CN109957811B - 加热装置和水电解系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及加热装置和水电解系统。水电解系统(10)的加热装置(14)具有：箱体(30)，其设置有导入孔(38)；加热部(32)，其收容在箱体(30)内；送风部(34)，其用于将外部气体向加热部(32)引导；循环流路(48)，其将被加热部(32)加热了的空气的一部分向加热部(32)与送风部(34)之间引导；以及导出部(50)，其用于将被加热部(32)加热了的空气向外部导出。循环流路(48)内的空气因文丘里效应被导入到向加热部(32)与送风部(34)之间。

Description

加热装置和水电解系统
技术领域
本发明涉及用于对外部气体进行加热的加热装置和水电解系统。
背景技术
在日本特开2011-225964号公报中公开一种水电解系统，其在壳体内收容通过对纯水进行电解来制造高压氢气的水电解装置，利用送风部对壳体内进行换气。
发明内容
发明所要解决的问题
另外，在将水电解系统设置于冰点下的低温地域(寒冷地区)的情况下，为了防止水电解堆或各种辅助类设备的冻结等，需要由加热装置对取入壳体内的外部气体进行加热。
然而，当为了可靠地对外部气体进行加热而降低在加热装置中通过的空气的风速时，无法有效率地对壳体内进行换气。另一方面，当为了可靠地对壳体内进行换气而加快在加热装置中通过的空气的风速时，无法由加热装置有效率地对空气进行加热。当为了不降低在加热装置中通过的空气的风速地对空气进行加热来提高加热装置的加热能力时，存在消耗电力增大或者大型化的问题。
本发明是考虑这样的技术问题而完成的，其目的在于，提供能够抑制消耗电力的增大和大型化并且在确保所需的风速的状态下可靠地对空气进行加热的加热装置和水电解系统。
用于解决问题的方案
本发明的一方式是一种加热装置，具有：箱体，其设置有导入孔；加热部，其收容在所述箱体内，对从所述导入孔导入到所述箱体内的外部气体进行加热；送风部，其用于将外部气体向所述加热部引导；循环流路，其将被所述加热部加热了的空气的一部分向所述加热部与所述送风部之间引导；以及导出部，其用于将被所述加热部加热了的空气向外部导出，所述循环流路内的空气因文丘里效应被导入到所述加热部与所述送风部之间。
本发明的另一方式是一种水电解系统，具有：水电解装置，其通过对水进行电解来产生氢气；上述的所述加热装置；以及壳体，其收容所述水电解装置和所述加热装置，所述水电解装置以能引导被所述加热装置加热了的空气的方式被配置在所述壳体内。
根据本发明，从送风部输送到加热部的外部气体被加热部加热之后，在循环流路中流通并且因文丘里效应被导入到加热部与送风部之间，被加热部再次加热。由此，能够抑制加热装置的消耗电力的增大和大型化并且在确保所需的风速的状态下可靠地对外部气体进行加热。
根据参照附图对以下实施方式进行的说明，易于理解上述的目的、特征和优点。
附图说明
图1是具有本发明一实施方式所涉及的加热装置的水电解系统的剖面示意图。
图2是沿图1的II-II线的剖面示意图。
图3是沿图2的III-III线的局部省略的剖面示意图。
图4是图1所示的加热装置的局部剖开的立体图。
具体实施方式
下面，列举优选的实施方式且参照附图对本发明所涉及的加热装置和水电解系统进行说明。
如图1所示，本发明一实施方式所涉及的水电解系统10具有壳体12和收容在壳体12内的加热装置14及水电解装置16。
如图1～图3所示，壳体12形成为长方体形状，具有底壁部12a、第一侧壁部12b、第二侧壁部12c、第三侧壁部12d、第四侧壁部12e以及上壁部12f。在第一侧壁部12b的上部形成空气入口部18，该空气入口部18用于向壳体12内取入外部气体(空气)。在与第一侧壁部12b相向的第二侧壁部12c的上部形成空气出口部20，该空气出口部20用于使壳体12内的空气向外部流出。
