電解水制氫系統(tǒng)組成與工藝原理圖詳解
電解水制氫裝置設備和組成方式各種各樣，但主要生產(chǎn)流程基本相同，工藝流程也大同小異。從電解槽產(chǎn)生的氣體必須通過氣液分離、降溫后才能輸出使用。本篇文章主要介紹電解水制氫裝置的組成與工藝系統(tǒng)流程圖的詳解。
一、電解水制氫系統(tǒng)的的結構組成
如下圖所示，我們看到，電解水制氫系統(tǒng)組成示意圖，主要由電解槽、分離器、洗滌器、冷卻器、供水、加堿等設備組成。電解槽是電解水制氫系統(tǒng)的核心設備，為了降低水的電阻，提高電解效率，必須在水中加入NaOH或KOH電解質，配成30%左右的堿液注入電解槽。電解水同時產(chǎn)生氫氣與氧氣，兩種氣體處理方式相同，下面對兩路輸出氣體做簡單介紹。
電解槽是電解水制氫系統(tǒng)的核心設備，為了降低水的電阻，提高電解效率，必須在水中加入NaOH或KOH電解質，配成30%左右的堿液注入電解槽。電解水同時產(chǎn)生氫氣與氧氣，兩種氣體處理方式相同，下面對兩路輸出氣體做簡單介紹。
先看氫氣端，綠色箭頭線代表氫氣管道與走向。由電解槽電解出來的氫氣中含有較多堿液，先經(jīng)過氣液分離器把堿液分離出去，再通過洗滌器進一步分離出殘余的堿液，得到純凈的氫氣，再通過冷卻器輸出到儲氫罐備用。
氧氣端基本相同，紅色箭頭線代表氧氣管道與走向。由電解槽電解出來的氧氣中含有較多堿液，先經(jīng)過氣液分離器把堿液分離出去、再通過洗滌器進一步分離出殘余的堿液、得到純凈的氧氣，再通過冷卻器到儲氧罐存儲或放空。
下面對主要設備的結構、工作原理與作用做介紹：電解槽的工作原理與結構在《單極電解槽結構與原理》與《雙極式電解槽結構》課件中已介紹過，這里不再介紹。
（1）氣液分離器
電解槽產(chǎn)生的氫氣與氧氣由電解槽排出進入分離器，含有堿液，氣體中也有霧狀的堿液，必須將堿液分離出去，氣液分離器可實現(xiàn)氣液的分離，圖2是氣液分離器的結構圖，氫氣分離器與氧氣分離器結構相同。
氣液分離器有一個能承受一定壓力的容器，稱為殼體，殼體由筒體與封頭組成。在殼體內有繞成螺旋狀的金屬管，金屬管兩端接到殼體的管口，連接冷卻水管。殼體上方有氣體出口，殼體底部有液體出口，殼體側面有氣液混合物入口與純凈水入口，見圖2左圖。
（2）電解水制氫汽水分離器
圖2右圖為氣液分離器工作原理圖，分離器是利用重力沉降分離的方法，進入分離器的氣液混合物中的液體下沉到分離器底部，氣體部分進入上部空間，由于氣體中含有液滴等霧狀液體，還要進行分離。在分離器內的冷卻水管使分離器內保持較低的溫度，溫度下降使氣體中的霧狀液粒結成大的液滴，大的液滴因重量下降到下面液體中，實現(xiàn)氣液分離。分離出的氣體從上部出口輸出。氣液分離器安裝位置要高于電解槽，保證電解槽生成氣體上升到分離器，具體連接見圖1。
實際的氣液分離器內用多管并列方式，以加大換熱面積。換熱器結構有多種，這里不另介紹了。
氣液分離器側面還有上下2個液位取樣口，用來測量分離器內液位。分離器液位下降時，補充液體來自洗滌器。分離出的液體由下部出口返回電解槽。
氣液分離器上部有壓力取樣口，該點壓力代表系統(tǒng)壓力。
氣液分離器還有臥式結構，可增大氣液接觸面積，減少設備高度。
（3）氣體洗滌器
從氣液分離器出來的氣體仍會含有少量的霧狀堿液與水蒸氣，通過氣體洗滌器可洗去殘存的液體。
