水电解制氢装置

水电解制氢装置讲义

目录

通用部分

第一节氢气的制备...................... 错误!未指定书签。

3.计算机系统........................ 错误!未指定书签。

专用部分

前言

自从1800年尼尔科森等人成功地将水电解成氢气和氧气以来，水电解制氢技术的发展已有近200年的历史了。现今，水电解制氢技术已在全世界得到了普遍的应用。由于能源的日渐紧张和工业飞速发展，对氢的需求量也在不断的增加，致使世界各国纷纷制定研制新型水电解制氢技术的发展规划。而当前水电解制氢技术普遍存在的问题是能耗大、效率低、成本高。针对这些问题，世界各国除对现行技术进行改进外，同时还在研究和探索新的水电解制氢工艺，寻找新型隔膜和材料，力图降低能耗，提高水电解制氢效率。

当前工业水电解制氢装置多数仍采用石棉隔膜，操作温度80～90℃，操作压力0.7～3.2Mpa，小室电压2.0～2.2V，氢气纯度≥99.8％（体积比），氧气纯度≥99.2％，使用寿命15～20年。

同时，高效水电解制氢装置、固体聚合物和高温水蒸汽固体聚合物水电解制氢装置也在研制中。固体聚合物水电解制氢装置具有效率高、能耗低、安全可靠、体积小、重量轻的优点，具有广阔的应用前景。

我所是全国唯一的一家从事水电解制氢技术研究的科研单位，至今已有四十多年的历史。我所研制开发的水电解制氢装置是在总结以前的科研成果并吸收国内外同类装置优点的基础上研制而成的。经过多年的努力，逐步形成了现今具有相当规模的系列产品。从0.5m3/h～300m3/h的不同型号和不同规格的水电解制氢装置，我所均已设计生产。这些产品已广泛地应用于航天、电力、电子、冶金、化工、气象和玻璃制造等工业部门，并有多台已出口国外。

我所研制生产的水电解制氢装置配套齐全。设备的主要技术指标接近或达

到国外同类装置的先进水平。槽体密封性能好，在反复开停机的条件下确保槽体不漏。在自动控制方面，可根据用户的要求采用气动控制、程序控制和最先进的微机控制。设备具有很高的自动化和标准化程度，便于操作和维护。

在设计和生产过程中，我们严格遵循质量第一，用户至上的原则，严把质量关，确保不合格的产品不出厂。同时，我们还为用户提供周到的售后服务，指导安装调试，代培运行操作人员。

由于时间紧迫，水平有限，错误缺点在所难免，请批评指正。

第一章氢气

第一节氢气的制备

氢气的发展是随着用氢工业部门和石油工业部门的发展而向前发展的。进入70年代以来，由于能源紧张，人们开始寻找新的能源。氢气作为能源，在来源、使用和储运等方面具有较大的优势和较强的适应性。由于氢气燃烧后形成水，无污染，所以氢气被誉为“清洁能源”而倍受人们青睐。制氢方法多种多样，但工业上通常采用水电解制氢。下面简单介绍各种制氢方法：

1.水电解制氢

水电解制氢技术可靠，操作简单、维修方便，不产生污染，制取的氢气纯度高。伴随着国家大力发展水电事业及水电解制氢工艺和设备的改进，如新型隔膜、新型电极的不断推出，将会大大提高单位体积的产气量，从而大大提高它的适用范围。特别是高温固定聚合物水电解工艺的开发应用，将可能使制氢的总效率达40～50％，水电解制氢的成本可降低到目前的1/3～1/4。

2.热化学分解水制取氢气

在闭合循环中利用热化学法制取氢气，是使水在某一化学反应过程中，在热的作用下进行分解。热化学法分解水是在复杂的系统和多个中间反应来完成的，至少为两个以上的阶段。这种制氢方法，目前仍处于实验室研究阶段。

3.光催化作用制取氢气

在光的作用下，当有光催化剂存在时，水可以分解成氢气和氧气，所选用的光催化剂应在相当宽的光谱区域内有吸收光的能力和光合再生的性能。所以首

晶体。

先要研制出有效的光催化剂，目前已取得了一些实验室成果，如TiO

2

4.矿物燃料转化制氢

由各种矿物燃料——天燃气、石油及其制品、煤制氢，其过程有很大的相似性。基本过程是：烃类的蒸汽转化——包括天然气、轻油等的蒸汽转化；部分氧化法——原油、重油等液体的部分氧化；煤的转化。随着国家西气东输工程的发展，我所已研制出经济实用的天然气制氢设备。

5.氨分解制氢

在一定温度下，通过催化剂的氨气被分解为氮氢混合气（75％的氢、25％的氮），

2NH

3催化剂3H

2

↑＋N

2

↑－Q

催化剂一般可采用合成氨用的催化剂，如国产的A6催化剂时，分解温度为650℃～700℃，分解率可达99％以上。分解后的高温混合气体经过冷却器、分离器、干燥器后，纯度为：含氧量<20PPm，含水量（露点）<－40℃，含氨量<0.01％，每公斤液氨可生产2.64Nm3混合气。我所在此方面已研制多年。

6.甲醇分解制氢

甲醇分解制氢装置是采用甲醇和水在催化剂上分解、转化制取氢气的一种方法。与其它制氢方法相比具有投资成本低、运行费用少、反应条件温和等优点，可用于化工、医药、轻工、建材、冶金等多种工业部门，其缺点主要是甲醇的价格不稳定。我所研制的各种型号的甲醇分解制置已有多台投入运行。现将其原理及主要技术指标简介如下：

6.1主要技术指标

产品气流量50～1500m3/h

压力≥1.0Mpa

温度≤40℃

纯度≥99.99%(vol)

CO ≤5ppm

6.2主要消耗指标

甲醇0.59～0.68kg/m3H

2

脱盐水0.35～0.45kg/m3H

2

电≤0.2kWh/m3H

2

煤≤0.36kg/m3H

2

冷却水≤20kg/m3H

2

仪表空气≤10m3/h

6.3原理

甲醇分解制氢装置包括甲醇分解转化和变压吸附两个过程：流程框图见（附件1）。

6.3.1甲醇分解转化

来自原料液贮槽的脱盐水与甲醇经计量、混合后，用进料泵加压后送入换热器，与分解气换热升温后进入汽化器，生成甲醇、水蒸气过热混合气体后进入反应器，反应温度为240－280℃，在催化剂的作用下同时发生下列分解和变换反应：

CH

3OH→CO＋2H

2

－Q

1

（1）

CO＋H

2O→CO

2

＋H

2

＋Q

2

（2）

总反应为：CH

3OH＋H

2

O→CO

2

＋3H

2

－Q

1

（3）

总反应是吸热的，反应器和汽化器所需的热量由导热油炉的循环热油提供。从反应器出来的分解气（主要是氢气和二氧化碳气体）在换热器内与进料换热降