CN112342569A - 一种小型低电耗自动制氢低压储氢装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小型低电耗自动制氢低压储氢装置，主要由DC/DC电源转换器、继电器、控制板、储氢罐、干燥组件、三浮球水位开关、纯水制氢电解槽、顶端有孔的氧分水箱（以下称氧分水箱）、冷却扇等组成。本发明一方面充分连通器原理，通过确保氧分水箱、氧侧接管与纯水制氢电解槽的高度差，在电解前转动两位三通阀门排出电解槽内可能具有的气体，从而使电解槽充满水份，无需泵的作用；另一方面通过实时监测装置内压力变化，让装置低于设定压力时自动制氢储氢。与现有纯水制氢装置相比，本发明减少了泵的使用，耗电量减少，同时自动化程度较高，能实现自动制氢储氢。

Description

一种小型低电耗自动制氢低压储氢装置

技术领域

本发明涉及电解制氢储氢领域，尤其是涉及一种小型、耗电量少、能够自动检测压力并制取氢气储存的装置。

背景技术

氢气因其热值高，无污染产生的特点，被认为是一种理想的能源。目前获取氢气的方法很多，有化石燃料裂解产氢、电解水产氢、工业废气重整制氢等。其中，电解水制氢技术因其制取的氢气纯度高、原料只需水等优点，可用在燃料电池、气体导热、电子微芯片制造、质谱分析等多个领域。

现有的电解水制氢装置因需要用泵来输送液体，确保电解槽内充满水分，电耗较多；而且需要专门的制氢储氢时间，不方便使用。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种小型低电耗自动制氢低压储氢装置。以达到减少电能消耗，实现自动检测制氢、储氢、用氢的目的。

为解决以上技术问题，本发明采取了以下技术方案：

一种小型低电耗自动制氢低压储氢装置，包括重力补水部分和自动控制部分。

所述的重力补水部分，主要包含氧分水箱18、纯水制氢电解槽14和两位三通阀13。氧分水箱18底部要高于纯水制氢电解槽14顶端，氧分水箱18下部与纯水制氢电解槽14下部用管子连接。在紧挨氧气出口的位置有一个两位三通阀13，两位三通阀13的公共端接纯水制氢电解槽14的顶端出口，其他一端接氧分水箱上端进口，另一端接排水管，排水管最高处不高于氧分水箱的下端。

优选的，所述的重力补水部分，排出纯水制氢电解槽14内气体的操作为：转动两位三通阀13使b、c接通，向氧分水箱内倒入纯水，由于氧分水箱18底端一直高于纯水制氢电解槽14顶端，在氧分水箱18里有水的情况下，氧分水箱18内的水份会先充满纯水制氢电解槽14，然后通过两位三通阀13流出，待一段时间后，转动两位三通阀13，使a、b接通，此时纯水制氢电解槽14内会全部充满水份。此过程中无需泵将水箱里的水打入电解槽内部，减少了电量消耗。

优选的，所述的重力补水部分，其特征在于，氧分水箱18上部开有孔洞，氧分水箱18的出液口要低于进液口，其下端有排污口，排污口连接的管子上有快速堵头17。

优选的，所述的重力补水部分，其特征在于，纯水制氢电解槽14的隔膜为质子交换膜，不允许气体通过，工作时电解槽14氢侧压力要高于氧侧，能耐1.6MPa的压力差；放置时，纯水制氢电解槽14的进液口要低于其氧气出口，氢气出口要在纯水制氢电解槽14的顶端，与后处理装置连接。

进一步的，所述的自动控制部分由控制板3、继电器2、压力传感器4、储氢瓶8、氢分器11、两位三通阀5、减压阀6、用氢设备7等组成。控制板3检测接收到的压力信号，将之与设定值进行对比，若压力不小于停止产氢压力设定值，继电器2保持断开，DC/DC电源转换器1停止供电，纯水制氢电解槽14停止产氢；若压力不高于产氢压力设定值，继电器2闭合，DC/DC电源转换器1电源接通，纯水制氢电解槽14开始产氢至设定的停止产氢压力值。