在图1中，在壳体12内设置第一支承壁部22、第二支承壁部24以及引导壁部26。第一支承壁部22从第一侧壁部12b在上下方向的中间部朝向第二侧壁部12c突出。第一支承壁部22相对于底壁部12a和上壁部12f大致平行地延伸，并且连结于第三侧壁部12d和第四侧壁部12e。第二支承壁部24将第一支承壁部22的突出端与底壁部12a相互连结。引导壁部26从上壁部12f朝向下方突出。
引导壁部26用于将从加热装置14导出的空气向下方引导。引导壁部26相对于第一侧壁部12b和第二侧壁部12c大致平行地延伸，并且连结于第三侧壁部12d和第四侧壁部12e。但是，引导壁部26也可以相对于第一侧壁部12b和第二侧壁部12c倾斜。空气出口部20相对于引导壁部26，位于与空气入口部18相反的一侧。
引导壁部26与第一侧壁部12b的间隔同引导壁部26与第二侧壁部12c的间隔大致相同。引导壁部26的突出端位于与第一支承壁部22大致相同的高度。在引导壁部26的突出端与第一支承壁部22的突出端之间形成有通路28(间隙)。
在壳体12内设置第一收容空间29a和第二收容空间29b。第一收容空间29a是由第一支承壁部22、引导壁部26、第一侧壁部12b、第三侧壁部12d、第四侧壁部12e以及上壁部12f形成的空间。即，第一收容空间29a是空气入口部18所位于的一侧的空间。第二收容空间29b是壳体12内的第一收容空间29a以外的空间。换言之，第二收容空间29b是由底壁部12a、第二支承壁部24、引导壁部26、第二侧壁部12c、第三侧壁部12d、第四侧壁部12e以及上壁部12f形成的空间。即，第二收容空间29b是空气出口部20所位于的一侧的空间。
加热装置14以与空气入口部18相向的方式被配置在第一收容空间29a内。加热装置14用于对被取入壳体12内的外部气体进行加热。
如图2～图4所示，加热装置14具有箱体30和被配设在箱体30内的加热部32及送风部34。箱体30形成为箱状，具有底部30a、第一侧部30b、第二侧部30c、第三侧部30d、第四侧部30e以及上部30f。第一侧部30b与第一侧壁部12b相向，第二侧部30c与引导壁部26相向，第三侧部30d与第三侧壁部12d相向，第四侧部30e与第四侧壁部12e相向。
在箱体30中设置将箱体30内分隔为第一室31a与第二室31b的分隔壁36。分隔壁36相对于第三侧部30d和第四侧部30e大致平行地延伸。但是，分隔壁36也可以相对于第三侧部30d和第四侧部30e倾斜。分隔壁36与第三侧部30d的间隔(第一室31a的宽度尺寸)比分隔壁36与第四侧部30e的间隔(第二室31b的宽度尺寸)大。第一室31a与第二室31b在水平方向彼此并排。
在第一室31a中配置对空气进行加热的加热部32。如图4所示，加热部32构成为所谓的护套加热器(日文：シーズヒータ)，具有在加热管32a内配设有镍铬线的结构。在上下方向和空气的流通方向(从第一侧部30b朝向第二侧部30c的方向)设置多根加热管32a。各加热管32a从第三侧部30d延伸至分隔壁36。换言之，各加热管32a沿与空气的流通方向正交的方向延伸。但是，加热部32只要能对空气进行加热，可以是任何加热部。加热部32相对于第一侧部30b和第二侧部30c分离。
在图2和图4中，在第一侧部30b形成将外部气体导入第一室31a的导入孔38。导入孔38与空气入口部18连通。在导入孔38配置有用于将空气向加热部32引导的送风部34。送风部34构成为轴流式风扇，具有叶轮40。加热部32位于叶轮40的轴线。换言之，叶轮40与加热部32相向。
如图2～图4所示，在分隔壁36形成第一连通孔44和第二连通孔46。第一连通孔44是用于将被加热部32加热了的空气的一部分向第二室31b内引导的孔。第一连通孔44位于比加热部32靠第二侧部30c侧(与送风部34相反的一侧)的位置。第一连通孔44形成为矩形。第一连通孔44在上下方向(与送风部34和加热部32的排列方向正交的方向)从底部30a附近延伸至上部30f附近。
