水电解制氢技术与装备

氢作为绿色能源的载体，来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富，是推动传统化石能源清洁高效利用、支撑可再生能源大规模发展的理想互联媒介，也是实现交通运输、工业和建筑等领域大规模深度脱碳的 佳选择。氢能及燃料电池已经成为全球能源技术革命的重要方向。

本书展现了绿氢作为新能源的广阔前景，介绍了有关氢的知识，阐述了水电解制氢以及氢纯化、再生和安全生产。为了实现“双碳”目标,氢行业应通过技术创新,数倍地提高电流密度,显著降低制造成本和运行成本。氢已经作为二次清洁新能源登上历史舞台，大批研发、生产人员积极投入发展氢能的行列,他们迫切需要了解有关氢的制取、储存、运输.充装和使用的知识。本书可作为从事水电解制氢行业人员的教材，同时可供高等院校相关专业师生参考,还可供从事粉末冶金、工业气体生产设备制造以及管理人员借鉴。

第１章　绪论 １
１．１　氢能源  １
１．１．１　能源  １
１．１．２　绿色能源的载体———氢  ４
１．１．３　氢能的利用  ５
１．２　氢气的性质  １０
１．２．１　氢的物理性质  １０
１．２．２　氢的化学性质  １１
１．３　氢的制备  １４
１．３．１　实验室制氢  １４
１．３．２　变压吸附提纯氢  １５
１．３．３　氨的分解  １７
１．３．４　电解氯化钠水溶液  １８
１．３．５　水电解制氢  １８
１．４　氢的其他用途  ２２
１．４．１　工业上的应用  ２２
１．４．２　农业上的应用  ２４
１．４．３　医学上的应用  ２４
第２章　水电解的基本原理  ２６
２．１　水电解液  ２６
２．１．１　电解质溶液  ２６
２．１．２　电解液的选择  ２７
　 ２ 水电解制氢技术与装备
２．２　水的分解电压  ２９
２．２．１　电极电位  ２９
２．２．２　极化作用  ３５
２．２．３　电解液的电压损耗  ３９
２．３　电解反应  ４３
２．３．１　电解液的导电机理  ４３
２．３．２　电解时的电极反应  ４４
２．３．３　法拉第定律  ４７
２．４　能量衡算和物料衡算  ４９
２．４．１　电能消耗和电流效率  ４９
２．４．２　热量衡算  ４９
２．４．３　水的消耗  ５０
第３章　水电解制氢的装备及流程  ５１
３．１　水电解槽  ５２
３．１．１　水电解槽的基本构造  ５２
３．１．２　水电解槽的分类  ６２
３．１．３　水电解槽的技术性能  ６３
３．１．４　水电解槽历史  ６４
３．１．５　目前国产水电解槽  ６８
３．２　气体储存设备  ７８
３．２．１　湿式储气柜  ７８
３．２．２　压力储气罐（瓶）  ８１
３．２．３　气体的加压设备  ８７
３．２．４　氢气的压缩与充装  ９７
３．３　水电解制氢的流程  ９７
３．３．１　常压制氢工艺流程  ９７
３．３．２　压力制氢工艺流程  ９８
第４章　水电解槽的组装、运行和节能  １００
４．１　水电解槽的组装  １００
目　录３　
４．１．１　组装前的准备  １００
４．１．２　水电解槽的组装  １００
４．１．３　泄漏量试验  １０２
４．２　水电解槽的运行  １０２
４．２．１　开车与停车  １０３
４．２．２　工艺条件控制  １０４
４．２．３　其他操作  １０７
４．２．４　可能出现的问题及处理  １０８
４．３　水电解槽的腐蚀  １１１
４．３．１　腐蚀的表现  １１１
４．３．２　原因分析  １１２
４．４　水电解节能  １１５
４．４．１　降低极间电压  １１６
４．４．２　在电解液中加入添加剂  １１６
