CN112051183A - 一种氢气检测和纯化装置 - Google Patents

Abstract

一种用于检测混合气体中氢气含量的装置，包括储气罐和容器，所述容器分为左右两个子容器，其中所述左右两个子容器通过中间的隔板隔开，所述隔板将所述左右两个子容器在上、前、后三面隔开，在下侧留有一定的空间，所述左侧子容器设置有用于封闭左侧子容器顶端的盖子，所述盖子下侧面涂覆有钯薄膜，所述左侧子容器的左侧壁上端设置有进气口，所述储气罐通过软管与所述进气口相连，向所述左侧子容器供气，在软管上设置有流量计和电磁阀；所述容器中装有水，在自然状态下，没过所述隔板底端；所述右侧子容器顶端为开放空间。

Description

一种氢气检测和纯化装置

技术领域

本发明涉及气体检测及制备领域，具体涉及氢气含量的检测及氢气制备领域。

背景技术

氢气是一种无色无味、易燃易爆的气体。在生产、储存运输过程中容易泄露，或者生产出来的氢气不纯，因此需要氢气的含量进行精确的测量。

现有技术中氢气测量方式包括气象色谱检测技术，这种测量手段误差较大，灵敏度低，操作复杂。或者采用电化学氢气传感器，其工作范围覆盖较广，并且功耗低，但电极寿命有限，而且需要给传感器供电，不安全。还有光纤传感方式，CN1587992A提供了一种微悬臂梁驱动的光强调制型光纤传感器，受温度影响较小，成本低，操作简单；CN109557049A公开了一种采用光学回音壁模式微盘腔的氢气传感器，功耗低，抗干扰能力强，安全性高。但以上两种都不是直接测定氢气的含量，而是氢气被钯吸收，吸收导致钯膜变形，钯膜导致微悬臂(回音壁变形，变形导致光谱(光强)的变化，其中经过了多个介入因素，一旦其中一个因素不准确，例如，微悬臂的形变量发生突变，与氢气没有相关关系或相关关系发生变化，则导致氢气的含量测量不准确。为解决上述问题，本发明提供了一种氢气含量检测装置，没有过多的介入因素，也不需要大型精密仪器，操作简单，也降低了成本。

发明内容

为解决现有技术氢气含量测不准以及成本高、操作复杂的问题，本发明提出了一种用于检测气体中氢气含量的容器，同时可以对该容器进一步改进作为制备纯化氢气的装置，测量结果准确，操作简单易行，没有很强专业知识的人士也能够完成相关操作。

本发明通过以下技术方案实现：一种用于检测混合气体中氢气含量的装置，包括储气罐和容器，其特征在于，所述容器分为左右两个子容器，其中所述左右两个子容器通过中间的隔板隔开，所述隔板将所述左右两个子容器在上、前、后三面隔开，在下侧留有一定的空间，所述左侧子容器设置有用于封闭左侧子容器顶端的盖子，所述盖子下侧面涂覆有钯薄膜，所述左侧子容器的左侧壁上端设置有进气口，所述储气罐通过软管与所述进气口相连，向所述左侧子容器供气，在软管上设置有流量计和电磁阀；所述容器中装有水，在自然状态下，没过所述隔板底端；所述右侧子容器顶端为开放空间。

所述储气罐中的气体可以是生产制备的不纯氢气，也可以是氢气泄露之后重新回收的混合气体。

根据本发明的一种实施方式，所述左右两个子容器的侧壁上均设置有刻度，用于读取左右两个子容器中水面的水位。

根据本发明的一种实施方式，所述钯薄膜表面设置有密封层，所述密封层可以在盖子封闭的情况下，通过自动方式打开。加装密封层的目的是为了获取钯薄膜吸收氢气之前和之后的水位变化情况。

一种采用本发明任一种实施方式的用于检测混合气体中氢气含量的装置检测氢气含量的方法，包括如下步骤：

S1.打开储气罐，打开通气电磁阀，在钯薄膜被密封的情况下，向所述左侧子容器中通入混合气体，记录通入气体的流量L；

S2.在通入气体的情况下，左侧子容器上部气压增加，水位下降，记录水面所在位置h1，同时右侧子容器中水面位置上升，记录水面所在位置h2，两者水位差为δh1＝h2-h1；

S3.打开钯薄膜表面的密封层，钯薄膜对混合气体中的氢气产生吸收作用，左侧子容器此时左侧子容器上部气压减小，水位上升，记录水面位置为h3，同时右侧子容器中水位下降，记录水面所在位置为h4，两者水位差为δh2＝h4-h3；