第二连通孔46是用于将第二室31b内的空气向加热部32与送风部34之间引导的孔。第二连通孔46位于比加热部32靠第一侧部30b侧(送风部34侧)的位置。第二连通孔46形成为矩形。第二连通孔46在上下方向(与送风部34和加热部32的排列方向正交的方向)从底部30a附近延伸至上部30f附近。第二连通孔46的开口面积与第一连通孔44的开口面积大致相同。第一连通孔44和第二连通孔46沿送风部34与加热部32的排列方向(水平方向)排列。第一连通孔44、第二室31b以及第二连通孔46构成将被加热部32加热了的空气向加热部32与送风部34之间引导的循环流路48。
在底部30a(构成第二室31b的底面)形成导出孔50(导出部)，该导出孔50用于将在第二室31b内没有被导入到第二连通孔46的剩余空气(被加热部32加热了的空气)向外部导出。即，导出孔50使在循环流路48中流通的空气的一部分向外部导出。导出孔50与壳体12的第一收容空间29a连通。导出孔50形成为矩形。导出孔50从第一侧部30b附近延伸至第二侧部30c附近。即，导出孔50沿第一连通孔44与第二连通孔46的排列方向延伸。导出孔50的开口面积也可以比第一连通孔44和第二连通孔46各自的开口面积大。
如图1和图2所示，水电解装置16以能引导被加热装置14加热了的空气的方式配置在壳体12内。水电解装置16具有水电解堆52、水循环装置54、纯水制造装置56、鼓风机58、氢气提纯装置(日文：水素精製装置)60、电源62以及控制单元64。
在图1中，具体而言，电源62和控制单元64被配置于第一收容空间29a。电源62和控制单元64以位于导出孔50的下方的位置的方式，位于第一支承壁部22的上表面的位置。
水电解堆52、水循环装置54、纯水制造装置56、鼓风机58以及氢气提纯装置60被配置于第二收容空间29b。水电解堆52位于比引导壁部26靠第二侧壁部12c侧(空气出口部20侧)的位置。即，水电解堆52配置于壳体12内的空气的流动路径中的比控制单元64靠下游侧的位置。空气出口部20位于比水电解堆52和氢气提纯装置60靠上方的位置。
水电解堆52对水(纯水)进行电解由此来制造氧气和高压氢气(与常压相比为高压的氢气)。虽然未图示，层叠多个水电解单体来构成水电解堆52。水电解单体具有电解质膜-电极结构体、夹持电解质膜-电极结构体的阳极侧隔板以及阴极侧隔板。电解质膜-电极结构体例如包括：在全氟磺酸的薄膜中含浸水而成的固体高分子电解质膜；以及设置于固体高分子电解质膜的一方的面的阳极侧供电体和设置于固体高分子电解质膜的另一方的面的阴极侧供电体。
水电解堆52与水供给管线66、水排出管线68以及氢气导出管线70连接。水供给管线66向水电解堆52供给水。水排出管线68将未反应的水、因反应而生成的氧气和透过的氢气从水电解堆52排出。氢气导出管线70将因反应而生成的氢气从水电解堆52导出。
在图2中，水循环装置54具有氧气气液分离器72和循环泵74。氧气气液分离器72从由水电解堆52排出的水中分离出氧气和氢气，并储存水。循环泵74用于向水电解堆52供给在氧气气液分离器72中储存的水，并被设置于水供给管线66。
氧气气液分离器72与纯水供给管线76和气体排出管线79连接，其中，所述纯水供给管线76连接于纯水制造装置56；所述气体排出管线79用于排出由氧气气液分离器72从水中分离出的氧气和氢气。
纯水制造装置56连接于纯水供给管线76，向氧气气液分离器72供给由自来水生成的纯水。鼓风机58经由空气导入管线78来与氧气气液分离器72连接，将由氧气气液分离器72分离出的气体成分(氧气和氢气)以稀释了的状态从气体排出管线79排出。
如图1和图2所示，氢气提纯装置60具有氢气气液分离器80和吸附塔82。氢气气液分离器80连接于氢气导出管线70，从由水电解堆52排出的氢气中分离出水分，并储存分离出的水。吸附塔82经由氢气管线84来与氢气气液分离器80连接，吸附从氢气气液分离器80导出的氢气所含有的水蒸气(水分)。
电源62对水电解堆52施加直流电压。控制单元64对水电解装置16整体进行运行控制，控制水电解装置16的电气部件。
