CN115094483A - 电解水制备、收集氢气的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于新能源技术领域，公开了一种电解水制备、收集氢气的装置，通过外部供电对碱液进行电解获取氢气并收集，包括：电解水机构，用于对输入的碱液电解产气；输送机构，用于连接电解水机构并将产出的氢气和氧气进行收集；以及加压罐储机构，将输送机构送入的氢气和氧气分别加压存储在气罐中，并具有供气机构，通过供气机构与外部管路连通进行恒压送气。

Description

电解水制备、收集氢气的装置
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及电解水制备、收集氢气的装置。
背景技术
电解水通常是指含盐(如硫酸钠，食盐不可以，会生成氯气)的水经过电解之后所生成的产物。电解过后的水本身是中性，可以加入其他离子，或者可经过半透膜分离而生成两种性质的水。其中一种是碱性离子水，另一种是酸性离子水。以氯化钠为水中所含电解质的电解水，在电解后会含有氢氧化钠、次氯酸与次氯酸钠(如果是纯水经过电解，则只会产生氢氧根离子、氢气、氧气与氢离子)。
而氢能源作为高效、洁净和理想的二次能源已经受到了全世界的广泛重视。大规模、廉价地生产H2是开发和利用氢能的重要环节之一。利用绿电采用电解水技术制H2能够实现整个过程的零碳，且操作相对简单，技术相对成熟，制得的H2纯度高是实现大规模生产H2的重要手段。与PEM电解水制氢相比，碱性电解水制氢技术更加纯熟。因此，国内碱性水电解在行业中占主导地位。在碱性电解槽中，阴极产生H2，阳极产生O2，如果不把它们分隔开来，就会发生H2、O2混合，这样不但达不到生产H2的目的，而且还会带来安全隐患，这就需要用隔膜将H2、O2严格的隔离开来。
现有的电解水制氢设备中，大都为一种容器，即电解槽，在其中设置两个电极，并通过在不同的腔体内布置电极通电产气。但这种电解槽一般都为定制结构，一旦设置只能进行整体更换。现在需要一种模块化的电解槽结构，能够降低生产成本并适配多种应用场景。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种电解水制备、收集氢气的装置，具有若干子部分，能够根据实际需求进行配置，并可根据需求在布置后进行容积调整，以满足单个区域内的供气需求增加的问题。
本发明所采用的技术方案为：
第一方面，本发明提供一种电解水制备、收集氢气的装置，通过外部供电对碱液进行电解获取氢气并收集，包括：
电解水机构，用于对输入的碱液电解产气；
输送机构，用于连接电解水机构并将产出的氢气和氧气进行收集；以及
加压罐储机构，将输送机构送入的氢气和氧气分别加压存储在气罐中，并具有供气机构，通过供气机构与外部管路连通进行恒压送气。
结合第一方面，本发明提供第一方面的第一种实施方式，所述电解水机构包括电解槽、泵送装置和控制机构，控制机构根据电解槽内的水位变化进行碱液补充，并在泵送装置内设有加热机构，使得通过泵送装置进入电解槽内的碱液温度不低于60℃。
结合第一方面的第一种实施方式，本发明提供第一方面的第二种实施方式，加压罐储机构还包括与气罐连接的加压机构，加压机构具有至少两条加压线路，将氧气和氢气通过不同的加压线路输送至独立的气罐中进行储存。
结合第一方面的第一种实施方式，本发明提供第一方面的第三种实施方式，具有若干电解槽，在输送机构中设有预存罐，用于分开收集若干电解槽的氧气和氢气；
预存罐中具有气压计，通过设定阈值控制在预存罐内气压达到阈值后便由输送机构通入对应加压罐储机构。
结合第一方面的第三种实施方式，本发明提供第一方面的第四种实施方式，还具有氢燃料电池机构，由加压罐储机构将氢气与氧气按比例输送至氢燃料电池机构内进行发电，并将氢燃料电池机构中产生的纯水回送至电解水机构中用于补充碱液。
结合第一方面的第四种实施方式，本发明提供第一方面的第五种实施方式，所述氢燃料电池机构与电解水机构设置在同一支架上，在该支架上通过同一泵送机构进行液体输送，并通过同一控制机构进行控制。
