CN116103697A - 一种高压水电解系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高压水电解系统，包括：水箱I、补水泵、水箱II、循环泵、电解槽和氧分水器，所述水箱I的出水口与所述补水泵的吸水口连通，所述补水泵的出水口与所述水箱II的进水口连通，所述水箱II的出水口与所述氧分水器的补水口连通，所述氧分水器的出水口与所述电解槽的进水口连通，在所述氧分水器与所述电解槽之间的管路上设置有所述循环泵，所述电解槽的出水口与所述氧分水器的回水口连通，所述氧分水器的出氧口与所述水箱II的出气口连通。本发明的技术方案解决了现有技术中的高压电解系统在补水时压力高、振动大导致管路和阀门存在失效风险的问题。

Description

一种高压水电解系统

技术领域

本发明涉及电解技术领域，具体而言，尤其涉及一种高压水电解系统。

背景技术

随着全社会对环境保护越来越重视，对于氢能的使用也逐渐受到关注，水电解制氢技术因为可以安全高效的获得氢气而备受青睐。质子交换膜电解单元包括质子交换膜和附着于两侧的催化剂，并在两侧配置供电体。多个电解单元串联组成电解槽，在两侧施加电压并在阳极侧供水，阳极水被分解产生氢离子，通过质子交换膜后在阴极侧与电子结合为氢气，在此过程中，阳极有部分水跟随氢离子迁移至阴极侧，阳极侧产生氧气和剩余未反应的水混合排出电解单元。

由于氢气的应用场合一般为高压，因此，可以利用高压电解提高产氢的压力，但高压电解系统中需要控制氢气侧和氧气侧等压以此能保证电解槽内部电解单元的阳极侧和阴极侧等压，这对膜电极的寿命极为有利。在现有技术中，需要调节控制阀保持氧分离器压力与氢分离器等压，但随着电解进程，氧分离器中的水也随之消耗，到补水泵启动时需要克服高压的压力，而且水泵能耗很高、体积大，连接补水泵的管路和阀门都需要耐高压，补水泵从启动到升压至高压的过程时间短、震动大，连接的管路和阀门多会存在很大失效的风险。

发明内容

根据上述提出高压水电解系统在补水时压力高、振动大导致管路和阀门存在失效风险的技术问题，而提供一种高压水电解系统。本发明主要利用低压的补水泵对水箱补水，在补水完成后利用电解反应产生的高压氧气使水箱和氧分水器等压，利用水箱与氧分水器的水位高度差实现了对氧分水器进行低压重力补水，提高了整体系统的安全性和可靠性。

本发明采用的技术手段如下：

一种高压水电解系统，包括：水箱I、补水泵、水箱II、循环泵、电解槽和氧分水器；

所述水箱I的出水口与所述补水泵的吸水口连通，所述补水泵的出水口与所述水箱II的进水口连通，所述水箱II的出水口与所述氧分水器的补水口连通，所述氧分水器的出水口与所述电解槽的进水口连通，在所述氧分水器与所述电解槽之间的管路上设置有所述循环泵，所述电解槽的出水口与所述氧分水器的回水口连通，所述氧分水器的出氧口与所述水箱II的出气口连通；

还包括：单向阀、补水阀、充气阀、放气阀和氧压控制阀，在所述水箱II与所述补水泵之间的管路上设置有所述单向阀，在所述水箱II出水口与所述氧分水器补水口之间的管路上设置有所述补水阀，在所述水箱II的出气口与所述氧分水器的出氧口之间的管路上设置有所述充气阀，所述水箱II的出气口还连通有所述放气阀，所述放气阀的出气口与大气连通，所述氧分水器的出氧口还与所述氧压控制阀的入口连通，所述氧压控制阀的出口与所述大气连通；

还包括：氢分水器和氢压控制阀，所述电解槽的出氢口与所述氢分水器的进氢口连通，所述氢分水器的出氢口与所述氢压控制阀的入口连通，所述氢压控制阀的出口与所述大气连通，所述氢分水器的出水口与所述水箱I的入口连通。

