CN113445068A - 带净化功能的电解水装置及其水质控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种带净化功能的电解水装置及其水质控制方法，带净化功能的电解水装置包括电解水制氢制氧系统及净化装置，其中，净化装置为一套单独子系统，用于过滤水箱中的水；净化装置选自第一净化装置和第二净化装置中的一种，第一净化装置位于电解水制氢制氧系统外部，并与水箱连通形成水循环；第二净水装置位于水箱内部，其部分浸入水中而形成水循环。另外，带净化功能的电解水装置还包括水质控制系统，水质控制系统能够按照不同方式控制净化装置启停。本发明的带净化功能的电解水装置成本低，使用寿命长，具有良好的稳定性，缩小了制氢制氧系统的占用空间，还有效控制了噪声对用户的影响。
Description
技术领域
本发明涉及电解水技术领域，特别是涉及一种带净化功能的电解水装置及其水质控制方法。
背景技术
如今氢在各种行业领域具有很大的发展潜力，特别是由于氢在疾病治疗方面的辅助作用逐渐被人们发现，家用或医用等吸氢机得到了大力的发展。现有的制氢技术一般采用电解水制氢法，其中质子交换膜(proton exchange membrane，PEM)水电解制氢技术被认为是最有发展前景的水电解技术，电解槽能在高电流密度下工作，体积小，效率高，生成的氢气纯度可高达99.999％。
由于PEM水电解制氢法对水的纯度要求很高，通常要求其溶解性固体总量(Totaldissolved solids，TDS)不能大于5ppm，目前市面上销售的纯净水能够满足这一要求。考虑到静音及成本方面的要求，早期的电解水装置是通过将水箱14和电解槽11直接连通来给电解槽11供水(如图1所示)，但是随着电解水装置的带电运行时间逐渐增加，系统中微量杂质会逐渐混入水中，使得水中的TDS超标。TDS超标的水会很快污染质子交换膜，且质子交换膜不可回复，使得系统在短时间内(通常不会超过500小时)就会失效。
目前一种解决方法是在水箱中加入一根装有净化柱(净化树脂)21的棒状开放容器18(如图2所示)，水箱14中的水在电解时产生的气体扰动下会循环和净化树脂接触，从而达到过滤的目的。但此种方式由于水仅和树脂棒的表面接触，棒内部的树脂几乎不和水交换接触，因此净化效果很不理想。有数据表明TDS为40ppm的水质净化到5ppm以下通常需要一至两天的时间，净化效率较低。另一种解决方法是在水路中加入净化柱(净化树脂)21进行过滤纯化(如图3所示)。由于树脂的孔隙较密，因此通常需要用泵22带压将水送入电解槽中。但是由于家用或医用吸氢机在体积和噪音等方面的限制性要求，导致泵的可选择范围受限，更重要的是能够连续稳定运行5000个小时的泵成本偏高，而且后期故障率也高。另外，装置连续运行5000小时也会对树脂造成过度冲刷，造成过滤效果不及预期。因此，目前市场上的析氢机无故障寿命较低，一般不超过2000小时，因此需要设计一种新的带净化功能的电解水装置及其水质控制方法来解决上述问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种带净化功能的电解水装置及其水质控制方法，用于解决现有技术中的电解水装置使用寿命低，并且在体积与噪音等方面难以满足医用要求的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种带净化功能的电解水装置，所述带净化功能的电解水装置包括电解水制氢制氧系统及净化装置；
所述电解水制氢制氧系统包括：电解槽，包括阴极、阳极和质子交换膜，所述阴极与所述阳极分置于所述质子交换膜两侧，所述阴极一侧用于产生氢气，所述阳极一侧用于产生氧气；气水分离器，通过第一输送管道与所述电解槽的阴极侧连通，所述第一输送管道用于将所述电解槽产生的氢气和水输送至所述气水分离器中，所述气水分离器用于将接收的氢气与水进行分离；水箱，通过第二输送管道及第三输送管道与所述电解槽的阳极侧连通，所述第二输送管道用于将所述电解槽产生的氧气和水输送至所述水箱中，所述第三输送管道用于将所述水箱中的水输送至所述电解槽中，所述水箱用于将氧气与水进行分离；水位连通管，将所述气水分离器的底部与所述水箱的底部连通；
