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1、制氢系统培训,华电蒙能包头发电有限公司化学专业,氢气的性质和用途,氢是自然界分布最广的元素之一，它在地球上主要以化合状态存在于化合物中。在大气层中的含量却很低，仅有约1ppm（体积比）。氢是最轻的气体,它的粘度最小，导热系数很高，化学活性、渗透性和扩散性强（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。氢的着火、燃烧、爆炸性能是它的特性。氢含量范围在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）
2、便于输送，纯度高（99.8%以上）可直接用于一般场合，还可以通过纯化（纯度提高到99.999%）和干燥（露点提高到-40-90）的后续加工，可以作为燃料、载气、还原或保护气、冷却介质，广泛应用于国民经济的各行各业。,氢气制取方法,1、水电解：设备体积小，流程简单，纯度高，杂质少，无污染；但能耗高，产量小。 2、氨分解：产气量大，但纯度不高。 3、甲醇、天然气裂解：能耗低，产气量大，杂质复杂，不易分离。,水的电解,水存在下面的电离平衡: H2O = H+ + OH - 将一对电极插入水中，通以电流，氢离子逐渐向阴极移动，在阴极上取得电子被还原为 H2 。Na+或 K+离子在电解液的浓度下，其析出
3、要比氢析出电位负的多，因此阴极上H+先放电，析出氢；OH一逐渐移向阳极，阳极失去电子而被氧化为O2 。 纯水是极弱的电解质， H+ 及OH一离子浓度极少，在 25 时， OH = 1 10-7M可以说纯水几乎是不导电的。所以在水电解时必须加入其它的强电解质，如 Na0H 或 KOH ，以增强导电能力。此时： 阳极反应：4 OH一4e = 2 H2O + O2 阴极反应：4 H2O + 4e = 2 H2 + 4 OH- 总反应 2 H2O = 2 H2 + O2 从反应方程式得出： （1）水电解时，产生一份氧气和两份氢气。 （2）加入KOH或NaOH只起导电作用，在电解过程中不被消耗。,水电解
4、制氢装置的工作原理,1、电解定律： 任何物质在电解过程中，在数量上的变化都服从法拉第定律。 （1）电解时，在电极上析出的物质的数量，与通过溶液的电流强度和通电时间成正比，也就是说与通过溶液的电量成正比。 G = KeIt 式中：G化学反应生成物的量 I电流 T通电时间 Ke电化当量2）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的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96500库仑（C）的电量，以法拉第（F）表示。 1法拉第=96500库仑=26.8安培小时 显然，电化当量的数值应等于化学当量e 被法拉第常数除所得的商，即 G = KeIt Ite/F因此在阴极
5、上析出1mol分子的氢，所需的电量为： It = GF / e = 226.8 53.6 （安时）,电解槽,双极性压滤式电解槽：水电解槽是整个制氢装置的核心装置，目前世界各国的水电解槽大多采用双极性压滤型结构，“双极性压滤型”的意思是：每块极板（指主极板）在电性上具有双极性，即一面是负极，反面则是下一个电室的正极。压滤型是指每个电解槽是由许许多多电室组成的，它们是靠若干根拉紧螺杆的作用力，挤压在两块笨重的端压板之间，形成一个紧凑的结构体。双极性电解槽的极板也是垂直的，互相平行排列，电流只从一端极板导入，通过电极经电解液，传到下个一块极板，由另一端极板输出。每个电极板即产生氢，又产生氧，每个电极
6、既是阳极又是阴极。它使用有绝缘边的隔膜作为电解小室的中间层，这样具有压滤机的结构，所以称双极性压力式电解槽。双极性水电解槽中的每块极板都传导总的电流。槽内电压决定于相邻两电极的电位差。电解槽的总电压为各个小室电压之和。,电解槽结构,压力型水电解槽采用左右槽并联型结构，中间极板接直流电源正极，两端极板接直流电源负极，并采用双极性极板和隔膜垫片组成多个电解池，并在槽内下部形成共用的进液口和排污口，上部形成各自的氢碱和氧碱的气液体通道。,电解槽可以理解为两组电解池的并联。电解槽的最高电位处在槽体正中、最低电位处在电解槽的两端，与地面等电位。一般工业用的水电解槽大部分是一端为正极，另一端为负极，为了对
7、地绝缘，正极下端对地有极严格的绝缘要求，从正极端流出碱液气体的接头处也必须设有绝缘零件，而该装置电解槽没有这些弊病，槽体可以直接放在地上，但为防止偶然事件发生，在端板下垫有绝缘板。,电解槽结构,电解槽的内部结构,电解槽的每个小室由阳极板，阳付极网，氟塑料石棉隔膜布垫片，阴付极网，阴极板组成。在电解槽中，每个左极板和每个右极板都是阴极，中间极板是阳极，左右端极板是阴极，左右极板的板都是阳极也都是阴极，中间极板是阳极，左右端极板是阴极，左右极板的板面面向中间极板的一侧为阴极，另一侧为阳极。左阴板上产生氢气，在阳极上产生氧气。在槽体上除了中间极板，左端极板，右端极板外，按极板所处位置不同又分为左极板