进一步地，所述氧分水器的出氧口设置有丝网I，用于分离氧气和水。

进一步地，所述氢分水器的出氢口设置有丝网II，用于分离氢气和水。

进一步地，所述水箱II的安装高度高于所述氧分水器的安装高度。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的一种高压水电解系统，通过使用低压的补水泵对水箱补水，在补水完成后利用电解反应产生的高压氧气使水箱和氧分水器等压，利用水位的高度差对氧分水器进行重力补水，实现了低压对氧分水器的补水，减小了补水泵的选型难度和体积，而且对产生的高压氧气进行合理有效的利用，避免了能源浪费，降低系统能耗，补水过程的冲击小，增强了整体系统的安全性和可靠性。

综上，应用本发明的技术方案通过使用低压的补水泵对水箱补水，在补水完成后利用电解反应产生的高压氧气使水箱和氧分水器等压，利用水箱与氧分水器的水位高度差实现了对氧分水器进行低压重力补水，提高了整体系统的安全性和可靠性。因此，本发明的技术方案解决了现有技术中的高压电解系统在补水时压力高、振动大导致管路和阀门存在失效风险的问题。

基于上述理由本发明可在电解技术等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述的高压水电解系统示意图。

图中：1、水箱I；2、补水泵；3、单向阀；4、水箱II；5、循环泵；6、电解槽；7、氧分水器；8、氢分水器；9、补水阀；10、充气阀；11、放气阀；12、氧压控制阀；13、氢压控制阀。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。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讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种高压水电解系统，包括：水箱I1、补水泵2、水箱II4、循环泵5、电解槽6和氧分水器7；

所述水箱I 1的出水口与所述补水泵2的吸水口连通，所述补水泵2的出水口与所述水箱II 4的进水口连通，所述水箱II 4的出水口与所述氧分水器7的补水口连通，所述氧分水器7的出水口与所述电解槽6的进水口连通，在所述氧分水器7与所述电解槽6之间的管路上设置有所述循环泵5，所述电解槽6的出水口与所述氧分水器7的回水口连通，所述氧分水器7的出氧口与所述水箱II 4的出气口连通；

还包括：单向阀3、补水阀9、充气阀10、放气阀11和氧压控制阀12，在所述水箱II 4与所述补水泵2之间的管路上设置有所述单向阀3，在所述水箱II 4出水口与所述氧分水器7补水口之间的管路上设置有所述补水阀9，在所述水箱II 4的出气口与所述氧分水器7的出氧口之间的管路上设置有所述充气阀10，所述水箱II 4的出气口还连通有所述放气阀11，所述放气阀11的出气口与大气连通，所述氧分水器7的出氧口还与所述氧压控制阀12的入口连通，所述氧压控制阀12的出口与所述大气连通；

还包括：氢分水器8和氢压控制阀13，所述电解槽6的出氢口与所述氢分水器8的进氢口连通，所述氢分水器8的出氢口与所述氢压控制阀13的入口连通，所述氢压控制阀13的出口与所述大气连通，所述氢分水器8的出水口与所述水箱I 1的入口连通。

进一步地，所述氧分水器7的出氧口设置有丝网I，用于分离氧气和水，使所述氧气通过所述水箱II 4后经所述氧压控制阀12流出，或直接从所述氧压控制阀12流出，可调节所述水箱II 4与所述氧分水器7中的压力，分离出的水落入所述氧分水器7的底部，并供给所述循环泵5。

进一步地，所述氢分水器8的出氢口设置有丝网II，用于分离氢气和水，使所述氢气进入所述氢分水器8后从所述氢压控制阀13排出，分离的水将进入所述水箱I1中继续参与循环补水。

进一步地，所述水箱II 4的安装高度高于所述氧分水器7的安装高度。

进一步地，在所述高压水电解系统运行过程中，所述补水泵2的压力只需高于流经管路、阀门的阻力和位置水头，处于低压运行，所述循环泵5的压力只需要高于流经管路、阀门、所述电解槽6的阻力和位置水头，但因为所述循环泵5需要向高压运行的所述电解槽6中供水，需要所述循环泵5具有耐高压的性能。

