水电解制氢原理(2)

过滤网中放干燥剂。干燥剂有两种：①硅胶（mSiO2·nH2O）。硅胶又名氧化硅胶和硅酸凝胶，为透明或乳白色颗粒。在氢冷发电机中，一般采用在饱和氯化钙溶剂中浸过，并在200~250℃时干燥了的粗孔硅胶作干燥剂。利用硅胶进行吸附干燥的过程属于物理吸附。一般商售硅胶约含水分3%~7%，吸湿量能达40%左右。②氯化钙（CaCl2·6H2O）。氯化钙为无色六角晶体，有苦咸味和潮解性，其熔点为29.92℃，加热时先失去四分子水而成二水物。它是一种白色、多孔、有吸湿性的物质，加热至200℃时失去全部水分而成为吸湿性强的无水物CaCl2。采用无水CaCl2进行的吸附干燥过程属于化学吸附，它能够吸收气体里的水蒸气，并在CaCl2晶体表面逐渐形成溶液，这种现象在化学里称为潮解。CaCl2吸水溶解后，其溶液流在干燥器的底板上，所以要求每隔6~8h定期打开放水阀门收集溶液。溶液经蒸发、煅烧后成为无水CaCl2，因此CaCl2可循环使用。如果停止排出CaCl2溶液，则说明CaCl2已经用尽，需要重新更换CaCl2。发电机用CaCl2，是其他工业用过的CaCl2在300~400℃温度下煅烧过的，其干燥作用比硅胶的好。

图8-2 循环干燥器结构图

1-过滤网；2-顶盖；3-罐壳；4-干燥剂；5-窥视窗（水位计）；6-放水阀门

4、氢气湿度的标准

（2）冷凝式氢气除湿器。该装置利用弗利昂作制冷剂。制冷剂在蒸发器内处于低压蒸发状态，它能吸收氢气的热量，使氢气急剧降温，造成氢气中所含的水蒸气基本上都凝结成霜和水，然后通过除霜排水达到降低氢气湿度的目的。冷凝除湿干燥器的检修维护量小，可以自动控制。但应注意排水过程中必须停止运行。 因为密封在机壳中的氢气含有一定量的水蒸气，这样就存在着水蒸气含量的饱和问题，所以绝对湿度的大小可反映某一温度时气体中的含湿程度。但当气体温度发生变化后，即使绝对湿度保持不变，气体的含湿程度也会发生变化。这一点反映在表8-3中相对湿度值的变化上。

表8-3 相对湿度值（%） 氢气的绝对 湿度（g/m） 4.85 6.0 9.4 12.8 17.3 23 30.4 39.61 51.16 65.45 3氢 气 温 度（℃） 0 100 5 71.2 100 10 51.5 72.3 100 15 37.8 53.1 73.4 100 20 28 39.3 54.3 74 100 25 19.4 27.2 37.6 51.2 69.2 100 30 15.9 22.4 30.9 42.1 56.9 82.2 100 35 12.2 17.2 25.7 32.3 43.7 63.1 76.8 100 40 9.5 13.3 15.4 25 33.8 48.9 59.4 77.5 100 45 7.4 10.4 14.4 19.6 26.4 35.1 46.4 60.5 78.3 100 从表8-3中可见，若维持气体温度不变，随绝对湿度的增加，相对湿度将增大，这表明气体将愈来愈接近饱和状态。但是，如果维持某一绝对温度值不变，随着气体温度的降低，相对湿度也将增大，直至达到100%。此时，气体达到饱和状态。饱和后，水蒸气的含量将不再增加，而多余的水蒸气均被液化，出现结露现象。例如某电厂6#机（200MW）氢气绝对湿度的月平均值见表8-4。 表8-4 某电厂6#（200MW）机组氢气绝对湿度情况表

