CN114059081B - 一种电解水制氢装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电解水制氢装置及其应用，涉及电解装置技术领域。该装置包括罐体、罐体底座、电解电极以及电解隔膜；罐体包括壳体与分隔片，分隔片设置于壳体内并将壳体分隔成多个独立腔室；壳体与罐体底座配合连接，罐体底座内设有与分隔片可拆卸的紧固槽，电解电极安装于罐体底座且每个腔室内均对应有一个电解电极，罐体底座设有与电解电极配合的接电触点；分隔片的靠近罐体底座的一端的设有电解隔膜装配口及电解隔膜窗，电解隔膜通过电解隔膜装配口插入至分隔片内并通过电解隔膜窗与电解液接触；罐体的顶部设有气液孔，气液孔内设有气芯。该装置可作为紧急情况或日常备用气源，可不依赖加氢站为氢燃料电池汽车等用气设备提供氢气和氧气。

Description

一种电解水制氢装置及其应用

技术领域

本发明涉及电解装置技术领域，具体而言，涉及一种电解水制氢装置及其应用。

背景技术

当前，世界各国均不同程度地面临着环境恶化及能源资源短缺问题，因此需要大力发展清洁能源技术和可再生能源技术。

氢气是一种极为清洁的能源载体，其使用过程中仅产生水，而无其他排放物，因此受到广泛的关注。氢气的制取有多种途径，其中电解水制氢是一种仅消耗电能和水就能源源不断获得高纯氢气的工艺，该技术与可再生能源结合可进行大规模低成本制氢。所制取的氢气可以用于发电、冶金、化学、交通、运输等领域。

氢燃料电池汽车是一种以氢气为燃料、以燃料电池为动力源的汽车，其通过燃料电池将氢气的化学能转换为电能，以驱动汽车电机，为汽车提供动力。然而氢燃料电池汽车的发展需要匹配大量的加氢站，加氢站建设成本高、场地要求高，对周围环境要求也高，因此导致加氢站站点分布存在缺陷，部分地区无法建设加氢站，尤其是一些偏远和经济比较落后的区域。当前，这一问题尚无较好的解决方案。

鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种电解水制氢装置，该装置对场地和环境要求低，使用方便快捷，安全可靠，可作为便携式制氢装置。

本发明的目的之二在于提供一种上述电解水制氢装置的应用。

本申请可这样实现：

第一方面，本申请提供一种电解水制氢装置，其包括电解单元，电解单元包括罐体、罐体底座、电解电极以及电解隔膜；

罐体包括壳体与分隔片，分隔片设置于壳体内并沿壳体的周向将壳体分隔成多个独立的沿壳体轴向延伸的腔室；

壳体的一端与罐体底座配合连接，罐体底座内设有紧固槽，分隔片的靠近罐体底座的一端与紧固槽可拆卸连接；

电解电极安装于罐体底座，且每个腔室内均对应有一个电解电极，罐体底座设有与电解电极配合的接电触点；

分隔片的靠近罐体底座的一端的端部开设有电解隔膜装配口，且分隔片的靠近罐体底座的一端还设有在分隔片厚度方向上贯穿的电解隔膜窗，电解隔膜用于通过电解隔膜装配口插入至分隔片内并在电解过程中通过电解隔膜窗与腔室内的电解液接触；

罐体的顶部设有与分隔片数量一致的用于出气或注液的气液孔，每个气液孔内均设有用于对腔室顶部进行密封的气芯。

在可选的实施方式中，分隔片将壳体分隔成2个或3个腔室；

当腔室数量为2个时，其中一个腔室的体积为另一个腔室的2倍；当腔室的数量为3个时，每个腔室的体积均相等。

在可选的实施方式中，每个腔室内设有填充物。

在可选的实施方式中，填充物呈网状、多孔状、泡沫状或海绵状。

在可选的实施方式中，填充物的材料为高分子材料、金属材料、陶瓷材料或木质材料。

在可选的实施方式中，壳体的用于与罐体底座配合连接的一端设有罐体紧固套，罐体紧固套设有内螺纹，罐体底座的边沿设有与内螺纹配合的外螺纹。

在可选的实施方式中，罐体底座还设有用于对罐体进行密封的密封槽。

在可选的实施方式中，罐体底座还设有用于对罐体底座进行定位的定位孔。

在可选的实施方式中，电解电极通过支架安装于罐体底座上并通过导线与接电触点连接。

在可选的实施方式中，紧固槽的内侧还设有固定槽，分隔片与固定槽插接。

在可选的实施方式中，固定槽呈“楔形”或“V字形”。

在可选的实施方式中，气芯包括气芯套筒、内弹簧、顶珠以及气芯头；

气芯套筒的轴向方向上具有第一贯穿内孔，气芯头具有与第一贯穿内孔的延伸方向一致的第二贯穿内孔，气芯头具有相对的第一端和第二端，其中，第一端与气芯套筒配合连接，第二端与罐体顶部设置的气液孔配合连接；第二贯穿内孔的孔径由第一端到第二端逐渐减小；