进一步地，所述补水阀9用于向所述氧分水器7中补水。

进一步地，所述循环泵5用于向所述电解槽6中供水。

进一步地，所述充气阀10用于向所述水箱II 4中充气升压。

进一步地，所述放气阀11用于对所述水箱II 4进行排气降压。

进一步地，所述氧压控制阀12用于控制所述氧分水器7中的压力。

进一步地，所述氢压控制阀13用于控制所述氢分水器8中的压力。

本发明提供的一种高压水电解系统的工作过程如下：开启所述循环泵5，使循环水依次流经所述电解槽6、所述氧分水器7后回到所述电解槽6中，开启所述电解槽6的电源，使所述电解槽6通电，进行水电解反应，反应产生的氧气和循环水混合后流入到所述氧分水器7中，经过所述丝网I的分离，所述氧气通过所述氧压控制阀12从系统中排出，产生的氢气和渗透水混合后流入所述氢分水器8中，经过所述丝网II的分离，所述氢气通过所述氢压控制阀13从系统中排出，所述氢压控制阀13和所述氧压控制阀12可根据系统对所述氢气和所述氧气的压力的实际需求进行输出压力的调节，使所述电解槽6中氢侧和氧侧等压或接近等压，此时所述电解槽6中的工作压力记为P_槽。

随后关闭所述补水阀9和所述充气阀10，打开所述放气阀11，此时所述补水泵2开始从所述水箱I1中吸水，向所述水箱II 4中补水，水的密度为ρ，所述补水泵2的工作压力记为P_补，所述补水泵2的工作压力P_补需要克服所述水箱II 4的安装高度水头ρgH和管路的压力损失P_损1，则P_补＞ρgH+P_损1，并在达到预定液位后关闭所述补水泵2和所述放气阀11。

随着所述电解反应的进行，所述电解槽6中的不断分解出所述氢气和所述氧气，而所述氧气和所述氢气在不断的流动排出过程中会带走部分水，使所述氧分水器7中的水位下降，在所述水位下降至一定高度时，需要进行补水，打开所述充气阀10，使所述水箱II 4中的压力与所述氧分水器7中的压力相同，然后打开补水阀9，此时所述水箱II 4与所述氧分水器7中的液面存在高度差ΔH，位置水头为ρgΔH，管路的压力损失为P_损2，则ρgΔH+P_槽＞P_损2+P_槽，在重力作用下完成向所述氧分水器7中的补水，之后关闭所述补水阀9和所述充气阀10，打开所述放气阀11，对所述水箱II 4进行补水。

采用本发明所述的高压水电解系统可以实现低压向所述水箱II 4中补水，所述补水泵2只要克服位置水头和管路阻力即可完成补水，所述水箱II 4向所述氧分水器7中补水前打开所述充气阀10使二者等压，所述水箱II 4中的水由位置水头驱动向所述氧分离器7中补水。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种高压水电解系统，其特征在于，包括：水箱I、补水泵、水箱II、循环泵、电解槽和氧分水器；

所述水箱I的出水口与所述补水泵的吸水口连通，所述补水泵的出水口与所述水箱II的进水口连通，所述水箱II的出水口与所述氧分水器的补水口连通，所述氧分水器的出水口与所述电解槽的进水口连通，在所述氧分水器与所述电解槽之间的管路上设置有所述循环泵，所述电解槽的出水口与所述氧分水器的回水口连通，所述氧分水器的出氧口与所述水箱II的出气口连通。

2.根据权利要求1所述的高压水电解系统，其特征在于，还包括：单向阀、补水阀、充气阀、放气阀和氧压控制阀，在所述水箱II与所述补水泵之间的管路上设置有所述单向阀，在所述水箱II出水口与所述氧分水器补水口之间的管路上设置有所述补水阀，在所述水箱II的出气口与所述氧分水器的出氧口之间的管路上设置有所述充气阀，所述水箱II的出气口还连通有所述放气阀，所述放气阀的出气口与大气连通，所述氧分水器的出氧口还与所述氧压控制阀的入口连通，所述氧压控制阀的出口与所述大气连通。

3.根据权利要求2所述的高压水电解系统，其特征在于，还包括：氢分水器和氢压控制阀，所述电解槽的出氢口与所述氢分水器的进氢口连通，所述氢分水器的出氢口与所述氢压控制阀的入口连通，所述氢压控制阀的出口与所述大气连通，所述氢分水器的出水口与所述水箱I的入口连通。

4.根据权利要求2所述的高压水电解系统，其特征在于，所述氧分水器的出氧口设置有丝网I，用于分离氧气和水。

5.根据权利要求3所述的高压水电解系统，其特征在于，所述氢分水器的出氢口设置有丝网II，用于分离氢气和水。

6.根据权利要求3所述的高压水电解系统，其特征在于，所述水箱II的安装高度高于所述氧分水器的安装高度。

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