水电解制氢装置

水电解制氢装置讲义

中国船舶重工 第七一八研究所

集 团 公 司 1

水电解制氢装置讲义

目 录

前 言 .................................................. 1

通用部分

第一章 氢 气 .......................................... 1 第一节 氢气的制备 .................................... 1 第二节 氢气的性质和用途 .............................. 6 第二章 水电解制氢 ...................................... 8 第一节 水电解制氢装置的工作原理 ...................... 8 第二节 水电解制氢装置的用途与技术参数 ................ 9 第三节 水电解制氢装置 ............................... 12 1. 水电解制氢装置的组成 ........................... 12 2. 工艺流程简介 ................................... 12 3. 电解槽 ......................................... 15 4. 处理器（框架I） ................................ 20 第四节 其它设备 ..................................... 30 1. 控制柜 .......................................... 30 2. 整流装置 ........................................ 30 3. 计算机系统 ...................................... 30 4. 框架Ⅱ .......................................... 30 5. 框架Ⅲ .......................................... 31

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6. 柱塞泵 .......................................... 31 7. 碱箱、水箱 ...................................... 33 8. 阻火器 .......................................... 33 第三章 安 装 ......................................... 35

1. 制氢站 .......................................... 35 2. 工艺部分 ........................................ 36 3. 自控部分 ........................................ 40 4. 整流部分 ........................................ 42 第四章 设备维护、安全事项与故障的排除 .................. 43 第五章 配制电解液 ..................................... 50 第一节 物料及器材 ................................... 50 第二节 碱液配制方法 ................................. 51

专用部分

第六章 微机控制系统的操作规程 .......................... 57 第一节 开机前的准备 ................................. 57 第二节 开机顺序 ..................................... 76 第七章 气动仪表控制系统的操作规程 ...................... 80 第一节 开机前的准备 ................................. 80 第二节 开机顺序 ..................................... 82 附录1 NaOH溶液温度比重对照表 .......................... 84 附录2 氢氧化钾溶液比重表 .............................. 85 附录3 KOH溶液比重——温度——浓度关系表 ............... 86

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前 言

自从1800年尼尔科森等人成功地将水电解成氢气和氧气以来，水电解制氢技术的发展已有近200年的历史了。现今，水电解制氢技术已在全世界得到了普遍的应用。由于能源的日渐紧张和工业飞速发展，对氢的需求量也在不断的增加，致使世界各国纷纷制定研制新型水电解制氢技术的发展规划。而当前水电解制氢技术普遍存在的问题是能耗大、效率低、成本高。针对这些问题，世界各国除对现行技术进行改进外，同时还在研究和探索新的水电解制氢工艺，寻找新型隔膜和材料，力图降低能耗，提高水电解制氢效率。

当前工业水电解制氢装置多数仍采用石棉隔膜，操作温度80～90℃，操作压力0.7～3.2Mpa，小室电压2.0～2.2V，氢气纯度≥99.8％（体积比），氧气纯度≥99.2％，使用寿命15～20年。

同时，高效水电解制氢装置、固体聚合物和高温水蒸汽固体聚合物水电解制氢装置也在研制中。固体聚合物水电解制氢装置具有效率高、能耗低、安全可靠、体积小、重量轻的优点，具有广阔的应用前景。

我所是全国唯一的一家从事水电解制氢技术研究的科研单位，至今已有四十多年的历史。我所研制开发的水电解制氢装置是在总结以前的科研成果并吸收国内外同类装置优点的基础上研制而成的。经过多年的努力，逐步形成了现今具有相当规模的系列产品。从0.5m3/h～300m3/h的不同型号和不同规格的水电解制氢装置，我所均已设计生产。这些产品已广泛地应用于航天、电力、电子、冶金、化工、气象和玻璃制造等工业部门，并有多台已出口国外。

我所研制生产的水电解制氢装置配套齐全。设备的主要技术指标接近或达

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到国外同类装置的先进水平。槽体密封性能好，在反复开停机的条件下确保槽体不漏。在自动控制方面，可根据用户的要求采用气动控制、程序控制和最先进的微机控制。设备具有很高的自动化和标准化程度，便于操作和维护。

在设计和生产过程中，我们严格遵循质量第一，用户至上的原则，严把质量关，确保不合格的产品不出厂。同时，我们还为用户提供周到的售后服务，指导安装调试，代培运行操作人员。

由于时间紧迫，水平有限，错误缺点在所难免，请批评指正。

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第二节 氢气的性质和用途

1. 氢气的性质

氢气是无色、无臭、无毒和无味的可燃气体。它同氮气、氩气、甲烷等气体一样，都是窒息气，可使肺缺氧。氢是最轻的气体，分子量是2.0158。它的粘度最小，导热系数高，临介温度－239.9℃，凝固点－259.14℃。氢气的化学性质活泼，可与许多非金属化合，生成各种类型的氢化物。

氢气是一种易燃、易爆的气体。在空气中的爆炸极限：上限75.5％，下限4％；在纯氧中的爆炸极限：上限94％，下限4％。氢气的着火性能随着温度和压力的不同而变化。通常压力增加，温度上升，可燃气体混合物的着火下限降低，上限提高，着火范围变宽。压力、温度下降则相反。氢气的燃烧过程由于密闭、引燃的状况和气体组合等条件的不同，可以成为爆炸和爆轰两种燃烧反应中的任何一种。

2. 氢气的用途

氢气广泛应用于化学、冶金、电子、电力等工业部门。在化学化工方面，氢是合成氨、氯化氢、有机合成的氢化反应和油脂硬化等的原料。在尼龙、塑料、农药的生产中也都离不开氢，需加入一定纯度的氢气，生产相应的产品。

在冶金工业中，氢气的使用颇为广泛。在有色金属——钨、钼、钛等的生产和加工中，使用高纯度的氢气作为还原气。在一些磁性材料、磁性合金的生产中，需要高纯度氢气作保护气，以提高其磁性和稳定性；在硅钢片的生产中，需要高纯度的氢气作保护气；在硬质合金、粉末冶金材料的生产中，也需要高纯度氢气作保护气；在一些薄板、带钢的轧制中常常使用氮气——氢气混合气作为保护气。

