CN117756057A - 一种pem水电解高压水气分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种PEM水电解高压水气分离装置，包括有高压容器，所述高压容器上设置有氢、水混合物的输入管道以及液面控制组件，所述高压容器的顶部出气口处设置有背压阀，所述高压容器的底部出液口处设置有减压阀。该装置基于高压PEM水电解装置的水、气分离特点，在实现气液分离的同时，还能保持气体压力稳定，防止气、液界面的剧变或破坏，并且结构简易、操作简单。

Description

一种PEM水电解高压水气分离装置

技术领域

本发明涉及PEM水电解制氢技术领域，具体而言，涉及一种PEM水电解高压水气分离装置。

背景技术

氢气的制取是氢能产业的源头，在制氢方法中，PEM水电解制氢技术运行灵活、利于快速变载，与风电、光伏发电的波动性和随机性具有良好的匹配性，使其将成为大规模绿电制氢的主流技术，但目前PEM水电解制氢装置的生产成本较高，制约其广泛应用。

PEM水电解技术中，主体框架由电解槽以及围绕电解槽配置的水泵与气液分离器构成的水循环回路、气体调节与气体纯化设备组成。其中，气液分离器极为重要，它是保障系统连续、稳定运行的关键设备。在工业生产中，气、液混合物通常利用重力在气液分离器中进行分离，分离器内积累的液体必须通过排出以维护稳定的气、液界面，实现系统正常的连续运转。在常压条件下，现有技术通常采用浮子式液位开关来控制气、液界面。

但在PEM水电解制氢中，PEM装置的压力通常在3MPa以上、产氢量通常每小时数米立方到十多米立方，在实验室研究中更涉及到每小时数升的状态，采用浮子式液位开关会因压差大而造成浮球动作失稳或失效，具有不可靠性，从而增加了高压系统的安全性风险，并且由于阀芯两侧的压差增加，开启阀门所需要的浮力也显著增加，因此导致浮子的体积、高压容器的体积都需要大幅度增加，存在使用代价大、实施困难的问题。

现有技术中，采用液位测量传感器和电动阀控制是气液分离器应用在高压状态下的主要方法，但该方法中电动阀价格高，在经济性上适用大型装置，但对于PEM水电解制氢装置而言会进一步增加生产成本，不利于广泛应用；并且电动阀的阀门孔径是基于压差与流量设计的，其调节余量及适应性有限，缺乏广谱性。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种PEM水电解高压水气分离装置，该装置基于高压PEM水电解装置的水、气分离特点，在实现气液分离的同时，还能保持气体压力稳定，防止气、液界面的剧变或破坏，并且结构简易、操作简单。

为实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明提供了一种PEM水电解高压水气分离装置，包括有高压容器，所述高压容器上设置有氢、水混合物的输入管道以及液面控制组件，所述高压容器的顶部出气口处设置有背压阀，所述高压容器的底部出液口处设置有减压阀。

在顶部出气口设置了背压阀后，通过调节背压阀的阀门开度来改变氢气经过时的流动阻力，当出气口中的氢气压力超过背压阀设定的背压值时，背压阀才会打开，允许部分氢气经过，当一部分氢气流出后，高压容器内的压力下降至低于设定的背压值时，背压阀关闭，其作用在于保证高压容器内的压力始终在预定的范围内。在出液口处设置减压阀后，可控制液体的排出速率，以及维持出气口处的压力，其原理与背压阀类似，当出液口处的压力超过减压阀预设的阈值时，减压阀自动打开，使过多的液体流出，从而确保整个系统的压力始终保持在预定的范围内。通过设置背压阀以及减压阀，可实现对高压容器内的液位以及气体压力的稳定控制。

优选的，所述液面控制组件为差压传感器，所述差压传感器设置有两个接口，一个与所述高压容器内上端的气体空间连接，另一个与所述高压容器内下端的液体空间连接。

本发明的液面控制组件可以使用差压传感器，通过测量气体和液体的压差，当高压容器内的液体被排出时，根据差压的变化可以用于计算流量的大小。此外，差压传感器承受的二侧压力仅为液位差产生，而高压部分则由外壳结构承担。

优选的，还包括有电磁阀，所述电磁阀的一端通过管道与所述高压容器的底部出液口连接，另一端通过管道与所述减压阀连接。

电磁阀是一种简易的通过电磁控制来打开或关闭介质流动的阀门装置，使用简单、成本低廉，但难以单独应用于高压环境下，无法保证液位控制与排液量的控制。而本发明将电磁阀设置在高压容器的出液口与减压阀之间，减压阀能很好地起到控制液体的排出速率的效果，防止液位的突变与压力波动，弥补了电磁阀应用在高压环境下的不足。

