CN107587159A - 利用热力吸收压缩机制备高压氢气和氧气的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了利用热力吸收压缩机制备高压氢气和氧气的装置，属于能源开发装置技术领域，包括电解槽、氢气热力吸收压缩装置及压出装置；所述的气体流量转换器位于电解槽上部，气体流量转换器分别与氢气分离器及氧气分离器相连；所述的氢气热力吸收压缩装置，包括氢气发生器、加热器及冷却器；所述氢气热力吸收压缩装置的出口设置有压力传感器及电磁阀，均与控制模块相连。本发明采用的氢气热力吸收压缩装置能够实现氢气的存储；压出装置内隔离装置的存在保证了气体与液体试剂隔离，同时达到“液体活塞”的作用，这样可以保证给电解槽供给电解液。该装置全部实现自动化，同时集成化程度高装置体积小，操作安全系数高。

Description

利用热力吸收压缩机制备高压氢气和氧气的装置
技术领域
本发明属于能源开发装置技术领域，具体涉及一种利用热力吸收压缩机制备高压氢气和氧气的装置。
背景技术
氢是最洁净的燃料，也是重要的化工合成原料。氢气的应用领域很大，其中，用量最大的是作为一种重要的石油化工原料，用于生产合成氨、甲醇以及石油炼制过程的加氢反应。此外，在电子工业、冶金工业、食品工业、浮法玻璃、精细有机合成、航空航天工业等领域也有应用。目前越来越多的科研机构在着力研究氢能的开发和利用。以氢为能源的燃料电池有希望解决我们所面临的能源问题。然而传统的电解水制氢系统无法保证氢气压强，因此本发明提供了一种新型高压氢气制备装置，借助于新型氢气热力吸收装置实现压强的可控。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种利用热力吸收压缩机制备高压氢气和氧气的装置，用以解决氢气压强不稳的技术问题，同时能实现氢气的暂时存储。
本发明通过如下技术方案实现：
利用热力吸收压缩机制备高压氢气和氧气的装置，包括电解槽1、气体流量转换器2、氢气分离器5、氧气分离器6、控制模块9、电源模块10、氢气热力吸收压缩装置12及压出装置17；
所述的气体流量转换器2位于电解槽1上部，气体流量转换器2分别与氢气分离器5及氧气分离器6相连，氢气分离器5、氧气分离器6分别与氢气管路电磁阀7、氧气管路电磁阀8相连，氢气管路电磁阀7及氧气管路电磁阀8均与控制模块9相连，控制模块9与电源模块10相连；
所述的氢气热力吸收压缩装置12，包括氢气发生器11、加热器13及冷却器14，加热器13与电源模块10相连，冷却器14与给水管相连；所述氢气热力吸收压缩装置12的出口设置有压力传感器15及电磁阀16，均与控制模块9相连。
所述的压出装置17通过隔离装置18分为气液两室，液体腔19注满液体药剂，液体腔19通过电磁阀20与控制模块9相连，同时与电解槽1的输入总管21相连。
进一步地，所述的氢气分离器5和氧气分离器6中设有液体水位传感器，分为2个位置：位置3和3'(分离器高度的45％-55％)、位置4和4'(分离器高度的60％-70％)，液体水位传感器均与控制模块9相连。
进一步地，所述的氢气发生器11中填充有加热和冷却时吸收和放出氢气的物质镧镍五(LaNi5)及FeTi。
进一步地，所述的隔离装置18为0.3mm的薄钢片。
进一步地，所述液体腔19注满的液体药剂为质量分数为20％～25％氢氧化钾溶液或者氢氧化钠溶液、蒸馏水。
本发明的装置是这样工作的：
首先通过输入总管21向电解槽1、氢气分离器5和氧气分离器6注入碱性电解液，此时位于氢气和氧气管路上的氢气管路电磁阀7及氧气管路电磁阀8关闭。电解液达到液体水位传感器的4和4'能响应的位置，当4和4'位置响应时控制模块9终止电解液的加入。
产氢过程中在惰性电极上加上负电位，电极处于阴极工作状态，活性电极加上正电位，电极处于阳极工作状态，同时气体流量转换器2将电解槽1与氢气分离器5连在一起。此时阴极上产生氢气，通过气体流量转换器2进入分离器并通过打开的氢气管路电磁阀7进入需求单位。同时阳极上产生的氧气被活性物质化学吸收。反应为：Fe+2OH-＝Fe(OH)2+2e-。
氢循环过程中伴随着电极上电压的升高，当电压达到指定值时，如0.5伏，改变电极极性，气体流量转化换器2转到与氧气分离器相连。
氧循环过程中惰性电极上加正电位，活性电极加负电位，惰性电极处于阳极工作状态，释放氧气，活性电极上进行活性物质的还原，放氧过程持续到所有活性物质都被还原，反应为：Fe(OH)2+2e-＝2OH-+Fe，释放的氧气通过氧气分离器6和氧气管路电磁阀8进入需求单位。
装置工作中伴随着电解液体积的减少，导致分离器中水位下降。通过压力传感器15的信号，控制模块9控制电源模块10接通加热器13对氢气热力吸收压缩装置12进行加热.释放氢气使氢气压强达到指定值。氢气压强在金属LaNi5Hх加热解吸过程中通过公式①确定:
lgp＝A-B/T, ①
p为压强T为温度
A、B均为常数，取决于所使用的金属化合物自身性质。
该装置工作过程中压强可达15到17兆帕，金属LaNi5Hx在氢气解吸过程中温度可达185到200度。
同时分离器中传感器响应，控制模块9启动给水系统，此时氢气管路电磁阀7及氧气管路电磁阀8关闭，气体流量转换器2打开。在达到标准压强时被压缩机放出的氢气通过电磁阀16进入压出装置17的气体腔内，作用在隔离膜上从液体腔排出蒸馏水进入到电解槽和分离器内。
在分离器中水位达到传感器能够响应的位置时，控制模块转换装置回到之前中断的循环过程中。在加热器切断时，冷却器接入到给水管，水温不高于18度，通过打开的电磁阀16进行氢气的吸收，此时金属化合物LaNi5Hх还原。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1、本发明采用的氢气热力吸收压缩装置能够实现氢气的存储；