优选的，所述的自动控制部分，其特征在于，控制板3上带有芯片，能接收并处理传感器输送的信号，控制继电器2的开闭。控制板3上能设定产氢压力值（不低于0.1MPa）和停止产氢压力值（不超过1.6MPa）、系统的温度保护值（在65℃-75℃之间设定），以此来控制DC/DC电源转换器1和风扇15的启动和停止；同时通过三浮球水位开关10来检测水位信号，控制与氢分器11连接的排水电磁阀16的开闭。

优选的，所述的自动控制部分，其特征在于，在干燥组件9和两位三通阀5之间有压力传感器4，两位三通阀5安装在储氢瓶8上，在两位三通阀5和用氢设备7之间设置有减压阀6保证进入用氢设备7的压力稳定。用氢时转动两位三通阀5使e、f接通，停止用氢时转动两位三通阀5使d、f接通。要注意的是减压阀6的进口压力设置值要低于控制板3设定的产氢压力值。

优选的，所述的自动控制部分，其特征在于，为了使系统稳定安全运行，要在临近纯水制氢电解槽14氧侧出口端设定温度检测12；用风扇15冷却，保证电源1和纯水制氢电解槽14的温度不会过高；用氢分器11将电解出的氢气与所含的少量水份分离；氢分器11中有三浮球水位开关10，通过控制电磁阀16的开闭来调节氢分器11中的水位；干燥组件9中盛有分子筛、硅胶等吸水剂，来去除氢气中的水份。

进一步的，所述的一种小型低电耗自动制氢低压储氢装置动作方案为：

1）设备管道连接完成后，转动两位三通阀13使b、c口接通，让氧分水箱18内的水份，通过纯水制氢电解槽14后流出，排出其中的气体。再次转动两位三通阀13，使a、b接通，让水份充满整个纯水制氢电解槽14内。转动两位三通阀门5使d、f接通，在接通电源后，纯水制氢电解槽14开始电解制取氢气，氢气进入氢分器11后，与水份进行初步分离，之后通过干燥器组件9里的分子筛、硅胶等吸附剂进一步脱去气体中的水分，储存在氢气瓶8中。当装置内压力达到设定的停止产氢的压力值时，DC/DC电源转换器1断开，纯水制氢电解槽14停止产氢。用氢时，转动两位三通阀门5使e、f接通，让储氢瓶8内的氢气通过减压阀6后，稳定输出压力给用氢设备7使用。停止用氢时，转动两位三通阀5再次使d、f接通，储氢瓶8与用氢设备7的气路断开。当检测到制氢装置内的压力低于设定的产氢压力值时，DC/DC电源转换器1接通，纯水制氢电解槽14开始产氢。

2）设备在运行时，要检测制氢电解槽14氧气出口端附近的温度，当温度超过设定值时，DC/DC电源转换器1断开，设备停止产氢，待冷却完毕排除问题后，电源继续接通开始电解产氢。

3）氢分器11内的水位控制为：当三浮球水位开关10的中端和下端浮球都浮起时，电磁阀16打开，氢分器11中的水分开始排出；当三浮球水位开关10的中端和下端的浮球都落下时，电磁阀16关闭，此时氢分器11中应留有部分液体来做水封防止氢气从氢分器11的下部溢出。当三浮球水位开关10的上端浮球浮起时，DC/DC电源转换器1断开，设备停止产氢，需要进行故障排除。

附图说明

图1为本发明提供的系统控制流程图。

图中，DC/DC电源转换器1、继电器2、控制板3、压力传感器4、两位三通阀5、减压阀6、用氢设备7、储氢瓶8、干燥组件9、三浮球水位开关10、氢分器11、温度检测器12、两位三通阀13、纯水制氢电解槽14、风扇15、排水电磁阀16、快速堵头17、顶端有孔的氧分水箱18

图2为本发明的重力补水部分图。

图3为本发明的储氢用氢接口图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有一进口压力需稳定在0.8MPa的氢燃料电池系统。设置减压阀6进口压力在1MPa、出口压力在0.8MPa，在控制板3上设定产氢最低压力值为1.1MPa和停止产氢的最高压力值1.5MPa，系统保护温度设定在70℃。