结合第一方面的第四种实施方式，本发明提供第一方面的第六种实施方式，所述电解水机构、输送机构、加压罐储机构和氢燃料电池机构均设置在同一支架上，并由同个控制机构进行控制；
所述控制机构内的电源控制模块连接外部的不稳定供电网络，并将不稳定供电网络的电流持续通入电解水机构中持续产气，并在预存罐达到气压阈值后进行加压储存；
当加压罐储机构内的气量达到设定阈值后便由控制机构向外发出供电完备信息，并由控制机构根据储气量发出持续供电时间信息。
结合第一方面的第一至六种实施方式，本发明提供第一方面的第七种实施方式，所述电解槽内具有密封腔体，而电解槽包括壳体，所述壳体包括顶盖、底盖和外罩，所述外罩设置在顶盖与底盖之间；
所述外罩具有若干个，相邻外罩之间通过转接盘密封连接。
结合第一方面的第七种实施方式，本发明提供第一方面的第八种实施方式，在外罩内设有分隔层，分隔层上具有连通外腔、内腔的通道，在通道上设有隔膜进行覆盖；
所述隔膜为具有若干部分，而转接盘内圈和外圈，内圈承接两侧隔膜部分保持隔膜连续，外圈承接外罩保持连续密封。
结合第一方面的第八种实施方式，本发明提供第一方面的第九种实施方式，所述密封腔体为立式结构，顶盖上设有连通外腔的外集气管和连通内腔的内集气管；
在底盖上设有连接外腔电极的外电极触点以及连接内腔电极的内电极触点。
本发明的有益效果为：
(1)本发明中的制氢存储系统，能够利用加压机构增大储量，同时将产生的纯氧也一并收集，并分开管路进行供给，既可以供给给氢燃料电池进行发电，同时也可以根据需求单独进行供氧或供氢气；
(2)本发明中的通过控制系统和预存罐机构，能够利用不稳定的供电线路进行持续产气，并将产出的氢气和氧气先存入预存罐中，一旦达到容量后，便开启加压机构输入高压的气罐中存储，则可以利用风能、光能这种不稳定发电的能源，并在获取到一定产量后，能够通过氢燃料电池进行一定时间的持续稳定供电，从而满足一些临时地区的补充供电需求。
附图说明
图1是本发明实施例中整个系统的第一实施方式的关系示意图；
图2是本发明实施例中整个系统的第二实施方式的关系示意图；
图3是本发明电解水制氢设备的实施例中的具体应用的正视图；
图4是本发明电解水制氢设备的实施例中的具体应用的俯视图；
图5是本发明电解水制氢设备的实施例中的具体应用的第一轴测图；
图6是本发明电解水制氢设备的实施例中的具体应用第二轴测图；
图7是本发明电解水制氢设备的实施例中的具体应用的侧视图；
图8是本发明图7中沿A-A剖切线剖切后的截面示意图；
图9是本发明电解水制氢设备的实施例中的具体应用的部分结构拆分状态平面图；
图10是本发明电解水制氢设备的实施例中的具体应用的部分结构拆分状态轴测图。
图中：1-电解槽，2-压缩机，3-气罐，4-供气机构，5-输送机构，6-氢燃料电池机构，7-外罩，8-固定杆，9-顶盖，10-底盖，11-底座，12-外集气管，13-内集气管，14-内电极触点，15-外电极触点，16-转接盘，17-分隔层，18-外腔，19-内腔，20-插板电极，21-嵌入式隔膜。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请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申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
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。
在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该申请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申请和简化描述，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申请的限制。此外，本申请的描述中若出现术语“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。
此外，本申请的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