内弹簧设置于第一贯穿内孔内，内弹簧的直径以及第二贯穿内孔对应第二端的部分的孔径均小于顶珠的直径；顶珠在非出气阶段同时抵接于内弹簧的朝向气芯头的一端以及第二贯穿内孔对应第二端的部分。

在可选的实施方式中，气芯头的第一端与气芯套筒螺纹连接，和/或，气芯头的第二端与气液孔螺纹连接。

在可选的实施方式中，电解水制氢装置还包括用气单元，用气单元包括对接器；

对接器包括气液嘴，气液嘴包括气液嘴壳体、顶针以及尾管，气液嘴壳体具有上下贯穿的壳腔，壳腔的上端与尾管连接，壳腔的下端与顶针连接；顶针用于从气芯头的第二端插入第二贯穿内孔以使第二贯穿内孔中的顶珠从第二端向第一端滑动，从而实现腔室、气液孔以及气液嘴的连通。

在可选的实施方式中，对接器还包括弹簧和密封球，壳腔内固定连接有用于固定弹簧的弹簧固定杆，弹簧套设于弹簧固定杆外壁，顶针设置于壳腔的下端并与弹簧固定杆抵接，密封球设置于顶针和弹簧固定杆之间并用于隔离尾管和顶针，弹簧固定杆和顶针具有用于供气液上下流通的通道。

在可选的实施方式中，用气单元还包括用于与罐体底座可拆卸连接的插电底座；

插电底座包括底座触点、电源线以及电源适配器；

电源适配器通过电源线分别与底座触点以及外界电源电性连接，底座触点用于与罐体底座的接电触点接触连接。

在可选的实施方式中，用气单元还包括具有顶板的外壳，顶板开设有安装孔，对接器设置于安装孔内。

在可选的实施方式中，外壳还包括紧固杆、第一紧固孔和与第二紧固孔，第一紧固孔设置于顶板，第二紧固孔设置于插电底座，紧固杆的两端分别连接于第一紧固孔和第二紧固孔。

第二方面，本申请还提供了如前述实施方式任一项的电解水制氢装置的应用，例如用于电解水制氢和制氧。

在可选的实施方式中，上述电解水制氢装置用于为氢燃料电池车提供氢气和氧气。

本申请的有益效果包括：

本申请提供的电解水制氢装置，结构简单便携，通过在罐体底座安装电解电极，并通过在位于壳体内的分隔片的靠近罐体底座的一端的端部开设电解隔膜装配口，分隔片的靠近罐体底座的一端设置沿其厚度方向贯穿的电解隔膜窗，使得电解隔膜通过电解隔膜装配口插入至分隔片内并在电解过程中经电解隔膜窗与由气液孔注入腔室内的电解液接触，在接通电源的条件下即可随时随地进行电解水制氢制氧，打破了加氢站的地域限制，从而实现了制氢装置以小尺寸和小体积快速制氢。

所制备的气体通过气芯的密封作用保存在罐体的腔室中，可作为紧急情况下的氢气源或氧气源，也可作为日常备用气源，安全可靠，实现了可不依赖加氢站为氢燃料电池汽车等用气设备提供氢气和氧气，有效地解决了加氢站覆盖不足对氢燃料电池汽车等用气设备的推广和应用的限制，有利于促进我国氢能技术的发展。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请提供的电解水制氢装置的结构示意图；

图2为本申请提供的电解水制氢装置中的分隔片的结构示意图；

图3、图5及图7为本申请提供的电解水制氢装置中不同形式的腔室的结构示意图；

图4、图6及图8依次为图3、图5及图7对应的腔室的体积示意图；

图9和图10为本申请提供的电解水制氢装置中罐体底座在不同视角下的结构示意图；

图11和13为本申请提供的电解水制氢装置中不同形式的紧固槽的结构示意图；

图12和图14依次为图11和13对应的紧固槽与相应分隔片的配合示意图；

图15为本申请提供的电解水制氢装置中气芯的结构示意图；

图16为本申请提供的电解水制氢装置中对接器的结构示意图；

图17为本申请提供的电解水制氢装置中对接器与尾管连接的示意图；

图18为本申请提供的电解水制氢装置中插电底座与电解单元配合的示意图；

图19和图20依次为本申请提供的电解水制氢装置中对接器与顶板配合前和配合后的结构示意图；

图21和图22依次为本申请提供的电解水制氢装置中电解单元与用气单元以第一种方式配合前和配合后的结构示意图；

图23和图24依次为本申请提供的电解水制氢装置中电解单元与用气单元以第二种方式配合前和配合后的结构示意图。

图标：1-罐体；11-壳体；111-卡块；12-分隔片；121-电解隔膜装配口；122-电解隔膜窗；13-腔室；131-填充物；14-气液孔；2-罐体底座；21-紧固槽；23-接电触点；24-密封槽；25-定位孔；3-电解电极；31-支架；4-电解隔膜；5-气芯；51-气芯套筒；511-第一贯穿内孔；52-内弹簧；53-顶珠；54-气芯头；541-第二贯穿内孔；542-第一端；543-第二端；6-罐体紧固套；7-对接器；71-气液嘴；711-气液嘴壳体；7111-壳腔；712-顶针；713-尾管；714-弹簧；715-弹簧固定杆；716-密封球；717-分配口；72-干燥器；8-插电底座；81-底座触点；82-电源线；83-电源适配器；9-外壳；91-顶板；92-安装孔；93-紧固杆；94-第一紧固孔；95-第二紧固孔；96-卡槽。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