S4.根据公式计算氢气的含量

其中ρ为水的密度，S为左侧子容器的底面面积，R为常数，T为当前温度。

本发明所采用的氢气检测方法操作方便，简单易行。而且通过压强变化直接与氢气含量关联，与现有技术中的光纤传感检测氢气含量相比，关联环节大大减小，减小了影响检测准确性的因素，使得检测结果更准确。

一种氢气纯化装置，包括储气罐和容器，其特征在于，所述容器分为左右两个子容器，其中所述左右两个子容器通过中间的隔板隔开，所述隔板将所述左右两个子容器在上、前、后三面隔开，在下侧留有一定的空间，所述左侧子容器设置有用于封闭左侧子容器顶端的盖子，所述盖子下侧面设置有加热片，在所述加热片上涂覆有钯薄膜，所述左侧子容器的左侧壁上端设置有进气口，所述储气罐通过软管与所述进气口相连，向所述左侧子容器供气，在软管上设置有流量计和电磁阀；在进气口的下侧设置有废气出气口，所述废气出气口通过软管连接真空泵一；在废气出气口的下侧设置有氢气出气口，氢气出气口通过软管连接真空泵二，所述真空泵二连接氢气罐；

所述容器中装有水，在自然状态下，没过所述隔板底端；所述右侧子容器顶端为开放空间。

根据本发明的氢气纯化装置的一种实施方式，在所述左侧子容器的液面上设置有浮子，在所述左侧子容器的中间靠上部分设置有中间开口的挡板。

根据本发明的氢气纯化装置的一种实施方式，在所述盖子上侧设置有开启所述加热片的开关。

一种采用本发明的任一种氢气纯化装置纯化氢气的方法，其步骤如下：

(5)打开储气罐，打开通气电磁阀，向所述左侧子容器中通入一定量的混合气体；

(6)待反应一段时间，开启所述真空泵一，对左侧子容器的上部气体空间抽真空，去除其中的废气；

(7)关闭真空泵一，打开加热片，此时加热片对钯薄膜进行加热，钯薄膜中的氢气得以逃脱，一段时间后，氢气全部进入气体空间；

(8)开启真空泵二，抽取氢气，将其储存到氢气罐中。

有益效果

本发明公开的装置可以同时进行氢气含量的检测以及制备纯净的氢气，设备结构简单，操作方便，且一举两用。

本发明的检测步骤不涉及光电，不受环境光线以及空气湿度等的影响，而且不用考虑电磁干扰，大大提高了检测准确性。而且本发明是通过氢气的吸收(气体减少)直接对水位造成了改变，不存在现有技术中通过多种传递变化带来的不确定性，也直接改善了测量准确度。

对仪器要求较小，大大降低了成本。因此对操作人员的专业知识也相应降低，

附图说明

图1为本发明用于检测混合气体中氢气含量的装置示意图；

图2(a)为充入混合气体未打开钯薄膜时的水位状态图；图2(b)为打开钯薄膜时的水位状态图；

图3为制备纯净氢气的装置示意图；

图4为抽真空后的水位状态图。

附图标记

11、左侧子容器，12、右侧子容器，13、盖子，14、钯薄膜，15、密封装置，16、加热片，17、挡板，18、浮子，21、储气罐，22、流量计，23、电磁阀，31、废气罐，32、真空泵一，41、氢气罐，42、真空泵二。

具体实施方式

现结合附图对本发明的具体实施方式做出详细的阐述。本实施例仅用于本发明的具体实现方式进行说明，以利于本领域技术人员更好的理解本发明，并不是本发明保护范围的限制。针对本发明所做出的任何修改或同等替换，都应涵盖在本发明保护范围中。

图1示出了本发明用于检测混合气体中氢气含量的装置，包括储气罐21和容器，其特征在于，所述容器分为左右两个子容器，其中所述左右两个子容器通过中间的隔板隔开，所述隔板将所述左右两个子容器在上、前、后三面隔开，在下侧留有一定的空间，所述左侧子容器11设置有用于封闭左侧子容器顶端的盖子13，所述盖子下侧面涂覆有钯薄膜14，所述左侧子容器11的左侧壁上端设置有进气口，所述储气罐通过软管与所述进气口相连，向所述左侧子容器11供气，在软管上设置有流量计22和电磁阀23；所述容器中装有水，在自然状态下，没过所述隔板底端；所述右侧子容器12顶端为开放空间。

所述储气罐21中的气体可以是生产制备的不纯氢气，也可以是氢气泄露之后重新回收的混合气体。混合气体的泵入应当在合理的范围，不能使气压过大，导致左侧子容器11的水位降低过大从而使水位低于挡板的底部或者使得右侧子容器12中的水冒出；同时要存在明显的压差，使的右侧子容器12中的水位有明显的变化。左侧子容器11和右侧子容器12的底面积大小也应当合适，既能够在很小的压差的情况下右侧子容器12中的水位上升明显，又不能使水冒出，其优选比例应大于3，小于6。