优选的，还包括有液位显示仪，所述液位显示仪的信号输入端与所述差压传感器的信号线连接，所述液位显示仪的信号输出端与所述电磁阀连接。

液位显示仪用于根据差压传感器的液位信号来控制电磁阀的开闭状态，当液位高于设定值时打开电磁阀排放液体，当液位低于设定值时关闭电磁阀，实现对高压容器内液位和气体的稳定控制。

优选的，所述液面控制组件为设置在所述高压容器内的浮子液位开关，所述浮子液位开关的阀芯与所述高压容器的底部出液口相匹配。

另一方面，本发明的液位控制组件还可使用浮子液位开关，与传统的PEM水电解装置不同，由于本发明设置了背压阀和减压阀，具有压力保持功能，在高压容器中避免了压力的快速变化产生对浮子造成影响的压力冲击；并且由于减压阀控制了浮子液位开关阀门的内外压差保持一致，使得阀芯能够开闭顺畅，因此使得不适宜高压应用的浮子液位开关也可实现应用。

优选的，所述浮子液位开关中浮子的相对位置处开设有开孔，所述开孔上安装有透气防水膜。

为了进一步提高浮子对高压环境的适应性，还可在浮子所处的位置处设置开孔，并安装透气防水膜，以保障浮子内、外的压力一致。

优选的，所述透气防水膜包括有防水层，所述防水层为PTFE膜，所述PTFE膜的孔率为50％-70％。PTFE膜的微孔允许水蒸气分子通过，而水滴和液体因分子较大无法透过。由于在高压环境下，还需要限定PTFE膜的孔隙率以保证兼顾透气性和防水性。

优选的，所述防水层的下方还有支撑层，所述支撑层的材质为聚酯或聚酰胺非织造布。以提高透气防水膜整体结构的强度和耐用性。

优选的，所述PTFE膜上涂覆有聚氨酯涂层。涂层能够进一步阻止液态水穿透，即使在压力较高的情况下也能组织水通过。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明通过设置了背压阀和减压阀，使高压容器内的气体压力稳定，防止气、液界面的剧变或破坏，在此基础上，可以通过电磁阀及一些简单的控制电路实现高压环境下的稳定控制，甚至还可以使用浮子液位开关进行控制，结构简易、操作简单、更加经济的同时，能保障装置的稳定使用。

(2)对于采用浮子液位开关的方案，还对浮子液位开关进行了相对应的设计，通过采用透气防水膜保障了浮子内、外的压力一致，对透气防水膜的设计也进一步提高了其的透气性和防水性。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例所提供的采用差压传感器方案的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的采用浮子液位开关方案的结构示意图。

其中，1-高压容器，2-背压阀，3-减压阀，4-差压传感器，5-电磁阀，6-液位显示仪，7-浮子液位开关。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例

本实施例提供了一种PEM水电解高压水气分离装置，该装置包括有高压容器1，水电解池中产生的氢、水混合物会不断地输送至高压容器1中，在重力的作用下，氢气向上、水液体向下而分离。由于高压容器1中的氢、水混合物会不断地增加，因此需要及时地将其排出。

在现有技术中，常用浮球液位开关来提供测量液位高度和执行液体排放的功能，但在PEM水电解制氢技术的高压环境下，分离器内外的压差会影响浮球动作失稳或失效，增加系统的安全性风险。本发明的高压容器1在顶部的出气口处设置有背压阀2，在底部的出液口处设置有减压阀3，通过设置背压阀2以及减压阀3，实现了对高压容器1内的液位以及气体压力的稳定控制。其中，设置了背压阀2后，当出气口中的氢气压力超过背压阀2设定的背压值时，背压阀2才会打开，允许部分氢气经过，当一部分氢气流出后，高压容器1内的压力下降至低于设定的背压值时，背压阀2关闭，其作用在于保证高压容器1内的压力始终在预定的范围内。与背压阀2类似，在出液口处设置减压阀3后，可控制液体的排出速率，以及维持出气口处的压力，当出液口处的压力超过减压阀3预设的阈值时，减压阀3自动打开，使过多的液体流出，从而确保整个系统的压力始终保持在预定的范围内。

高压容器1上设置有液面控制组件，根据采用不同的液面控制组件，本发明提供两种设置方案。其中，液面控制组件可采用差压传感器4，差压传感器4设置有两个接口，一个与所述高压容器1内上端的气体空间连接，另一个与所述高压容器1内下端的液体空间连接，可测量气体与液体的压差，当高压容器1内的液体被排出时，根据差压的变化可以用于计算流量的大小。并且，与传统的浮子液位开关7受高压环境的影响不同，差压传感器4承受的二侧压力仅为液位差产生，而高压部分则由外壳结构承担。

