CN117210836A - 一种高压氢气电解装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压氢气电解装置及其使用方法，包括一罐体，罐体顶部设有气体排放口，气体排放口处设有控制阀门；所述罐体底部设有端盖，两者构成一密闭空间；所述罐体内设有至少一组电解槽，电解槽包括阳极和阴极；所述端盖上设有至少一个高压流体接口，高压流体接口上设有阀门和压力计，并外接高压流体；所述罐体内充盈高压流体，罐体内压力与电解槽阴极侧压力相匹配。本发明将电解槽置于高压罐体内，使得电解槽阴极侧的氢气可以直接电解加压，省略机械加压过程，工作效率更高；高压罐体内压力与电解槽阴极侧氢气的工作压力保持在一定压差内，可降低电解槽阴极和阳极的密封难度，提高电解槽的稳定性。

Description

一种高压氢气电解装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及电解槽技术领域，特别涉及一种高压氢气电解装置及其使用方法。

背景技术

电解制氢气通常采用碱性或PEM(质子交换膜)电解槽，电解槽内发生水电解反应后，阳极侧会产生氧气，氧气作为一个副产物，需求量不大，因此氧气经常直接排掉，其工作压力要低得多，一般不超过1MPa。电解槽的主要产物是在阴极产生的氢气。目前，氢气在存储或输送过程中，通常被压缩到氢气压力达到20Mpa，甚至更高。因此，有些电解槽的阴极侧产生几个MPa的氢气后，需要用机械压缩机继续增压，从而使得氢气方便存储。同时，少数电解槽被设计成可在几十MPa或更高的氢气压力下工作，从而省下氢气机械压缩步骤。但是，这种电解槽工作时，其阴极和阳极的压差很大，对中间的隔膜或质子交换膜形成很大的压差，阴极侧的高压氢气容易通过质子膜渗透到阳极侧，不仅导致产氢量降低，而且可能导致阳极侧混入氢气，产生安全隐患。另外，氢气所处的阴极侧和外界环境的压差也会增大，导致密封变得困难，很容易产生氢气泄漏问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种高压氢气电解装置及其使用方法，既可实现对氢气直接加压，省略机械压缩步骤，又能降低电解槽的密封难度，提高电解槽的稳定性。

为此，本发明的技术方案是：一种高压氢气电解装置，包括一罐体，罐体顶部设有气体排放口，气体排放口处设有控制阀门；所述罐体底部设有端盖，两者构成一密闭空间；所述罐体内设有至少一组电解槽，电解槽包括阳极和阴极；所述端盖上设有至少一个高压流体接口，高压流体接口上设有阀门和压力计，并外接高压流体；所述罐体内充盈高压流体，罐体内压力与电解槽阴极侧压力相匹配。

在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述罐体内压力、电解槽阴极侧压力、电解槽阳极侧压力中，任意两处的压差小于5MPa。

在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述端盖上设有两个高压流体接口，分别通入气态高压流体和液态高压流体。

在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述高压流体为高压惰性流体，为氮气、氦气、纯水、变压器油中的一种或多种。

在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述端盖上设有电线连接口，电线连接口内部连接电解槽，外部连接电源。

在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述端盖上设有氢气出口，氢气出口处设有密封管，氢气出口内部连接电解槽的阴极侧出口，外部连接氢气存储装置。

在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述端盖上设有电解液入口和电解液出口，分别连接电解槽阳极侧的进出口。

在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述端盖内部设有支架，电解槽安装在支架上方。

本发明的另一个技术方案是：上述高压氢气电解装置的使用方法，包括以下步骤：

1)打开罐体顶部控制阀门，同时向罐内充入气态高压流体，排除罐内空气后，关闭控制阀门；并继续充入气态高压流体，使得罐内压力到达一定压力值后停止；

2)向罐体内充入液态高压流体，液态高压流体上升时，气态高压流体封存在罐体顶部空间，继续充入高压流体，使得罐体内形成高压环境，罐体达到初始压力值后，高压流体停止通入；

3)向电解槽内通入电解液，电解槽阳极侧压力与罐体内压力相匹配；通电后，电解槽工作，电解槽在高氢气压力下工作，阴极侧产生氢气，并通过氢气出口阀门进入氢气存储装置；

4)同时，实时检测氢气出口处压力，并控制液态高压流体的流入、流出或气体排放，缩小罐体内压力与电解槽阴极侧压力的压差。

本发明将电解槽放入一个罐体中，将罐体密闭后，通入高压惰性流体(惰性气体或不导电不可压液体)，控制往罐体内填充惰性流体，控制充其量，使得罐体内流体压力与电解槽氢气的预设工作压力接近。因此，当电解槽在高氢气压力下工作时，氢气与电解槽外部(即高压罐体内部)的惰性流体之间的压差就比电解槽在大气中工作时小得多，大大减轻了电解槽阴极侧与环境之间的密封。