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在电子工业中，也十分广泛地使用高纯度氢气，主要用于电子材料、半导体材料和器件、集成电路以及真空器件的生产。

在建筑材料和轻工业中，如玻璃和人造宝石的制造和加工，氢气被广泛地用作燃烧气和保护气；在电力工业中，氢气可作为汽轮发电机的冷却剂。液态氢又是宇航和火箭的重要燃料；固态氢具有金属性并有超导性能。

氢气的应用不只上述几个方面。由于能源危机，氢气作为一种新型能源受到人们的普遍重视。人们已认识到，尽管能从煤、石油和天燃气等原料中制取氢气，但这些原料正逐年减少以至枯竭，人们不得不寻找新型的能源。水电解制氢是比较理想的。许多专家认为，未来除了电以外，起重要作用的一种二次能量载体将是氢气。氢气具有许多优点，它便于储存和运输，对环境无污染，被誉为“清洁”的新能源。

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第二章 水电解制氢

第一节 水电解制氢装置的工作原理

1. 电解定律

任何物质在电解过程中，在数量上的变化都服从法拉第定律：

1.1 电解时，在电极上析出的物质的数量，与通过溶液的电流强度和通电时间成正比，也就是说与通过溶液的电量成正比，即

G＝KeIt 式中：G——化学反应生成物的量 I——电流 t——通电时间 Ke——电化当量

1.2用相同的电量通过不同的电解质溶液时，各种溶液在两极上析出的物质量与它的电化当量成正比，而析出1克当量的任何物质都需要96500库伦（C）的电量，以法拉第（F）表示。（1法拉第＝96500库伦＝26.8安培·小时）

显然，电化当量的数值应等于化学当量e被法拉第常数除所得的商，即

e G＝KeIt＝ ·It

F因此在阴极上析出1克分子的氢，所需的电量为： It＝G·F/e＝2×26.8/l＝53.6（安·时） 2. 水的电解

水存在下面的电离平衡：

H2O H＋＋OH－

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将一对电极插入水中，通以电流，氢离子逐渐向阴极移动，在阴极上取得电子被还原为H2。Na＋或K＋离子在电解液的浓度下，其析出电位要比氢析出电位负得多，因此阴极上H＋先放电，析出氢；OH－逐渐移向阳极，阳极失去电子而被氧化为O2。

纯水是极弱的电解质，H＋及OH－离子浓度极少，在25℃时，[H＋]＝1×10－7M；[OH－]＝1×10－7M。所以纯水几乎是不导电的。所以在水电解时必须加入其它的强电解质，如NaOH或KOH，以增强导电能力。此时，

阳极反应：4OH――4e＝2H2O＋O2↑ 阴极反应：4H2O＋4e＝2H2↑＋4OH－ 总 反 应：2H2O＝2H2↑＋O2↑ 从反应方程式看出：

1) 水电解时，产生一份氧气和两份氢气。

2) 加入OH－只起导电作用，在电解过程中不被消耗。

第二节 水电解制氢装置的用途与技术参数

1. 设备的用途

水电解制氢除用于宇航、核潜艇和水下试验室等军事设备外，还广泛用于化工、冶金、电子、电力、航天、建材、气象等工业部门。

2. 主要技术参数（部分型号）（见表1）。

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表1 ZDQ5～300型及CNDQ5～10型水电解制氢装置主要技术参数表（20℃）

型 号 3氢气产量（Nm/h） 3氧气产量（Nm/h） 氢气纯度（V/V） 氧气纯度（V/V） 工作压力（Mpa） 3氢气含水量(g/Nm) 3氢气含碱量(mg/Nm) 电解槽工作温度（℃） 直流额定电流(A) 直流额定电压(V) 纯水耗量(kg/h) 3冷却水用量(m/h) 主电源动力电源容量(KVA) 电解槽直流电耗 碱液浓度 自控气源压力 气源耗量 主电源动力电电压 整流柜电源 控制柜电源 冷却水温度 冷却水压力 冷却水水质 环境温度 ZDQ-5 5 2.5 ZDQ-8 ZDQ-10 ZDQ-12 ZDQ-16 ZDQ-20 ZDQ-24 ZDQ-30 ZDQ-40 ZDQ-50 ZDQ-60 ZDQ-65 8 10 12 16 20 24 30 40 50 60 65 4 5 6 8 10 12 15 20 25 30 32.5 ≥99.8% ≥99.2% 1.5～3.2 1.5～3.2 ≤4 ≤1 85±5 380 760 1450 64 74 96 122 146 90 114 138 170 114 146 170 186 5 6 8 10 12 16 20 24 30 40 50 60 65 1.3 1.4 1.6 1.9 2.1 3.6 4.1 4.6 5.1 6.6 8.1 9.1 9.6 40 48 63 80 90 110 125 160 200 250 315 380 400 3≤4.8kwh/mH2 25%NaOH或30%KOH 0.5～0.7MPa 35m/h AC 6kv 或10KV（50Hz） AC 380V(50Hz)变压器在整流柜内 1KW 380V 三相四线 50Hz 6KVA 380V 三相四线 50Hz ≤32℃ 0.4～0.6MPa ≤6德国度 0～45℃ ZDQ-6 6 3 10