所述净化装置为一套单独子系统，用于过滤所述水箱中的水，且所述净化装置中的水循环独立于完整的所述电解水制氢制氧系统；所述净化装置选自第一净化装置和第二净化装置中的一种，所述第一净化装置位于所述电解水制氢制氧系统外部，并通过外部输送管道与所述水箱连通形成水循环；所述第二净水装置位于所述水箱内部，其部分浸入水中而形成水循环。
可选地，所述第一净化装置包括第一水泵及净化柱，所述第一水泵和所述净化柱通过所述外部输送管道连接，其中，所述净化柱包括净化树脂，用于过滤。
可选地，所述第二净水装置包括：
上壳体和下壳体，所述上壳体与所述下壳体固定密封连接；
进水口，贯穿所述下壳体的侧面，并靠近所述下壳体的底部；
第二水泵，设置于所述上壳体的空腔内，所述第二水泵顶部有正极接线端及负极接线端，所述正极接线端及负极接线端通过导线与外部电源连接；所述第二水泵底部设置有吸水端及出水端，其中，所述吸水端通过所述下壳体中的进水通道与所述进水口连通；
净化树脂，设置于所述下壳体的空腔内，位于所述出水端的下方；
多孔挡板，固定于所述下壳体的底部，且位于所述净化树脂的下方，用于向所述第二净水装置外部排水。
进一步地，所述第二净水装置固定于所述水箱顶部的内侧壁，所述上壳体的顶部与所述水箱的顶部对应位置均设有贯穿通孔，用于引出导线。
进一步地，所述净化树脂与所述多孔挡板之间还设置有滤网。
可选地，所述带净化功能的电解水装置还包括水质控制系统，所述水质控制系统用于监测水箱中水的溶解性固体总量，及控制所述净化装置的启停。
本发明还提供一种带净化功能的电解水装置的水质控制方法，用于对权利要求6所述的带净化功能的电解水装置的水质进行控制，利用上述水质控制系统控制所述净化装置的启停，使所述水箱中水的溶解性固体总量始终维持在不大于5ppm的范围内。
可选地，所述水质控制系统监测水箱中水的溶解性固体总量，根据反馈的数值大小控制所述净化装置的启停。
可选地，所述水质控制系统根据时间排序控制所述净化装置的启停持续交替进行。
可选地，所述水质控制系统控制所述净化装置正常运行时间为3分钟，间歇停运时间为2小时。
如上所述，本发明的带净化功能的电解水装置及其水质控制方法，具有以下有益效果：
(1)将净化装置设置于电解水制氢制氧系统的外部或者水箱的内部，不仅减小了制氢制氧系统的占用空间，还有效限制了使用过程中噪声的影响。
(2)本装置采用的水质控制系统可以根据水中的TDS值或时间排序控制净化装置的启停，这种间歇运行机制不仅能够保证水箱内水的TDS在短时间内降到1ppm以下，并始终维持在不大于5ppm的范围内，而且大大减少了泵的使用频率和运行时间，无需较多维护，显著提高了系统的稳定性和使用寿命。
(3)避免对净化树脂造成过度冲刷，减少更换净化树脂的频率，从而降低更换成本。
(4)使用本发明的带净化功能的电解水装置已免维护稳定运行超6000小时。
附图说明
图1显示为现有技术中的第一种电解水装置结构示意图。
图2显示为现有技术中的第二种电解水装置结构示意图。
图3显示为现有技术中的第三种电解水装置结构示意图。
图4显示为本发明实施例一提供的带第一净化装置的电解水装置结构示意图。
图5显示为本发明实施例二提供的第二净化装置结构示意图。
图6显示为本发明实施例二提供的第二净化装置安装于水箱内的示意图。
元件标号说明
1 电解水制氢制氧系统
11 电解槽
111 阴极
112 阳极
12 气水分离器
13 第一输送管道
14 水箱
15 第二输送管道
16 第三输送管道
17 水位连通管
18 棒状开放容器
2 第一净化装置
21 净化柱
22 第一水泵
23 外部输送管道
3 第二净化装置
31 上壳体
311 贯穿通孔
32 下壳体
321 进水口
33 第二水泵
331 正极接线端
332 负极接线端
333 导线
334 吸水端
335 出水端
34 进水通道
35 净化树脂
36 多孔挡板
37 滤网
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量、位置关系及比例可在实现本技术方案的前提下随意改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