同时，同步增加和控制阳极侧流体(PEM电解时是纯水，碱性电解时是碱液)的压力，使得阳极和阴极之间的压差、阳极与环境之间的压差同样可以减小。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、将电解槽置于高压罐体内，使得电解槽阴极侧的氢气可以直接电解加压，省略机械加压过程，工作效率更高；

2、高压罐体内压力与电解槽阴极侧氢气的工作压力保持在一定压差内，可降低电解槽阴极和阳极的密封难度，提高电解槽的稳定性；

3、增加电解槽阳极侧的电解液压力，使得阳极和阴极侧的压差降低或接近零，从而大大缓解阴极侧的氢气在压力下通过膜渗透进入阳极的情况，减少了氢气损失，并降低了阳极侧的气体达到爆炸极限的概率，提升了安全性。

附图说明

以下结合附图和本发明的实施方式来作进一步详细说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的结构剖视图；

图3为本发明的内部结构示意图。

图中标记为：罐体1、气体排放口11、控制阀门12、端盖2、电线连接口21、电解液入口22、电解液出口23、氢气出口24、第一高压流体接口25、第二高压流体接口26、螺栓3、支架4、电解槽5。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向(X)”、“纵向(Y)”、“竖向(Z)”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙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、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“数个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参见附图。本实施例所述高压氢气电解装置，包括一罐体1，罐体1顶部设有气体排放口11，气体排放口11处设有控制阀门12，控制阀门12可控制气体排放口11的通断，气体排放口用于排出空气以及泄压；所述罐体1底部为开口状，开口处设有端盖2，罐体1和端盖2通过螺栓3固定连接，两者内部构成一密闭空间。罐体内可通入高压惰性流体(惰性气体或不导电不可压液体)，营造高压环境，惰性气体：例如氮气、氦气，不导电不可压液体：例如水(一般为去离子水或蒸馏水)、变压器油。

所述端盖2内部设有一支架4，支架4上安装有电解槽5，支架4可以将电解槽5架高，方便安装各种管路。支架4上可安装一个或多个电解槽5，每个电解槽上设有1个阴极和1个阳极，通入电流和电解液后，能够在阴极产生有用的氢气产物和在阳极产生氧气副产物。

所述端盖2上设有多个连接口，连接口包括：

①电线连接口21，电线连接口可选用航母插头，内部设有导线，导线连接电解槽5，电线连接口可外插电源，方便为电解槽供电。

②电解液入口22，电解液入口处设有一段密封管，电解液入口外部连接电解液来源，内部用管路连接到电解槽5阳极侧的入口上，电解液根据电解槽的性质来决定，PEM电解时是纯水，碱性电解时是碱液。

③电解液出口23，电解液出口处设有一段密封管，电解液出口外部连接电解液返回口，内部用管路连接到电解槽5的电解液出口上，电解反应后，阳极侧的产物氧气也随电解液流出。

④氢气出口24，氢气出口处设有密封管，氢气出口内部连接电解槽5的阴极侧出口，外部连接氢气存储装置，氢气存储装置用于接收存储氢气。

⑤第一高压流体接口25，接口处同样含一段密封管，第一高压流体接口25内部直接与罐体1内部相通，外部连接氮气来源，氮气进入罐体后，可对罐体内的空气进行吹扫置换；第一高压流体接口在外部有第一控制阀门和压力计，可以控制氮气的进出，测量罐体内部的压力。

⑥第二高压流体接口26，接口处同样含一段密封管，第二高压流体接口26内部直接与罐体1内部相通，外部连接水(一般为去离子水或蒸馏水)，第二高压流体接口在外部有第二控制阀门，可控制水的通断。

使用时：

1)打开罐体1顶部气体排放口11处的控制阀门12，使罐体1内部联通至大气，同时打开第一高压流体接口25处的第一控制阀门，向罐内充入氮气，氮气可将内部空气吹扫替换，然后关闭气体排放口处的控制阀门12；并继续充入氮气，使得罐内压力到达一定压力值后停止；

