电解水制氢工艺流程及原理

工艺简介

①水电解制氢工艺原理

水电解制氢系统的工作原理是由浸没在电解液中的一对电极中间隔以防止气体渗 透的隔膜而构成的水电解池，当通以一定的直流电时，水就发生分解，在阴极析出氢气， 阳极析出氧气。其反应式如下：

阴极：4H2O+4e- =2H2↑+4OH

阳极：4OH- -4e- =2H2O+O2↑

总反应式：2H2O=2H2↑+O2↑

②电解槽

电解槽为水电解制氢核心设备，当电解槽接通直流电源，电解电流上升到一定数值 时，电解槽内的水被电解成氢气和氧气，H2主要产生于阴极室，O2产生于阳极室。

③气液分离器

来自电解槽内各电解小室阴极侧的H2和电解液，借助循环泵的扬程和气体升力，进

入气液分离器，在重力的作用下H2和电解液分离，电解液循环回流至电解槽，H2进入冷

却洗涤工段。

④冷却洗涤器

水电解制氢工艺为放热反应，通过冷却工艺，降低气体温度的同时，减少气体中水份含量。本项目选用循环冷却水进行气体降温，确保洗涤器出口气体温度≤40℃，冷凝水回流至电解槽，H2进入下一工段。

⑤脱氧系统

H2溢出过程会带出少量O2，为提升H2纯度，需对O2进行去除。本项目脱氧器主要利用H2和O2在催化剂作用下，加热可生成H2O的原理进行脱氧。原料H2进入脱氧器后，在高温（温度控制在330℃左右）和催化剂的作用下，少量O2经过催化剂催化后与H2结合生成水，使含氧量低于1ppm。

⑥干燥系统

H2经脱氧后会生成少量H2O，由于高温作用会以蒸汽形式和H2一起溢出。本项目通过干燥剂过滤工艺进行H2干燥纯化。干燥剂选用Al2O3和硅酸盐混合物，具有吸附量大、耐温性好等特点。本项目每套干燥系统由三台干燥器组成，生产运行过程交替使用，以实现吸附、再生同步进行，保证装置工作的连续性。本项目干燥器主要通过高纯度H2反吹实现再生。

⑦压缩储存

经分离、洗涤、脱氧和干燥后即得到纯度较高的H2，经压缩暂存于缓冲罐，用气过程通过加氢柱灌装后运出即。

⑧其他

本项目水电解制氢过程产生的O2分离、洗涤、脱氢、干燥过程与H2工艺基本相同，制得的O2通过管线引至煤气化生产装置使用。

工艺流程图：

水电解制氢是一种较为方便的方法。在充满氢氧化钾或氢氧化钠的在电 解槽中通入直流电,水分子在电极上发生电化学反应,分解成氢气和氧气。

其化学反应式如下 : 阴极:2H2O+2e H2↑ +2OH 阳极: 2OH—2e H2O+1/2O2↑ 总反应式:2H2O 2 H2↑+ O2↑ 根据库仑定律,气体产量与电流成正比,与其它因素无关。

氢氧化钾的 作用在于增加水的电导,本身不参加电解反应,理论上是不消耗的。

电解液 中加入五氧化二矾的作用是在于降低电解电压。

单位气体产量的电耗,取决 于电解电压,电解槽的工作温度越高,电解电压越低,同时也增加了对电解 槽材料,主要是隔膜材料的腐蚀。

石棉在碱液中长期使用温度不能超过 100℃,因此操作温度选择在 80~85℃为宜。

电解压力的选择主要根据用氢的 需要。气体纯度决定于制氢机结构和操作情况。

在设备完好(主要是电解槽 隔膜无损坏)操作压力正常(主要是压差控制正常)的条件下,纯度是稳定 的。

首先，电解水制氢除了变电部分分为两个大部分：制氢框架和纯化框架

在制氢框架中，碱液通过碱液循环泵在电解槽内循环，经过电化学反应，在阴极生成氢气，阳极生成氧气，然后碱液和气体一起从电解槽中流出（氢气和氧气有不同的排出管路，随后进入对称的后处理框架，称为氢侧和氧侧），进入氢侧和氧侧换热器。由于电解槽的温度一般为80至90摄氏度，经过氢侧和氧侧换热器冷却到室温。之后进入氢侧和氧侧气液分离器，在这里气体和碱液分离，碱液通过碱液循环泵再进入电解槽，气体进入氢侧和氧侧洗涤器，将气体中夹带的碱雾除去，然后氢气放空或者进入纯化系统，氧气放空或作为副产品收集。

在纯化框架中，制氢框架来的氢气首先经过Pd催化剂在200摄氏度以上的情况下反应出去氢气中的少量氧气，之后通过换热器和气水分离器分离出生成的水，再进入吸收塔吸附气体中的水分，从而得到99.99%以上纯度的氢气用于后续的存储或者使用。值得一提的是纯化阶段采用了经典的三塔联动干燥流程。也就是第一个干燥塔干燥后的氢气一部分作为产品，一部分作为第二个塔的再生气体，用于第二干燥塔再生的气体进入第三个干燥塔干燥，作为成品氢气送出。然后三个塔的工况调整，提高了设备利用率。