所述盖子13可以开启和关闭，打开所述盖子13的目的是让空气进入左侧子空间11的上部，使的在检测之前两边达到压力平衡，特别是在制备氢气抽真空的情况下。所述钯薄膜14表面设置有密封层15，所述密封层15可以在盖子13封闭的情况下，通过自动方式打开。所述密封层可以采用现有技术中的任何一种方式设置，可以通过收缩的方式向一边开启，也可以通过开合的方式打开。在盖子表面设置有用于开启或关闭密封层的控制开关。

根据本发明的另一个实施方式，所述左右两个子容器的侧壁上均设置有刻度，用于读取水面升降变化时的水位。

根据本发明的检测装置的任一种实施方式进行氢气含量检测的方法，如图2所示，其包含了通入混合气体后，打开密封层前后的水位变化，根据水位的变化计算氢气含量，其步骤如下：

S1.打开储气罐21，打开通气电磁阀23，在钯薄膜14被密封的情况下，向所述左侧子容器11中通入混合气体，通过所述流量计22记录通入气体的流量L；

S2.在通入气体的情况下，左侧子容器11上部气压增加，水位下降，记录水面所在位置h1，同时右侧子容器中水面位置上升，记录水面所在位置h2，两者水位差为δh1＝h2-h1，则此时通入气体的气压为P1＝ρgδh1；

S3.打开钯薄膜14表面的密封层15，钯薄膜14对混合气体中的氢气产生吸收作用，左侧子容器此时左侧子容器11上部气压减小，水位上升，等待一定时间，待稳定后，记录水面位置为h3，同时右侧子容器12中水位下降，记录水面所在位置为h4，两者水位差为δh2＝h4-h3，此时左侧子容器11上部空间的气压为不含有氢气的气体产生，其气压为P2＝ρgδh2；

两者的压差即为氢气所贡献的气压，δP＝P1-P2＝ρgδh1-ρgδh2，同时，混合气体在左侧子容器11的空间变化均由氢气贡献，即为δV＝S(h3-h1)；

根据克拉伯龙方程pV＝nRT，可得(ρgδh1-ρgδh2)S(h3-h1)＝nRT，从而计算得到氢气的物质的量为：

用氢气的物质的量比上流量，即可得到混合气体中氢气的含量

S4.根据公式计算氢气的含量

其中ρ为水的密度，S为左侧子容器的底面面积，R为常数，T为当前温度。

本发明所采用的氢气检测方法操作方便，简单易行。而且通过压强变化直接与氢气含量关联，与现有技术中的光纤传感检测氢气含量相比，关联环节大大减小，减小了影响检测准确性的因素，使得检测结果更准确。

图3示出了本发明的用于制备纯净氢气的装置，包括储气罐21和容器，其特征在于，所述容器分为左右两个子容器，其中所述左右两个子容器通过中间的隔板隔开，所述隔板将所述左右两个子容器在上、前、后三面隔开，在下侧留有一定的空间，所述左侧子容器设置有用于封闭左侧子容器顶端的盖子13，所述盖子13下侧面设置有加热片16，在所述加热片上涂覆有钯薄膜14，所述左侧子容器11的左侧壁上端设置有进气口，所述储气罐21通过软管与所述进气口相连，向所述左侧子容器11供气，在软管上设置有流量计22和电磁阀23；在进气口的下侧设置有废气出气口，所述废气出气口通过软管连接真空泵一32，真空泵一32连接废气罐31；在废气出气口的下侧设置有氢气出气口，氢气出气口通过软管连接真空泵二42，所述真空泵二连接氢气罐41；

所述容器中装有水，在自然状态下，没过所述隔板底端；所述右侧子容器12顶端为开放空间。

在所述左侧子容器11的液面上设置有浮子18，在所述左侧子容器的中间靠上部分设置有中间开口的挡板17。在对左侧子容器11的上部抽真空时，与右侧子容器12外部产生气压差，如果不设置所述挡板17和浮子18，左侧子容器11中的水会充满，从而不会留存氢气空间。随着左侧子容器11中的水不断上升，所述浮子18也会上升，在达到所述挡板17的时候，堵住所述挡板17中间的开口，从而堵住水，阻止水的进一步上升，给氢气产生留足了空间，如图4所示。所述浮子18可以引导线等以防止其上浮方向偏离所述挡板17的中间开口。

根据本发明的另一个实施方式，在所述盖子13上侧设置有开启所述加热片16的开关。加热片16在钯薄膜14完全吸收混合气体中的氢气时开启，用于将所述钯钯薄膜14中的氢气释放出来，所述加热片16采用镍铬合金制备而成，加热片16的加热温度为400℃。