这样构成的水电解系统10如以下那样进行动作。另外，设水电解系统10被设置于寒冷地区。但是，水电解系统10也可以配置在寒冷地区以外的地域。
当水电解装置16起动时，驱动加热部32和送风部34。即，加热部32升温，并且送风部34的叶轮40旋转。如图2所示，从空气入口部18取入壳体12内的外部气体(低温的空气)经由送风部34而流入第一室31a内，并且朝向加热部32送风。然后，被加热部32加热了的空气经由第一连通孔44被导入到第二室31b。
另外，在第一室31a中，在加热部32与送风部34之间(送风部34的下游侧)空气的流速增加(压力降低)，因此，第二室31b的空气经由第二连通孔46因文丘里效应(日文：ベンチュリ効果)而流入到第一室31a内的加热部32与送风部34之间。即，被加热部32加热了的空气经由循环流路48(第一连通孔44、第二室31b以及第二连通孔46)被导入到加热部32与送风部34之间。由此，能够维持对壳体12内换气所需的流速并且有效地对空气进行加热。
如图3所示，被加热部32充分加热后的空气扩散到整个第二室31b，从设置于底部30a的导出孔50朝向下方导出到第一收容空间29a的比加热装置30靠下侧。然后，如图1所示，从加热装置14向下方导出的空气(温暖空气)被引导壁部26向下方引导，对控制单元64和电源62进行加热。第一收容空间29a的温暖气体经由通路28而流入到第二收容空间29b。
从通路28流入到第二收容空间29b的温暖气体将水电解堆52、氢气提纯装置60、水循环装置54、鼓风机58以及纯水制造装置56加热之后，从空气出口部20向外部流出。
在水电解装置16起动时，经由纯水制造装置56由自来水生成的纯水经由纯水供给管线76向氧气气液分离器72供给。然后，在循环泵74的作用下，氧气气液分离器72内的纯水经由水供给管线66向水电解堆52的阳极入口侧供给。另一方面，由电源62对水电解装置16施加电压而使电流在水电解装置16中流动。
因此，在水电解堆52的水电解单体的阳极侧，纯水被电解而生成氢离子、电子以及氧气。在水电解单体的阴极侧，氢离子与电子结合而产生氢气。
因反应而生成的氧气、未反应的水、透过的氢气在水电解堆52的阳极侧出口流动，这些混合流体经由水排出管线68被导入氧气气液分离器72。在氧气气液分离器72中，将混合流体分离为气体(氧气和氢气)与液体(水)。由氧气气液分离器72分离出的水被循环泵74经由水供给管线66来导入到水电解堆52。由氧气气液分离器72分离出的氧气和氢气在被鼓风机58稀释的状态下经由气体排出管线79向外部排出。
因反应而生成的氢气在水电解堆52的阴极侧出口处流动，该氢气经由氢气导出管线70被导入到氢气气液分离器80。在氢气气液分离器80中，氢气所含有的液态水被从该氢气分离出并被储存在氢气气液分离器80中。由氢气气液分离器80分离出的氢气经由氢气管线84被导入到吸附塔82，被除湿而成为干燥氢气(产品氢气)。干燥氢气例如向燃料电池电动车等供给。
在该情况下，本实施方式所涉及的加热装置14和水电解系统10发挥以下的效果。
加热装置14具有：箱体30，其设置有导入孔38；加热部32，其收容在箱体30内，对从导入孔38导入到箱体30内的外部气体进行加热；送风部34，其将外部气体向加热部32引导；循环流路48，其将被加热部32加热了的空气的一部分向加热部32与送风部34之间引导；以及导出孔50(导出部)，其用于将被加热部32加热了的空气向外部导出。循环流路48内的空气因文丘里效应被导入到加热部32与送风部34之间。
由此，从送风部34向加热部32输送的外部气体被加热部32加热之后，在循环流路48中流通并且因文丘里效应而向比加热部32靠送风部34侧导入，被加热部32再次加热。因此，能够抑制加热装置14的电力消耗的增大和大型化并且在确保所需的风速(壳体12的换气所需的风速)的状态下对外部气体可靠地进行加热。
导出孔50将在循环流路48中流通的空气的一部分向外部导出。因此，能够使加热装置14紧凑地构成。