本申请提供一种电解水制氢装置，其包括电解单元，请参照图1至图3，电解单元包括罐体1、罐体底座2、电解电极3以及电解隔膜4。

罐体1包括壳体11与分隔片12。其中，壳体11示例性地可以呈筒状，分隔片12设置于壳体11内并沿壳体11的周向将壳体11分隔成多个独立的沿壳体11轴向延伸的腔室13。

请一同再结合图9，壳体11的一端与罐体底座2配合连接，罐体底座2内设有紧固槽21，分隔片12的靠近罐体底座2的一端与紧固槽21可拆卸连接。

电解电极3安装于罐体底座2，且每个腔室13内均对应有一个电解电极3，罐体底座2设有与电解电极3配合的接电触点23(如图10所示)。

如图1和图2所示，分隔片12的靠近罐体底座2的一端的端部开设有电解隔膜装配口121，且分隔片12的靠近罐体底座2的一端还设有在分隔片12厚度方向上贯穿的电解隔膜窗122，电解隔膜4用于通过电解隔膜装配口121插入至分隔片12内并在电解过程中通过电解隔膜窗122与腔室13内的电解液接触。

罐体1的顶部设有与分隔片12数量一致的用于出气或注液的气液孔14，每个气液孔14内均设有用于对腔室13顶部进行密封的气芯5(如图15所示)。

通过上述结构的设计，可在罐体1内部形成密封区域，用于存储电解产生的气体。可参考地，本申请提供的罐体1的总体积例如可以为0.5-100L，如0.5L、1L、5L、10L、50L或100L等，也可以0.5-100L范围内的其它任意值。

可参考地，上述壳体11具有一定的强度，优选可承受不大于75MPa的压力，此外，也可根据需要设置成其它压力值。通过设置上述最大承受压力，可使得电解单元的罐体1内腔的压力随着储存气体的增多而增多，达到该预设值后即停止电解产气，安全可靠。随着该罐体1可采用高强度金属材料或纤维材料制成，罐体1材料优选具有较强的耐腐蚀性能。进一步地，罐体1内壁还可涂覆高分子材料，以提高罐体1的耐腐蚀性和安全性。

本申请中，请参照图3至图8，分隔片12将壳体11分隔成2个或3个腔室13。如图3(左)、图4(左)、图5(上)和图6所示，其中，图3(左)与图4(左)对应，图5(上)与图6对应，当腔室13的数量为3个时，每个腔室13的体积均相等(V₁＝V₂＝V₃)，此时，3个腔室13中的任意2个为储存氢气的腔室13，剩余的1个为储存氧气的腔室13。如图3(右)、图4(右)、图7(右)和图8所示，其中，图3(右)与图4(右)对应，图7(右)与图8对应，当腔室13数量为2个时，其中一个腔室13的体积为另一个腔室13的2倍(2V₁＝V₂)；也即体积大的腔室13为储存氢气的腔室13，体积小的腔室13为储存氧气的腔室13。

需说明的是，本申请的方案里还同时保护以下情况：分隔片12将壳体11分隔成多组腔室13，每组腔室13含有2个或3个子腔室，当每组腔室13含有2个子腔室时，其中一个子腔室的体积为另一个子腔室体积的2倍；当每组腔室13含有3个子腔室时，每个子腔室的体积相等。

可参考地，当壳体11被分隔成3个腔室13时，在一些实施方式中，分隔片12由3块分隔板组成(也即分隔片12为3片式)，每2块分隔板之间的夹角为120°，整个分隔片12的横截面呈“三叉星”型，对应分隔得到的3个腔室13沿罐体1的周向方向顺时针或逆时针分布(如图3左以及图4(左)所示)。在另一些实施方式中，分隔片12由2块独立平行的分隔板组成(也即分隔片12为第一种2片式，如图5(上)和图6所示)。

当壳体11被分隔成2个腔室13时，在一些实施方式中，分隔片12由2块分隔板组成，2块分隔板之间的锐夹角为120°(钝角为240°)，此时可理解为分隔片12为第二种2片式，如图3(右)和图4(右)所示。在另一些实施方式中，分隔片12可由1块分隔板组成(也即分隔片12为1片式，如图7(右)和图8所示)。