实施例1：
本实施例公开一种电解水制备、收集氢气的装置，通过外部供电对碱液进行电解获取氢气并收集，如图1所示，包括：电解水机构，用于对输入的碱液电解产气；输送机构5，用于连接电解水机构并将产出的氢气和氧气进行收集；以及加压罐储机构，将输送机构5送入的氢气和氧气分别加压存储在气罐3中，并具有供气机构4，通过供气机构4与外部管路连通进行恒压送气。
电解水机构包括电解槽1、泵送装置和控制机构，控制机构根据电解槽1内的水位变化进行碱液补充，并在泵送装置内设有加热机构，使得通过泵送装置进入电解槽1内的碱液温度不低于60℃。
如图2所示，另一种实施例中，加压罐储机构还包括与气罐3连接的加压机构，加压机构具有至少两条加压线路，也就是设置有两台压缩机2，将氧气和氢气通过不同的加压线路输送至独立的气罐3中进行储存。
进一步地，本实施例中具有若干电解槽1，在输送机构5中设有预存罐，预存罐在图中并未示出。该预存罐主要用于分开收集若干电解槽1的氧气和氢气；在预存罐中设置有气压计，通过设定阈值控制在预存罐内气压达到阈值后便由输送机构5通入对应加压罐储机构。由于本实施例中的电解槽1的供电由不稳定发电设备进行供电，例如风能、太阳能以及地热能等，则产气量无法保证。设有一个预存罐，能够在加压机构前增加一个量控制，避免持续开启加压机构而进气量不够影响其效率。
还具有氢燃料电池机构6，由加压罐储机构将氢气与氧气按比例输送至氢燃料电池机构6内进行发电，并将氢燃料电池机构6中产生的纯水回送至电解水机构中用于补充碱液。
氢燃料电池机构6与电解水机构设置在同一支架上，在该支架上通过同一泵送机构进行液体输送，并通过同一控制机构进行控制。
进一步地，电解水机构、输送机构5、加压罐储机构和氢燃料电池机构6均设置在同一支架上，并由同个控制机构进行控制；所述控制机构内的电源控制模块连接外部的不稳定供电网络，并将不稳定供电网络的电流持续通入电解水机构中持续产气，并在预存罐达到气压阈值后进行加压储存；当加压罐储机构内的气量达到设定阈值后便由控制机构向外发出供电完备信息，并由控制机构根据储气量发出持续供电时间信息。
实施例2：
还公开一种应用在实施例1中的一种电解水制氢设备，如图3所示，主要包括一种利用外部电源进行电解的容器，用于存放碱液并通过内部的电极在正阴极上产生氧气和氢气进行收集。
其中，本实施例中的制氢设备为立式的筒状的多层结构，包括一个顶盖9、底盖10和底座11，其中，底座11具有一定高度，可抬起底盖10使其下部具有一个离地空隙，避免底盖10上的部分结构直接与固定面接触，并可以保证外部管线从该离地空隙中进入。
在顶盖9与底盖10之间通过三根固定杆8进行支撑和固定，从在顶盖9与底盖10之间形成一定空间，在该空间中，通过至少两个连通的外罩7与顶盖9、底盖10合围形成密封腔体。
其中，在密封腔体中通过隔膜分隔为内外两个圆柱形腔体，即内腔19与外腔18。通过调整隔膜半径，使得内腔19与外腔18的容积相当，并在两个腔体内注入一定量的碱液，主要是氢氧化钠溶液，保证溶液中具有一定量的OH-离子。
而内腔19与外腔18并不限定具体的极性，根据需求进行设置，本实施例中则在外腔18内设置阳极的电极，而在内腔19内设有阴极的电极。本实施例中的隔膜可采用多种材质，其特征是具有一定空隙的小孔，可使两边液体中的离子可自由交换。
其中，阴极利用液体中的氢离子，给电子后在电极附近产生氢气，由于是立式结构，则氢气会快速上升至顶盖9处，由顶盖9处设置的外集气管12将氢气排出。同时，内腔19的阳极中可获得氢氧化物的电子，从而在阳极产生氧气，并通过顶盖9上的内集气管13排出。
本实施例中，该电解水制氢装置主要应用在一些应急发电储电系统中，会根据实际需求进行搭建，则采用模块化结构设计，在获得现场产氢气需求时，直接拼接形成对应容积的电解水装置，从而在一定时间内提供氢气和氧气供应。
则本实施例中的核心点在于，这种筒型机身结构由多段的外罩7构成。外罩7本身为具有较好防腐性能的材料制成，可采用玻璃钢材质，也可以采用不锈钢材料。
