碱性水溶液制氢电解槽设计

碱性水溶液制氢电解槽设计

氢是一种低排热值的清洁能源，广泛应用于现代工业、能源等领域。碱性电解水制氢设备可分为电解水制氢装置、氢气纯化装置、电气控制装置3个部分。制氢设备运行时,电能通过电解槽将KOH溶液(电解液)电解为氢气与KOH溶液的混合液以及氧气与KOH溶液的混合液,后经气水分离器将气体和溶液分离,KOH溶液回流至电解槽,氧气处理后可直接排空碱性水溶液制氢电解槽是整个制氢设备的核心,原因有2点:一是电解槽的性能直接影响整个制氢系统的制氢效率,不可忽视;二是电解槽制造成本占整个设备成本的比例很大,约30%—60%,设备产氢量越大,电解槽所占整个设备成本的比例越高。本文根据设计经验,对在标况下每h产氢量在10—100m1室局部放大结构及工作原理如图1所示,碱性水溶液制氢电解槽由端压板、接线板、极板、绝缘套筒、密封垫等多个零部件组成。电解槽还包括数十甚至上百个电解小室,每个电解小室以相邻的2个极板为分界,包括正极板、析氧电极、隔膜、密封垫圈、析氢电极、负极板6部分。电解小室局部放大结构及工作原理如图2所示。在电解过程中,负极发生还原反应生成氢气,正极发生氧化反应生成氧气。由于隔膜的阻碍,氢气和氧气不能大量通过隔膜达到另一侧混合在一起,而电解液可通过隔膜进入另一侧。产生的化学反应如下负极:2H正极:2OH总反应:考虑到长期运行的安全性,大型制氢电解槽主要采用中间接正极两端接负极的接电形式,相当于2个电解槽并联,少部分采用一端接正、一端接负的接电形式,本文介绍的是前者。正常工作时,KOH溶液从电解槽端压板下部碱液进口法兰流入,进入各电解小室,在小室内电解后,从端压板上部碱液出口法兰流出气体和KOH溶液的混合液。碱性水溶液制氢电解槽的设计参数:工作温度60—80℃,电解液是质量分数为20%—40%的KOH溶液,设计压力3.2MPa(电解槽产氢量≤20m2电解槽的设计方法制氢电解槽的设计可按4步进行:确定极板尺寸、确定小室数量、确定总电流和总电压、确定紧固件及端压板。2.1布图式度设计极板是电解槽最主要的重复性核心部件,结构如图3所示,主要由主极板和极框焊接而成极框的厚度由设计者布图所得。如图2所示,一个小室相邻2个极板上的凸起组装时要对顶,其间的空隙要容纳下析氢电极、析氧电极、隔膜、密封垫圈,并能保证和其他小室配合。极板的直径根据设计要求中的产氢量和现有主极板模具尺寸选定,同时考虑组装后的电解槽长径比,确保电解槽的刚度。2.2确定电解槽密度根据法拉第定律,标准状态下,制取1mol氢气需要2×96500C电量。1mol氢气在标准状态下的体积为22.43×10因此,标准状态下,制取氢气所需理论电量为(4)式中:电解槽的电流密度受到电极性能、电解槽结构、设备运行压力、电解槽温度等多方面影响,需要测试确定。单个电解小室的电流为电流密度与电解面积的乘积。小室数(5)式中:2.3操作电压的确定电解槽的接电方式对总电压和总电流有直接影响,这里以“一正两负”结构为例。水电解时,为了克服电流流经电解池时的电阻电压降和极化电动势,在一对电极上所加的电压必须大于水的理论分解电压。因此,电解过程操作电压应是水的理论分解电压、电解池的电阻电压、极化电动势的总和。操作电压=式中:“一正两负”的电解槽从中间极板开始,可以看做是2个电解槽并联在一起。所以,其总电压数值应为电解小室数的1/2,总电流值为22.4确定盘板及端压板电解槽的密封性靠两端压板压紧保证,紧固所用的拉紧螺栓和大螺母必须经过调质处理,提高紧固件的整体强度。槽体所需的拉紧力可以根据压力容器密封面的设计计算,结合电解槽工作状态下的变形量确定所使用的碟簧组数槽体两侧的端压板结构如图4所示,设有螺栓安装孔、接线板、碱液进口、氢侧出口、氧侧出口。端压板采用厚钢板直接加工。在确定端压板厚度时,可将端压板简化为承受内压用螺栓连接的圆平盖3电解槽的设计应注意哪些问题3.1组成结构的种类碱性水溶液制氢电解槽零部件多为重复性的压滤式结构,零部件种类少数量多。设计时要考虑组装情况,以防电解槽内部零部件之间、电解槽外接零部件、电解槽与组装辅助设备之间产生干涉。3.2电解小室温度过高小型电解槽温度分布基本一致,但大中型电解槽在长期运行的过程中会出现各部分温度不均匀的情况,造成部分电解小室温度过高烧毁。因此,在设计大型电解槽时,要保证每个小室的电解液在电解槽内的路径一样,从而保证整个电解槽温度均布。3.3解槽接正电分析按电源在电解槽上的接线形式,可分为“一正一负”和“一正两负”2种电解槽。“一正一负”是指电解槽一端接正电,一端接负电;“一正两负”是指电解槽中间极板接正电,两端压板接负电。由于该种制氢电解槽多采用卧式安装,在长期运行的过程若电解槽底部出现液体,“一正一负”结构有短路的危险,以致设备损坏,而“一正两负”不会出现这种情况,鉴于此种情况,现多用“一正两负”的设计方式。3.4双循环和脱氢器为了提高氢气纯度,某些单位在设计制氢电解槽时,将氢侧和氧侧的电解液分开进入电解槽,采用“双循环”。与目前多用的将电解液一起进入电解槽的混合式循环相比,采用“双循环”能使氢气纯度略微提高,但由于多了一套碱液循环系统,成本提高了很多。若只是为了提高氢气纯度,从工艺上在纯化装置里增加脱氢器即可。考虑工业化应用,不建议使用“双循环”。3.5极板上变形数量对电流密度的影响实际运行中,电解槽的电流密度是由电极性