测量项目 机内氢气绝对湿度 （g/m） 氢站新鲜氢气绝对湿度 （g/m） 33实 际 数 值 机外测量值 折算至机内 机外测量值 折算至机内 3

部颁标准 2.5 10 2 8 7.9 31.6 3.99 16.0 此机组机内氢气的绝对湿度已达到31.6g/m，约为标准值的3.2倍。对照表3-4，可见该值所对应的露点温度已高达31℃，在这种情况下，如果发电机的运行方式发生变化，而冷却介质的参数调节和控制又不及时时，就可能使机内局部区域温度低于31℃而发生结露现象，其危害性是很大的。因此，水利电力部颁发的《发电机运行规程》在规定了绝对湿度值的同时，还规定了直接冷却的发电机的入口氢气温度为35~46℃。按上述规定进行计算，当机内氢气绝对湿度满足标准值10g/m时（相应的机外测量值为2.5g/m），若氢气温度在35℃以上，则机内气体的相对湿度值小于25.3%。由此可见，对绝对湿度、入口风温诸参数需按规定同时加以控制，忽视哪一个都会使其成为发生事故的诱因。尤其是在机组启动的过程中，机内温度较低，相对湿度较大，更容易造成结露。因此在机组并网之前及并网后的低负荷运行期间，更应注意控制氢气的温度、湿度等参数，使之符合运行规程的要求。 四、氢气温度

1、氢气温度对运行负荷的影响

在发电机负荷保持一定的条件下，当氢气的入口风温升高时，由于发电机内的温度升高，引起了绝缘的老化。一般认为，温度每升高10℃，发电机绝缘的寿命缩短一半。这里所指的温度不是考虑绕组的平均温度，而是按最热点温度来考虑。因为绝缘材料上只要有一处最薄弱的部位被破坏，绝缘便发生故障。由此可见，当冷却介质温度升高时，为了避免绝缘的加速老化，必须相应地减少发电机的定子电流。另外，当冷却介质温度降低时，发电机的定子电流也可以较其额定值有所增加，但是定子电流的增加量的确定，还要考虑到发电机的绝缘和其他部件的机械作用所带来的影响。例如对于铁芯长度为2m以上的发电机，如果冷却介质温度降低值超过10℃时，则发电机绕组的温升只容许增加10℃。对于氢冷发电机，因为其绝对温度控制在10g/m以下，当进风温度低于20℃时，有可能发生结露现象。所以进风温度的降低量只允许比额定值低10℃。

3

3

3

2、氢气温度变化时，发电机负荷的确定准则

（1）发电机进风温度的确定。按照电力部颁发的《发电机运行规程》中的规定，当氢气的进风温度高于或低于额定值时，发电机定子电流的允许值按下述原则确定：①当进风温度高于额定值时,可按表8-5掌握。②当进风温度低于额定值时，每降低1℃，允许定子电流升高其额定值的0.5%，此时转子电流也允许有相应的增加。

表8-5 进风温度高于额定值时，定子电流的降低量

发电机的进风温度（℃） 额定进风温度为35℃ 35~40 40~45 45~50 50~55 额定进风温度为40℃ 40~45 45~50 50~55 ①进风温度每升高1℃定子电流较额定值的降低量（%） 1.0 1.5 2.0 3.0 一般对发电机的氢气出口风温不予规定，但应监视进、出口的风温差。若温差显著增加，则表明冷却系统已不正常，或发电机的内部损耗有所增加，此时必须分析原因，并根据具体情况采取措施，予以消除。 （2）当氢气温度变化时，编制发电机的容许负荷表。氢气的进风温度变化时，定子电流和转子电流的容许值应根据对电机进行全面温升的试验来确定，即确定出定子电流和转子电流的容许值，与氢气的进风温度以及发电机端电压之间的关系。这就是“容许负荷表”。该表是在认为定子绕组的温升与转子绕组的温升彼此无关的基础上编制的，而且只考虑过励磁的运行情况。编制负荷表依据的其他条件是：当电压与额定值的偏差为±5%时，保持视在功率不变；当冷却气体温度降低时，发电机的功率增加；或冷却气体温度升高时，发电机的功率降低。

有了容许负荷表后，就可以根据电压和氢气的进风温度，很快确定出定子、转子的极限容许电流，这样做不仅方便、准确，而且有利于发电机的安全、经济运行。表8-6是定子绕组氢外冷，转子绕组氢内冷，铁芯氢冷的TBφ-60-2型发电机的容许负荷表。

表8-6 TBφ-60-2型发电机容许负荷表 绕组 定子电压 （kV） 6.62 定子 6.3 5.98 转子 6.62 6.3及以下 30及以下 6880 7240 7600 1840 1800 在下述冷却气体温度时的容许电流负荷（A） 31~35℃ 6700 7060 7400 1787 1750 36~40℃ 6540 6880 7220 1735 1700 41~45℃ 6220 6540 6860 1680 1650 46~50℃ 5900 6200 6510 1620 1590 51~55℃ 5530 5800 6100 1560 1520 五、氢气的压力