2、压出装置内隔离装置的存在保证了气体与液体试剂隔离，同时达到“液体活塞”的作用，这样可以保证给电解槽供给电解液。
3、本发明提供的装置全部实现自动化，同时集成化程度高装置体积小，操作安全系数高。
附图说明
图1为本发明的利用热力吸收压缩机制备高压氢气和氧气的装置的结构示意图；
图中：电解槽1、气体流量转换器2、液体水位传感器：位置3和3'、位置4和4'、氢气分离器5、氧气分离器6、氢气管路电磁阀7、氧气管路电磁阀8、控制模块9、电源模块10、氢气发生器11、氢气热力吸收压缩装置12、加热器13/冷却器14、压力传感器15、电磁阀16、压出装置17、隔离装置18、液体腔19、电磁阀20、输入总管21。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步地说明。
实施例1
如图1所示，本发明的利用热力吸收压缩机制备高压氢气和氧气的装置，包括电解槽1、气体流量转换器2、氢气分离器5、氧气分离器6、控制模块9、电源模块10、氢气热力吸收压缩装置12及压出装置17；
所述的气体流量转换器2位于电解槽1上部，气体流量转换器2分别与氢气分离器5及氧气分离器6相连，氢气分离器5、氧气分离器6分别与氢气管路电磁阀7、氧气管路电磁阀8相连，氢气管路电磁阀7及氧气管路电磁阀8均与控制模块9相连，控制模块9与电源模块10相连；
所述的氢气热力吸收压缩装置12，所述氢气热力吸收压缩装置12中包括氢气发生器11、加热器13及冷却器14，加热器13与电源模块10相连，冷却器14与给水管相连；所述氢气热力吸收压缩装置12的出口设置有压力传感器15及电磁阀16，均与控制模块9相连。
所述的压出装置17通过隔离装置分为气液两室，液体腔19注满蒸馏水，液体腔19通过电磁阀20与控制模块9相连，同时与电解槽1的输入总管21相连。
进一步地，所述的氢气分离器5和氧气分离器6中设有液体水位传感器，分为2个位置：位置3和3'(分离器高度的45％-55％)、位置4和4'(分离器高度的60％-70％)，液体水位传感器均与控制模块9相连。所有与控制模块连接的都是导线(图中虚线部分)，其他的是管路连接液体和气体管都是金属管(图中实部分)。
进一步地，所述的氢气发生器11中填充有加热和冷却时吸收和放出氢气的物质LaNi5及FeTi。
进一步地，所述的隔离装置18为0.3mm的薄钢片。
该装置的尺寸为500х640х2500mm，材质为钢材，重量200千克，电解槽长1054mm，直径219mm。电解槽中安有三组电极，活性吸收物质使用多孔铁，惰性电极为贴片。电解槽充满20％的浓度为1.21毫克/升的碱性电解液，氢气热力吸收压缩装置尺寸为730х290х170mm，氢气发生器中LaNi5Hх的质量为4克，每个发生器吸收氢气的量为170升/克，氢气热力吸收压缩装置的工作压强为5到25兆帕，压出装置的容积为5升，长150mm，材质为钢材，重量18千克，能承受25兆帕，液体腔4升。氢气解吸时的水温为18到20度。控制模块SchneiderElectric SR2B201BD，电磁阀Burkekt 2200，气体流量转换器IOR F32055，电源模块MW S-350-24，液体水位传感器TORRIX Standart。氢气分离器为改装过的氢气瓶，氢气瓶截掉两端，然后用法兰在断口处和半球型壳体固定，氧气分离器为改装过的氧气瓶，氧气瓶截掉两端，然后用法兰在断口处和半球型壳体固定。
本发明的装置是这样工作的：
首先通过输入总管21向电解槽1、氢气分离器5和氧气分离器6注入碱性电解液，此时位于氢气和氧气管路上的氢气管路电磁阀7及氧气管路电磁阀8关闭。电解液达到液体水位传感器4和4'能响应的位置，当4和4'位置响应时控制模块9终止电解液的加入。
产氢过程中在惰性电极上加上负电位，电极处于阴极工作状态，活性电极加上正电位，电极处于阳极工作状态，同时气体流量转换器2将电解槽1与氢分离器3连在一起。此时阴极上产生氢气，通过气体流量转换器2进入分离器并通过打开的氢气管路电磁阀7进入需求单位。同时阳极上产生的氧气被活性物质化学吸收。反应为：Fe+2OH-＝Fe(OH)2+2e-。
氢循环过程中伴随着电极上电压的升高，当电压达到指定值时，如0.5伏，改变电极极性，气体流量转化换器2转到与氧气分离器相连。
氧循环过程中惰性电极上加正电位，活性电极加负电位，惰性电极处于阳极工作状态，释放氧气，活性电极上进行活性物质的还原，放氧过程持续到所有活性物质都被还原，反应为：Fe(OH)2+2e-＝2OH-+Fe，释放的氧气通过氧气分离器6和氧气管路电磁阀8进入需求单位。
装置工作中伴随着电解液体积的减少，导致分离器中水位下降。通过压力传感器15的信号，控制模块9控制电源模块10接通加热器13对氢气热力吸收压缩装置12进行加热.释放氢气使氢气压强达到指定值。氢气压强在金属LaNi5Hх加热解吸过程中通过公式①确定:
lgp＝A-B/T, ①
p为压强T为温度
A、B均为常数，取决于所使用的金属化合物自身性质。
装置工作过程中压强可达15到17兆帕，金属LaNi5Hx在氢气解吸过程中温度可达185到200度。
同时分离器中传感器响应，控制模块9启动给水系统，此时氢气管路电磁阀7及氧气管路电磁阀8关闭，气体流量转换器打开。在达到标准压强时被压缩机放出的氢气通过电磁阀16进入压出装置17的气体腔内，作用在隔离膜上从液体腔排出蒸馏水进入到电解装置和分离器内。
在分离器中水位达到传感器能够响应的位置时，控制模块转换装置回到之前中断的循环过程中。在加热器切断时，冷却器接入到给水管，水温不高于18度，通过打开的电磁阀16进行氢气的吸收，此时金属化合物LaNi5Hх还原。
工作中产生的气体压强为0.01到17兆帕，该装置产氢率为0.5M3/h，产氧率0.25M3/h。