可参考地，分隔片12可以为高分子材料(如聚四氟乙烯、乙烯、聚醚酮或聚苯硫醚等)或金属材料等。分隔片12与壳体11可以是一体成型，也可以为分步成型后组装而得。

通过将壳体11与分隔片12紧密结合，使其具有优异的密封效果，有效阻止液体和气体的穿透、渗透和泄漏。

较佳地，上述每个腔室13内均设有填充物131(如图3)，可减小罐体1内气体和/或液体对分隔片12的冲击。填充物131例如可呈网状、多孔状、泡沫状或海绵状等。填充物131的材料可以为高分子材料、金属材料、陶瓷材料或木质材料等。

本申请中，分隔片12的靠近罐体底座2的一端的端部开设有电解隔膜装配口121，该电解隔膜装配口121类似于内设于分隔片12的插槽，电解隔膜4通过该电解隔膜装配口121从分隔片12的靠近罐体底座2的一端的底部插入分隔片12下端内部。

此外，分隔片12的靠近罐体底座2的一端还设有在分隔片12厚度方向上贯穿的电解隔膜窗122(如图1、图2图5和图7所示)，该电解隔膜窗122优选沿分隔片12的宽度方向开设和延伸。较佳地，沿分隔片12的长度方向，电解隔膜窗122优选设置于分隔片12的下部，从而留有更多的空间用于储存气体。可理解的，电解隔膜窗122可理解为分隔片12上所设置的镂空部分，其能使电解隔膜4在此与电解液接触。电解隔膜窗122的形状不限，可以是长方形、圆形、正方形、三角形、多边形、椭圆形或不规则状等。电解隔膜窗122的大小和尺寸与电解电极3保持一致，其面积可以是1-1000cm²中的任一值。

如图2所示，电解隔膜4的数量与电解隔膜装配口121的数量一致。可参考地，电解隔膜装配口121的数量可以为1个或2个，当分隔板的数量为1块或2块时，每块分隔板均对应设有1个电解隔膜装配口121；当分隔板的数量为3块时，其中2块分隔板分别设有1个电解隔膜装配口121。

上述电解隔膜4不允许气体透过，但允许离子或质子透过。具体的，该电解隔膜4可以为离子交换膜或质子交换膜。基于此，电解隔膜窗122通过电解隔膜4和分隔片12进行密封，气体、液体无法直接通过。

请一并参照图1、图9至图14，本申请中，罐体底座2的横截面可呈圆形，壳体11的用于与罐体底座2配合连接的一端设有罐体紧固套6，以与罐体底座2紧固连接，使罐体1下方实现密闭。可参考地，罐体紧固套6设有内螺纹，罐体底座2的边沿设有与内螺纹配合的外螺纹。通过内外螺纹的配合连接，实现罐体1与罐体底座2之间的连接。

本申请中，罐体底座2内设有紧固槽21(如图9所示)。可参考地，紧固槽21可以与罐体底座2一体成型。紧固槽21用于使分隔片12可拆卸连接于罐体底座2。优选地，紧固槽21的内侧还设有固定槽(图未示)，固定槽的尺寸大小和形状均与分隔片12一致。分隔片12与固定槽插接(分隔片12的底部插入固定槽)，从而通过固定槽对分隔片12进行初步固定和密封，再通过紧固槽21对分隔片12进一步限位。上述固定槽例如可呈“楔形”或“V字形”。

具体的，请参照图11至图14，紧固槽21与分隔片12相互对应，即分隔片12为3片式时，紧固槽21也对应采用三片式结构(如图11和图12)，当罐体1分隔片12为2片式时，紧固槽21也对应采用2片式结构(如图13和图14)。

为提高罐体1与罐体底座2之间的密封性，罐体底座2还设有用于对罐体1进行密封的密封槽24(如图9所示)，以避免液体和/或气体从罐体1与罐体底座2之间的缝隙泄漏。上述密封槽24可按常规方式设置，如沿罐体底座2周向设置在罐体底座2内壁内侧以及紧固槽21外侧的环形密封槽24，相应的，配合使用密封圈。进一步地，罐体底座2还设有用于对罐体底座2进行定位的定位孔25(如图9所示)。以对罐体底座2进行定位和固定。

本申请中，接电触点23(如图10所示)可设置于罐体底座2的背面。电解电极3则可通过支架31(如图9所示)安装于罐体底座2上并通过导线与接电触点连接。每个腔室13内均对应设有电解电极3。电解电极3通电后即可用于电解水制氢制氧。

可参考地，电解电极3可以为金属材料，包括镍及镍基合金、铁及铁基合金、钴及钴基合金、铂及铂基合金、钯及钯基合金、钛及钛基合金、金或银中的至少一种。较佳地，电解电极3的表面可以涂覆催化剂涂层，催化剂涂层中的催化剂包括镍基催化剂、贵金属基催化剂、硫基催化剂、磷基催化剂、碳基催化剂、钙钛矿型催化剂、尖晶石型催化剂和氧化物催化剂中的至少一种。

同理地，电解电极3也可以是3片呈120°对称分布，也可以是2片呈120°：240°分布。电解电极3可以为正方形、长方形、圆形、椭圆形、三角形、多边形或不规则状。

本申请中，罐体1的顶部设有多个气液孔14，其数量与分隔片12数量一致，即分隔片12为3片式时，气孔则为3个，分隔片12为2片式时，气孔则为2个。上述气液孔14在用气时作为出气孔，加液电解时作为注液孔。