４．４．３　水电解槽的低负荷经济运行  １１８
第５章　氢气纯化 １２２
５．１　催化脱氧  １２３
５．１．１　催化脱氧的原理  １２３
５．１．２　催化剂及其性能  １２３
５．１．３　脱氧器  １２４
５．２　加压冷冻脱水  １２５
５．２．１　压缩脱水  １２６
５．２．２　冷冻脱水  １２６
５．３　吸附干燥  １２７
５．３．１　吸附的基本概念  １２７
５．３．２　几种常用的吸附剂  １２８
５．３．３　吸附剂的性能比较  １２９
５．３．４　吸附剂的加热再生  １３２
５．４　氢气再生  １３７
５．４．１　金属钨粉的生产  １３８
　 ４ 水电解制氢技术与装备
５．４．２　影响还原钨粉质量的因素  １４０
５．４．３　氢气再生装置  １４１
第６章　安全技术 １４７
６．１　可燃气的安全性  １４７
６．１．１　在系统及封闭环境产生混合气  １４７
６．１．２　可燃气泄漏在开放空间  １５０
６．１．３　氢气是相对较安全可控的可燃气  １５３
６．２　氢氧站厂房及设施的安全要求  １５４
６．２．１　氢氧站厂房的安全要求  １５４
６．２．２　氢氧站电气的安全技术  １５５
６．２．３　氢气管道的安全要求  １５７
６．２．４　氧气管道的安全要求  １６０
６．３　氢氧站的安全操作  １６７
６．３．１　防止产生混合气  １６７
６．３．２　氢气着火事故的处理  １７４
６．３．３　停产检修的安全  １７５
６．４　应重视氧气的安全  １７８
附录一　气体的露点-ppm- 湿度换算表  １８１
附录二　氢氧化钾水溶液的质量分数-密度-波美度换算表（１５℃） １８３
参考文献 １８５
第１章　绪论 １
１．１　氢能源  １
１．１．１　能源  １
１．１．２　绿色能源的载体———氢  ４
１．１．３　氢能的利用  ５
１．２　氢气的性质  １０
１．２．１　氢的物理性质  １０
１．２．２　氢的化学性质  １１
１．３　氢的制备  １４
１．３．１　实验室制氢  １４
１．３．２　变压吸附提纯氢  １５
１．３．３　氨的分解  １７
１．３．４　电解氯化钠水溶液  １８
１．３．５　水电解制氢  １８
１．４　氢的其他用途  ２２
１．４．１　工业上的应用  ２２
１．４．２　农业上的应用  ２４
１．４．３　医学上的应用  ２４
第２章　水电解的基本原理  ２６
２．１　水电解液  ２６
２．１．１　电解质溶液  ２６
２．１．２　电解液的选择  ２７
　 ２ 水电解制氢技术与装备
２．２　水的分解电压  ２９
２．２．１　电极电位  ２９
２．２．２　极化作用  ３５
２．２．３　电解液的电压损耗  ３９
２．３　电解反应  ４３
２．３．１　电解液的导电机理  ４３
２．３．２　电解时的电极反应  ４４
２．３．３　法拉第定律  ４７
２．４　能量衡算和物料衡算  ４９
２．４．１　电能消耗和电流效率  ４９
２．４．２　热量衡算  ４９
２．４．３　水的消耗  ５０
第３章　水电解制氢的装备及流程  ５１
３．１　水电解槽  ５２
３．１．１　水电解槽的基本构造  ５２
３．１．２　水电解槽的分类  ６２
３．１．３　水电解槽的技术性能  ６３
３．１．４　水电解槽历史  ６４
３．１．５　目前国产水电解槽  ６８
３．２　气体储存设备  ７８
３．２．１　湿式储气柜  ７８
３．２．２　压力储气罐（瓶）  ８１
３．２．３　气体的加压设备  ８７
３．２．４　氢气的压缩与充装  ９７
３．３　水电解制氢的流程  ９７
３．３．１　常压制氢工艺流程  ９７
３．３．２　压力制氢工艺流程  ９８
