水电解制氢原理(4)

电解槽是制氢装置的主体设备，它的主要性能要求是：制得的氢气纯度高；能耗低；结构简单；制造维修方便且使用寿命长；材料的利用率高；价格低廉。目前在发电厂广泛使用的是压滤式水电解槽，其结构如图8-5所示。

图8-5 压滤式碱性水电解槽示意图

电解槽中平行、直立地设置数块至数十块电极板，它们将整个电解槽分成若干个电解室，串联相接。电解槽的总电压为各电解室电压之和，总电流与各电解室电流相等。电解液是以一根总管供给各电解室的。每一电解室又用石棉布分隔成氢侧（阴极）和氧侧（阳极），电解产生的氢气和氧气分别汇总于隔膜框上的氢气总管和氧气总管后导出。

电解槽中的主要部件和材料如下：

（1）极板与端极板。电解槽中间的隔板叫极板。极板由三片钢板组成，中间一块起分隔电解室及支持作用，无孔。其两侧分别铆接一块带小孔的钢板，一侧为阳极，一侧为阴极。阳极的一侧为防止氧腐蚀而镀有镍保护层。电解槽两端的极板称为端极板，阴、阳端极板内侧各焊一块镀镍的阳极和不镀镍的阴极。端极板除了起引入电流的作用外，也起紧固整个电解槽钢板的作用，所以要厚一些。 （2）隔膜框。隔膜框是构成各电解室的主要部分，每一个隔膜框构成一个电解室。它是一种空心环状厚钢板，在里圈由压环将石棉布固定在上面。石棉布呈多微孔组织，以便通过K+和OH-。隔膜框上部在氢、氧两侧均开有小孔，称为气道圈，用以通过氢气和氧气。隔膜框下部设有液道圈，用以通过电解液。气体总出口和碱液进口均设在电解槽中部，称为中心隔膜框，它比其他隔膜框稍厚，这样可以改善电解液的均匀性，并使各部分的温差减小。

（3）绝缘材料。隔膜框与极板之间设有难解难分缘垫圈。要求绝缘垫圈能够耐碱、耐热、耐压力。它能起到绝缘作用，使隔膜框不带电，而且有密封作用，以防止电解液外漏。

（4）电解液。电解液中的杂质对水的电解有很大的影响。Cl-和SO能强烈地腐蚀镍阳极；Fe3+附着于石棉布隔膜和阴极上，会增大电解池电压，CO能

恶化电解液的导电度，含量过高会析出结晶；Ca2+、Mg2+有可能生成其碳酸盐沉淀，堵塞进液孔和出气小孔，造成电解液循环不良。另外，在电解过程中不断地补充水和碱都将可能引入上述杂质离子。所以，为了保证电解槽的正常运行和延长使用周期，固体碱、补充水和电解液应当符合如下标准：

1）氢氧化钾质量标准。电解质KOH的纯度，直接影响电解后产生气体的品质和对设备的腐蚀。当电解液含有碳酸盐和氯化物时，阳极上会发生下列有害反应：

这些反应不但消耗电能，而且因氧气中混入氯气等而降低其纯度，同时生成的二氧化碳立刻被碱液吸收，复原成碳酸盐，致使CO

的放电反应反复进行下

去，耗费掉大量电能。另外，反应生成的氯气也可被碱液吸收生成次氯酸盐和氯酸盐，它们又有被阴极还原的可能，这也要消耗电能。

为了提高气体纯度，降低电能消耗，要求氢氧化钾的纯度达到表8-9的要求。 2）补充水质量标准。电解液中的杂质除来源于药品之外，还可能来自不纯净的补充水常用的补充水是汽轮机的凝结水，其质量要求如表8-10。

表8-9 氢氧化钾的纯度 名 称 KOH 表8-10 补充水的质量标准 名 称 Fe+Fe 2+3+含量（%） ＞95 ＜0.5 ＜0.2 含量（mg/L） ＜1 ＜6 ＜7 NaCl Na2CO3 Cl 干燥残渣 3）电解液质量标准。电解液的主要质量指标是氢氧化钾含量。在配制和运行监督中，为方便起见，重点掌握其比重。对电解液的具体质量要求见表8-11。 为了减轻电解槽的腐蚀，在电解液中应加入0.2%~0.3% 的缓蚀剂重铬酸钾（K2Cr2O7）,它能在阴极表面生成三氧化铬保护膜，保护阴极，并可防止阳极生成的次氯酸盐和氯酸盐在阴极上还原而消耗电能。 表8-11 电解液的质量标准 项目 KOH KOH密度 单位 g/L g/mL mg/L mg/L mg/L 含量 300~400 1.25~1.30 ≯3 ≯800 ≯100 Fe+Fe Cl Na2CO3 -2+3+ 2、气体分离器 电解槽产生的氢气与氧气由电解槽溢出时， 携带了部分呈雾状的电解液与气体一同进入各系统中。分离器的作用之一就是利用冷却和扩容作用充分分离出电解液，并使之重新流回电解槽，分离器的第二个作用就是保证电解槽在满负荷或空载时，始终充满电解液。另外，由于电流通过电解液时有一部分电能变为热能而使电解液温度升高，分离器还有冷却电解液的作用，使温度保持在80℃以下。 分离器的外形为圆筒形立式容器，内部设有冷却用蛇形管，系统中有氢、氧分离器，其结构见图8-6。

图8-6 气体分离器

在运行过程中要求分离器中的液位高于电解槽，以保证电解槽中充满电解液，不使隔膜外露，并使分离器与电解槽之间电解液的正常循环和冷却得到保证，否则会使阴阳极之间浓度差增大，降低电解效率，并形成浓差电池而腐蚀设备。

3、气体洗涤器

从分离器送出的氢、氧气体的温度较高，其中仍然含有水蒸气和少量电解液，所以必须再经过气体洗涤器进一步冷却、洗涤。在洗涤器中将气体温度降至常温，减少气体中的含水量，洗去电解液，以满足用氢设备的要求，同时也减少了纯水和电解液的消耗。

气体洗涤器中部通入由补给水箱（平衡箱）送来的纯水（凝结水），氢气由上部进入，通过下部喇叭口，在穿过洗涤水时将残留的电解液溶于水中，再由中上部排出，成为较纯净的氢气。洗涤器的下部由于溶解了气体中的微量碱液而排出稀碱液。这些稀碱液并入碱液循环系统作为补充水进入电解槽。气体洗涤器的结构见图8-7。

4、压力调节器

压力调节器为圆筒形结构，其构造如图8-8所示。其壳体上设有压力表、安全阀与水位计，内部有浮筒和针形阀。气体（氢或氧）进入口与洗涤器相通，气体排出量由针形阀控制。氢、氧两侧各装一台压力调节器，两台调节器的下部用水连通，以保证氢、氧两侧的压力相等，防止电解槽中石棉布因压差过大而破损。

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