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续表1 型 号 ZDQ-80 ZDQ-100 ZDQ-125 ZDQ-150 ZDQ-175 ZDQ-200 ZDQ-225 ZDQ-250 ZDQ-275 ZDQ-300 ZDQ-350 CNDQ-5 CNDQ-10 3氢气产量（Nm/h） 80 100 125 150 175 200 225 250 275 300 350 5 10 3氧气产量（Nm/h） 40 50 62.5 75 137.5 100 112.5 125 137.5 150 175 2.5 5 氢气纯度（V/V） ≥99.8％ 氧气纯度（V/V） ≥99.2% 工作压力（Mpa） 1.5 2.0 1.5～3.2 3氢气含水量(g/Nm) ≤4 3氢气含碱量(mg/Nm) ≤1 电解槽工作温度（℃） 85±5 直流额定电流(A) 4560 6360 820 直流额定电压(V) 82 102 126 150 126 146 162 182 198 218 250 30 58 纯水耗量(kg/h) 80 100 125 150 175 200 225 250 275 300 350 5 10 3冷却水用量(m/h) 12 15 20 25 26 28 33 38 43 48 55 1.3 1.9 主电源动力电源容量(KVA) 630 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2700 40 80 3电解槽直流电耗 ≤4.6Kwh/mH2 碱液浓度 25%NaOH或30％KOH 自控气源压力 0.5－0.7Mpa 3气源耗量 5m/h 主电源动力电电压 6KV或10KV(50Hz) AC380V(50Hz) 变压器在整流柜内 整流柜电源 1KW 380V 三相四线 50Hz 6 kVA 、AC380V 控制柜电源 10KVA 380V 三相四线 50Hz 三相四线 50Hz 冷却水温度 ≤32℃ 冷却水压力 0.4－0.6Mpa 冷却水水质 ≤6德国度 环境温度 0－45℃

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第三节 水电解制氢装置

1. 水电解制氢装置的组成

本装置由电解槽、气液处理器、整流装置、控制柜（计算机管理系统）、加水泵、碱箱、水箱等几大部分组成。 2. 工艺流程简介

2.1 气体系统

当电解槽接通直流电源，电解电流上升到一定数值时，电解槽内的水被电解成氢气和氧气。来自电解槽内各电解小室阴极侧的氢气和碱液，借助循环泵的扬程和气体升力，进入氢分离洗涤器的分离段（制氢量≥80m3/h的先进入碱液换热器，然后进入分离器），在重力的作用下氢气和碱液分离。分离后的气体进入洗涤段，对气体进行冷却、洗涤（制氢量≥175m3/h的无洗涤）和除雾，然后进入贮罐待用（对CNDQ型制氢装置，气体再经过干燥处理才进入贮罐）。

氧气分离过程基本相同。氧气放空或进入贮罐待用。 2.2 电解液循环系统

电解液循环的目的在于向电极区域补充电解消耗的纯水，带走电解过程中产生的氢气、氧气和热量，增加电极区域电解液的搅拌，减少浓差极化电压，降低碱液中的含气度，降低小室电压，减少能耗等，以使电解槽在稳定条件下工作。

碱液循环量的大小影响槽内小室电压和气体纯度。对于一个特定的电解槽，应有一个合适的循环量。一般槽内电解液更换次数每小时2～4次。在常压电解系统中，通常用自然循环，而在压力电解系统中，因电解装置体积小，管道细，

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气液流通阻力大，加上电流密度较大，要求电解液更换的次数比较多，采用自然循环难于达到，一般采用强制循环。

碱液在氢分离器和氧分离器中，靠重力作用与氢、氧气体分离后，通过氢氧分离器的连通管汇总，再经碱液过滤器除去机械杂质，然后由碱液循环泵把碱液送入电解槽，形成完整的电解液循环系统。

2.3 气体排空（氮气置换）系统

水电解制氢装置设有充氮口，用于系统的气密检查与开机前的氮气置换。 制氢系统开车后，氢气纯度达到要求后才能被送到贮罐（或净化设备），在未达到要求纯度以前的氢气可通过调节阀后的气体放空阀放空。

当水电解制氢装置压力压差系统由于调节阀阀芯的磨损而出现失控现象时或紧急事故需要将水电解制氢系统排空时，可直接打开“手动”气体放空阀，使氢氧气体分别放出，但要注意氢氧分离器液位差不大于±150mmH2O。

2.4 原料水补充系统

电解过程中，装置内的原料水一直不停地在消耗，因此，为保证水电解的连续进行，需定期向制氢装置内补充原料水。

水箱中的水通过加水泵分别打入氢、氧洗涤器，然后通过溢流管，注入分离器下部的液相部分和循环碱液一并进入电解小室进行连续电解，同时使电解液中碱的浓度保持在最佳浓度范围。

原料水通过注入洗涤器然后再溢流到分离器，可以稀释洗涤器中的碱含量，降低产品气的含碱度。为保证水电解制氢装置压力系统中的气体和碱液在加水泵停转期间不外漏，在加水管道上均装有止回阀。运行过程中，只开启单个补水回路，即只开氢侧或氧侧补水回路。

2.5 冷却水系统

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总管中的冷却水共分为三路：一路进入整流柜供可控硅元件冷却，一路进入氢（氧）洗涤器的蛇管（产氢量≥175m3/h的设备是进入气体冷却器）冷却氢（氧）气体。上述二路均为手控截止阀开度来调节所需的冷却水量。

另外一路冷却水通过气动薄膜调节阀控制进入分离器蛇管中（产氢量≥80m3/h的设备是控制进入碱液冷却器中），根据循环碱液温度的高低自动控制冷却水量，从而达到控制操作温度的目的。

对于CNDQ5～10型装置，还有第四路冷却水，第四路冷却水进入氢气干燥系统用气体冷却器中，以给待干燥的气体降温或冷却从干燥器出来的再生气体。

2.6 排污系统 排污管道共分四处：

第一处：为碱液过滤器底部，通过过滤器排污阀排出碱液和过滤器中过滤下来的石棉绒杂质及污物。对CNDQ5～10型装置，可通过拆卸管道过滤器法兰来清除机械杂物。

第二、三处：为水箱和碱箱底部排污口，通过其排污阀排出箱中的污物或残液。

第四处：从氢气干燥部分的气水分离器中排出冷凝水（仅用于CNDQ5～10型装置）。

2.7 补碱系统

CNDQ－5～10装置需补碱时，应在停机泄压状态下进行，按要求计算应补充碱的数量，重新配制碱液，通过碱箱到电解槽的阀门系统将碱液打入电解槽中，对ZDQ系列的装置需补充的碱液可直接送入分离器的连通管，直接进入碱液循环中，在补碱管道上也装有止回阀。