在使用差压传感器4的方案中，还包括有电磁阀5和液位显示仪6。其中，电磁阀5的一端通过管道与高压容器1的出液口连接，另一端通过管道与减压阀3连接。这样设计的好处在于电磁阀5虽然使用简单、成本低廉，但在高压环境下无法保证液位控制与排液量的控制，而减压阀3设置在电磁阀5之后能很好地起到控制液体排出速率的效果，防止电磁阀5无法控制液位导致的液位的突变与压力波动，弥补了电磁阀5应用在高压环境下的不足。

其中，液位显示仪6的信号输入端与差压传感器4的信号线连接，液位显示仪6的信号输出端与电磁阀5连接，以实现对高压容器1内液位和气体的稳定控制。在具体使用时，其操作步骤为：气、液混合物进入气液分离器1后，在重力的作用下实现气液分离，其中气体从高压容器1顶部的出气口排出，背压阀2控制着高压容器1气体压力维持在设定的参数上。差压传感器4测量高压容器1内的液位，并将信号传输到液位显示仪6，液位显示仪6预先设定有所需液位高度，当液位高度达到设定值时，液位显示仪6输出信号控制电磁阀5开启，液体经减压阀3排出，减压阀3控制排出液体的速度与压力，防止液位的突变与压力波动，当液位低于设定参数后，压力显示仪关闭电磁阀5。

另一方面，液面控制组件还可以为浮子液位开关7，由于本发明设置了背压阀2和减压阀3，具有压力保持功能，在高压容器1中避免了压力的快速变化产生对浮子造成影响的压力冲击；并且由于减压阀3控制了浮子液位开关7阀门的内外压差保持一致，使得阀芯能够开闭顺畅，因此不适宜高压应用的浮子液位开关7也可实现应用。

在使用浮子液位开关7的方案中，浮子液位开关7的阀芯与高压容器1的底部出液口相匹配，不需要再额外设置电磁阀5和液位显示仪6等液体排放控制设备，浮子液位开关7本身就同时具备有液位测量和液体排放执行的功能。此外，为了进一步提高浮子液位开关7对高压环境的适应性，在浮子所处的相应位置开设有开孔，开孔上安装有用以保障浮子内、外压力一致的透气防水膜。其中，透气防水膜包括有PTFE膜的防水层，考虑到应用环境为高压状态下，PTFE膜的孔率不宜太大，优选在50％-70％范围内最佳，PTFE膜上还涂覆有聚氨酯涂层。防水层的下方还设置有聚酯或聚酰胺非织造布的支撑层。

在具体使用时，其操作步骤为：气、液混合物进入气液分离器1后，在重力的作用下实现气液分离，其中气体从高压容器1顶部的出气口排出，背压阀2控制着高压容器1气体压力维持在设定的参数上。当高压容器1内的液位达到浮子液位开关7的设定值时，由于浮子的浮力作用，阀芯向上提起，液体从出液口排出，水经减压阀3，起到控制排出液体的速度和压力的作用，防止液位的突变与压力波动，当液位低于设定参数后，在重力作用下，浮子下沉，阀芯下降，关闭阀门。

最后，可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种PEM水电解高压水气分离装置，其特征在于，包括有高压容器，所述高压容器上设置有氢、水混合物的输入管道以及液面控制组件，所述高压容器的顶部出气口处设置有背压阀，所述高压容器的底部出液口处设置有减压阀。

2.根据权利要求1所述的高压水气分离装置，其特征在于，所述液面控制组件为差压传感器，所述差压传感器设置有两个接口，一个与所述高压容器内上端的气体空间连接，另一个与所述高压容器内下端的液体空间连接。

3.根据权利要求2所述的高压水气分离装置，其特征在于，还包括有电磁阀，所述电磁阀的一端通过管道与所述高压容器的底部出液口连接，另一端通过管道与所述减压阀连接。

4.根据权利要求3所述的高压水气分离装置，其特征在于，还包括有液位显示仪，所述液位显示仪的信号输入端与所述差压传感器的信号线连接，所述液位显示仪的信号输出端与所述电磁阀连接。

5.根据权利要求1所述的高压水气分离装置，其特征在于，所述液面控制组件为设置在所述高压容器内的浮子液位开关，所述浮子液位开关的阀芯与所述高压容器的底部出液口相匹配。

6.根据权利要求5所述的高压水气分离装置，其特征在于，所述浮子液位开关中浮子的相对位置处开设有开孔，所述开孔上安装有透气防水膜。

7.根据权利要求6所述的高压水气分离装置，其特征在于，所述透气防水膜包括有防水层，所述防水层为PTFE膜，所述PTFE膜的孔率为50％-70％。

8.根据权利要求7所述的高压水气分离装置，其特征在于，所述防水层的下方还有支撑层，所述支撑层的材质为聚酯或聚酰胺非织造布。

9.根据权利要求7所述的高压水气分离装置，其特征在于，所述PTFE膜上涂覆有聚氨酯涂层。