝置時序控制表4.7水箱的液位控制

液位變送器DCS繼電器隔離柵補水箱電磁閥液位變送器將水箱液位信號經隔離柵送入DCS，DCS將此信號與設定值相比較，如液位低于設定值則輸出信號控制繼電器吸合，控制補水箱電磁閥開啟向水箱內補水，當水箱液位超過上限時，發出信號斷開繼電器接點使電磁閥關閉，如果水箱液位超下下限則發出報警信號

報警

第五部分水電解制氫系統危險因素055.1水電解制氫系統危險因素水電解制氫系統危險因素火災和爆炸帶壓氣體腐蝕窒息燙傷機械傷害觸電1火災和爆炸氫氣發生著火或爆炸的要素是氫氣與氧化劑混合達到可燃或爆炸極限并存在適當的點燃源。制氫系統具有潛在的爆炸性氣體環境和點燃源，可能存在但不限于下述場景：系統設計存在缺陷、設備選型錯誤、控制系統工作異常等原因造成系統中的氫氧氣體混合、泄漏。電解槽為制氫系統的核心設備，其結構、組件或組裝過程存在缺陷，造成槽體內氫氧氣體混合或向外泄漏。電解槽泄漏嚴重時，槽內液體會隨氣體噴射而出并霧化。壓力容器、管道及安全附件設計、選材、制造、安裝存在缺陷，容器、管道未按期檢驗、安全附件缺失或故障等原因造成容器、管道泄漏甚至爆炸。氫氣系統在使用前置換不充分；電解槽電源正負極接反，使氫氣系統產生氧氣，進入氫氣儲罐，造成氫氧氣體混合。氣體純度分析儀表工作異常，未及時發現氣體純度超標。氫氣泄漏檢測裝置或機械排風系統故障，造成氫氣濃度超標。含有過量氧氣的氫氣直接進入氫氣純化器的脫氧塔，在其內部氫氣和氧氣在催化劑的作用下復合成水，放出大量熱量，造成脫氧塔內部溫度過高。氫氣管道法蘭跨接線接觸不良、含雜質的氫氣流速過快、工作人員未穿防靜電工作服等原因，而產生靜電火花。高速氧氣流中的雜質顆粒、油脂接觸高壓氧氣、快速打開氧氣閥門都可能導致燃燒。生產裝置區的防雷設計不符合規范要求，不能覆蓋保護區域，雷擊損壞設備，導致氫氣泄漏并被點燃。電氣設備由于漏電、短路、過載、接觸電阻過大等原因產生電弧或火花；電氣設備的防爆等級不滿足使用要求，也可能成為點燃源。作業時未使用防爆工具，摩擦、撞擊引起火花。檢修過程中，檢修設備與在用生產系統未采取有效隔離措施；動火作業前未徹底置換；取樣分析不具備代表性，分析數據不準確也可能引發火災和爆炸事故。

2帶壓氣體制氫系統設備或管道失效可能導致帶壓氫氣、氧氣能量迅速釋放，形成沖擊波，造成周圍人員損傷、設施破壞3腐蝕制氫系統的設備和管道存在與氫相關的腐蝕和堿應力腐蝕。

a)氫脆和氫腐蝕

氫進入金屬材料內部，引起金屬塑性下降、誘發裂紋或延遲斷裂，這種現象稱為氫脆。在一定溫度、壓力的氫環境內，鋼中的碳與氫反應生成甲烷，導致鋼性能不可逆的劣化，這種現象稱為氫腐蝕。氫分壓越大，氫脆和氫腐蝕越嚴重。

b)堿應力腐蝕

金屬材料在堿性溶液環境中，由于應力和腐蝕介質的共同作用而產生開裂。金屬堿應力腐蝕敏感性與堿液濃度、溫度和應力水平有關，升高堿液的濃度和溫度會增加開裂的可能性和嚴重程度。4窒息氫氣為單純性窒息性氣體，僅在高濃度時，由于空氣中氧分壓降低才引起缺氧性窒息。5灼燙堿性制氫系統涉及的氫氧化鉀或氫氧化鈉，具有強腐蝕性，直接接觸皮膚和眼睛可引起灼傷。制氫系統中電解槽及部分附屬設備工作溫度范圍在60～90℃,氫氣純化器