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3. 电解槽

3.1 电解槽的分类 3.1.1 单极性电解槽

单极性电解槽是由外部并联若干个单元电解槽组成的。而单元电解槽则由若干个彼此交替着的、彼此平行的阳极板和阴极板组成。每个单元浸没在盛有电解液的箱中，箱可以是开放的，也可以是密闭的。

图1 单极性电解槽示意图

在这种联接中，每块极板只有一个极性，即一块板只担负着阳极作用，或只担负着阴极作用，因此称为单极性电解槽。

单极电解槽安装、维修简便，但效率低，体积大。 3.1.2 双极性压滤式电解槽

以串联式双极性压滤式电解槽为例，电解槽的极板也是垂直的，互相平行排列，电流只从一端极板导入，通过电极经电解液，传到下一块极板，最后由另一端极板输出。由于操作电压的关系，造成电解槽电压输入端至输出端的递降，这样就使得前一块极板相对于次一块极板就带正电荷。因此，对同一块极板而言，在前一个电解小室中作阴极，在下一个电解小室中就作阳极，即每块极板的正面是阴极，背面是阳极。一块板起着两种极性作用，因此称为双极性电解槽。

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1 阳极 2 隔膜 3 外壳 4 阴极

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单阳极 隔膜 双极性电极 单阴极 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ― ― ― ― ＋ ＋ ＋ ＋ ― ― ― ― ＋ ＋ ＋ ＋ ― ― ― ― ＋ ＋ ＋ ＋ ― ― ― ― ＋ ＋ ＋ ＋ ― ― ― ― －

图2 双极性电解槽示意图

双极性水电解槽中的每块极板都传导总的电流。

总的电流强度极板上的电流密度＝ 极板正面（或背面）面积槽内电压决定于相邻两电极的电位差。电解槽的总电压为各个小室电压之和。

双极性水电解槽使用有绝缘边的隔膜作为电解小室的中间层，这样具有压滤机的结构，所以又称为双极性压滤式电解槽。

双极性压滤式电解槽的体积小，效率高，但造价高，维修不便。 3.2 加压水电解槽的特点

3.2.1 加压水电解槽采用双极性压滤式电解槽型式，在压力下运行，氢气可在压力情况下进入氢气纯化干燥装置或贮氢罐，不需氢压机。

3.2.2 电解槽的操作温度比常压电解槽高，因此提高了电解液的电导率，电解效率高，小室电压较低，降低了能耗和制氢成本；

3.2.3 槽体的密封性能好，允许间断操作，使用寿命可达15～20年；产品气体质量高，氢气纯度超过行业标准（CB3521－93）；

3.3 电解槽的结构及作用 3.3.1 电解槽外部结构

电解槽为并联双极性压滤式结构，由螺栓和二块端压板把极板夹在一起，

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呈园柱体结构。

（1）大螺栓、大螺母、弹簧导套、蝶形弹簧等用来将各小室间的垫片压紧，使槽体能承受内压，保证槽体不漏。必须使各螺栓承受有一定的预紧力，而且各螺栓受力要均匀。

（2）端压板：两端的端压板的作用是承受电解槽的内部压力及密封垫片的密封压力。电解槽在1.5－3.2Mpa压力下工作，承受的压力很大，因此要有足够的厚度，以免变形并保证槽体的密封性。

（3）输电板：电解槽的中间极板和左右端极板上都焊有输电板。中间极板接直流输出正极，两个端极板接直流输出负极。

一般工业上用的电解槽也可采用串联型式，即一端为正极，另一端为负极。正负端极板与端压板间有良好的绝缘。

3.3.2 电解槽的内部结构

电解槽的每个小室由阳极板、阳副极网、隔膜、垫片、阴副极网、阴极板组成。在电解槽中，每块极板既是阳极又是阴极，中间极板为阳极，左右端极板为阴极，极板面向中间极板的一侧为阴极，另一侧为阳极。在阴极上产生氢气，在阳极上产生氧气。在槽体上除中间极板、左端极板、右端极板外，按极板处的位置不同又分为左极板和右极板，它们的区别在于出气孔的位置不同。

（1）极板：极板（又称圾框组件）是由主极板和极框焊接后镀镍而成。镍是非消耗性电极，在碱液里不会被腐蚀，超电压低。极板上的乳头起支承副极网、隔膜布和输电的作用。电解液能够在乳头与隔膜布形成的空间里流动。

（2）阴副极网：用纯镍丝编织而成的，又用等离子喷涂法涂上拉内

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镍活化层，使用前要用稀碱液进行活化处理。电化学反应时，在其表面上产生氢气。

（3）阳副极网：与阴副极网相同（可不喷涂拉内镍），电化学反应时，在其表面上产生氧气。

（4）隔膜：现行工业水电解槽通常采用石棉布作为隔膜。隔膜的作用是隔开电解时所产生的氢、氧气体，而不阻止离子运动。石棉隔膜布在25％NaOH(或30%KOH)溶液里长期使用时其工作温度不得高于90℃。隔膜石棉布必须符合国家标准。

（5）绝缘密封垫：绝缘密封垫即起绝缘作用，又起密封作用，它是采用特制的塑料模压而成的，也可与石棉布模压在一起，是比较理想的密封材料。

（6）压片：压片是用来保护极板上的进液孔和出气孔的。当垫片压紧时，保证各通道不被密封垫的塑料因填充而阻塞。

（7）电解槽内各种孔道的设置：观察电解槽总装配图，在左右端极板的中下部有外接管口，它们是电解液的进口，电解液从端极板进入槽体，穿过左、右极板和密封垫片的液流孔道到达中间极板内，再通过中间极板下部的孔，经极板下部液体环道，通过进液孔分配到各小室里去。水电解后，各阳极小室生成的氧气和碱液一起通过出气孔经气体环道一同流出氧气出口管；各阴极室生成的氢气和碱液一同流出氢气出口管。