根据本发明的氢气纯化装置制备氢气的方法，其步骤如下：

(1)打开储气罐21，打开通气电磁阀23，向所述左侧子容器11中通入一定量的混合气体；

(2)待反应一段时间，右侧子容器12的水位不变变化或变化很小，开启所述真空泵一32，对左侧子容器11的上部气体空间抽真空，去除其中的废气；

(3)关闭真空泵一，打开加热片16，此时加热片16对钯薄膜14进行加热，所述钯薄膜14中的氢气得以逃脱，一段时间后，氢气全部进入左侧子容器11上部的气体空间；

(4)开启真空泵二42，抽取氢气，将其储存到氢气罐41中。

本发明所公开的氢气制备方法是在氢气检测装置的基础上加以应用得到的，一个装置两种用途。在检测完成后即随时得到纯化的氢气，提高了生产效率，节省了成本。

以上实施例为本发明的一种较佳实施方式，并非是对本发明的任何限制，任何不脱离本发明实质的修改、替代、组合等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于检测混合气体中氢气含量的装置，包括储气罐和容器，其特征在于，所述容器分为左右两个子容器，其中所述左右两个子容器通过中间的隔板隔开，所述隔板将所述左右两个子容器在上、前、后三面隔开，在下侧留有一定的空间，所述左侧子容器设置有用于封闭左侧子容器顶端的盖子，所述盖子下侧面涂覆有钯薄膜，所述左侧子容器的左侧壁上端设置有进气口，所述储气罐通过软管与所述进气口相连，向所述左侧子容器供气，在软管上设置有流量计和电磁阀；所述容器中装有水，在自然状态下，没过所述隔板底端；所述右侧子容器顶端为开放空间。

2.根据权利要求1所述的用于检测混合气体中氢气含量的装置，所述左右两个子容器的侧壁上均设置有刻度。

3.根据权利要求1所述的用于检测混合气体中氢气含量的装置，所述钯薄膜表面设置有密封层，所述密封层可以在盖子封闭的情况下，通过自动方式打开。

4.一种采用如权利要求1-3所述的用于检测混合气体中氢气含量的装置检测氢气含量的方法，包括如下步骤：

S1.打开储气罐，打开通气电磁阀，在钯薄膜被密封的情况下，向所述左侧子容器中通入混合气体，记录通入气体的流量V；

S2.在通入气体的情况下，左侧子容器上部气压增加，水位下降，记录水面所在位置h1，同时右侧子容器中水面位置上升，记录水面所在位置h2，两者水位差为δh1＝h2-h1；

S3.打开钯薄膜表面的密封层，钯薄膜对混合气体中的氢气产生吸收作用，左侧子容器此时左侧子容器上部气压减小，水位上升，记录水面位置为h3，同时右侧子容器中水位下降，记录水面所在位置为h4，两者水位差为δh2＝h4-h3；

S4.根据公式计算氢气的含量

其中ρ为水的密度，S为左侧子容器的底面面积，R为常数，T为当前温度。

5.一种氢气纯化装置，包括储气罐和容器，其特征在于，所述容器分为左右两个子容器，其中所述左右两个子容器通过中间的隔板隔开，所述隔板将所述左右两个子容器在上、前、后三面隔开，在下侧留有一定的空间，所述左侧子容器设置有用于封闭左侧子容器顶端的盖子，所述盖子下侧面设置有加热片，在所述加热片上涂覆有钯薄膜，所述左侧子容器的左侧壁上端设置有进气口，所述储气罐通过软管与所述进气口相连，向所述左侧子容器供气，在软管上设置有流量计和电磁阀；在进气口的下侧设置有废气出气口，所述废气出气口通过软管连接真空泵一；在废气出气口的下侧设置有氢气出气口，氢气出气口通过软管连接真空泵二，所述真空泵二连接氢气罐；

所述容器中装有水，在自然状态下，没过所述隔板底端；所述右侧子容器顶端为开放空间。

6.根据权利要求5所述的氢气纯化装置，在所述左侧子容器的液面上设置有浮子，在所述左侧子容器的中间靠上部分设置有中间开口的挡板。

7.根据权利要求6所述的氢气纯化装置，在所述盖子上侧设置有开启所述加热片的开关。

8.一种采用权利要求5-7所述的氢气纯化装置纯化氢气的方法，其步骤如下：

(1)打开储气罐，打开通气电磁阀，向所述左侧子容器中通入一定量的混合气体；

(2)待反应一段时间，开启所述真空泵一，对左侧子容器的上部气体空间抽真空，去除其中的废气；

(3)关闭真空泵一，打开加热片，此时加热片对钯薄膜进行加热，钯薄膜中的氢气得以逃脱，一段时间后，氢气全部进入气体空间；

(4)开启真空泵二，抽取氢气，将其储存到氢气罐中。

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