核電站水電解制氫出氣指標異常問題分析及處理

馮永巨，涂德鵬，喻 煒

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引 言

21世紀以來，氫能的發展越來越被國際認可。核電站在機組啟停及正常運行期間對氫氣有較大的需求，如核島反應堆冷卻劑系統的加氫、汽輪發電機組加氫冷卻等。國內核電站一般采用水電解工藝制取氫氣，水電解槽制取氫氣后經過氣液分離、干燥純化后得到產品氫氣。電解槽出氫氣、氧氣純度是系統關鍵性指標，根據機械部標準JB/TQ 584—1987《水電解制氫設備 質量分等》，氫氣的體積比純度達到99.7%為合格品，達到99.75%為一等品，達到99.8%為優等品。核電站水電解制氫電解槽出氣要求氫氣體積比純度達到99.8%，氧氣純度達到99.2%(排空)。

1 水電解制氫的原理

水電解制氫的原理如圖1所示，當純水中加入一定濃度的離子溶液(如KOH等)時，在直流電場的作用下，溶液中H+在陰極先得到電子被還原成H2，OH-移向陽極失去電子而被氧化為O2。因為H+的電極電位為-1.71 V，K+的電極電位為-2.66 V，所以，在水溶液中同時存在H+和K+時，H+將在陰極上首先得到電子而轉化為氫氣，而K+則仍將留在溶液中不被消耗。反應方程式如下：

陰極反應：4H2O + 4e=2H2↑+4OH-

陽極反應：4OH―― 4e=2H2O+O2↑

圖1 水電解制氫原理圖

2 電解槽結構

國內某核電站水電解制氫系統采用國產品牌型號為FDQ-10的制氫機，正常產氫量10 Nm3/h。電解槽外觀如圖2所示，采用雙極壓濾式，每個電解槽由54個電解小室組成，每個小室由陽極板、陽副極網、隔膜、墊片、陰副極網、陰極板組成。電解槽槽體為碳鋼鍍鎳材質，端壓板及極板材質一般采用鍍鎳Q235B鋼，電解槽陰極材料一般為純度99.3%的經活化的鎳網，陽極材料一般為純度99.3%的發泡鎳。

圖2 電解槽外觀

3 出氣指標異常情況

該水電解制氫裝置在試運行了8個月后，運行人員監測到電解槽氫側、氧側出氣純度超標，觸發制氫系統報警信號，經過取樣分析，結果如下：

序號氫中氧含量/%(報警值為≤0.2%)氧中氫含量/%(報警值為≤0.8%)分析方法樣品10.98(超標)1.10(超標)色譜分析樣品20.29(超標)0.84(超標)色譜分析樣品30.141.30(超標)色譜分析樣品40.161.85(超標)便攜式氫氣純度儀分析

4 出氣指標影響因素分析

從水電解制氫的原理、系統工藝流程及電解槽的內部結構等方面進行分析，電解液性質、工藝運行參數、隔膜損壞、系統長時間運行等均有可能影響出氣指標。

第一，水電解制氫系統正常運行時,不斷消耗原料水，原料水通過加水配堿裝置根據氫分離器的液位自動補充。為防止不符合要求的原料水進入電解系統而導致純度下降、電壓升高、電解槽氣液孔道堵塞等問題，原料水電阻率應大于等于1.0×105Ω.cm[1]。核電站補充的原料水為經過離子交換的除鹽水，原料水的電阻率滿足要求。

第二，水電解制氫系統中電解質的選擇要綜合考慮其電導率、穩定性、腐蝕性等因素，可選用強堿。本系統采用KOH溶液，當設備正常運行時應維持電解液濃度為25%～32%，并使其保持在工藝規定的范圍內。所使用的KOH品質應滿足國家標準GB/T 2306-2008《化學試劑 氫氧化鉀》的規定。

第三，氫氧分離器液位過高或過低會影響氣體溢出和堿液流動，造成氫氧氣體混合，氣體純度難以保證，嚴重時還會發生爆炸等安全事故。根據系統運行經驗，水電解制氫系統正常運行氫氧分離器液位壓差應保持在200 mmH20～350 mmH20。

第四，電解小室內的隔膜在浸潤的情況下，氫氧兩側液位壓差小于300 mmH20時允許離子通過但氣體不能通過，從而達到氫氣、氧氣隔離的目的。因此水電解過程中，氫、氧側的壓力應保持平衡，保證系統的安全運行。考慮安全系統，水電解制氫系統正常運行氫氧分離器液位壓差應保證小于50 mmH20。

第五，電解槽內部隔膜作為隔離氫氣和氧氣的第一屏障，其品質直接影響氣體純度。

第六，電解槽內部因長時間運行殘留碳酸鹽、雜質等，不及時清理將會產生結晶進而堵塞氣體通道和液體通道，導致氣體純度下降。

圖3為國內另一核電站2021年下半年電解槽出氣(氧側)指標趨勢，圖中數據采用在線分析儀表進行測量。從折線圖可看出，隨著運行時間加長(6～8月)，電解槽出氣氧中氫濃度呈增加趨勢，氧氣純度下降。在9月份完成在線清洗后，氧氣出氣純度得到明顯改觀。

圖3 電解槽出氣(氧側)趨勢(180天)

5 處理措施

根據影響因素分析進行逐項排查，排除了原料水質不合格、堿液濃度不當、氫氧分離器液位及氫氧兩側壓差運行參數設置不當等原因，對電解槽進行拆解做進一步檢查。

拆解過程中觀察發現，電解槽中間極板、陽極板及陰極板外觀良好，無腐蝕和鍍層脫落現象(如圖4所示)。中間隔膜外觀良好，且對全部隔膜進行氣密性試驗，試驗結果合格，排除中間隔膜損壞的可能。

圖4 極板外觀

如圖5所示，再進一步觀察發現，端極板、中間極板氣體通道孔及液體通道孔處有雜質污染物，此污染物可能為系統長期運行過程中，原料水鈣、鎂離子結垢和中間隔膜微損耗累計帶來的雜質，導致電解槽內部氣體通道孔堵塞，氫氣、氧氣不能順利排出而造成混合，或在電解槽內部形成了局部寄生電解，導致氫氣、氧氣不能完全隔離，從而影響了出氣純度。

圖5 通道孔雜質

在清理電解槽極板氣體通道、液體通道的雜質并重新組裝后，電解槽運行正常，出氣純度滿足指標要求。

6 總結和建議

為保證電解槽出氣指標滿足系統要求，可以安全、有效地運行，需關注以下幾點事項：

第一，保證上游原料水質和外購堿液純度滿足國標和系統要求，參考國標GB/T 19774-2005《水電解制氫系統技術要求》和GB/T 2306-2008《化學試劑 氫氧化鉀》的規定，避免給系統帶來外部雜質。必要時可配置原料水在線電阻率監測儀表，以滿足在線監測需求。

第二，可適當提高堿液過濾器過濾精度或增加過濾器備用數量。在電解槽正常運行期間，根據出氣純度的在線監測數據變化趨勢，確定堿液過濾器清洗周期，一般建議清洗周期為1個月。

第三，運行維護手冊中制定電解槽在線清洗步驟和要求，根據出氣純度的在線監測數據變化趨勢，進行電解槽在線清洗(包括正洗和反洗)，建議清洗周期為6個月。

第四，當在線清洗無法有效地提高電解槽出氣純度時，應及時對電解槽進行解體維修，清理長期運行累積的雜質, 建議解體維修周期視運行情況而定，一般為3～8年。