電解水電解槽的選擇

1、國內(nèi)外水電解槽的生產(chǎn)概況及主要品牌國外情況箱式水電解制氫裝置：電解槽中最古老的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式，有單極型的，也有雙極型 的。在這種箱式結(jié)構(gòu)中，電極是倒掛在箱蓋上的，設(shè)在箱蓋上的集氣管把氫氣、氧 氣送到氫、氧分離器中，原料水補(bǔ)給是采用電磁閥控制的，運(yùn)行溫度為65-75C，壓 力為100-120mmH0，氫氣純度99%.2厄利康水電解槽：是BBC公司和厄利康公司生產(chǎn)的，壓力型方形電解槽。陽極為鍍 鎳層，陰極有三硫化二鎳活化層和無機(jī)活化層兩種。電解小室上的氫氧支管直接連 到氫氧分離器中，分離器在槽體上面，洗滌器單獨(dú)設(shè)置，電解液由裝在槽體上的立 式離心泵進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)。主要參數(shù)如下：電解液KON25%，工作

2、溫度75C，工作壓 力為常壓，氫氣純度99.8%，當(dāng)電流密度為2000時(shí)，小室電壓為1.9v。海德爾水電解槽：挪威制造，常壓型水電解槽。槽體由撐腳型電極和隔膜框組成， 輔助設(shè)備位于電解槽端頭，和電解槽固定在同一底板上。生產(chǎn)規(guī)模100-400m3/h，外 形尺寸5400*2500*4005-13200*3700*5200,重量17-41t。主要參數(shù)如下：工作溫度 75-80C，出氣壓力 1 -3Kpa，純度 99.9%，直流耗電 4.10.1Wh/m3H2（4000Ah）。EV水電解槽：由德國馬克公司生產(chǎn)的EV電解槽是常壓型方形電解槽。陽極采用鍍 鎳的月牙形孔板，陰極采用二硫化三鎳活化處理的月牙

3、形孔板，石棉隔膜布周邊包 以橡膠，起密封作用?？蚣苡蓛蓧K薄框組成，分別位于石棉隔膜兩側(cè)。小室寬度約 30mm，極板、框架和密封圈的上下部位都有整齊的小孔，這樣構(gòu)成了電解槽內(nèi)部氣、 液道孔，使電解液能均勻地進(jìn)入各電解小室，產(chǎn)品氣也能最快的速度排出。電解液 采用自然循環(huán)，分離器和均壓罐置于槽體上部，這樣提高了分離器的高度，確保了 電解液能自然循環(huán)。均壓罐起到洗滌和調(diào)節(jié)氫氧兩側(cè)氣壓的作用。如果氣壓超過了 規(guī)定的壓力時(shí)，氣體可以通過均壓罐排空。主要參數(shù)：工作溫度80C，工作壓力為 常壓，電解液25%K0H，純度99.8%-99.9%，電流密度2000A/m3，小室電壓1.9v，直 流電耗 4.5-5K

4、W.h/N m3H2。.魯奇水電解槽：最早工業(yè)化的壓力水電解槽，裝置中的電解槽和分離器組裝成一個(gè)整體。電解小室為圓形，主極板為沖壓成凹凸?fàn)畹谋O，陽極為鍍鎳的鋼絲網(wǎng)，陰 極為活化處理的鋼絲網(wǎng)（專利上位鉑黑），凹凸?fàn)畹闹鳂O板把陰陽極緊緊的壓在隔膜 石棉布的兩側(cè)，石棉布的周邊包有氟塑料薄膜作為小室的密封，這樣使小室的厚度 很薄，僅為常壓電解槽厚度的1/5 .此電解槽運(yùn)行壓力較高，電解液采用強(qiáng)制循環(huán)， 氣體壓力，氫氧間壓差，原料水的補(bǔ)充及電解液的液位均采用自動(dòng)控制，并沒有必 要的報(bào)警裝置及防空等。主要參數(shù):工作溫度90C，工作壓力3.0Mpa，電解液25%K0H， 純度 99.8%-99.9%，電流

5、密度 3000A/m3，小室電壓 2.0v （2300 A/m3時(shí)為 1.9v），直 流電耗4.3-4.6KW.h/N皿3電。大型魯奇水電解槽（376-750沒/h）小室數(shù)達(dá)280-556個(gè)，電流為6600A，電壓 為273-540V，其供電方式是中間接正，兩邊接負(fù)。該電解槽的專利是國內(nèi)先進(jìn)水電 解槽開發(fā)時(shí)的主要參考資料。.特雷德維爾氧氣發(fā)生器：該發(fā)生器是專為核潛艇艇員供氧而研制的，它可以在沖擊和振動(dòng)的條件下操作，裝置本身非常小型化，安置該裝置只需及有限的空間。裝置 設(shè)計(jì)成若干單極性的電室，每個(gè)電室都是一個(gè)壓力容器，它們串聯(lián)在一起組成整個(gè) 裝置。鎳制的壓力圓筒為電室的正極，負(fù)極是鍍鎳的銅絲網(wǎng)筒