（8）电解槽采用对角线循环路径，各电解小室碱液循环量均匀，小室电压均匀。

3.4 电解槽使用时的注意事项及故障与维护 3.4.1 注意事项

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电解槽是水电解制氢装置的核心，它的使用寿命与操作维护紧密相关。严格地按照操作说明书进行操作使用是电解槽经久耐用的关键所在。所以在使用中必须注意下述各点：

（1） 槽温控制在90℃以下； （2） 槽压控制在规定值范围内； （3） 电解液循环量控制在正常值； （4） 密切监视气体纯度；

（5）按时测量小室电压，测电压时注意电极方向，且不能让电压表某一极棒的触头同时接触两片极板造成短路；

（6）电解槽上一定要清理干净，不得有金属物和碱液等导电介质，周围不能放置其它金属物品，以防不慎落在槽体上造成小室短路；

（7）定期清洗过滤器，清除滤网上的石棉绒毛和其它杂质；

（8）向槽体内补充的原料水水质一定要符合要求。电解质为分析纯或优级纯NaOH或KOH，定期测量碱液浓度，使浓度处于合适值。电解液中杂质的含量应控制在：SO4－2<100mg/L；Fe＋3<3mg/L；Cl－<800mg/L。

（9）电解槽前放一橡胶板，测量电压时踏于橡胶板上，以确保操作人员的安全。

3.4.2 故障与维护

（1）电解槽个别小室电压不断增加到2.5伏或者更高，这说明此小室内电解液流通不畅，这时需要停车，清洗过滤器，打开电解槽下面的排污阀，排除污物，再开车。用碱液循环泵大流量循环碱液，通过冲刷作用把堵塞的小室通道疏通。如还不行，则要考虑相邻两片极板短路，使它们内部不产生气体；

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（2）法兰接口处漏碱：适当拧紧螺母或更换聚四氟垫片；

（3）弹簧片碎裂：每根拉紧螺栓受力都是很大的，碟形弹簧长期处于工作状态，有可能由于加工质量不佳，出现碟片破裂现象，这时可先停车待温度恢复到常温状态时，在其它螺栓拧紧的情况下松开相应的螺栓，拆下损坏的弹簧片，换上备件重新拧紧；

（4）气体纯度下降：当碱液循环量正常，差压和碱液温度控制正常情况下，如果气体纯度不断下降，氢气纯度到98.5％以下，则要考虑石棉隔膜布可能破损，这时电解槽则需大修。把槽体拆开，更换全部氟塑料隔膜石棉布垫片，重新组装；

（5）电解槽温度过高，整流柜上电流表达不到额定值；如果整流柜本身没出问题，则要考虑电解液被不洁原料水所污染，电阻过大，至使电流达不到额定值，应更换电解液。 4. 处理器（框架I）

4.1 处理器的作用

处理器是一个包含许多化工过程的多功能综合设备，它的作用如下： 1. 把从电解槽来的气液混合物在分离设备中进行气液分离。

2. 把分离出来的气体（氢气和氧气）进行冷却、洗涤和除雾（除去气体夹带的液滴），以制成产品气。

3.把分离后的碱液进行冷却以维持电解系统的适宜温度。

4. 通过碱液过滤器除去碱液中机械杂质或绒毛（主要由电解槽中的隔膜产生）。

5. 通过碱液循环泵提升碱液的压力，以维持碱液以适宜的流量在系统中流

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动，从电解槽中带出电解产生的气体和在电解过程中产生的热量，促使电解液进行搅拌，保证电解槽的正常电解过程。

4.2 处理器的结构

由于制氢装置的产氢量从5～300 m3/h变化范围很大，因此要完成以上的综合功能，内部组成上有一些不同的构成，比如对ZDQ5～65 m3/h系列，完成分离、冷却、除雾等过程全部在立式氢（氧）分离洗涤器中来完成；对ZDQ80～150 m3/h型，把气一液分离、碱液冷却和气体的洗涤、冷却和除雾分成三个单独的设备，即卧式氢（氧）分离器，碱液冷却器和立式氢（氧）洗涤器；对ZDQ175～300 m3/h型，主要由卧式氢（氧）分离器，碱液冷却器和氢（氧）气体冷却器组成；对CNDQ5～10 m3/h型，把电解槽、气液处理设备和氢气干燥设备都安装在处理器的框架中，其主要组成包括卧式氢（氧）分离冷却器和立式氢（氧）洗涤器，干燥器，干燥气体冷却器等。

4.3 （立式）氢（氧）分离洗涤器 4.3.1 应用

该型分离洗涤器安装于ZDQ5－12，ZDQ16－30和ZDQ40－65型的处理器中。 4.3.2 作用

该型分离洗涤器分为两段，下部为分离冷却段，上部为洗涤冷却除雾段。作用：

1、 借助于重力使水电解产生的氢气和氧气与循环的碱液分离； 2、 除掉气体中的碱雾及液滴并降低气体温度； 3、 维持水电解过程中所需的电解液容量，并观察液位； 4、 通过分离器内设置的蛇管冷却循环碱液，控制槽温。

5、 通过洗涤器内设置的蛇管冷却洗涤液（电解补充水），以保证氢（氧）

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气的洗涤冷却效果。 4.3.3 结构：

外件：容器由筒体、上下封头焊接而成并装有液位计。

内件：下部的分离段和上部的洗涤段内设有蛇管冷却器，上、下段之间焊装隔板，隔板上安装U型通气管和气体分布器以及溢流管，上部洗涤段的顶端设有滤芯。

4.3.4 使用与维护

（1）经常观察分离器上压力显示值和液位高度，看其工作压力、液位、液位差是否处于正常状态。超过规定范围，首先用手动放空阀将气体放空，使压力和液位维持正常状态。然后找出原因，排除故障、恢复正常。若原因一时找不到，或找到但不能很快在开车情况下排除，则停车处理，等恢复正常后再重新开车。注意：打开放空阀排空时，一定要慢慢开启，且要保持液位差趋于平衡。