发明人经过研究发现，常规的电解水系统中杂质的溶出是非常缓慢的，且溶出量非常少，通常在电流密度为0.6A/cm2的条件下，电解槽的出气量为150ml/min，当配备水箱的容积为1.5L时，电解水系统运行5个小时以上，水箱中水的TDS值会升高大约5ppm。而如果配备有流量为3L/min左右的泵及净化柱，可在1分钟内将水中的TDS值从20ppm左右净化到1ppm以下。基于此，发明人对现有电解水系统进行了改进，有效地解决了现有技术中存在的问题。
如图4-6所示，本发明提供一种带净化功能的电解水装置，所述带净化功能的电解水装置包括电解水制氢制氧系统1及净化装置2或3；其中，所述电解水制氢制氧系统1包括：电解槽11，包括阴极111、阳极112和质子交换膜，所述阴极111与所述阳极112分置于所述质子交换膜两侧，所述阴极111一侧用于产生氢气，所述阳极112一侧用于产生氧气；气水分离器12，通过第一输送管道13与所述电解槽11的阴极侧连通，所述第一输送管道13用于将所述电解槽11产生的氢气和水输送至所述气水分离器12中，所述气水分离器12用于将接收的氢气与水进行分离；水箱14，通过第二输送管道15及第三输送管道16与所述电解槽11的阳极侧连通，所述第二输送管道15用于将所述电解槽11产生的氧气和水输送至所述水箱14中，所述第三输送管16道用于将所述水箱14中的水输送至所述电解槽11中，所述水箱14用于将氧气与水进行分离及向所述电解槽11供水；水位连通管17，将所述气水分离器12的底部与所述水箱14的底部连通；所述净化装置选自第一净化装置2和第二净化装置3中的一种，所述第一净化装置2位于所述电解水制氢制氧系统1外部，并通过外部输送管道23与所述水箱14连通形成水循环；所述第二净水装置3位于所述水箱14内部，其部分浸入水中而形成水循环。
需要说明的是，所述净化装置为一套单独子系统，用于过滤所述水箱14中的水，其水循环独立于完整的所述电解水制氢制氧系统1，构成独立净化的支路，对所述电解水制氢制氧系统1的依赖性不大，能够独立运作，也方便日后对装置进行改装与维护。
下面通过具体实施例来进一步说明本发明的带净化功能的电解水装置及其水质控制方法。
实施例一
如图4所示，本实施例的电解水制氢制氧系统配置1的净化装置为第一净化装置2，所述第一净化装置2包括第一水泵22及净化柱21，所述第一水泵22和所述净化柱21通过所述外部输送管道23连接，其中，所述净化柱21包括净化树脂，用于过滤。
具体的，所述第一水泵22的吸水端通过所述外部输送管道23与所述水箱14靠近底部的侧面连通，所述第一水泵22的出水端通过外部输送管道23与所述净化柱21的一端连接，所述净化柱21的另一端通过外部输送管道23与所述水箱14靠近顶部的侧面连通。以此形成独立的水循环净化系统。
需要说明的是，本实施例将所述第一净化装置2设置于所述电解水制氢制氧系统1外，并可以远离所述电解水制氢制氧系统1。该设计方案具有良好的应用效果，一方面节省所述电解水制氢制氧系统1内部空间，缩小所述电解水制氢制氧系统1体积；另一方面，用户在使用所述电解水制氢制氧系统1时，由于所述第一净化装置2远离所述电解水制氢制氧系统1，能够有效降低水泵带给用户的噪声影响，使用户具有良好的使用体验。
作为示例，所述带净化功能的电解水装置还包括水质控制系统(图中未示出)，所述水质控制系统用于监测所述水箱14中水的溶解性固体总量(TDS)，及控制所述第一净化装置2的启停。具体的，所述水质控制系统包括传感器监测模块、信息处理模块、数据分析模块及控制模块，各模块之间相互关联。
本实施例还提供一种带净化功能的电解水装置的水质控制方法，用于对权利要求6所述的带净化功能的电解水装置的水质进行控制，利用上述水质控制系统控制所述第一净化装置2的启停，使所述水箱14中水的溶解性固体总量始终维持在不大于5ppm的范围内。
作为示例，所述水质控制系统监测所述水箱14中水的溶解性固体总量，根据反馈的数值大小控制所述第一净化装置2的启停。当所述水质控制系统检测到TDS超标时(TDS大于5ppm)，所述水质控制系统启动所述第一净化装置2，所述第一水泵22提供水循环的动力，所述净化柱21过滤循环水。当所述第一净化装置2运行至3分钟时，所述净化柱21可以将所述水箱14中水的TDS降低至1ppm以下，此时，所述水质控制系统控制所述第一净化装置2停止运行。当所述水箱14中水的TDS再次达到5ppm以上，所述水质控制系统再次启动所述第一净化装置2，以此类推，使所述水质控制系统根据所述水箱14中水的TDS控制所述第一净化装置2的启停能够持续进行。