在箱体30中设置将箱体30内分隔为第一室31a与第二室31b的分隔壁36。在分隔壁36形成第一连通孔44和第二连通孔46，其中，所述第一连通孔44将第一室31a中的与加热部32相比靠与送风部34相反的一侧的空气向第二室31b内引导；所述第二连通孔46将第二室31b内的空气向加热部32与送风部34之间引导。循环流路48包括第一连通孔44、第二室31b以及第二连通孔46。由此，能够使循环流路48为简单的结构。
第一室31a和第二室31b在水平方向上彼此并排。因此，能够使被加热部32加热了的空气经由第一连通孔44、第二室31b以及第二连通孔46而在第一室31a内有效率地循环。
第二连通孔46沿与送风部34和加热部32的排列方向正交的方向延伸。由此，能够抑制箱体30在送风部34和加热部32的排列方向大型化而且使第二连通孔46的开口面积比较大。
导出孔50设置于箱体30的底部30a。由此，被加热部32加热了的空气在箱体30内的上方流通，因此，能够不妨碍被加热了的空气的循环地使被充分加热了的空气(温暖空气)从导出孔50向箱体30的外部导出。
导出孔50形成于构成第二室31b的底面，因此，能够将在循环流路48中流通的空气从导出孔50导出。
导出孔50的开口面积比第二连通孔46的开口面积大。因此，能够将被加热部32加热了的空气有效率地从导出孔50导出。
水电解系统10具有收容水电解装置16和加热装置14的壳体12，水电解装置16以能引导被加热装置14加热了的空气(温暖空气)的方式配置在壳体12内。由此，即使在将水电解系统10设置于寒冷地区的情况下，也能够利用由加热装置14加热了的空气来抑制水电解装置16冻结，并且有效率地对壳体12内进行换气。
水电解装置16具有水电解堆52以及控制水电解装置16的电气部件的控制单元64。水电解堆52配置于壳体12内的空气的流动路径中的比控制单元64靠下游侧。控制单元64被配置在加热装置14的导出孔50的下方。
由此，能够利用被加热装置14加热了的空气来有效率地对控制单元64和水电解堆52进行加热。另外，即使在氢气从水电解堆52泄漏的情况下，也能够防止泄漏的氢气(泄漏氢气)被引导向控制单元64或加热装置14。
在壳体12设置空气入口部18、引导壁部26以及空气出口部20，其中，所述引导壁部26将从加热装置14的导出孔50导出的空气向下方引导；所述空气出口部20位于与引导壁部26相比靠与空气入口部18相反的一侧的位置。控制单元64位于比引导壁部26靠空气入口部18侧的位置，水电解堆52位于比引导壁部26靠空气出口部20侧的位置。
由此，能够利用引导壁部26将被加热装置14加热了的空气有效率地向控制单元64引导。另外，由于能够利用引导壁部26可靠地抑制泄漏氢气被引导向控制单元64或加热装置14，因此，能够将泄漏氢气与空气一起迅速地从空气出口部20排出。
空气出口部20位于比水电解堆52靠上方的位置。因此，能够将泄漏氢气从空气出口部20有效率地排出。
本发明并不限定于上述的实施方式。也可以是，分隔壁36设置为将箱体30内在上下方向分隔为第一室31a与第二室31b。也可以是，导出孔50设置于构成第一室31a的底面的与加热部32相比靠与送风部34相反的一侧。导出孔50也可以设置于第一侧部30b、第二侧部30c、第三侧部30d以及第四侧部30e中的任一个或者多个。在该情况下，在设置导出孔50的侧部与壳体12或者引导壁部26之间设置间隙。
也可以是，循环流路48由配管构成。第二连通孔46可以比第一连通孔44大，也可以比第一连通孔44小。也可以是，送风部34配设于箱体30的外侧(与导入孔38相向的位置)。
也可以是，引导壁部26延伸到比第一支承壁部22靠下方。在该情况下，能够更可靠地防止泄漏氢气被引导向控制单元64或电源62。
本发明所涉及的加热装置和水电解系统并不限定于上述的实施方式，当然能够在没有脱离本发明的主旨的范围内能采用各种结构。

Claims (11)

1.一种加热装置，具有：
箱体，其设置有导入孔；
加热部，其收容在所述箱体内，对从所述导入孔导入到所述箱体内的外部气体进行加热；
送风部，其用于将外部气体向所述加热部引导；