进一步地，每个气液孔14内均设有用于对腔室13顶部进行密封的气芯5。通过气芯5对罐体1顶部以及罐体底座2对罐体1底部进行密封，使得整个罐体1得以良好密封。

可参考地，请参照图15，气芯5包括气芯套筒51、内弹簧52、顶珠53以及气芯头54。气芯套筒51、内弹簧52、顶珠53以及气芯头54组装为一体后形成气芯5。

气芯套筒51为中空结构，其轴向方向上具有第一贯穿内孔511，气芯头54也为中空结构，具有与第一贯穿内孔的延伸方向一致的第二贯穿内孔541，气芯头54具有相对的第一端542和第二端543，其中，第一端542与气芯套筒51配合连接，第二端543与罐体1顶部设置的气液孔14配合连接；第二贯穿内孔541的孔径由第一端542到第二端543逐渐减小。

内弹簧52设置于第一贯穿内孔511内，内弹簧52的直径以及第二贯穿内孔541对应第二端543的部分的孔径均小于顶珠53的直径，以对顶珠53提供压力并起到一定的限位作用。顶珠53在非出气阶段同时抵接于内弹簧52的朝向气芯头54的一端以及第二贯穿内孔541对应第二端543的部分。具体的，顶珠53可设置于内弹簧52顶部，并与气芯头54的第一端542紧密接触，形成阀门效果。由于第二贯穿内孔541的孔径由第一端542到第二端543逐渐减小，使得顶珠53不会从第二端543脱离，使罐体1内腔与外部环境分隔，进而起到密封作用。

可参考地，气芯头54的第一端542与气芯套筒51可以螺纹连接，气芯头54的第二端543与气液孔14也可以螺纹连接。

可参考地，气芯5底座由金属材料或陶瓷材料或高分子材料制成；内弹簧52由金属材料制成；顶珠53由金属材料或陶瓷材料或高分子材料制成；气芯头54由金属材料或陶瓷材料制成。

需要说明的是，本申请所涉及的气芯也可根据需要参照现有技术中的气芯，在此不做过多赘述。

进一步地，上述电解水制氢装置还可包括用气单元。请参照图16，该用气单元包括对接器7，通过电解单元与对接器7进行对接，从而实现出气和注液功能。可参考地，对接器7与电解单元可通过卡扣、卡槽或螺纹等方式紧密连接。

对接器7包括气液嘴71，气液嘴71包括气液嘴壳体711、顶针712和尾管713，气液嘴壳体711具有上下贯穿的壳腔7111，壳腔7111的上端与尾管713连接，壳腔7111的下端与顶针712连接；顶针712用于从气芯头54的第二端543插入第二贯穿内孔541以使第二贯穿内孔541中的顶珠53从第二端543向第一端542滑动，从而实现罐体1腔室13、气液孔14以及气液嘴71的连通。

在可选的实施方式中，对接器7还包括弹簧714和密封球716，壳腔7111内固定连接有用于避免弹簧714移位的弹簧固定杆715，弹簧714套设于弹簧固定杆715外壁，顶针712设置于壳腔7111的下端并与弹簧固定杆715抵接，密封球716设置于顶针712和弹簧固定杆715之间并用于隔离尾管713和顶针712，弹簧固定杆715和顶针712具有用于供气液上下流通的通道(例如可设置多个分配口717)。

在使用时，气芯5可通过上述顶针712从外部将顶珠53顶开，从而实现向罐体1内注入电解液的功能；气芯5在顶针712退出后，即可自行复位，将气芯头54的内孔完全关闭，使罐体1内腔成为密闭的腔室13。

可参考地，对接器7由金属材料制成，优选由304不锈钢或316不锈钢制成。顶针712由金属材料制成，优选由304不锈钢或316不锈钢制成。密封球716由金属材料制成，优选由304不锈钢或316不锈钢制成。尾管713为耐高压软管，具体可以仅由金属材料制成，此外也可以由金属材料或高分子材料共同制成。

上述顶针712可将气芯5内的顶珠53顶开，使电解单元内腔与对接器7连通；密封球716可将顶针712与尾管713隔离，从而保护用气设备和管路。用气时，气嘴/注液嘴与电解单元内腔连通后，电解单元内的正压将推动密封球716向上移动，使尾管713与电解单元内腔连通，从而允许电解单元内的气体向外释放；注液时，气嘴/注液嘴与电解单元内腔连通后，电解单元内的残余气体的正压将推动密封球716向上移动，此时尾管713中的液体将通过尾座的分配口717进入，并最终进入电解单元内腔。上述注入的液体可以是纯水，也可以是碱水。

