水电解制氢装置运行过程中存在问题及改进措施

水电解制氢装置运行过程中存在问题及改进措施

王硕 

国家电投集团宁夏能源铝业中卫新能源有限公司 宁夏中卫 750000

摘要：氢能是实现电力网、燃料网、热力网“三网”之间彼此衔接、清洁高效转化的重要纽带，在构建多种能源形式彼此互补的综合能源系统，打造清洁、低碳、高效、灵活的能源体系中发挥着重要作用。氢能产业链包括制取、储存、运输、加注、使用等核心环节。随着技术水平提高和规模化生产能够使整个氢能产业链的成本降低，从而促进氢能产业在中国的发展，助力国家“3060”双碳目标的实现。

关键词：水电解;制氢装置;问题;改进措施

引言

氢气作为一种重要的工业原料，广泛应用于石油化工、电子工业、冶金工业、精细有机合成等领域。目前工业制氢的方法主要有水电解制氢、甲醇裂解制氢、生物制氢等，其中水电解制氢工艺由于其技术成熟、原理简单、便于维护等优势，被众多行业所广泛采用。

1氢的特性

氢的原子序数为1，是元素周期表中第一个、最小和最轻的元素，其化学性质活泼。在标准温度和压力下，氢气是无色、无臭、无味的。氢是含量最丰富的元素，是最环保、洁净的能源，热值为汽油的三倍，着火点低，体积分数为18%～65%，易爆炸。氢能效率高，是可储存的二次能源。氢气密度是天然气的1/8左右。与甲烷相比，氢气在高温下更易挥发，氢可以分解成2个原子（H），这些原子能够渗入钢中并再次结合为H2，这将导致材料中的张力不均匀，产生氢脆而致使钢失去强度。在输送氢气或含氢混合气体时，需要选择合适的输送管道。

2生产工艺原理

2.1水电解制氢工艺流程

FDQ-400/1.6-IV型水电解制氢装置每小时氢气产量为400m3/h，氧气产量200m3/h。此电解槽的密封垫片采用高强度的塑料合金，抗蠕变性好，无冷流，抗压强度比普通垫片材料高一倍以上，线胀系数接近钢的线胀系数，因此密封性能优良。在运行过程中不会因热膨胀而产生的压力使垫片变薄。水在电解槽内在直流电的作用下被分解为一份氢气和1/2份氧气，生成的氢气和氧气与电解液一起被送至附属设备框架内的气液分离器进行气液分离，氢气和氧气分别经过气液分离器、氢气、氧气冷却器、捕滴器、气水分离器，然后在控制系统的控制下外送；电解液在循环泵的作用下经过氢、氧碱液过滤器、氢、氧碱液冷却器然后返回电解槽继续进行电解。系统的压力是通过压力控制系统和差压控制系统自身形成的，从而满足后级工艺和贮存的要求。

2.2水电解制氢原理

水电解制氢设备的主机是电解槽。它将水在直流电的作用下电解成氢气和氧气。电解槽的每个电解小室又分为阳极小室和阴极小室。在电解槽中充满30%KOH水溶液（称为电解液）。在阴极小室产生氢气阳极产生氧气在直流电作用于氢氧化钾水溶液时，在阴极和阳极上分别发生下列放电反应，在阴极和阳极上分别发生下列放电反应阴极反应。电解液中的H+（水电离后产生的）受阴极的吸引而移向阴极，接受电子而析出氢气，其放电反应为：4e+4H2O=4H2+4OH-阳极反应。电解液中的OH-受阳极的吸引而移向阳极，最后放出电子而成为水和氧气，其放电反应为：4OH-=2H2O+O2+4e，阴阳极合起来的总反应式为：2H2O=2H2+O2。所以，在以KOH为电解质的电解过程中，实际上是水被电解，产生氢气和氧气，而KOH只起运载电荷的作用。

3水电解制氢技术

目前电解水制氢主要有碱性水电解制氢、质子交换膜（PEM）水电解、固体氧化物（SOEC）电解水制氢这三种技术路线。根据各自技术特点以及商业化应用程度，碱性水电解制氢路线及PEM电解水制氢将是未来与可再生能源结合的主流电解水制氢工艺路线。

3.1碱水电解制氢技术

碱水电解制氢是一项相对来说很成熟的水电解制氢技术，目前已经广泛应用于气象、医药领域。碱水电解装置主要有碱性电解液以及多孔的阴极板、阳极板、隔膜、镍网构成。碱性电解技术最大的优势是阴阳电极板中不含有贵金属，因此电解槽的成本也相对较低。最核心的特点是要求电力稳定可靠，不适合风光等间歇性电能。相对于PEM水电解制氢，碱水电解制氢技术极间距较大，电解质的欧姆电阻增加。碱水电解制氢技术缺点明显，占用场地大。碱性水电解技术的商业成熟度高，运行经验丰富，国内一些关键设备主要性能指标均接近于国际先进水平，单槽电解制氢量大，易适用于电网电解制氢。