Claims (5)

1.利用热力吸收压缩机制备高压氢气和氧气的装置，其特征在于，包括电解槽(1)、气体流量转换器(2)、氢气分离器(5)、氧气分离器(6)、控制模块(9)、电源模块(10)、氢气热力吸收压缩装置(12)及压出装置(17)；
所述的气体流量转换器(2)位于电解槽(1)上部，气体流量转换器(2)分别与氢气分离器(5)及氧气分离器(6)相连，氢气分离器(5)、氧气分离器(6)分别与氢气管路电磁阀(7)、氧气管路电磁阀(8)相连，氢气管路电磁阀(7)及氧气管路电磁阀(8)均与控制模块(9)相连，控制模块(9)与电源模块(10)相连；
所述的氢气热力吸收压缩装置(12)，包括氢气发生器(11)、加热器(13)及冷却器(14)，加热器(13)与电源模块(10)相连，冷却器(14)与给水管相连；所述氢气热力吸收压缩装置(12)的出口设置有压力传感器(15)及电磁阀(16)，均与控制模块(9)相连；
所述的压出装置(17)通过隔离装置(18)分为气液两室，液体腔(19)注满液体药剂，液体腔(19)通过电磁阀(20)与控制模块(9)相连，同时与电解槽(1)的输入总管(21)相连。
2.如权利要求1所述的利用热力吸收压缩机制备高压氢气和氧气的装置，其特征在于，所述的氢气分离器(5)和氧气分离器(6)中设有液体水位传感器，分为2个位置：位置3和3'，分离器高度的45％-55％；位置4和4'，分离器高度的60％-70％，液体水位传感器均与控制模块(9)相连。
3.如权利要求1所述的利用热力吸收压缩机制备高压氢气和氧气的装置，其特征在于，所述的氢气发生器(11)中填充有加热和冷却时吸收和放出氢气的物质镧镍五(LaNi5)及FeTi。
4.如权利要求1所述的利用热力吸收压缩机制备高压氢气和氧气的装置，其特征在于，所述的隔离装置(18)为0.3mm的薄钢片。
5.如权利要求1所述的利用热力吸收压缩机制备高压氢气和氧气的装置，其特征在于，所述液体腔(19)注满的液体药剂为质量分数为20％～25％氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液或蒸馏水。
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Address before: Residential Building 4-101, No. 11, Jilin University South Campus, High tech Development Zone, Changchun City, Jilin Province, 130000

Applicant before: JILIN KELING TECHNOLOGY CO.,LTD.

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