（2）若液面计进液孔堵塞（一般在停车后再开车时发生），所示液面不能反映分离器中碱液的真实高度。则应停车、泄压后进行清洗排除。

方法：（a）关闭液面计上、下阀门，打开上堵头和下排污孔或排污阀，用纯水从上到下冲洗液面计内腔和通道。（b）拆下进液阀门的阀杆，用细铁丝通入液孔，使孔内杂质流出直至碱液流出畅通为止。

为预防运行中发生此类故障，可在设备停车再度开车前先检查液位计进液孔是否畅通，有堵塞现象应预先排除，然后开车。

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4.3.5 操作中可能出现的故障、原因及排除方法 可能出现的故障 原 因 1、 自控参数整定不合理 压力波动大 2、 压力调节系统失灵 3、 气体管路泄漏严重 排除方法 1、 重新调节整定参数 2、 检查压力调节系统，找出故障并排除 3、 检漏、排除 1、 氧调节阀开度大、说明阀1、 检查堵塞位置并排除 压力有持续上升趋势 口或出气管路堵塞 2、 氧调节阀关闭或开度小，2、 检查压力调节系统，说明压力调节系统出现故障 排除故障 液位（差压）波动大 1、 参数整定不合理 2、 压差调节系统有问题 3、 干扰信号大 1、 差压信号有一个固定差 1、 重新整定参数 2、 检查调节系统并排除 3、 检查可能的干扰 1、 检查差压调节系统 液位有一个固定差 液面计液位显示不真实，反应慢 2、 系统有一个固定干扰信号 2、 检查干扰信号并排除 碱液脏，液面计进液孔堵塞 清洗液面计 4.4 卧式氢（氧）分离器 4.4.1 应用：

该型分离器安装于ZDQ80－150和ZDQ175－300 m3/h型的处理器中。 4.4.2 作用

借助于重力使水电解产生的氢气和氧气与循环碱液分离。 4.4.3 结构

是卧式圆筒结构，由筒体，左、右封头焊接而成，在一端封头上装设液位计。

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4.4.4 使用与维护同4.3.4。

4.4.5 操作中可能出现的故障、原因及排除方法同4.3.5。 4.5 立式氢（氧）洗涤器 4.5.1 应用

立式氢（氧）洗涤器用于ZDQ80－150和CNDQ5－10 m3/h的处理器中，后者在多数情况下，仅用氢洗涤器。 4.5.2 作用

除掉气体中的碱雾及液滴并降低气体温度。 4.5.3 结构

外件：容器由筒体，上、 下封头焊接而成并装有液位计、温度计。 内件：容器的中下部设有蛇管冷却器，上部顶端设有捕滴网芯。 4.5.4 使用与维护

一般不需要维护，可定期观察液位和温度指示是否正常。液位计也很少发生堵塞观象，如果偶尔发生可按4.3.4节第（2）款的（a）和（b）处理直至洗涤器中的水流出为止。

4.6 碱液冷却器和氢（氧）气体冷却器

两种冷却器结构相同，均为固定管板列管间壁式冷却器，所不同的是被冷却的介质。碱液冷却器管程流通的是热介质氢——碱液混合物或氧——碱液混合物，壳程流通的是冷介质冷却水；氢（氧）气体冷却器管程流通的是冷却水，壳程流通的是氢气或氧气。 4.6.1 应用

碱液冷却器用于ZDQ80－150和ZDQ175－300 m3/h型的制氢装置中，氢（氧）气体冷却器应用于ZDQ175－300 m3/h的制氢装置中。

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4.6.2 作用

碱液冷却器的作用是冷却循环碱液控制电解槽的温度，氢（氧）气体冷却器的作用是冷却电解产生的氢气和氧气。 4.6.3 结构

外件：筒体、法兰、封头焊接而成。

内件：管束簇、固定管板和折流板焊接而成。 4.6.4 使用与维护

一般不需要维护，要求符合设计参数的条件下正常运行。但是所有的换热设备和部件，包括碱液换热器，氢（氧）气体冷却器，分离器和洗涤器内的换热蛇管，在制氢装置经过长期运行后有可能出现下述现象：

1、换热能力降低：表现为冷却水流量足够，冷却水进口温度正常，但冷却水进出口温度差逐渐变小，碱液和氢（氧）气体的温度达不到冷却的要求。原因可能是冷却水质不符合要求，形成水垢，碱液侧也会形成一定的结垢，增大了传热阻力，致使热介质的热量散发不出来。解决办法是用机械方法或化学方法进行除垢，改善传热条件。

2、换热器或换热部件发生热介质向冷介质的泄漏：表现为电解槽的各参数（特别是电解槽的总电流）均正常，但离开处理器的气体产量减小，冷却水内有气体排出；或是冷却水出现高碱性，向循环碱液系统补水量明显增加，短期内碱浓度下降严重。这时应怀疑换热器（或冷却蛇形管）发生泄漏。出现上述泄漏后，应停车泄压排液，寻找泄漏点进行修理，甚至更换设备。 4.7 卧式氢（氧）分离冷却器

卧式分离器是水平安装的，内部也有冷却碱液用的蛇形管，其作用参见4.3节。

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4.8 碱液过滤器 4.8.1 作用

过滤器用来滤除循环碱液中的机械杂质和绒毛。 4.8.2 碱液过滤器的结构

过滤器由筒体、滤筒、滤网、法兰等组成。过滤器中滤筒、滤网的有效流通面积应使其过滤效果好且电解液通过时阻力尽可能的小。过滤网选用60～80目的不锈钢丝网或镍丝网。 4.8.3 故障及排除方法

当碱液循环量不断下降，槽体温度升高，或者分离器冷却而槽温又难以冷却，这说明过滤器的滤网堵塞，应取出滤芯进行清洗。

过滤器的清洗在停车状态下进行，清洗方法是关闭过滤器进出口截止阀。打开过滤器顶部排气阀，泄掉过滤器内压力。拆开过滤器法兰螺栓，取下法兰盖，卸下滤筒进行清洗。清洗时最好打开滤网，用尼龙刷进行内外刷洗，用净水冲洗干净，重新装好，用纯水浸泡后装上。若过滤器内碱液很脏，应由排污阀放出，滤去杂质后注入，盖上法兰，拧好螺栓。紧螺栓时注意对称，用力均匀。打开排气阀，慢慢打开碱液进口阀，待排气阀排出碱液后，关闭排气阀打开出口阀，检查法兰是否漏液，投入正常运行。 4.9 捕滴器