循环流路，其将被所述加热部加热了的空气的一部分向所述加热部与所述送风部之间引导；以及
导出部，其用于将被所述加热部加热了的空气向外部导出，
其中，所述循环流路内的空气因文丘里效应被导入到所述加热部与所述送风部之间,
在所述箱体中设置有将所述箱体内分隔为第一室和第二室的分隔壁，
所述加热部被配置于所述第一室，
所述导入孔将外部气体导入到所述第一室，
在所述分隔壁形成第一连通孔和第二连通孔，其中，
所述第一连通孔将所述第一室中的位于与所述加热部相比靠与所述送风部相反的一侧的空气向所述第二室内引导；
所述第二连通孔将所述第二室内的空气向所述加热部与所述送风部之间引导，
所述循环流路包括所述第一连通孔、所述第二室以及所述第二连通孔。
2.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，
所述导出部使在所述循环流路中流通的空气的一部分向外部导出。
3.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，
所述第一室和所述第二室在水平方向上彼此并排。
4.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，
所述第二连通孔在与所述送风部和所述加热部的排列方向正交的方向延伸。
5.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，
所述导出部设置于所述箱体的底部。
6.根据权利要求5所述的加热装置，其特征在于，
所述导出部是形成于构成所述第二室的底面的孔。
7.根据权利要求6所述的加热装置，其特征在于，
所述导出部的开口面积比所述第二连通孔的开口面积大。
8.一种水电解系统，其特征在于，具有：
水电解装置，其通过对水进行电解来产生氢气；
加热装置；以及
壳体，其收容所述水电解装置和所述加热装置，
所述加热装置具有：
箱体，其设置有导入孔；
加热部，其收容在所述箱体内，对从所述导入孔导入到所述箱体内的外部气体进行加热；
送风部，其用于将外部气体向所述加热部引导；
循环流路，其将被所述加热部加热了的空气的一部分向所述加热部与所述送风部之间引导；以及
导出部，其用于将被所述加热部加热了的空气向外部导出，
其中，所述循环流路内的空气因文丘里效应被导入到所述加热部与所述送风部之间,
在所述箱体中设置有将所述箱体内分隔为第一室和第二室的分隔壁，
所述加热部被配置于所述第一室，
所述导入孔将外部气体导入到所述第一室，
在所述分隔壁形成第一连通孔和第二连通孔，其中，
所述第一连通孔将所述第一室中的位于与所述加热部相比靠与所述送风部相反的一侧的空气向所述第二室内引导；
所述第二连通孔将所述第二室内的空气向所述加热部与所述送风部之间引导，
所述循环流路包括所述第一连通孔、所述第二室以及所述第二连通孔，
所述水电解装置以能引导被所述加热装置加热了的空气的方式被配置在所述壳体内。
9.根据权利要求8所述的水电解系统，其特征在于，
所述水电解装置具有：
水电解堆；以及
控制单元，其控制所述水电解装置的电气部件，
所述水电解堆被配置在所述壳体内的空气的流动路径中的比所述控制单元靠下游侧的位置，
所述控制单元配置于所述加热装置的所述导出部的下方。
10.根据权利要求9所述的水电解系统，其特征在于，
在所述壳体上设置：
空气入口部，其用于将空气取入所述壳体内；
引导壁部，其将从所述加热装置的所述导出部导出的空气向下方引导；以及
空气出口部，其相对于所述引导壁部，位于与所述空气入口部相反的一侧的位置，用于使所述壳体内的空气向外部流出，
所述控制单元位于比所述引导壁部靠所述空气入口部侧的位置，
所述水电解堆位于比所述引导壁部靠所述空气出口部侧的位置。
11.根据权利要求10所述的水电解系统，其特征在于，
所述空气出口部位于比所述水电解堆靠上方的位置。
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