6、，外面包有石棉布， 以作為隔膜。肺熱是通過給壓力容器的表面吹冷風(fēng)或在筒外面設(shè)置冷水夾套來排除 的。這臺(tái)裝置的工作壓力為200個(gè)大氣壓，是全自動(dòng)操作的，非常安全。所產(chǎn)生的 氫氣排至船舷外。主要參數(shù)：工作溫度90C,工作壓力3.0Mpa，電解液30%K0H, 氫氣純度99.4%-99.8%，氧氣純度98.8%-99.8%,直流電流750A,直流電壓3V,每 臺(tái)每小時(shí)產(chǎn)氫量0.31 m3,直流電耗,7.2KW.h/N 口3鳥。1.7.美國德立臺(tái)能源公司生產(chǎn)的較為先進(jìn)的水電解槽，目前主要有HM和EC兩個(gè)產(chǎn)品， 整個(gè)工藝裝置(包括氫氣純化)都布置在一個(gè)箱體內(nèi)。結(jié)構(gòu)上顯得極為緊湊，自動(dòng) 化程度很高，做到了

7、無人值守。電解槽采用雙極性壓濾型電極結(jié)構(gòu)，框采用工程塑 料制作，隔膜為石棉紙，厚度極薄，僅為0.7mm。與眾不同之處是，氫氧兩側(cè)的壓 力是不同的，氫側(cè)壓力比氧側(cè)高0.14Mpa，所以陰極室是沒有電解液的，僅靠陽極 室的電解液將石棉浸濕而已，所以在裝置中只設(shè)置氧分離器。再則此電解槽的電極 來自于宇航局的燃料電池，據(jù)稱運(yùn)行電流密度可達(dá)8000-10000A/m2，電解過程在 0.7Mpa的壓力下運(yùn)行，最近的產(chǎn)品已設(shè)定在1.0Mpa下運(yùn)行，經(jīng)純化后的氫氣純度 可達(dá)99.9998%，為超純氫。主要參數(shù)：工作溫度85C，工作壓力0.7Mpa，電解液 25%K0H，HM型發(fā)生器電流為300A,氫氣純度為9

8、9.9998%HM的最大產(chǎn)量為11.2 m3/h EC的最大產(chǎn)量為42 m3/h，產(chǎn)品中有移動(dòng)式制氫站供應(yīng)。2國內(nèi)情況、型 號(hào) 項(xiàng)目DQ-4DY-24DY-30DY-125DQ375工作溫 度 (C)85585585580590工作壓 力(MPa)1.01.04.9-5.92.94-4.91.6電解液26-30%KOH26-30%KOH22-24%KOH20-26%KOH 或 28-34%30%KOH小室數(shù)(個(gè))301003050254直流電 流(A)330610240060006600直流電 壓(V)7223030103254氫氣純 度(%)99.7%99.7%99.7%99.7%99.8%

9、外形尺 寸(mm)1885*628*9094950*1048*22033150*2500*42004600*4000*40005100*1790*2100備注早期用于20WKW的氫冷發(fā)電機(jī)組 上。小型裝置主要用于冶金、 石油、化工及醫(yī) 藥等行業(yè)。分常 壓和低壓型。常壓方形電解 槽，主要用于冶 金、石油、化工 及醫(yī)藥等彳丁業(yè)。常壓方形電解 槽，主要用于冶 金、石油、化工 及醫(yī)藥等彳丁業(yè)。目前國內(nèi)最大的 電解槽2004年 研制成功，05年 通過技術(shù)鑒定。 用于人造寶石的 冶煉電解槽技術(shù)研究方向在電解制氫中，能耗始終是核心問題。影響能耗的主要因素，從電化學(xué)理論來看，主要 是：一是電極材料決定的電極的