在其它实施方式中，上述对接器7的结构也可参照现有技术，在此不做过多赘述。

本申请中，请参照图17，尾管713的远离壳腔7111的一端还可连接干燥器72，以对导出的气体进行干燥。

进一步地，请参照图18，上述用气单元还包括用于与罐体底座2可拆卸连接的插电底座8。电解单元组装密封后，可直接插入插电底座8进行电解水制气。

插电底座8包括底座触点81、电源线82以及电源适配器83。

其中，电源适配器83通过电源线82分别与底座触点81以及外界电源电性连接，底座触点81用于与罐体底座2的接电触点23接触连接。

电源适配器83可将交流电转换成直流电，供电解单元使用。电解单元与插电底座8间可通过卡扣、卡槽96、螺纹等方式进行定位和紧固。

需强调的是，在实际使用中，可直接将电解单元与插电底座8配合使用，不再设置以下内容所涉及的外壳9。

进一步地，请参照图19和图20，用气单元还可包括具有顶板91的外壳9，顶板91开设有安装孔92，对接器7设置于安装孔92内。可参考地，对接器7的气液嘴71可与顶板91通过螺纹形成紧密的密封连接。

进一步地，请参照图21至图24，外壳9还包括紧固杆93、第一紧固孔94和与第二紧固孔95，第一紧固孔94设置于顶板91，第二紧固孔95设置于插电底座8，紧固杆93的两端分别连接于第一紧固孔94和第二紧固孔95，以对整个装置进行固定。

上述外壳9还具有侧壁，侧壁上可开设卡槽96(如图23)、罐体1壳体11的外壁可对应设有卡块111，通过卡块111和卡槽96配合卡接，即可将电解单元与用气单元配合，获得便携式制氢机，插电后即可电解制氢制氧。

需要说明的是，本申请所涉及的用气单元可将电解单元内的气体导出，供外部设备使用；用气单元可将电解液注入电解单元的腔室13内，实现电解单元补液功能。上述用气单元可以是独体式也可以是嵌入式，采用独体式设计时，用气单元需通过专用气管与用气设备相连；采用嵌入式设计时，用氢单元与外部用气设备整合为一体，无需通过额外的气管进行连接。电解单元与用气单元规格一致时可通用。

本申请还提供了如前述实施方式任一项的电解水制氢装置的应用，例如用于电解水制氢和制氧。

在可选的实施方式中，上述电解水制氢装置用于为氢燃料电池车提供氢气和氧气。

承上，本申请提供的(便携式)电解水制氢装置，注入电解液后接通电源即可进行电解水制氢制氧，所制备的气体(氢气和氧气)保存在电解单元的罐体1的腔室13中，罐内压力达到一定值或纯净水消耗完或电解电压上升到一定值后系统自动停止电解，此时罐内包含了可供燃料电池汽车使用的氢气和氧气。以上包含氢气和氧气的电解单元插入用气单元，电解单元的腔室13内的气体可以被导出，提供氢气和氧气供外部设备使用。

通过便携式设计，将高成本、高危险的加氢设施大幅简化，形成建构简单、成本低、易实现的电解单元，即使在偏远地区，只要有电有水，即可制氢。只需注入纯净水或碱性水，即可得到高纯氢和氧。由于电解水制得的氢气和氧气体积为2:1，因此电解后，电解单元内始终包含2体积的氢气和1体积的氧气。而使用时，氢燃料电池同样需要2体积的氢气和1体积的氧气才能正常工作，因此申请所提供的技术可满足缺氧环境下的用氢用氧需求。此外，本申请所提供的便携式制用氢装置，可置于汽车后备箱中，在紧急时刻可为氢燃料电池汽车补充氢气。本申请所提供的技术同样适合于小型用氢移动设备。

也即，本申请提供的电解水制氢装置可以在各种场所进行电解制氢，尤其打破了现有加氢站的地域限制，为氢燃料电池汽车等提供紧急或备用氢气，有利于我国新能源技术的发展和应用，尤其是氢能相关技术的发展和推广。

实施例1

将一圆柱状的罐体1内腔分隔为如图4所示的体积相等的三份，采用聚四氟乙烯制成图3所示的分隔片12，将Nafion膜剪成适当大小，并从图2所示的电解隔膜装配口121插入分隔片12底部，将三个图15所示的气芯5装入罐体1顶部气孔，随后采用网状聚四氟乙烯填充分隔后的罐体1；将2片涂覆有Pt/C的钛电极和1片涂有IrO₂的钛电极安装于图9所示的罐体底座2上，将罐体1与底座连接、密封和紧固，形成如图1所示的电解单元。

实施例2

将一圆柱状的罐体1内腔分隔为如图4所示的体积相等的三份，采用聚四氟乙烯制成图3所示的分隔片12，将FAAM-PK-75膜(阴离子交换膜)剪成适当大小，并从图2所示的电解隔膜装配口121插入分隔片12底部，将三个图15所示的气芯5装入罐体1顶部气孔，随后采用网状聚乙烯填充分隔后的罐体1；将2片NiMo电极和1片涂有NiFeP的镍电极安装于图9所示的罐体底座2上，将罐体1与底座连接、密封和紧固，形成如图1所示的电解单元。