圖3是氣體洗滌器的結構圖，洗滌器同樣是一個能承受一定壓力的容器，容器頂部有氣體入口，底部有純凈水入口，在側面中部有水出口，在側面上方有氣體出口。頂部還有冷卻水管的出口與入口，。在洗滌器內部有螺旋狀的金屬管是冷卻水管。在洗滌器內部有一根直管，管上端是氣體入口，管下端有一個喇叭口，喇叭口邊緣為鋸齒狀，見圖3左圖。
（4）電解水制氫氣體洗滌器
洗滌器工作原理如題3右圖所示，從分離器來的氣體從洗滌器頂部進入直管，直管下半部分浸在純凈水中，氣體從鋸齒狀喇叭口出來形成無數(shù)小氣泡通過純凈水上升(下方白色箭頭線表示氣體走向)，無數(shù)小氣泡與水有很大的接觸面積。純凈水溫較低，小氣泡中的液體會溶于水中。純凈氣體從上部出口輸出。純凈水從底部進入洗滌器，補充系統(tǒng)因電解失去的水分。洗滌器安裝位置要高于氣體分離器，以保證內部液體能流入分離器，具體連接見圖1。
氣體洗滌器也有采用噴淋加篩板的結構。洗滌器與臥式氣液分離器合成一體，在電解水制氫系統(tǒng)中也有較多應用。
（5）換熱器、冷卻器、干燥器 換熱器
在電解水時堿液溫度會上升，為了保證電解槽內堿液溫度維持在85度至90度，必須對進入電解槽的堿液通過換熱器進行降溫。換熱器是一個能承受一定壓力的容器，在容器內有螺旋狀管道，管道接到容器外接口。換熱器內有循環(huán)冷卻水，堿液通過管道時就會降溫。進入換熱器的冷卻水受控制閥控制流量，維持適當?shù)慕禍胤取?span style="display:none">476實驗室、工廠供氣氣路管道設計安裝-濟南深藍環(huán)境工程有限公司
（6）冷卻器
系統(tǒng)生成的氫氣與氧氣在輸出前通過冷卻器進一步降溫，冷卻器結構與換熱器類似。
（7）過濾器
在生產(chǎn)過程中堿液中可能產(chǎn)生固態(tài)雜質，需經(jīng)過過濾器除去這些雜質才能重新進入電解槽。
（8）干燥器
有些制氫系統(tǒng)配有干燥器，利用干燥劑對氫氣進一步干燥，對輸出的氫氣進一步干燥，干燥器種類很多，這里不具體介紹了。
純凈水裝置、加堿裝置、冷卻水水箱 純凈水裝置
電解過程要消耗大量的水，要不斷向系統(tǒng)補充純凈水。小型電解水系統(tǒng)可直接向純凈水箱注入蒸餾水。大中型電解水系統(tǒng)配有專門的純凈水生產(chǎn)設備，直接用自來水生產(chǎn)純凈水。自來水經(jīng)過多種方式過濾后再反滲透裝置處理后生成純凈水。純凈水通過補水泵送往氣體洗滌器。
純凈水采用去離子水可以增加電解水制氫設備的使用壽命，提高電解效率。
（9）堿液罐
電解水制氫使用30%濃度的純凈堿液，是用純凈水或蒸餾水加純凈的NaOH(或KOH)配制。
大中型系統(tǒng)的堿液在堿液罐配置，堿液罐有一套配堿裝置，由配堿泵與多個閥門組成。配堿時開啟配堿泵，堿液罐內的水開始在泵的作用下循環(huán)，把固體KOH逐漸加入到堿液罐中，到堿液比重達到1.28左右時，氫氧化鈉溶液濃度為則30%左右。配堿泵在閥門控制下把堿液送往循環(huán)泵，注入電解槽。從理論上說電解質不會消耗，但生成過程中若發(fā)現(xiàn)電解槽堿液濃度有下降是需要補充堿液的。
當制氫系統(tǒng)停車檢修時，配堿泵在閥門控制下把堿液從系統(tǒng)中抽出送往堿液罐存儲。
（10）冷卻水箱
在電解水時堿液溫度會上升，為了保證電解槽內堿液溫度維持在85度至90度，必須對進入電解槽的堿液進行降溫。分離器與洗滌器需要冷卻，直流電源需要冷卻，都靠水冷卻，系統(tǒng)中設有冷卻水箱。冷卻水也要比較純凈的水，不帶酸性或堿性，通過冷卻水泵向系統(tǒng)提供冷卻水。返回的冷卻水要經(jīng)過散熱器降溫才能返回水箱，散熱器采用風扇散熱。