10、超電位；二是電解液及隔膜的電阻，也是由電解液和隔膜材 料的品種及電解室的結(jié)構(gòu)來決定的。所以近年來，人們把主要研究方向定位于對(duì)電極、隔膜 及電解質(zhì)材料的研究上。在電極方面，陽極采用鍍鎳或鎳絲是可行的，因?yàn)檠踉阪嚿系某?位很低（為0.005V），因此不作為研究重點(diǎn)。而陰極用鎳，其超電位較高O2-0.4V），所以 重點(diǎn)研究陰極材料（用鉑作為陰極，超電位幾乎為零，但是成本高）。此外，隔膜材料也是 節(jié)能的技術(shù)重點(diǎn)。陰極材料的研究采用新的電極材料，提高電極的催化活性，降低電極的超電位，或是增大電極的比表 面積，從而提高電極的電流密度。用鉑作為陰極，超電位幾乎為零，但是成本高，人們不斷地研究取代之德新型材

11、料， 研究發(fā)現(xiàn)：單一材料的電極很難達(dá)到目的，為此，研究采用合金材料來達(dá)到目的。研究方向 有：鐵基材料、鎳基材料和鎳-硫合金電極。鎳基活性材料：鎳基合金材料制作方法相對(duì)簡單，成本也較低。ReneyNi合金，它是鎳與Al的合金，在堿性溶液中浸泡后，濾出Al后得到蜂 窩狀結(jié)構(gòu)，其比表面積比光亮的鎳高出2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，因此單位面積上的電流相對(duì) 減少，降低了真實(shí)電流密度，達(dá)到降低析氫超電位的目的。其缺點(diǎn)是間歇電解條件 下穩(wěn)定性較差，活性降得很快，因此還需尋找其他來替代。Ni-Mo 合金，在 30%NaOH，70C,500mA/cm2時(shí)，析氫電位僅為 0.09V，缺點(diǎn) 是：Mo溶出就會(huì)失去活性，而且合金本

12、身不甚穩(wěn)定，在間歇運(yùn)行的情況不是很好。 1.3為了提高Ni-Mo合金的性能，人們對(duì)其加入其他元素以制取非晶態(tài)合金電極， 其他元素有助于提高電極表面粗糙度。采用分步電沉積的方法來添加其他元素。如： 底層先鍍鎳，中間層為Ni-P合金鍍層，最外層是Ni-Zn-P與Ni-Mo-P合金鍍層。1.4 Ni-RuO2鍍層，是析氫超電位降低300mV，且能在一個(gè)月內(nèi)保持穩(wěn)定。類似的 還有Ni/NiFeS復(fù)合鍍層，在80C時(shí)析氫電位僅為138mV,且可以連續(xù)運(yùn)行200小時(shí) 后仍然活性保持穩(wěn)定。Ni-S 合金：Ni-S合金用于電解水時(shí)，電化學(xué)活性高，析氫電位低，耗能少，間歇電解活性 穩(wěn)定。例如挪威海德爾公司用C/

13、Ni-S電極，在電流密度達(dá)4000A/m2時(shí)，小室電壓不 超過2.0V，美國德立臺(tái)采用Ni/Ni-S電極，電流密度可達(dá)上萬。Ni-S電極也存在缺點(diǎn)，隨著電解時(shí)間的延長會(huì)出現(xiàn)硫的溶出，活性會(huì)降低等問 題。研究發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)硫含量適中時(shí)，硫才會(huì)在涂層中形成析氫活化成分Ni3S2。Ni-S電極是一種比較有應(yīng)用前景的、研究的比較透徹的析氫電極，用電沉積法 制備這種電極具有沉積速度快、操作簡單、成本低的特點(diǎn)，備受推崇。無機(jī)離子膜水電解制氫設(shè)備1985年，比利時(shí)的范登堡博士研究的性能優(yōu)異的、全新概念的無機(jī)膜片電解技 術(shù)，是水電解裝置的一次技術(shù)革命。無機(jī)離子膜片解決了上一代制氫設(shè)備采用石棉膜 所產(chǎn)生的一系列問

14、題，不再采用循環(huán)泵，節(jié)約能耗，免除維修。達(dá)到了真正意義上的 全靜態(tài)制氫。優(yōu)點(diǎn)：先進(jìn)的無機(jī)堿性離子膜。這種膜很?。?2.mm），具有離子通透性強(qiáng)，氫、氧氣體 分離度高，陰、陽兩極間的電阻小等特點(diǎn)，因此膜電壓低，陰、陽兩極的極間距幾乎 為零，在增加電流密度時(shí)，不會(huì)增加槽電壓，因此發(fā)熱量小，電解效率高。無機(jī)堿性離子膜不易破裂，在堿性溶液中不溶解，不會(huì)造成因膜滲透性差而導(dǎo)致的 運(yùn)行問題，該膜也沒有溶渣，不會(huì)發(fā)生電解槽結(jié)垢、污染、堵塞等問題。電解液全自然循環(huán)設(shè)計(jì)。利用電解液和產(chǎn)氣的比重差異，使內(nèi)部堿液自然循環(huán)至電 解槽。整個(gè)槽體的工作溫度不超過65度，整臺(tái)設(shè)備每年的KON補(bǔ)充量不超過20升， 且不會(huì)被污