实施例3

将一圆柱状的罐体1内腔分隔为如图4所示的体积比为1:2的两份，采用聚四氟乙烯制成图3所示的分隔片12，将Nafion膜剪成适当大小，并从图2所示的电解隔膜装配口121插入分隔片12底部，将两个图15所示的气芯5装入罐体1顶部气孔，随后采用网状聚乙烯填充分隔后的罐体1；将1片涂覆有Pt/C的钛电极和1片涂有IrO₂的钛电极安装于图9所示的罐体底座2上，将罐体1与底座连接、密封和紧固，形成独立的电解单元。

实施例4

将一圆柱状的罐体1内腔分隔为如图4所示的体积相等的三份，采用聚四氟乙烯制成图3所示的分隔片12，将Nafion膜剪成适当大小，并从图2所示的电解隔膜装配口121插入分隔片12底部，将三个图15所示的气芯5装入罐体1顶部气孔，随后采用网状聚四氟乙烯填充分隔后的罐体1；将2片涂覆有Pt/C的钛电极和1片涂有IrO₂的钛电极安装于图9所示的罐体底座2上，将罐体1与底座连接、密封和紧固，形成如图1所示的电解单元。

将所制得的电解单元插入如图21所示的用气单元顶板91，并通过底座将之紧固，便获得便携式制用氢机，插电后即可进行电解制氢制氧；在顶部接上图16所示的对接器7后即可将所制得的气体导出，经图17所示的干燥器72干燥后，供外部设备使用。

实施例5

将一圆柱状的罐体1内腔分隔为如图4所示的体积相等的三份，采用聚四氟乙烯制成图3所示的分隔片12，将FAAM-PK-50膜(阴离子交换膜)剪成适当大小，并从图2所示的电解隔膜装配口121插入分隔片12底部，将三个图15所示的气芯5装入罐体1顶部气孔，随后采用网状聚乙烯填充分隔后的罐体1；将2片NiMo电极和1片涂有FeOOH的镍电极安装于图9所示的罐体底座2上，将罐体1与底座连接、密封和紧固，形成如图1所示的电解单元。

将所制得的电解单元插入如图23所示的用气单元底座，并通过顶板91将之紧固，便获得便携式制用氢机，插电后即可进行电解制氢制氧；在顶部接上图16所示的对接器7后即可将所制得的气体导出，经图17所示的干燥器72干燥后，供外部设备使用。

实施例6

将一圆柱状的罐体1内腔分隔为如图5所示的体积相等的三份，采用聚四氟乙烯制成图5所示的分隔片12，将Nafion膜剪成适当大小，并从图2所示的电解隔膜装配口121插入分隔片12底部，将三个图15所示的气芯5装入罐体1顶部气孔，随后采用网状聚四氟乙烯填充分隔后的罐体1；将2片涂覆有Pt/C的钛电极和1片涂有IrO₂的钛电极安装于与之匹配的罐体底座2上，将罐体1与底座连接、密封和紧固，形成相应的电解单元。将所制得的电解单元与如图21或图23所示的用气单元配合使用，可进行电解制氢制氧，所制得的气体经图16所示的对接器7后即可将所制得的气体导出，经图17所示的干燥器72干燥后，供外部设备使用。

实施例7

将一圆柱状的罐体1内腔分隔为如图7所示的体积比为1:2的两份，采用聚乙烯制成图7所示的分隔片12，将Nafion膜剪成适当大小，并从图2所示的电解隔膜装配口121插入分隔片12底部，将两个图15所示的气芯5装入罐体1顶部气孔，随后采用网状聚乙烯填充分隔后的罐体1；将1片涂覆有Pt/C的钛电极和1片涂有RuO₂的钛电极安装于与之匹配的罐体底座2上，将罐体1与底座连接、密封和紧固，形成相应的电解单元。将所制得的电解单元与如图21或图23所示的用气单元配合使用，可进行电解制氢制氧，所制得的气体经图16所示的对接器7后即可将所制得的气体导出，经图17所示的干燥器72干燥后，供外部设备使用。

综上，本申请设计便携式制用氢单元可以实现低成本、灵活制氢，同时可在紧急情况下为氢燃料电池汽车提供氢气，也可为小型用氢设备提供紧急和备用氢气，从而解决了加氢站分布少导致的氢气供给问题。可以预见本发明的实施可有效缓解加氢站建设不足对氢能技术发展的限制问题，提高我国氢燃料电池汽车的发展和应用，尤其是氢能相关技术的发展和推广。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (19)

1.一种电解水制氢装置，其特征在于，包括电解单元，所述电解单元包括罐体、罐体底座、电解电极以及电解隔膜；

所述罐体包括壳体与分隔片，所述分隔片设置于所述壳体内并沿所述壳体的周向将所述壳体分隔成多个独立的沿所述壳体轴向延伸的腔室；

所述壳体的一端与所述罐体底座配合连接，所述罐体底座内设有紧固槽，所述分隔片的靠近所述罐体底座的一端与所述紧固槽可拆卸连接；

所述电解电极安装于所述罐体底座，且每个所述腔室内均对应有一个所述电解电极，所述罐体底座设有与所述电解电极配合的接电触点；

所述分隔片的靠近所述罐体底座的一端的端部开设有电解隔膜装配口，且所述分隔片的靠近所述罐体底座的一端还设有在所述分隔片厚度方向上贯穿的电解隔膜窗，所述电解隔膜用于通过所述电解隔膜装配口插入至所述分隔片内并在电解过程中通过所述电解隔膜窗与所述腔室内的电解液接触；