（11）電解槽直流電源
電解槽的直流電源輸出電壓與電流要根據(jù)電解槽規(guī)格配套，中小型電解水制氫系統(tǒng)直流電源輸出電壓數(shù)十伏，電流數(shù)百安，供電電源直接采用380V交流電，轉換成直流電輸出，電源裝置釆用風扇降溫或水冷卻。大型電解水制氫系統(tǒng)的電源輸出電壓超200V，電流超5000A，供電電源采用3kV或6kV或10kV等高電壓。電源系統(tǒng)采用風冷卻，功率電子器件采用水冷卻。
電解直流電源的輸出電壓與電流均要可控。
（12）其他設備 閥門
制氫系統(tǒng)中有多種閥門，有電動的電磁閥，防止流體倒流的止回閥，有可連續(xù)調節(jié)流量的控制閥(調節(jié)閥)，還有很多的手動閥門。用這些閥門與管道就可以把各個設備連接起來，并實現(xiàn)多種工藝操作。為防止意外系統(tǒng)還要安裝安全閥。
（13）水泵
制氫系統(tǒng)中堿液的循環(huán)非常重要，因為電解過程產(chǎn)生大量的熱量，需把堿液循環(huán)到電解槽外進行降溫，堿液循環(huán)泵負責系統(tǒng)的堿液循環(huán)，循環(huán)的路徑是：循環(huán)泵→電解槽→汽水分離器→換熱器→過濾器→循環(huán)泵→電解槽，堿液在換熱器降溫后經(jīng)循環(huán)泵返回電解槽。循環(huán)有利于電解氣體的排出，提高電解效率。堿液
系統(tǒng)中還有負責補充純凈水的補水泵。
負責冷卻水循環(huán)的冷卻水泵。
加堿罐有自帶的配堿泵。
純凈水裝置可能配有進水泵，等等。
二、電解水制氫系統(tǒng)工藝系統(tǒng)流程圖
電解水制氫系統(tǒng)的工藝流程圖與控制圖，原理說明中已簡單介紹了電解水制氫系統(tǒng)的工藝流程，在圖2中介紹了氣液分離器的結構與工作原理，在圖3中介紹了氣體洗滌器的結構與工作原理，也介紹了其他其他主要設備。電解水生產(chǎn)過程控制由系統(tǒng)控制器進行，下面對生產(chǎn)工藝控制作介紹，介紹幾個主要的控制項目，其中一些控制參數(shù)僅做參考。 系統(tǒng)中安裝有溫度變送器、壓力變送器、差壓變送器、流量變送器采集生成過程的數(shù)據(jù)、各變送器通過電纜連接到系統(tǒng)控制器(計算機控制中心)，系統(tǒng)控制器可以是微型計算機或PLC可編程控制器或其他工業(yè)控制機。控制器根據(jù)監(jiān)控信息控制系統(tǒng)正常運行。系統(tǒng)還安裝許多現(xiàn)場觀測的壓力表、溫度計、液位計等，方便人工監(jiān)視。
(1)壓力控制
在電解水過程中，要求電解槽、分離器、洗滌器等裝置在正常的壓力下工作，壓力控制也是系統(tǒng)設備安全的重要保證。壓力主要影響電解效率，適當?shù)母邏嚎山档碗娊庖旱暮瑲舛龋闺娊庖簩щ娦栽鰪姡岣唠娊庑省５珘毫μ邥龃髿錃夂脱鯕庠陔娊庖褐械娜芙舛龋瑴p少了氫氣與氧氣的產(chǎn)量。電解水制氫系統(tǒng)的主要設備都設有壓力測量，圖3中僅顯示了氫分離器的壓力測量點P1，該點壓力能反映系統(tǒng)壓力，即電解槽、分離器、洗滌器等的壓力。由于不同的電解水制氫設備的組成，結構不同，系統(tǒng)壓力設定也不同，低的設在0.5MPa至1.0MPa，高的達4.0MPa，具體數(shù)值要看產(chǎn)品說明書。
壓力變送器把壓力轉換成電信號給控制器處理。
系統(tǒng)壓力控制主要通過氫氣洗滌器輸出調節(jié)閥與氧氣洗滌器輸出調節(jié)閥的開度來調節(jié)壓力，