3.2PEM纯水电解制氢

PEM水电解制氢采用质子交换膜取代了石棉膜，H2O在正极上发生水电解反应，在电场和催化剂的作用下，分裂成2H+，2e-和1/2O2，质子传递到质子交换膜内，在电能势差的影响下直接通过质子交换膜到达负极，在负极得电子析出氢气。PEM电解水制氢的主要优点在于：①高气体纯度，质子交换膜只允许H+带着少量的水通过，而氧气无法通过，这就保证氢气的纯度能达到三个9以上。②产出高压氢气，质子交换膜的抗压强度较强。相比于碱水电解制氢技术，PEM水电解制氢设备可以做成差压式的制氢设备。③质子交换膜的质子传导能力（0.1±0.02S·cm-1）较为优异，其在高强度下可以将厚度控制在200μm以下，大大减小电解质的欧姆电阻。PEM纯水电解制氢也有自身的局限性，水裂解时会在阳极侧产生大量的H+，使阳极侧保持高酸性，对阳极材料在抗腐蚀方面提出了较高的要求。催化剂要求有活性与耐腐蚀性，PEM膜价格也比较高，使得电解池材料的整体成本较高，从而限制了PEM电解池的推广与商业化。

3.3固体氧化物电解（SOEC）

固体氧化物电解技术中阴极材料多使用镍-钇稳定的氧化锆（Ni-YSZ），电解质常用YSZ作为电解质，其具有较高的热化学稳定性和离子导电性，阳极材料镧-锶-钴-铁（LSCF）可以在较高的电流密度下运行，因此上述材料是未来阳极材料发展的主要方向。进入阴极时，水蒸气常会混有少量的氢气，防止阴极上的镍被氧化。SOEC的反应机理与PEM水电解制氢不同，水蒸气在阴极得电子形成H2和O2-，O2-经过电解质层到达阳极失去电子生成O2。SOEC电解水制氢技术最大的优势是其电耗低，较为适合产生高温、高压蒸汽的光热发电系统。但也存在自身的局限性，其对阴阳极材料的特性要求较高，比如要求阴极材料在湿度较大的条件下具有较好的稳定性，还要对水蒸气的分解保持高效持久的催化活性。阳极材料要具有良好的热稳定性以及氧气透过率高，同时还要保证电解质的离子导电性好。这就使得材料的成本大大增加，因此商业化应用受到了限制。

4常见故障及处理

4.1纯度显示值低

当控制室显示屏显示氢气或氧气纯度低时，应引起操作人员高度重视，因为氢气是具有较强的化学活性和扩散性及渗透性的可燃气体。氢气与空气或氧气混合后形成范围很宽的易燃易爆混合物。氢气爆炸极限，在空气中为4%～74%(体积)，在氧气中为4%～95%(体积)。氢气爆轰极限，在空气中为18%～59%(体积)，在氧气中为15%～90%(体积)。点燃氢氧混合物所需能量非常低，仅为汽油与空气混合物点火能量的1/10，因此当纯度处于危险区间时，现场装置及人员的安全将受到很大的威胁，必须尽快予以排除。

4.2总电压过高

水电解制氢装置正常运行时，操作人员应每小时观察电解槽总电压，确认它是否稳定且在正常范围内。此外，操作人员每周应用数字万用表测量电解槽上电解小室的电压，每个小室电压不得超过2.3V。电解槽电压常见异常为总电压过高，原因及解决方法如下:(1)电解槽内部有污垢，应安排停车并对电解槽进行清洗;(2)碱液浓度过低，应向槽内补碱，使浓度达到规定值;(3)电解槽槽温太低，此故障多发于制氢装置停运后开车初期，解决方法为先调节整流柜使电解槽总电压处于额定电压附近，运行一段时间后，槽温上升，随之总电压将会下降，此时继续调节整流柜以提升负荷;(4)碱流量太低，此时应增加碱流量。

结语

在水制氢电解槽运行生产过程中，经技术人员不断的改进优化，有效解决了制氢电解槽在运行中出现的问题，切实提高了水制氢电解槽的运行稳定性。

参考文献

[1]张宇.陕西北元化工集团有限公司化工分公司.氯碱分厂工艺规程，2016.

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