8、和右极板，它们的区别在于出气孔的位置不同。极板：2mm厚的08钢板焊在极框上然后镀镍而成。因镍是非消耗性电极，在碱液里不会造成腐蚀，超电压又低，所以镀镍非常必要。极板上的乳头起支承付极网和隔膜布的作用，电解液可以在乳头与隔膜布形成的空间里流动，乳头还有输电作用。阳付极网：它是由纯镍丝编织而成的，电化学反应时，氧气大部分在它表面产生。阴付极网：它是由纯镍丝编织而成的网，又用等离子喷上雷尼镍活化层，使用前还要用稀碱液处理。电化学反应时，氢气大部分在它表面产生。氟塑料隔膜石棉布垫片：电解产生的氢氧气体必须隔开，否则混在一起，后果不堪设想，但反应时，电解液电离出的正负离子还要不断运动，所以隔膜布还不能
9、阻止离子运行，隔膜石棉布则能满足以上两个条件。隔膜石棉布是专门为电解而织成的，是由纯温石棉特级纤维织成布。,电解小室结构,电解槽的内部结构端极板,端压板：左右端压板是承受槽体内部压力的端盖，因电解槽将在3.2Mpa压力下工作，端板中心处弯矩很大，所以中心设计得较厚。,电解槽的内部结构极板,极板：极板是由主极板和极框焊接后镀镍而成。镍是非消耗性电极，在碱液里不会被腐蚀。极板上的乳头起支承副极网、隔膜布和输电的作用。,电解槽的内部结构极板上乳突,极板：极板是由主极板和极框焊接后镀镍而成。镍是非消耗性电极，在碱液里不会被腐蚀。极板上的乳头起支承副极网、隔膜布和输电的作用。,电解槽的内部结构石棉垫片,
10、隔膜：现行工业水电解槽通常采用石棉布作为隔膜。隔膜的作用是隔开电解时所产生的氢、氧气体，而不阻止离子运动。石棉隔膜布在30 % KOH溶液里长期使用时其工作温度不得高于90 。,电解槽的内部结构石棉垫片,电解槽的内部结构石棉垫片,电解槽的内部结构阴付极网,阴付极网：它是由纯镍丝编织而成的网，又用等离子喷上雷尼镍活化层，使用前还要用稀碱液处理。电化学反应时，氢气大部分在它表面产生。,电解槽的内部结构阴付极网,电解槽的内部结构绝缘密封垫,绝缘密封垫：绝缘密封垫即起绝缘作用，又起密封作用，它是采用特制的塑料模压而成的，可与石棉布模压在一起，是比较理想的密封材料。,电解槽的内部结构 组装中的电解槽,付
11、极网,石棉布,垫片,电解槽的内部图片,电解槽的内部图片,电解槽的内部图片,电解槽的内部图片,电解槽的内部图片,电解槽的内部图片,电解槽的内部图片,电解槽图片,电解槽的图片,我厂电解槽为并联双极性压滤式结构，由螺栓和两块端压板把极板夹在一起，呈圆柱体结构。 （1）大螺栓、大螺母、弹簧导套、蝶形弹簧等用来将各小室间的垫片压紧，使槽体能承受内压，保证槽体不漏。必须使各螺栓承受有一定的预紧力，而且各螺栓受力要均匀。 （2）端压板：两端的端压板的作用是承受电解槽的内部压力及密封垫片的密封压力。足够的厚度，电解槽在1.53.2MPa 压力下工作，承受的压力很大，因此要有足够的厚度，以免变形并保证槽体的密封
12、性。 （3）输电板：电解槽的中间极板和左右端极板上都焊有输电板。中间极板接直流输出正极，两个端极板接直流输出负极。一般工业上用的电解槽也可采用串联型式，即一端为正极，另一端为负极。正负端极板与端压板间有良好的绝缘。,电解槽的外部结构,（1）极板：极板是由主极板和极框焊接后镀镍而成。镍是非消耗性电极，在碱液里不会被腐蚀。极板上的乳头起支承副极网、隔膜布和输电的作用。 （2）阴副极网：用纯镍丝编织而成的，又用等离子喷涂法涂上活化层，使用前要用 稀碱液进行活化处理。电化学反应时，在其表面上产生氢气。 （3）阳副极网：与阴副极网相同，电化学反应时，在其表面上产生氧气。 （4）隔膜：现行工业水电解槽通常
13、采用石棉布作为隔膜。隔膜的作用是隔开电解时所产生的氢、氧气体，而不阻止离子运动。石棉隔膜布在30 % KOH溶液里长期使用时其工作温度不得高于90 。,电解槽的内部结构,（5）绝缘密封垫：绝缘密封垫即起绝缘作用，又起密封作用，它是采用特制的塑料模压而成的，与石棉布模压在一起，是比较理想的密封材料。 （6）压片：压片是用来保护极板上的进液孔和出气孔的。当垫片压紧时，保证各通道不被密封垫的塑料因填充而阻塞。 （7）电解槽内各种孔道的设置：水电解后，各阳极小室生成的氧气和碱液一起通过出气孔经气体环道一同流出氧气出口管；各阴极室生成的氢气和碱液一同流出氢气出口管。 （8）电解槽采用对角线循环路径，各电解小室碱液循环量均匀，小室电压均匀。,电解槽的内部结构,制氢站系统图,Thank You!,华电蒙能包头发电有限公司化学专业,