在冷卻器、儲氣罐等設備上都有壓力檢測，就不介紹了。
電解槽氫氣與氧氣兩側的壓力差控制
若電解槽氫、氧兩側的壓力相差過大，會造成氫氧氣相互滲透形成混合氣體，混合氣體極易產(chǎn)生爆炸。在氫氣洗滌器與氧氣洗滌器的上方各有一個壓力取樣口，通過管道連接到差壓變送器Pd，系統(tǒng)控制器根據(jù)壓差對氫氣洗滌器輸出調節(jié)閥與氧氣洗滌器輸出調節(jié)閥進行控制，使壓差保持在安全范圍內，一般電解水制氫系統(tǒng)允許壓差為±50mm水柱。
(2)氣水分離器的液位控制
前面介紹過洗滌器的液位由液體出口高度決定，而氣水分離器的液位需系統(tǒng)控制器來控制。
氣水分離器的安裝高度要高于電解槽，分離器的液位就是電解槽的液位，保證電解槽充滿電解液。
電解時產(chǎn)生氫氣和氧氣，會使氣水分離器的液位逐漸下降，如果液位太低，氣體有可能進到下面的出液管，發(fā)生氫氣與氧氣混合，是極其危險的，所以保持氣水分離器的液位在安全范圍內非常重要。
氫氣和氧氣的氣水分離器結構相同，在氣水分離器側面上下有2個液位取壓點，通過管道連接液位變送器(一種差壓變送器)L1與L2，系統(tǒng)控制器根據(jù)變送器的信號控制純凈水箱的補水泵給洗滌器補水，洗滌器的水通過上彎管到氣水分離器，保證氣水分離器的液位在安全范圍內。
冷卻水箱也有液位檢測。
(3)溫度控制
系統(tǒng)多個設備有溫度測量與控制，主要有電解槽液溫、氣液分離器內溫度、冷卻水箱溫度等，由于檢測點較多，圖中未標出。
電解槽溫度非常重要，溫度超過90℃會有大量水蒸氣混入氫氣和氧氣，影響系統(tǒng)效率，連續(xù)高溫運行使電解槽內石棉隔膜的壽命縮短。但電解槽內溫度過低會影響電解效率，系統(tǒng)溫度通常控制在80~90℃。電解槽溫度高時要啟動冷卻水泵，特別是換熱器的冷卻。也可減小電解槽的電流，若溫度超過上限值就要關閉電解槽電源。電解槽本身帶有溫度測量裝置，小電解槽在氫氣出口管安裝溫度測量裝置，由溫度變送器把信號傳給控制器處理。
氣液分離器內溫度要比電解槽溫低才有利于氣液分離，同樣靠冷卻水降溫。
當冷卻水箱水溫較高時要加大散熱器風扇力度，降低進入冷卻水箱的水的溫度。
在氫氣冷卻器與氧氣冷卻器上有溫度檢測點。
(4)流量檢測
在氫氣冷卻器與氧氣冷卻器的輸出管道有氣體瞬時流量檢測，F(xiàn)1是氫氣瞬時流量變送器，F(xiàn)2是氧氣瞬時流量變送器。系統(tǒng)控制器將瞬時流量與輸入電解槽的瞬時電功率比較可得到此時的電解效率。系統(tǒng)控制器把瞬時流量累計起來就是累計時段的氣體產(chǎn)量。
(5)其他
純凈水生產(chǎn)設備是獨立的設備，本身有獨立的控制設備，有溫度、壓力、液位、流量以及多個電氣參數(shù)檢測與控制。
直流電源設備除了電氣參數(shù)檢測與控制外，還有溫度測量與冷卻水控制。
大中型電解水制氫系統(tǒng)的許多部件都安裝有現(xiàn)場壓力與溫度檢測儀表，并且有報警功能。
系統(tǒng)有電解液濃度檢測點，可定時取樣進行分析。
系統(tǒng)中有許多閥門，有開與關的電磁閥，也有防止液體或氣體倒流的止回閥，還有手動閥門，這些閥門控制各設備之間的連接。還有一些在檢修時進行放空與排污的閥門。
電解水制氫系統(tǒng)設備的定制，裝備需要詳細設計與圖紙校對，歡迎聯(lián)系濟南電解水制氫系統(tǒng)設備的定制廠家深藍環(huán)境，定制試驗設備，高校大學實驗用裝置，小試中試設備廠家定做，價格優(yōu)惠。