捕滴器一般装在洗涤器的上顶部或是分离器（如卧式分离器）的气体出口处，用于分离氢（氧）气中夹带的直径为0.3μ以上微液滴。它是在一定直径的圆筒内装填一定规格和数量的不锈钢捕滴网。当进入捕滴器的气体流速控制在一定范围内时，气体中夹带的液滴撞到丝网并附在其上，水滴聚集到一定程度，在重力作用下沿丝网下流，达到分离液滴的目的。

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运行中注意，若发现捕滴器捕滴效果变差，阻力变大时，应打开顶部法兰盖，取出丝网清理里面液体结晶或污物。清理后，将丝网卷成密度均匀的圆筒形，重新装上。 4.10 屏蔽泵

4.10.1 额定参数、规格及性能

屏蔽电泵是根据装置要求从专业生产厂家订购的。详细的额定参数及性能请参阅产品出厂时附带的技术文件。 4.10.2 使用要求

（1） 严禁空载运转。

（2） 彻底清除装置内的铁锈及固体异物。 （3） 空气全部排除后，方可运转。 （4） 断流运转不得持续超过30秒。 （5） 不得逆向持续运转

（6）带冷却水套的屏蔽电泵，必须首先按规定的冷却水流量接通冷却水，然后开车运行。

（7）在运转中，如发现异常声音或振动等，必须迅速查清原因排除故障。 （8）TRG表指示红色区域，不允许继续运转。

（9）在保护装置动作的情况下，在没有查清动作原因并彻底排除之前，不允许继续运转。

（10）小于最小流量时，不应运转。

（11）冷却水套、热交换器及逆循环管路内的流量小于规定时，不应开车和继续运行。

（12）本电泵应在电压380V、频率50HZ、海拔不超过1000m、环境温度－

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20℃～＋40℃、湿度不大于85％（25℃时）和规定的防爆标志下使用。

（13）泵的正常工作状态，必须是合同要求的性能参数范围，否则影响泵轴向推力。

4.10.3 结构（见说明书）

4.10.4 屏蔽电泵故障及其原因和排除方法（见下表）。

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故障 或 现象 原 因 电 线圈套干燥不良 动 雨水浸入 机 规格不符 腐蚀 磨损 轴承负荷过大 泵 轴弯曲 平衡不良 异物堵塞 规格不符 吸入阻力大 净正压头不够 不 能 起 动 电 流 过 大 ○ ○ ○ ○ 电 动 机 T R 过 绝 G 缘 指 不 示 热 良 过 大 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 泵 轴 承 异 常 磨 损 ○ ○ ○ ○ ○ 轴 承 损 坏 不 上 液 流 量 太 小 ○ ○ ○ ○ ○ ○ 达 不 到 扬 程 ○ ○ ○ ○ ○ ○ 能 力 降 低 产 生 汽 蚀 振动、噪声 振 流 振 噪 动 量 逐 不 动 声 渐 稳 增 定 大 大 大 ○ ○ ○ ○ 噪 声 逐 渐 增 大 排 除 方 法 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 排出阻力大 排出压力太小 ○ 使 异物堵塞 ○ 杂质混入 用 液体比重过大 ○ 液体粘度过大 ○ 条 排气不良 存在气体 件 冷却水不足或断水 ○ 配管不良 缺相 ○ 反相 没接通电源 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 干燥或返回本公司修理 检查接线盒和垫圈，保证雨水不能从接线盒浸入 返回本公司，更换正确规格 ○ ○ 同本公司协商，改换材质 ○ ○ 修补或更换，改换材质 如果是R或（RA）型，同本公司协商改变逆向循环流量 ○ 校直 ○ 同本公司协商 ○ 清除并采取防止再次发生的措施 返回本公司，更换正确规格 ○ ○ ○ 检查清扫，如果带过滤器应分解检查，对于管路重新检查 对吸入液面的高度及吸入阻力进行检查并采取措施，可同本 ○ ○ 公司协商 ○ 清扫及重新检查管路 重新检查管路 清除并采取防止再次发生的措施 采取防止杂质混入的措施 同本公司协商 同本公司协商 ○ ○ 重新按程序排气 ○ ○ 查清原因，采用措施 设置断水电路，如果变化很大，要重新考虑流量 ○ ○ ○ 要适当改变配管 检修，保证三相电源 更换二根电源线位置 检修配线及电气设备 29

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第四节 其它设备

1. 控制柜

控制柜包括工业控制机、二次仪表、氢和氧气分析仪、稳压电源及操作按钮、开关等。可实现自动检测、调节、显示、故障报警、联锁、自动开机与停机等功能。工业控制机（PLC）是控制部分的核心。 2. 整流装置

整流装置由整流变压器、整流柜组成，仅产量5－12m3/h型的变压器在整流柜内部，其余为分开安装的。用于供给电解所需直流电源。使用方法详见“可控硅整流装置使用说明书”。 3. 计算机管理系统

包括一台微机（上位机），一台打印机。可对装置自动程序运行进行监控、操作，并有显示、记录、打印等功能，是控制部分的外部窗口。 4. 框架Ⅱ

框架Ⅱ是一氢气分配系统，它的作用是：

（1）把从制氢（或纯化干燥）装置来的氢气分配进入储氢罐储存或直接分配至用户（用气设备）。

（2）把储氢罐的氢气分配至用户（用氢设备）。

框架Ⅱ的组成包括：管道、就地指示用压力表，远传储氢压力信号的压力变送器，控制调节送气压力的压力调节控制器，管路阀门（球阀或截止阀）等组成。

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5. 框架Ⅲ

框架Ⅲ是把碱箱、水箱、加水泵组装在一个框架上，形成一个原料供给系统。主要为CNDQ5－10 m/h制氢装置的配套而设计，也可为制氢量不太大的装置配套。这样可减少现场的安装工作量，设备集中，减少占地面积。

