CN1350600A - 水电解电池中的压力控制系统 - Google Patents

Abstract

用于按所希望的最小压力从电解器提供氧和氢的装置和方法。其中,该装置包括拥有阳极电解液液位的阳极电解液溶液;拥有阴极电解液液位的阴极电解液溶液;在上述的阳极电解液之上按氧压力生成的氧;在上述的阴极电解液之上按氢压力生成的氢,用于通过氢出口装置传送;该方法包括提升阳极电解液之上的氧压力,使上述的阴极电解液液位和上述的阳极电解液液位之间的一个正的液位压力差达到一个预先选定的值,以使上述的氢出口装置封闭,以及把氢压力增加到一个值,以使上述的氢出口装置开启,按上述所希望的最小压力提供氢。氢是根据请求、按一个适合于使用的可迅速得到的压力加以提交的,例如,在使用金属氢化物的情况下,生成氢,或把氢提供于一个压缩机,以用于相继的更高的压缩应用;氧用于帮助呼吸和用于消毒。尽管存在氢和氧产品压力,但跨整个电池隔膜的压力差是很低的,即可忽略不计。

Description

水电解电池中的压力控制系统

发明领域

本发明涉及电解电池。具体地说，涉及用于生成氢和氧的水电解电池。更具体地说，涉及氢气压力控制设备，以及对由这些设备所产生的氢和氧的使用。

发明背景

城市烟雾会导致肺部疾病和其它呼吸障碍，并可能导致严重的健康问题，即病人的健康状况可能要求其必须在家中配备呼吸所用的氧供给系统。通常，这种氧是由提交于家庭的液态氧加以提供的。电解方法所产生的氧也可达到同样的目的。

已有许多车辆和其它设备依赖氢而运行，目前无论是移动应用还是固定应用，对燃料电池的使用日趋增多，并需要把氢作为燃料。

电合成是产生化学反应的一种方法，电合成是通过电流的流动以电气方式加以驱动的。其中，电流，通常为直流(DC)，通过正电极和负电极之间的一种电解液流动。电化电池用于电化反应，并包括浸泡于电解液中的正电极和负电极，在这两个电极之间流动的电流来自一个外部的电源。在无附加反应的情况下，反应的生成率与电流成正比。例如，在一个液态碱性水电解电池里，在一种水状的电解液中，DC电流在两个电极之间流动，以把水(反应物)分裂成成份产品气体，即氢和氧，其中产品气体在各电极的表面逐渐形成。

水电解器通常依赖于压力控制系统控制一个电解电池的两个部分之间的压力，以确保两种气体，即在电解反应中所产生的氧和氢，保持相互分离，而不混合在一起。

一个这样的压力控制系统提供了一个水密封层，以均衡电池的两个部分中的压力。这是在“家庭制造”的电解器中最常采用的方案。通常，水密封层为几英寸深，因此电池操作在大气以上的几英寸的WC压力下。

一种可选择的系统提供了一个隔膜分隔器，该隔膜分隔器维持电池的两个部分之间的一个压力差，而且不会使气体相混合。PEM电池是这种类型的系统的最好的例子。PEM(聚合物电解液隔膜)电池最高可维持一个2500psi的压力差，而且不会使气体的纯度明显降低。

第三种系统是一个主动控制系统，该系统可检测压力，并控制气体从这两个电池中流出。可按下列两种方式之一进行控制：

通过一个依赖压力调节器(例如一个加载整流罩的流调节器)的机械系统，控制两个电池之间的压力，例如，可把氧压力做为一个参照压力，调节电池的氢部分中的压力；以及

通过依赖于对两个电池之间的气体压力差的测量的电子系统，控制从电池的两侧流出的气体的流速，以便维持所希望的通常为0的压力差。

然而，对于超小型的商用氢生成器(0.1 Nm³/h)来说，PEM型电解电池通常倍受人们的青睐。尽管这种电池的价格远高于传统的碱电解器，但这种电池的高价格可抵消使用机械或电子传动装置的传统碱系统所需的控制装置的开销、对较高压力的需求(因而，需要使用一个水密封层压力控制系统在电解器中的进行压缩)的开销。

然而，在一个加压的电解器中，还存在着对一个可控制压力的价格相当低的、可靠的方法的需求。

发明内容

本发明的一个目的是提供用于按所希望的最小压力产生输出的氢的有效的方法和水电解器。

本发明的另一个目的是为局部化的小机构(例如，商场、医院等)提供一个用于原地产生输出的氢和氧的有效的方法和水电解器。

本发明的又一个目的是提供一个电解器设备和方法，该电解器设备和方法可以至少以100psi的压力(实质上可根据请求)传送氢，同时维持一个跨整个电池隔膜的、实质上为0的压力差。