15、染。電解液的循環(huán)回路是集成一體的、完全密閉。高安全設(shè)計(jì)。本設(shè)備制造采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)中最高的EN標(biāo)準(zhǔn)制造。工藝的全過程，包 括所有相關(guān)參數(shù)（系統(tǒng)壓力、溫度、液位、氧中氫、氫中氧、電解電壓）均由微機(jī)進(jìn) 行連續(xù)監(jiān)控，每個(gè)可能導(dǎo)致危險(xiǎn)的情況都設(shè)置有硬件保護(hù)系統(tǒng)，保護(hù)系統(tǒng)為冗余保護(hù) 設(shè)計(jì)，另外還有軟控措施。主要參數(shù)：工作溫度65C，工作壓力8-25Pa，電解液30%KOH，加氫干燥器 后氫氣純度可達(dá)99.9998%，露點(diǎn)-75C。能耗4.2KW.h/N m3H2，采用標(biāo)準(zhǔn)化和緊湊 設(shè)計(jì)，大大減少了設(shè)備的體積。無機(jī)膜制氫設(shè)備采用具有全球性專利的雙極板集成系 統(tǒng)，生產(chǎn)出了體積小但功率強(qiáng)大的電解槽，型號(hào)有IMET

16、R-7，IMETR-10，IMETR-30。 例如IMETR-30，產(chǎn)氫能力為30Nm3/h，但整個(gè)系統(tǒng)體積較小。固體聚合物電解質(zhì)（SPE）水電解制氫技術(shù)SPE水電解技術(shù)是用全氟磺酸型膜來替代傳統(tǒng)的堿性水電解質(zhì)和石棉布隔膜，起到產(chǎn)品 氣分離和陰陽離子傳遞的作用，氫離子沿著膜上的磺酸根移動(dòng)，而導(dǎo)電的磺酸根離子是固定 在膜的網(wǎng)絡(luò)上的，這與液體導(dǎo)電是根本不同的。其基本原理是把去離子水注入陽極區(qū)，在直流電的作用下，分解生成氧氣、氫離子和 電子，氧氣經(jīng)設(shè)置的流道輸出，氫離子以水和離子的形式透過膜滲透到陰極上，而電子經(jīng)由 外電路流到陰極上，電子與氫離子結(jié)合生成氫氣，同時(shí)也把部分水帶到陰極。電解槽體的結(jié)構(gòu)同

17、樣也是由若干個(gè)小室疊加而成，各小室內(nèi)均設(shè)有氣、液通道，確保 水及產(chǎn)品氣各行其道。該技術(shù)的核心技術(shù)是膜-電極組件（EMA），采用在SPE膜的兩側(cè)嵌入催化物質(zhì)作為電 極，使膜與電極成為一個(gè)整體。當(dāng)今用得最多離子交換膜是美國杜邦公司研制的Nafion膜， 該膜是以聚四氟乙烯為基材，接枝有磺酸氟的全氟乙烯基醚，其結(jié)構(gòu)被稱之為“離子蔟網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)模型”，其原理是：此膜中離子的傳遞是由水合作用、磺酸基團(tuán)的靜電力和氟碳骨架彈力三者平衡作用的結(jié)果。膜內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)是質(zhì)子和水分子遷移的唯一通道。由于全氟磺酸離子交換膜是強(qiáng)酸性的，電極處于強(qiáng)酸環(huán)境中，這就要求電極材料能耐 強(qiáng)酸，同時(shí)又要降低小室電壓，因此必須采用貴金屬材料（Pt），電極的制作通常采用化學(xué) 還原法，在膜表面及膜內(nèi)幾微米出沉積貴金屬鉑，這樣沉積的鉑顆粒不僅結(jié)合牢固，且性能 良好。固體聚合物電解質(zhì)水電解制氫技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：電流密度高，可達(dá)10000A/m2以上性能穩(wěn)定，壽命長，可達(dá)30年以上運(yùn)行安全，因?yàn)殡娊庖菏羌兯?，無腐蝕問題產(chǎn)品氣純度高，可達(dá)99.99%結(jié)構(gòu)簡單，無冷卻水系統(tǒng)，電解質(zhì)膜片又很薄，貴金屬（Pt）電極嵌在膜上，實(shí)現(xiàn) 了電極的零距離，不僅