本实施例中的外罩7为等截面的圆管，两侧端口尺寸相同，且具有相同的壁厚。在顶盖9内侧具有一个环形的嵌槽，其宽度稍大于外罩7的壁厚。为了获得较好的密封效果，在嵌槽内设有胶层，而设有胶层的嵌槽宽度则小于外罩 7的壁厚，需要一定外力将外罩7的一侧端口压入嵌槽内从而达到固定效果。
底盖10尺寸与顶盖9相同，且其内侧面也具有一个相同尺寸的嵌槽，用于连接外罩7的端口。若仅有一个外罩7，则直接在其端口处扣合固定顶盖9和底盖10形成密封结构。
而本实施例中采用双层结构设计，具有两个外罩7，则在相邻外罩7之间设有一个转接盘16进行连接。该转接盘16包括两种方式，独立结构和对称双结构密封拼接。其中一体式结构上具有两个相对设置的环形嵌槽，用于嵌入固定对应一侧的外罩7端口。
而对称双结构类似法兰，采用这种方式可针对具有更多外罩7拼接的装置提供更好的固定连接效果。采用双层拼接的转接盘16时，在外罩7一个端口的外圈表面设有环形凸缘。而一侧的转接盘16上具有一个环形沉槽，该环形沉槽与环形凸缘配合，可将环形凸缘罩住并压合密封。安装时，需要将转接盘16从一侧外罩7不具有环形凸缘的端口处套入，由于转接盘16的内径正好等于或稍大于外罩7外径，则套入后的转接盘16顺着外罩7轴线方向移动，并在移动至另一侧断口处时将外部的环形凸缘罩住，使其沉入环形沉槽内。
在转接盘16的外圈边缘上设有若干通孔，该通孔供固定杆8穿过，而本实施例中的固定杆8为螺纹杆结构，如图4-6所示。可以看到，固定杆8依次穿过顶盖9、两个转接盘16与底盖10，并在对应结构上均设有螺帽进行锁紧。由于两个转接盘16扣合并将内侧的外罩7端口抵住，从而通过两侧的两个螺帽将其压紧，此时在转接盘16的缝隙处设有的胶圈受压变形并将其缝隙完全填充，从而达到较好的密封效果。
同时，由于在顶盖9和底盖10上分别设有螺帽，则通过两个螺帽相对于锁紧的同侧转接盘16，可将外罩7压紧从而实现固定效果。
本实施例中，由于隔膜采用石棉或高分子材料的隔膜，并在内部或外部设有用于增加抗拉强度的尼龙或不锈钢拉绳。由于其材料为软质特性，则设置为连续结构，根据需要设置的外罩7长度，从而裁切为对应的长度形成筒型结构，并将两侧端口压合在顶盖9和底盖10内侧面并密封处理即可。
顶盖9上设有连通外腔18的外集气管12和连通内腔19的内集气管13；在底盖10上设有连接外腔18电极的外电极触点15以及连接内腔19电极的内电极触点14。
同时，为了实现内外液体的循环交换，也为了补充消耗的水源，在该设备中还包括有循环管路系统，通过循环管路系统在底盖10上连通内外两个腔体。包括单独的管道，同时在管道上还设有一个容纳腔，其具有一定容积，可供一定量的碱液在其中驻留。
同时，该循环管路系统还设有一个循环泵，该循环泵上具有一个供水口，用于连通外部水源进行供水，通过控制机构控制，在获取到内部水位信息后，通过设定的阈值实现循环泵的注水控制。
而在一些实施例中，如图7-10所示，提供另一种内部的结构布置方式。
在外罩7内形成的筒状腔体中，设有一个分隔层17。该分隔层17同样为筒型结构，并分别连接在顶盖9和底盖10上，中间通过通过转接盘16的内圈进行连接。而转接盘16具有的外圈用于连接两个外罩7，内外圈结构之间通过若干连接杆连接，使得内圈与外圈之间具有若干间隙，供碱液在两个外罩7之间流动。
而分隔层17为硬质的固定架结构，同样可采用耐腐蚀的高分子材料或不锈钢材料。通过分隔层17将外罩7内的密封腔体分隔为内腔19与外腔18。在分隔层17外侧沿轴线等圆心角布置有四个插槽，该插槽贯穿整个分隔层17，可在插槽内插设有插板电极20，插板电极20插入插槽内实现固定。
而插板电极20包括与插槽配合的插条，以及设置在插条外表面并向外凸起形成与碱液扩大接触面积的多片式接触区。其中插条一端端部深入顶盖9或底盖10内，并与外部设有的外电极触点15电连接，从而实现导电效果。同时，在插条上合适位置设有绝缘材料实现绝缘接触。同时，该多片式接触区具有多个沿轴线延伸的片体结构，能够增大与碱液的接触面积，具有较好的产气效果。
同时，本实施例中的分隔层17上设有若干镂空区域，而在镂空区域内设有嵌入式隔膜21。如图所示，嵌入式隔膜21具有与镂空区域卡接配合的固定外框，而固定外框内设有隔膜材料或者导离子填充材料。这种固定方式不仅能够通过设置合适的导离子材料实现对应效果，同时可根据需求来替换不同材料。由于本实施例中的设备主要是一种临时产气设备，会在一定时间内进行拆装和更换，若采用石棉等易损材料，其成本更低，但需要更换维护，则采用这种嵌入式隔膜21结构，能够便于维护更换，降低成本。