作为示例，所述水质控制系统还可根据时间排序控制所述第一净化装置2的启停持续交替进行。具体的，所述水质控制系统控制所述第一净化装置2正常运行时间为3分钟，间歇停运时间为2小时。当所述电解水制氢制氧系统1运行至2小时时，所述水质控制系统启动所述第一净化装置2，所述第一净化装置2具体工作方式已说明，在此不再赘述。当所述第一净化装置2运行至3分钟时，所述水质控制系统控制所述第一净化装置2停止运行。当所述第一净化装置2间歇停运2小时，所述水质控制系统再次启动所述第一净化装置2，以此类推，使所述水质控制系统根据时间排序控制所述第一净化装置2的启停能够持续进行。
需要说明的是，上述的两种间歇运行机制，大大降低了所述第一水泵22的使用频率及运行时间，在整个装置的寿命周期中所述第一水泵22的运行时间通常不超过100小时，降低了选泵要求，而且无需较多维护，能够显著提高系统的稳定性和使用寿命。另外，上述间歇运行的方式还可避免水流对净化树脂造成过度冲刷，减少更换净化树脂的频率，从而降低更换成本。
另外，无论所述水质控制系统控制所述第一净化装置2启动还是停运，所述电解水制氢制氧系统1始终保持正常运行。
实施例二
如图5所示，本实施例的电解水制氢制氧系统1配置的净化装置为第二净化装置3，所述第二净水装置3包括上壳体31和与之对应的下壳体32、进水口321、第二水泵33、净化树脂35及多孔挡板36，其中，所述上壳体31与所述下壳体32固定密封连接；所述进水口321贯穿所述下壳体32的侧面，并靠近所述下壳体32的底部；所述第二水泵33设置于所述上壳体31的空腔内，所述第二水泵33顶部有正极接线端331及负极接线端332，所述正极接线端331及负极接线端332通过导线333与外部电源连接；所述第二水泵33底部设置有吸水端334及出水端335，其中，所述吸水端334通过所述下壳体32中的进水通道34与所述进水口321连通；所述净化树脂35设置于所述下壳体32的空腔内，位于所述出水端335的下方；所述多孔挡板36固定于所述下壳体32的底部，且位于所述净化树脂35的下方，用于向所述第二净水装置外部排水。上述各部件之间紧凑设置。
作为示例，如图6所示，所述第二净水装置3固定于所述水箱14顶部的内侧壁，所述上壳体31的顶部与所述水箱14的顶部对应位置均设有贯穿通孔311，用于引出导线333。所述第二净水装置3于所述水箱14内固定设置，可稳定工作，由于所述水箱14内隔音效果好，所述第二水泵33产生的噪声得到良好的控制。另外，所述导线333通过所述上壳体31的顶部及所述水箱14的顶部引出，可防止所述水箱14内的水渗入到所述第二水泵33的正负极接线端331及332处而造成短路。
作为示例，如图5所示，所述净化树脂35与所述多孔挡板36之间还设置有滤网37，所述滤网37通过与所述净化树脂35配合，能够进一步提升第二净水装置3的过滤效果。
作为示例，本实施例的带净化功能的电解水装置也包括水质控制系统，本实施例的水质控制系统与实施例一中的水质控制系统相同，即它们的功能以及工作方式相同，具体请参照实施例一中关于所述水质控制系统的说明，在此不再赘述。
如图5和6所示，本实施例中第二净水装置3正常工作过程为：所述第二水泵33提供水循环的动力，所述水箱14中的水通过所述进水口321进入所述第二净水装置3内，流经所述进水通道34，进入所述第二水泵33的吸水端334，并由所述出水端335排出，再通过所述净化树脂35以及所述滤网37进行过滤净化，得到的净化水最终经所述多孔挡板36排出至所述水箱14内。以此在所述水箱14内即可完成水循环净化。
