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碱性电解水制氢关键设备及工艺流程
发布时间:
2026-01-28
碱性电解水制氢关键设备及工艺流程
一、系统概述
碱性电解水制氢系统是一种成熟的工业制氢技术，其核心原理是利用直流电将水分解为氢气和氧气。该系统主要由电源模块、电解槽、碱液循环系统、冷却水循环系统、气液分离系统以及氢气纯化系统等关键部分组成，通过各模块的协同作用实现高效、稳定的氢气生产。
二、电源模块与电解过程
1. 电源转换系统
交流电首先通过变压器进行电压调节，随后输送至脉冲晶闸管整流器，将交流电转换为直流电。整流后的直流电流（包含一定的交流纹波）被送入电解槽作为分解水的能量来源。
2. 电解槽反应机制
在电解槽内部，水分子在直流电作用下发生分解反应。系统采用20%~30%氢氧化钾（KOH）溶液作为电解质，通过阳极电极和阴极电极的催化作用，将水转化为氢气（H₂）和氧气（O₂）。电解槽两侧分别产生的气体与电解液混合物进入后续分离纯化工序。
三、气液分离系统
1. 卧式重力气液分离器
从电解槽产出的H₂/O₂气体分子与电解质混合物分别进入3:1长径比的卧式重力气液分离器，形成两个独立的回路。两个分离罐之间通过均衡管连接，以保持系统间的质量和能量平衡，确保运行稳定性。
2. 碱液循环与气泡管理
离心泵在碱液循环系统中承担关键功能：
流量控制：调节电解液质量流量，实现再循环，维持闭环系统效率。系统通常设计为具有高度差的结构，利用重力辅助流动。
气泡清除：确保足够的质量流量，将电解槽电极表面形成的残余气泡及时清除。研究表明，气泡若未被过量电解液流向上拖曳，会在电极外部区域形成气膜，阻碍水分解反应，显著降低产氢效率。Dukic和Fitak的研究证实，采用强制对流时，电解槽具有良好的电压-电流特性（极化特性）。
四、温度控制系统
1. 温度控制的重要性
管壳式热交换器与冷却水入口质量流量阀的PI(D)控制器协同工作，将碱液温度恒定在约70℃。温度控制对系统性能至关重要：
温度过低：电极反应动力学受限，制氢效率下降
温度过高：虽有利于反应动力学，但会降低电解槽耐腐蚀性，缩短材料使用寿命，并增加气体分子通过隔膜的扩散，影响气体纯度
2. 热平衡机制
当电解电压高于非自发水分解反应的热中性电位时，电流会在电解槽内产生损耗并转化为热量。这部分产热可用于满足吸热反应过程的热量需求，实现能量的合理利用。
五、氢气纯化系统
1. 多级纯化工艺
离开第一级气液分离器的氢气流进入塔式纯化装置，该装置由三个核心单元组成：
管壳式热交换器：将气流冷却至氢气露点，冷凝大部分水分
除雾器：吸收剩余的大部分湿度
第二级小型水平重力气液分离器：去除所有残余液滴，产出高质量氢气流
2. 深度纯化与储存
经过初步纯化的氢气进入缓冲罐暂存，随后定期释放至氢气纯化系统进行深度处理：
脱氧处理：在钯脱氧剂（DeOₓO）催化剂作用下净化氧杂质
干燥处理：通过吸附器柱进行深度干燥
最终产品：产出纯度达99.999%的干燥氢气，可直接进入压缩和储存环节
对于氧气路，气液分离后的氧气流通常直接排空处理。
六、系统优化设计
1. 碱液混合与搅拌
在电解液进入电解槽完成循环前，系统设置搅拌槽（在实际工业中代表一个管路系统），通过阀门调节阴极和阳极电解液的混合液流。由于两个半电解室的耗水量和产气量不对称，碱液混合是必需的工艺环节。需要注意的是，电解液混合可能增加气体杂质风险，因为从气液分离器流入的循环电解液中可能混有气泡，并在电解槽中进入相反的半电解室。
2. 系统特点总结
七、结语
碱性电解水制氢技术凭借其设备成熟、成本可控、规模灵活等优势，在可再生能源制氢领域占据重要地位。通过优化电源管理、强化气液分离效率、精确控制操作温度以及完善多级纯化工艺，该系统能够实现高效、稳定、高纯度的氢气生产，为清洁能源转型提供坚实的技术支撑。
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