随着氢压的提高，氢气的传热能力得到改善，氢冷发电机的最大负荷也就可以得到提高。反之，发电机容许的负荷就降低。

发电机不宜在低于氢压额定值的状态下运行。因为此时氢内冷发电机的转子易出现通风道堵塞、错位、绕组变形、槽衬膨胀和绝缘过热的现象。只有在处理缺陷的情况下，才允许降低氢压。降低氢压时，也相应降低了发电机的功率，其具体数值应按制造厂的规定执行。没有规定时，可根据发电机的温升实验来确定。 提高氢压运行可以提高发电机的出力。因为氢气的导热能力和传热系数是随着氢气压力的增加而提高的，如表8-7所示。

前苏联和国内一些电厂的试验结果指出，提高氢压运行的效果是非常显著的，将运行氢压由0.003~0.005MPa提高以后，能够提高出力的百分数，如表8-8所示。

表8-7 不同氢压下氢气相对导热能力和传热系数 氢压（MPa） 0.003 0.2 表8-8 不同的氢压下氢冷 发电机的出力 运行氢压（MPa） 氢外冷发电机（%） 氢内冷发电机（%）

但是应指出，对于氢外冷发电机，当氢压超过0.2MPa时，发电机的温升不会显著降低。

0.05 10 0.1 15 0.2 20 853550 相对导热能力 1 3 相对传热系数 1 2.4

第二节 电解水制氢的原理一、氢气的工业制法

在工业上通常采用如下几种方法制取氢气：一是将水蒸气通过灼热的焦炭（称为碳还原法），得到纯度为75%左右的氢气；二是将水蒸气通过灼热的铁，得到纯度在97%以下的氢气；三是由水煤气中提取氢气，得到的氢气纯度也较低；第四种方法就是电解水法，制得的氢气纯度可高达99%以上，这是工业上制备氢气的一种重要方法。在电解氢氧化钠（钾）溶液时，阳极上放出氧气，阴极上放出氢气。电解氯化钠水溶液制造氢氧化钠时，也可得到氢气。

对用于冷却发电机的氢气的纯度要求较高，因此，都是采用电解水的方法制得。 二、电解水制氢原理

所谓电解就是借助直流电的作用，将溶解在水中的电解质分解成新物质的过程。 1、电解水原理

在一些电解质水溶液中通入直流电时，分解出的物质与原来的电解质完全没有关系，被分解的是作为溶剂的水，原来的电解质仍然留在水中。例如硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾等均属于这类电解质。

在电解水时，由于纯水的电离度很小，导电能力低，属于典型的弱电解质，所以需要加入前述电解质，以增加溶液的导电能力，使水能够顺利地电解成为氢气和氧气。

氢氧化钾等电解质不会被电解，现以氢氧化钾为例说明： （1）氢氧化钾是强电解质，溶于水后即发生如下电离过程：

于是，水溶液中就产生了大量的K+和OH-。

（2）金属离子在水溶液中的活泼性不同，可按活泼性大小顺序排列如下： K＞Na＞Mg＞Al＞Mn＞Zn＞Fe＞Ni＞Sn＞Pb＞H＞Cu＞Hg＞Ag＞Au 在上面的排列中，前面的金属比后面的活泼。

（3）在金属活泼性顺序中，越活泼的金属越容易失去电子，否则反之。从电化学理论上看，容易得到电子的金属离子的电极电位高，而排在活泼性大小顺序前的金属离子，由于其电极电位低而难以得到电子变成原子。H+的电极电位=-1.71V，而K+的电极电位

=-2.66V，所以，在水溶液中同时存在H+和K+时，

H+将在阴极上首先得到电子而变成氢气，而K+则仍将留在溶液中。

（4）水是一种弱电解质，难以电离。而当水中溶有KOH时，在电离的K+周围则围绕着极性的水分子而成为水合钾离子，而且因K+的作用使水分子有了极性方向。在直流电作用下，K+带着有极性方向的水分子一同迁向阴极，这时H+就会首先得到电子而成为氢气。 2、水的电解方程

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，见图8-3。

图8-3 碱性水溶液的电解

（1）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：

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