2)打开第二高压流体接口26处的第二控制阀门，向罐体1内充入去离子水，去离子水不会导致阴极与阳极的短路；水上升时，顶部会封一段氮气，用于保持一定的弹性，继续充水，在罐体内形成高压，因水不容易压缩，加压和释放压力快；罐体达到初始压力值后，水暂时停止通入；

3)打开电解槽入口22开关，向电解槽5内通入电解液，使得电解槽阳极侧压力与罐体内压力相匹配；通电后，电解槽工作，电解槽在高氢气压力下工作，阴极侧产生氢气，并通过氢气出口24进入氢气存储装置；

4)同时，实时检测氢气出口处压力，并控制液态高压流体的流入、流出或气体排放，缩小罐体内压力与电解槽阴极侧压力的压差，电解槽内阴极、阳极及罐体内压力，任意两股流体的压差不超过5MPa。

当电解槽在高氢气压力下工作时，氢气与电解槽外部(即高压罐体内部)的惰性流体之间的压差就比电解槽在大气中工作时小得多，大大减轻了电解槽阴极侧与环境之间的密封；同时，也增加和控制阳极侧流体(PEM电解时是纯水，碱性电解时是碱液)的压力，使得阳极和阴极之间的压差、阳极与环境之间的压差也小得多。在一个特定工作条件下，控制阳极侧、阴极侧和高压罐体内的流体都处于同一个压力(比如40MPa的氢气输出压力)，这样阳极、阴极和电解槽环境之间的压差接近于零。

本实施例对电解槽的氢气直接电解加压，比获得低压氢气后再用机械压缩机加压的效率要高；罐体内的高压有利于降低电解槽阴极和阳极的密封难度，提高电解槽的稳定性；电解槽阳极侧加压后，阳极和阴极侧的压差降低或接近零，与大的阴阳极压差电解槽相比，阴极侧的氢气在压力下通过膜渗透进入阳极的量要小得多，减少了氢气损失，并降低了阳极侧的气体达到爆炸极限的概率，提升了安全性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高压氢气电解装置，其特征在于：包括一罐体，罐体顶部设有气体排放口，气体排放口处设有控制阀门；所述罐体底部设有端盖，两者构成一密闭空间；所述罐体内设有至少一组电解槽，电解槽包括阳极和阴极；所述端盖上设有至少一个高压流体接口，高压流体接口上设有阀门和压力计，并外接高压流体；所述罐体内充盈高压流体，罐体内压力与电解槽阴极侧压力相匹配。

2.如权利要求1所述的一种高压氢气电解装置，其特征在于：所述罐体内压力、电解槽阴极侧压力、电解槽阳极侧压力中，任意两处的压差小于5MPa。

3.如权利要求1所述的一种高压氢气电解装置，其特征在于：所述端盖上设有两个高压流体接口，分别通入气态高压流体和液态高压流体。

4.如权利要求1所述的一种高压氢气电解装置，其特征在于：所述高压流体为高压惰性流体，为氮气、氦气、纯水、变压器油中的一种或多种。

5.如权利要求1所述的一种高压氢气电解装置，其特征在于：所述端盖上设有电线连接口，电线连接口内部连接电解槽，外部连接电源。

6.如权利要求1所述的一种高压氢气电解装置，其特征在于：所述端盖上设有氢气出口，氢气出口处设有密封管，氢气出口内部连接电解槽的阴极侧出口，外部连接氢气存储装置。

7.如权利要求1所述的一种高压氢气电解装置，其特征在于：所述端盖上设有电解液入口和电解液出口，分别连接电解槽阳极侧的进出口。

8.如权利要求1所述的一种高压氢气电解装置，其特征在于：所述端盖内部设有支架，电解槽安装在支架上方。

9.一种权利要求1～8任一项所述高压氢气电解装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)打开罐体顶部控制阀门，同时向罐内充入气态高压流体，排除罐内空气后，关闭控制阀门；并继续充入气态高压流体，使得罐内压力到达一定压力值后停止；

2)向罐体内充入液态高压流体，液态高压流体上升时，气态高压流体封存在罐体顶部空间，继续充入高压流体，使得罐体内形成高压环境，罐体达到初始压力值后，高压流体停止通入；

3)向电解槽内通入电解液，电解槽阳极侧压力与罐体内压力相匹配；通电后，电解槽工作，电解槽在高氢气压力下工作，阴极侧产生氢气，并通过氢气出口阀门进入氢气存储装置；

4)同时，实时检测氢气出口处压力，并控制液态高压流体的流入、流出或气体排放，缩小罐体内压力与电解槽阴极侧压力的压差。