在分隔层17的内部还设有一根柱状的电极，这种电极的长度与分隔层17、外罩7的长度相同，并在电极的端部两个端部各设有相互匹配螺杆端和螺纹槽。如图中展示的具有两个外罩7的结构，则同样在内部采用两根电极杆，通过螺纹配合实现固定和电连接。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.电解水制备、收集氢气的装置，通过外部供电对碱液进行电解获取氢气并收集，其特征在于：包括：
电解水机构，用于对输入的碱液电解产气；
输送机构(5)，用于连接电解水机构并将产出的氢气和氧气进行收集；以及
加压罐储机构，将输送机构送入的氢气和氧气分别加压存储在气罐(3)中，并具有供气机构(4)，通过供气机构(4)与外部管路连通进行恒压送气。
2.根据权利要求1所述的电解水制备、收集氢气的装置，其特征在于：所述电解水机构包括电解槽(1)、泵送装置和控制机构，控制机构根据电解槽(1)内的水位变化进行碱液补充，并在泵送装置内设有加热机构，使得通过泵送装置进入电解槽(1)内的碱液温度不低于60℃。
3.根据权利要求2所述的所述的电解水制备、收集氢气的装置，其特征在于：加压罐储机构还包括与气罐(3)连接的加压机构(2)，加压机构(2)具有至少两条加压线路，将氧气和氢气通过不同的加压线路输送至独立的气罐(3)中进行储存。
4.根据权利要求2所述的所述的电解水制备、收集氢气的装置，其特征在于：具有若干电解槽，在输送机构中设有预存罐，用于分开收集若干电解槽的氧气和氢气；
预存罐中具有气压计，通过设定阈值控制在预存罐内气压达到阈值后便由输送机构通入对应加压罐储机构。
5.根据权利要求4所述的所述的电解水制备、收集氢气的装置，其特征在于：还具有氢燃料电池机构(6)，由加压罐储机构将氢气与氧气按比例输送至氢燃料电池机构(6)内进行发电，并将氢燃料电池机构(6)中产生的纯水回送至电解水机构(1)中用于补充碱液。
6.根据权利要求5所述的所述的电解水制备、收集氢气的装置，其特征在于：所述氢燃料电池机构(6)与电解水机构(1)设置在同一支架上，在该支架上通过同一泵送机构进行液体输送，并通过同一控制机构进行控制。
7.根据权利要求5所述的所述的电解水制备、收集氢气的装置，其特征在于：所述电解水机构、输送机构、加压罐储机构和氢燃料电池机构(6)均设置在同一支架上，并由同个控制机构进行控制；
所述控制机构内的电源控制模块连接外部的不稳定供电网络，并将不稳定供电网络的电流持续通入电解水机构中持续产气，并在预存罐达到气压阈值后进行加压储存；
当加压罐储机构内的气量达到设定阈值后便由控制机构向外发出供电完备信息，并由控制机构根据储气量发出持续供电时间信息。
8.根据权利要求2-7任一项所述的所述的电解水制备、收集氢气的装置，其特征在于：所述电解槽(1)内具有密封腔体，而电解槽(1)包括壳体，所述壳体包括顶盖(9)、底盖(10)和外罩(7)，所述外罩(7)设置在顶盖(9)与底盖(10)之间；
所述外罩(7)具有若干个，相邻外罩(7)之间通过转接盘(16)密封连接。
9.根据权利要求8所述的所述的电解水制备、收集氢气的装置，其特征在于：在外罩(7)内设有分隔层(17)，分隔层(17)上具有连通外腔(18)、内腔(19)的通道，在通道上设有隔膜进行覆盖；
所述隔膜为具有若干部分，而转接盘(16)内圈和外圈，内圈承接两侧隔膜部分保持隔膜连续，外圈承接外罩(7)保持连续密封。
10.根据权利要求9所述的所述的电解水制备、收集氢气的装置，其特征在于：所述密封腔体为立式结构，顶盖(9)上设有连通外腔(18)的外集气管(12)和连通内腔(19)的内集气管(13)；
在底盖(10)上设有连接外腔(18)电极的外电极触点(15)以及连接内腔(19)电极的内电极触点(14)。
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