第４章　水电解槽的组装、运行和节能  １００
４．１　水电解槽的组装  １００
目　录３　
４．１．１　组装前的准备  １００
４．１．２　水电解槽的组装  １００
４．１．３　泄漏量试验  １０２
４．２　水电解槽的运行  １０２
４．２．１　开车与停车  １０３
４．２．２　工艺条件控制  １０４
４．２．３　其他操作  １０７
４．２．４　可能出现的问题及处理  １０８
４．３　水电解槽的腐蚀  １１１
４．３．１　腐蚀的表现  １１１
４．３．２　原因分析  １１２
４．４　水电解节能  １１５
４．４．１　降低极间电压  １１６
４．４．２　在电解液中加入添加剂  １１６
４．４．３　水电解槽的低负荷经济运行  １１８
第５章　氢气纯化 １２２
５．１　催化脱氧  １２３
５．１．１　催化脱氧的原理  １２３
５．１．２　催化剂及其性能  １２３
５．１．３　脱氧器  １２４
５．２　加压冷冻脱水  １２５
５．２．１　压缩脱水  １２６
５．２．２　冷冻脱水  １２６
５．３　吸附干燥  １２７
５．３．１　吸附的基本概念  １２７
５．３．２　几种常用的吸附剂  １２８
５．３．３　吸附剂的性能比较  １２９
５．３．４　吸附剂的加热再生  １３２
５．４　氢气再生  １３７
５．４．１　金属钨粉的生产  １３８
　 ４ 水电解制氢技术与装备
５．４．２　影响还原钨粉质量的因素  １４０
５．４．３　氢气再生装置  １４１
第６章　安全技术 １４７
６．１　可燃气的安全性  １４７
６．１．１　在系统及封闭环境产生混合气  １４７
６．１．２　可燃气泄漏在开放空间  １５０
６．１．３　氢气是相对较安全可控的可燃气  １５３
６．２　氢氧站厂房及设施的安全要求  １５４
６．２．１　氢氧站厂房的安全要求  １５４
６．２．２　氢氧站电气的安全技术  １５５
６．２．３　氢气管道的安全要求  １５７
６．２．４　氧气管道的安全要求  １６０
６．３　氢氧站的安全操作  １６７
６．３．１　防止产生混合气  １６７
６．３．２　氢气着火事故的处理  １７４
６．３．３　停产检修的安全  １７５
６．４　应重视氧气的安全  １７８
附录一　气体的露点-ppm- 湿度换算表  １８１
附录二　氢氧化钾水溶液的质量分数-密度-波美度换算表（１５℃） １８３
参考文献 １８５

两百多年前.瓦特发明了燕汽机,第 一 次工业革命是以煤炭为动力,替代人力、畜力,使 19 世纪的世界发生了翻天覆地的变化。1732 年富兰克林发现了电.法拉第发明了发电机,爱迪生试验并改进了白炽灯;1908 年美国人福特引入流水线生产内燃机汽车。第二次工业革命开始以石油、天然气为动力,推动世界进入电气化时代,为20 世纪的人们开创了新的世界。由于现代人过量地消耗化石燃料,不仅使煤、石油和天然气的储量不断降低.而且使自己赖以生存的大地、空气和水已经被严重地污染。气候变暖,地震频发，海平面升高,地球两极的冰川创纪录地融化,正威胁着世界上千千万万的生灵,包括人类自己。第三次能源革命是清洁能源逐步替代化石燃料，人类制取绿电和绿氢,实现全球能源互联网。由于电是以光速传播的,也就是说从发电、传输到使用是在瞬间完成的。人类至今很难将电能直接大规模储存，而且储存的成本很高。但直接储氢却可以做到,不仅可将氢储存在人造容器里,而且还可以将巨量的氢储存在地下,其中盐碱含水层和枯竭的油气藏是 佳的地质选择。氢是清洁能源，是后碳时代的制胜法宝。现在还要建立氢网,并将电网和氢网耦合，进而实现电能与氢能的相互转换。这样，人类不仅享有全球网络化的清洁电力，而且还拥有大规模绿氢。