步骤一，设备接通后，氧分水箱18内的水通过转动两位三通阀13排出纯水制氢电解槽14内的气体，使之充满水份，DC/DC电源转换器1接通电源后，纯水制氢电解槽14开始电解水产生氢气，温度检测器12将检测到的温度信号输送至控制板3，风扇15在通电5分钟后开始转动散热。电解出的氧气和水一起回流至氧分水箱18，氢气通过氢分器11初步将气体和所含的少量水分分离，之后通过干燥组件9进一步脱去气体中的水分。氢气通过两位三通阀5后进入储氢瓶8内，压力传感器4将检测到的系统压力输送给控制板3。当检测到的压力不小于1.5MPa时，继电器2断开，DC/DC电源转换器1停止给纯水制氢电解槽14供电，产氢停止，1分钟后风扇15停止转动。制氢过程中，若三浮球水位开关10的下端和中端浮球浮起时，电磁阀16打开，将氢分器11内的水分排出；当三浮球水位开关10的下端和中端浮球落下时，电磁阀16闭合；当三浮球水位开关10的上端浮球浮起或当检测的温度超过70℃时，DC/DC电源转换器1停止给纯水制氢电解槽14供电，产氢停止。

步骤二，转动两位三通阀5，储氢瓶8内的氢气通过减压阀6后进入用氢设备7开始消耗氢气。停止用氢后，转动两位三通阀5使出氢口关闭，储氢瓶5与前端制氢部分形成通路，此时若压力传感器4检测到的压力小于1.1MPa时，重复步骤一充氢至1.5MPa。

Claims (8)

1.一种小型低电耗自动制氢低压储氢装置，其特征在于，重力补水部分主要包含氧分水箱(18)、纯水制氢电解槽(14)和两位三通阀(13)，氧分水箱(18)底部要高于纯水制氢电解槽(14)顶端，氧分水箱(18)下部与纯水制氢电解槽(14)下部用管子连接，在紧挨氧气出口的位置有一个两位三通阀(13)，两位三通阀(13)的公共端接纯水制氢电解槽(14)的顶端出口，其他一端接氧分水箱上端进口，另一端接排水管，排水管最高处不高于氧分水箱的下端。

2.根据权利要求1所述的重力补水部分，其特征在于，排出纯水制氢电解槽(14)内气体的操作为：转动两位三通阀(13)使b、c接通，向氧分水箱内倒入纯水，由于氧分水箱(18)底端一直高于纯水制氢电解槽(14)顶端，在氧分水箱(18)里有水的情况下，氧分水箱(18)内的水份会先充满纯水制氢电解槽(14)，然后通过两位三通阀(13)流出，待一段时间后，转动两位三通阀(13)，使a、b接通，此时纯水制氢电解槽(14)内会全部充满水份，此过程中无需泵将水箱里的水打入电解槽内部，减少了电量消耗。

3.根据权利要求1所述的重力补水部分，其特征在于，氧分水箱(18)上部开有孔洞，氧分水箱(18)的出液口要低于进液口，其下端有排污口，排污口连接的管子上有快速堵头(17)，纯水制氢电解槽(14)的隔膜为质子交换膜，不允许气体通过，工作时电解槽(14)氢侧压力要高于氧侧，能耐1.6MPa的压力差；放置时，纯水制氢电解槽(14)的进液口要低于其氧气出口，氢气出口要在纯水制氢电解槽(14)的顶端，与后处理装置连接。

4.一种小型低电耗自动制氢低压储氢装置，其特征在于，自动控制部分由控制板(3)、继电器(2)、压力传感器(4)、储氢瓶(8)、氢分器(11)、两位三通阀(5)、减压阀(6)、用氢设备(7)等组成，控制板(3)检测接收到的压力信号，将之与设定值进行对比，若压力不小于停止产氢压力设定值，继电器(2)保持断开，DC/DC电源转换器(1)停止供电，纯水制氢电解槽(14)停止产氢；若压力不高于产氢压力设定值，继电器(2)闭合，DC/DC电源转换器(1)电源接通，纯水制氢电解槽(14)开始产氢至设定的停止产氢压力值。