所述罐体的顶部设有与所述分隔片数量一致的用于出气或注液的气液孔，每个所述气液孔内均设有用于对所述腔室顶部进行密封的气芯；

所述分隔片将所述壳体分隔成2个或3个腔室；

当所述腔室数量为2个时，其中一个腔室的体积为另一个腔室的2倍；当所述腔室的数量为3个时，每个所述腔室的体积均相等。

2.根据权利要求1所述的电解水制氢装置，其特征在于，每个所述腔室内设有填充物。

3.根据权利要求2所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述填充物呈网状、多孔状、泡沫状或海绵状。

4.根据权利要求2所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述填充物的材料为高分子材料、金属材料、陶瓷材料或木质材料。

5.根据权利要求1所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述壳体的用于与所述罐体底座配合连接的一端设有罐体紧固套，所述罐体紧固套设有内螺纹，所述罐体底座的边沿设有与所述内螺纹配合的外螺纹。

6.根据权利要求5所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述罐体底座还设有用于对所述罐体进行密封的密封槽。

7.根据权利要求6所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述罐体底座还设有用于对所述罐体底座进行定位的定位孔。

8.根据权利要求1所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述电解电极通过支架安装于所述罐体底座上并通过导线与接电触点连接。

9.根据权利要求1所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述紧固槽的内侧还设有固定槽，所述分隔片与所述固定槽插接。

10.根据权利要求9所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述固定槽呈“楔形”或“V字形”。

11.根据权利要求1所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述气芯包括气芯套筒、内弹簧、顶珠以及气芯头；

所述气芯套筒的轴向方向上具有第一贯穿内孔，所述气芯头具有与所述第一贯穿内孔的延伸方向一致的第二贯穿内孔，所述气芯头具有相对的第一端和第二端，其中，第一端与所述气芯套筒配合连接，第二端与所述罐体顶部设置的气液孔配合连接；所述第二贯穿内孔的孔径由所述第一端到所述第二端逐渐减小；

所述内弹簧设置于所述第一贯穿内孔内，所述内弹簧的直径以及所述第二贯穿内孔对应所述第二端的部分的孔径均小于顶珠的直径；所述顶珠在非出气阶段同时抵接于所述内弹簧的朝向所述气芯头的一端以及所述第二贯穿内孔对应所述第二端的部分。

12.根据权利要求11所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述气芯头的第一端与所述气芯套筒螺纹连接，和/或，所述气芯头的第二端与所述气液孔螺纹连接。

13.根据权利要求12所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述电解水制氢装置还包括用气单元，所述用气单元包括对接器；

所述对接器包括气液嘴，所述气液嘴包括气液嘴壳体、顶针、尾管，所述气液嘴壳体具有上下贯穿的壳腔，所述壳腔的上端与所述尾管连接，所述壳腔的下端与所述顶针连接；所述顶针用于从所述气芯头的第二端插入所述第二贯穿内孔以使所述第二贯穿内孔中的所述顶珠从第二端向第一端滑动，从而实现所述腔室、所述气液孔以及所述气液嘴的连通。

14.根据权利要求13所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述对接器还包括弹簧和密封球，所述壳腔内固定连接有用于固定所述弹簧的弹簧固定杆，所述弹簧套设于所述弹簧固定杆外壁，所述顶针设置于所述壳腔的下端并与所述弹簧固定杆抵接，所述密封球设置于所述顶针和所述弹簧固定杆之间并用于隔离所述尾管和所述顶针，所述弹簧固定杆和所述顶针具有用于供气液上下流通的通道。

15.根据权利要求14所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述用气单元还包括用于与所述罐体底座可拆卸连接的插电底座；

所述插电底座包括底座触点、电源线以及电源适配器；

所述电源适配器通过所述电源线分别与所述底座触点以及外界电源电性连接，所述底座触点用于与所述罐体底座的所述接电触点接触连接。

16.根据权利要求15所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述用气单元还包括具有顶板的外壳，所述顶板开设有安装孔，所述对接器设置于所述安装孔内。

17.根据权利要求16所述的电解水制氢装置，其特征在于，所述外壳还包括紧固杆、第一紧固孔和与第二紧固孔，所述第一紧固孔设置于顶板，所述第二紧固孔设置于所述插电底座，所述紧固杆的两端分别连接于所述第一紧固孔和所述第二紧固孔。

18.如权利要求1-16任一项所述的电解水制氢装置的应用，其特征在于，所述电解水制氢装置用于电解水制氢和制氧。

19.根据权利要求18所述的应用，其特征在于，所述电解水制氢装置用于为氢燃料电池车提供氢气和氧气。

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