综上所述，本发明提供的带净化功能的电解水装置包括电解水制氢制氧系统及净化装置，其中，所述净化装置选自第一净化装置和第二净化装置中的一种，所述第一净化装置位于所述电解水制氢制氧系统外部，并通过外部输送管道与水箱连通形成水循环；所述第二净水装置位于水箱内部，其部分浸入水中而形成水循环。上述两个实施例中所述电解水制氢制氧系统相同，仅净化装置种类及配置方式不同。另外，所述带净化功能的电解水装置还包括水质控制系统，所述水质控制系统能够按照不同方式控制所述净化装置启停。本发明的带净化功能的电解水装置及其水质控制方法具有以下有益效果：1、将净化装置设置于电解水制氢制氧系统的外部或者水箱的内部，不仅减小了制氢制氧系统的占用空间，还有效限制了使用过程中噪声的影响。2、本装置采用的水质控制系统可以根据水中的TDS值或时间排序控制净化装置的启停，这种间歇运行机制不仅能够保证水箱内水的TDS在短时间内降到1ppm以下，并始终维持在不大于5ppm的范围内，而且大大减少了泵的使用频率和运行时间，无需较多维护，显著提高了系统的稳定性和使用寿命。3、避免对净化树脂造成过度冲刷，减少更换净化树脂的频率，从而降低更换成本。4、使用本发明的带净化功能的电解水装置已免维护稳定运行超6000小时。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种带净化功能的电解水装置，其特征在于，所述带净化功能的电解水装置包括电解水制氢制氧系统及净化装置；
所述电解水制氢制氧系统包括：电解槽，包括阴极、阳极和质子交换膜，所述阴极与所述阳极分置于所述质子交换膜两侧，所述阴极一侧用于产生氢气，所述阳极一侧用于产生氧气；气水分离器，通过第一输送管道与所述电解槽的阴极侧连通，所述第一输送管道用于将所述电解槽产生的氢气和水输送至所述气水分离器中，所述气水分离器用于将接收的氢气与水进行分离；水箱，通过第二输送管道及第三输送管道与所述电解槽的阳极侧连通，所述第二输送管道用于将所述电解槽产生的氧气和水输送至所述水箱中，所述第三输送管道用于将所述水箱中的水输送至所述电解槽中，所述水箱用于将氧气与水进行分离；水位连通管，将所述气水分离器的底部与所述水箱的底部连通；
所述净化装置为一套单独子系统，用于过滤所述水箱中的水，且所述净化装置中的水循环独立于完整的所述电解水制氢制氧系统；所述净化装置选自第一净化装置和第二净化装置中的一种，所述第一净化装置位于所述电解水制氢制氧系统外部，并通过外部输送管道与所述水箱连通形成水循环；所述第二净水装置位于所述水箱内部，其部分浸入水中而形成水循环。
2.根据权利要求1所述的带净化功能的电解水装置，其特征在于：所述第一净化装置包括第一水泵及净化柱，所述第一水泵和所述净化柱通过所述外部输送管道连接，其中，所述净化柱包括净化树脂，用于过滤。
3.根据权利要求1所述的带净化功能的电解水装置，其特征在于，所述第二净水装置包括：
上壳体和下壳体，所述上壳体与所述下壳体固定密封连接；
进水口，贯穿所述下壳体的侧面，并靠近所述下壳体的底部；
第二水泵，设置于所述上壳体的空腔内，所述第二水泵顶部有正极接线端及负极接线端，所述正极接线端及负极接线端通过导线与外部电源连接；所述第二水泵底部设置有吸水端及出水端，其中，所述吸水端通过所述下壳体中的进水通道与所述进水口连通；
净化树脂，设置于所述下壳体的空腔内，位于所述出水端的下方；
多孔挡板，固定于所述下壳体的底部，且位于所述净化树脂的下方，用于向所述第二净水装置外部排水。
4.根据权利要求3所述的带净化功能的电解水装置，其特征在于：所述第二净水装置固定于所述水箱顶部的内侧壁，所述上壳体的顶部与所述水箱的顶部对应位置均设有贯穿通孔，用于引出导线。
5.根据权利要求3或4所述的带净化功能的电解水装置，其特征在于：所述净化树脂与所述多孔挡板之间还设置有滤网。
6.根据权利要求1所述的带净化功能的电解水装置，其特征在于：所述带净化功能的电解水装置还包括水质控制系统，所述水质控制系统用于监测水箱中水的溶解性固体总量，及控制所述净化装置的启停。
7.一种带净化功能的电解水装置的水质控制方法，用于对权利要求6所述的带净化功能的电解水装置的水质进行控制，其特征在于：利用所述水质控制系统控制所述净化装置的启停，使所述水箱中水的溶解性固体总量始终维持在不大于5ppm的范围内。
8.根据权利要求7所述的水质控制方法，其特征在于：所述水质控制系统监测水箱中水的溶解性固体总量，根据反馈的数值大小控制所述净化装置的启停。
9.根据权利要求7所述的水质控制方法，其特征在于：所述水质控制系统根据时间排序控制所述净化装置的启停持续交替进行。
10.根据权利要求9所述的水质控制方法，其特征在于：所述水质控制系统控制所述净化装置正常运行时间为3分钟，间歇停运时间为2小时。
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