氢能系统可利用新能源处理富余的电能进行制氢，储存起来或供下游产业使用;当电力系统负荷增大时,储存起来的氢能可利用燃料电池进行发电回馈电网，且此过程清洁高效、生产灵活。氢不仅是宇宙中含量 多的元素,而且占地球表面积约 71%的水,就是氢的“大仓库”。氢制取方便.性能优异,不仅可以直接使用,而且可以通过燃料电池把氢转变为电,小到充电器,大到发电站,不需要输变电。为了适应各种储运方式及应用环境的要求,氢可以以气态、液态或固态的氢化物呈现。制取零碳的绿氢,储存、运输、加注和使用氢，氢正加速进入交通、工业、储能和发电等领域。人类用水制氢，氢在使用后又变成水,这充分体现了大自然的规律。氢已被视为 21 世纪 具发展潜力的清洁能源。可再生能源一般都远离用电密集区,而且其电力是不稳定的,上网和传输都有难度。那么,在现场用电解水的方法把电直接转化成氢,实现非并网就地消纳，这是理想的选择。用可再生能源大规模电解水制氢,我国在这一领域已经走在世界前列，而且呈井喷式发展。第 一次能源革命使英国成为日不落帝国,在这方面引领世界约一百五十年。第次能源革命让美国在 150 年前开始引领世界。现在,中美欧都在争取成为第三次能源革命引领者,未来中国将引领第三次能源革命。首先,我国在可再生能源设备制造上,不管是光伏、风电,还是水电,在技术上都已经达到世界先进水平.而且市场占有率是世界第 一。在这些领域,中国在过去三年里,已经向包括欧美在内的全世界范围提供了 60%的装备。此外，占世界 50%的电动车由中国制造,还占有 70%以上的动力电池市场。在 近 20 年,我国实现了四纵六横的智能电网系统.而且将电网互联互通摆在“一带一路”的核心位置。 近,联合国在推进电力洲际远程传输的互联网,此工程是建立在中国的超高压直流输变电技术基础上的。这意味着几十年后,世界将不再是每年几万亿美元的石油贸易，而是在全球能源互联网上每年几万亿美元的清洁电力贸易。因为越来越严峻的气候问题， 近欧盟提出:从2026 年开始征收碳排放税，其税率预计会达到商品金额的 20%以上。届时如还在用煤炭火力发电，一些低档产品就会因附加高昂的税收而出不了国门,制造业就会流向使用清洁能源的国家和地区形势已经十分紧迫，这是百年未遇的挑战,当然也是难得的机遇。我们要加倍地努力,大力发展清洁能源,加快建设新型电力系统,实现能源革命和信息化革命,打拼出-个海阔天空的未来早日实现我国的“双碳”目标.尽快用可再生能源电解水制取绿氢，替代灰氢、蓝氢,成为大规模供氢的能源主体,这是时代的呼唤。作为从事水电解制氢的工作者.更应该积极发挥作用,努力做出贡献。应尽快依靠技术创新，数倍地提高设备产能.大幅降低制氢和纯化设备的制造成本,降低用户的运行成本,从根本上彻底消除设备的腐蚀渗漏,使装置能长周期无故障地高效运行。为此,本人编写了《水电解制氢技术与装备》这本书。书中展现了氢能在一些国家的快速发展;详细叙述了水电解制氢、纯化、使用和氢的回收、再生;指出了在用氢还原金属氧化物的氢气再生装置存在的严重缺陷,造成后续的金属粉末、硬质合金质量问题;还讲述了本行业的热点、难点问题,以及 新科技发展和值得借鉴的国际标准。书的结尾,是以图文并茂的事故案例作为各种安全技术的佐证,使大家能透过现象看到事故的前因后果,提高在紧急情况下处理各种事故的应变能力。与氢同行，氢创未来。氢和电一样也是 重要的能源载体,也要走进千家万户让我们一起迎接绿电十绿氢的双能源时代的到来。 后,希望大家都能为早日使用清洁能源,建设美丽的祖国,共同保护好地球家园而努力做出新的贡献。谨此,能为这座通向绿氢的彩虹桥增添一份基石。也恳请广大读者赐数、指正王廉舫2023年元月于上海