5.根据权利要求3所述的自动控制部分，其特征在于，控制板(3)上带有芯片，能接收并处理传感器输送的信号，控制继电器(2)的开闭，控制板(3)上能设定产氢压力值（不低于0.1MPa）和停止产氢压力值（不超过1.6MPa）、系统的温度保护值（在65℃-75℃之间设定），以此来控制DC/DC电源转换器(1)和风扇(15)的启动和停止；同时通过三浮球水位开关(10)来检测水位信号，控制与氢分器(11)连接的排水电磁阀(16)的开闭。

6.根据权利要求3所述的自动控制部分，其特征在于，在干燥组件(9)和两位三通阀(5)之间有压力传感器(4)，两位三通阀(5)安装在储氢瓶(8)上，在两位三通阀(5)和用氢设备(7)之间设置有减压阀(6)保证进入用氢设备(7)的压力稳定，用氢时转动两位三通阀(5)使e、f接通，停止用氢时转动两位三通阀(5)使d、f接通，要注意的是减压阀(6)的进口压力设置值要低于控制板(3)设定的产氢压力值。

7.根据权利要求3所述的自动控制部分，其特征在于，为了使系统稳定安全运行，要在临近纯水制氢电解槽(14)氧侧出口端设定温度检测(12)；用风扇(15)冷却，保证电源(1)和纯水制氢电解槽(14)的温度不会过高；用氢分器(11)将电解出的氢气与所含的少量水份分离；氢分器(11)中有三浮球水位开关(10)，通过控制电磁阀(16)的开闭来调节氢分器(11)中的水位；干燥组件(9)中盛有分子筛、硅胶等吸水剂，来去除氢气中的水份。

8.一种小型低电耗自动制氢低压储氢装置，其特征在于，包括控制方案：

一、设备管道连接完成后，转动两位三通阀(13)使b、c口接通，让氧分水箱(18)内的水份，通过纯水制氢电解槽(14)后流出，排出其中的气体，再次转动两位三通阀(13)，使a、b接通，让水份充满整个纯水制氢电解槽(14)内，转动两位三通阀门(5)使d、f接通，在接通电源后，纯水制氢电解槽(14)开始电解制取氢气，氢气进入氢分器(11)后，与水份进行初步分离，之后通过干燥器组件(9)里的分子筛、硅胶等吸附剂进一步脱去气体中的水分，储存在氢气瓶(8)中，当装置内压力达到设定的停止产氢的压力值时，DC/DC电源转换器(1)断开，纯水制氢电解槽(14)停止产氢，用氢时，转动两位三通阀门(5)使e、f接通，让储氢瓶(8)内的氢气通过减压阀(6)后，稳定输出压力给用氢设备(7)使用，停止用氢时，转动两位三通阀(5)再次使d、f接通，储氢瓶(8)与用氢设备(7)的气路断开，当检测到制氢装置内的压力低于设定的产氢压力值时，DC/DC电源转换器(1)接通，纯水制氢电解槽(14)开始产氢；

二、设备在运行时，要检测制氢电解槽（14）氧气出口端附近的温度，当温度超过设定值时，DC/DC电源转换器（1）断开，设备停止产氢，待冷却完毕排除问题后，电源继续接通开始电解产氢；

三、氢分器（11）内的水位控制为：当三浮球水位开关（10）的中端和下端浮球都浮起时，电磁阀（16）打开，氢分器（11）中的水分开始排出；当三浮球水位开关（10）的中端和下端的浮球都落下时，电磁阀（16）关闭，此时氢分器（11）中应留有部分液体来做水封防止氢气从氢分器（11）的下部溢出，当三浮球水位开关（10）的上端浮球浮起时，DC/DC电源转换器（1）断开，设备停止产氢，需要进行故障排除；

四、DC/DC电源转换器（1）接通时，风扇（14）在一段时间后开始转动；DC/DC电源转换器（1）断开时，风扇（14）继续转动一段时间后停止。

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