框架Ⅲ的作用即水箱、碱箱、加水泵单体功能的组合。 6. 柱塞泵（加水泵）（详见说明书） 6.1 作用：向系统输送纯水或补充电解碱液。 6.2 结构说明：

柱塞泵型号较多，但原理相同，结构大同小异，现以JZ－200/40型柱塞泵为例作详细说明。

柱塞泵由蜗轮——蜗杆传动机构、泵缸头托架、联轴器及电机等主要零部件组成。电动机通过螺杆、蜗轮带动曲轴，经过连杆、十字头使柱塞作往复运动。从而将纯水输送到系统中。 6.3 使用及维护 6.3.1 开车前准备

（1）新安装的泵，管路应清洗干净，检查各连接处是否有堵塞和漏气的地方。

（2）检查泵各连接部件有否松动。

（3）传动机构箱内注入20号或30号机油，油面高度至观察孔玻璃的1/2左右。

（4）拨动电机风扇，检查转动状况。

（5）若出口管路上装有安全阀，把安全阀排放压力调到额定工作压力的

3

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1.25～1.45倍。

（6）检查电路、启动泵。 6.3.2 停泵

（1）切断电源。

（2）如环境温度过低，有可能结冰，停泵后，应尽可能放净泵和管道中的液体。

（3）长期不用，应将泵内液体全部排净，拆洗零件，涂防锈油。 6.3.3 维护

（1）如排出管路压力增高或泄漏严重，检查排出管路是否有堵塞或阀是否开启。

（2）注意电机及泵传动部件有无异常响声，如发现异常，立即停泵检查。 （3）检查柱塞处泄漏情况，泄漏量不应超过15ml/h，如超量应拧紧压盖螺母。

（4）润滑油的温度不应超过60℃。

（5）经常检查润滑情况，及时更换润滑油，新泵每运行半个月更换一次；运行两个月后，每工作半年更换一次。

（6）泵除特殊原因需临时更换一些零件外，运转3000小时后，应进行拆洗检查，更换易损件。

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6.3.4 可能发生的故障、原因及排除方法

电 动 机 不 能 启 动 √ √ 故 障 现 象 不 排 泵 运 液 内 动 或 有 件 排 撞 过 液 击 热 不 声 足 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 电 动 机 有 异 常 响 声 √ 可能发生的原因 排 除 方 法 电源未接通 电源或电机缺相 排出阀未开 吸入管漏气 吸入管阻力太大 吸入或排除球阀坏，落入异物 柱塞密封填料泄漏严重 油箱中油过少或有杂物 填料压得过紧 各运动部件磨损严重 阀升程太高 检查电源接线 检查保险丝、接触器、电机绕组接线，打开排出管阀 打开排出阀门 检查后排除 加热吸入管径，减少拐弯 检查排出阀，必要时更换球阀、阀座 调整填料压盖或更换填料 更换新油，使油量适中 调整填料压盖 调整或更换零件 调节阀球升程高度，避免阀滞后 7. 碱箱、水箱

碱箱用于氢氧化钠或氢氧化钾电解液的配制和贮存，设有原料水进口管、碱液出口管、排污口等。

水箱用于原料水的贮存。

碱箱也可作水箱用，水箱也可用于贮存碱液。 8. 阻火器 8.1 阻火器的作用

阻火器安装在氢气贮罐放空管道上和制氢机氢气放空管上或其它部位氢

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气管道上。用来防止外部火焰窜入贮罐、制氢系统，或阻止火焰在制氢系统与其它系统设备及管道上蔓延，保证制氢系统的安全运行和正常供气。 8.2 结构

阻火器有金属丝网阻火器，波纹金属阻火器，砾石阻火器等型式。阻火、灭火机理是当火焰通过狭小孔隙时，由于热损失突然增大，使燃烧不能继续而熄灭。

制氢装置上常选用金属丝网阻火器和砾石阻火器。

金属丝网阻火器是用若干层具有一定孔径的金属丝网把空间分隔成许多小孔隙。阻火性能决定阻火层的厚度、孔隙的大小。阻火网一般用直径为0.3～0.4左右的铜丝或不锈钢丝制成，网孔一般为210～250孔/厘米2（37～40目）。丝网层数一般6～14层。

砾石阻火器是用砂粒、卵石、玻璃球或铁屑、铜屑等作填料，使阻火器内空间分隔成许多孔隙。砾石直径一般为3～4mm，阻火器的内径一般取安装阻火器管道直径的4倍。

运行中防止阻火器因液体结晶和锈蚀而堵塞失效，所以，发生气流不畅，阻力增大或有堵塞现象时应立即进行检查、处理。严重腐蚀时更换丝网。

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第三章 安 装

1. 制氢站

1.1 制氢站的设计应符合GB50177－93《氢氧站设计规范》（国标）。

1.2 制氢装置应分别安装在五个房间。 制氢间：放置电解槽、气液处理器； 控制间：放置控制柜； 整流间：放置整流柜；

辅助间：放置碱箱、水箱、加水泵等；

变压器间：放置变压器（ZDQ－5～12变压器在整流柜内）； 房间的数量、设备布局，用户可根据具体情况适当改变。 1.3 制氢间的要求

制氢间应为单层不可燃材料建筑。制氢间设置必要的泄压面积，泄压面积与厂房的比值（m2/m3）一般采用0.05－0.10。门窗及轻质墙体可作为泄压面积，泄压面积应布置合理，并应靠近爆炸部位，不应面对人员集中的地方和交通要道。

制氢间高度不低于5米，门窗向外开。

制氢间顶棚应设适当数量的通风孔，通风孔直径不小于200mm，外设防雨帽，下缘与顶棚平齐并设置拉线活门以利于冬季保温，通风孔应设在顶棚最高处。

为了便于安装维修，制氢间应设行车，起重能力应大于电解槽的重量。通向制氢间的蒸汽管路其输蒸汽能力应不小于2t/h，以便大修时使用。

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