最广义地讲，本发明依赖于在阴极电解液液位和阳极电解液液位之间创建一个液位压力差，该压力差是通过下列方法实现的：致使氧压力在阳极电解液之上积累，阳极电解液液位下降，并在阴极电解液液位中上升一个相同的幅度，同时氢从电池中释放，直至要么(a)阳极电解液液位下降到一个预选定的液位，以触发一个控制阀，防止氢从电池释放出来，要么(b)阴极电解液液位上升，类似地触发一个控制阀，类似地防止氢从电池释放出来。在阴极电解液之上氢压力的相继的积累反转相应的液位，以打开控制阀，按所希望的最小压力提供氢。在封闭了释放阀的状态下，氢压力积累，因为在电解方法中，针对每一莫尔的氧产生两莫尔的氢。

因此，广义地讲，本发明提供了一个用于按所希望的最小压力从一个电解器中提供氢的方法，该方法包括：

拥有阳极电解液液位的阳极电解液溶液；

拥有阴极电解液液位的阴极电解液溶液；

在上述的阳极电解液之上按氧压力生成的氧；

在上述的阴极电解液之上按氢压力生成的氢，用于通过氢出口装置流动；

该方法包括提升阳极电解液之上的氧压力，使上述的阴极电解液液位和上述的阳极电解液液位之间的一个液位压力差达到一个预先选定的值，以使上述的氢出口装置封闭，以及把氢压力增加到一个值，以使上述的氢出口装置开启，按上述所希望的最小压力提供氢。

当氢输出口密封时，氢压力的相继的积累仅是一个逐步的积累，即积累到足以使氢按所希望的压力作为输出产品“泄漏”即可。

在更广的意义上讲，本发明提供了一个用于按所希望的最小压力提供氢的改进的电解器，该电解器包括：

拥有阳极电解液液位的阳极电解液溶液；

拥有阴极电解液液位的阴极电解液溶液；

在上述的阳极电解液液位之上按氧压力生成氧的氧生成装置；

在上述的阴极电解液液位之上按氢压力生成氢的氢生成装置；

所生成的氢的出口装置；改进包括用于提升阳极电解液之一的氧压力的压力装置，使上述的阴极电解液液位和上述的阳极电解液液位之间的一个液位压力差达到一个预先选定的值，以使上述的氢出口装置封闭，以及把氢压力相继增加到一个值，以使上述的氢出口装置开启，并通过该出口装置按上述所希望的最小压力提供氢。

这里所使用的术语“电池”、“电化电池”、或“电解器”涉及这样一个结构：至少包括一对电极，这对电极由一个阳极和一个阴极组成，每一个电极在一个封装壳内适当地得以支撑，电解液通过该电极循环流动，且对释放出所产生的产品。电池包括一个分隔器装置，该分隔器装置拥有相应的用于在封装壳内封闭和支撑分隔器的装置。可以把多个电池串行地或并行地连接在一起，以形成一个电池组。使用多少电池形成一个电池组不存在任何限制。在一个电池组中，电池按类似的方式加以连接，并行的或串行的。一个电池块是一个单元，该单元包括一或多个电池组，通过一个外部的汇流条(bus bar)把多个电池块连接在一起。一个功能电解器包括一或多个电池，这些电池并行地或串行地或以串并行组合方式连接在一起。

于是，可以以单一的一个电池或一组电池的形式实践符合本发明的装置和方法。其中，电池组包括一系列所谓的末端盒，氧和氢的出口导管位于这些末端盒中。

本发明提供了一种用于控制电解器中的压力的价格相当低的、可靠的方法与装置。其中，在第一实施例中，一个浮动的浮标或瓣阀打开或关闭氢的流出口，这取决于电池中氢一侧的电解液(阴极电解液)的液位。一个检查阀控制从电池的氧一侧(阳极电解液)氧的流出，并把电池压力维持在由检查阀所设定的一个所选择的值上。也可以对检查阀的压力进行调整，以设立一个具体应用中所需的最大安全压力。在氢一侧，一个浮动在阴极电解液液位上的浮标打开或封闭氢一侧，从而可调节氢气流。电池两侧之间的压力差是由阳极和阴极隔间中的电解液的液位差所决定的。

在符合本发明的另一个实施例中，凭阀控制器而不是凭一个浮标或类似的浮动装置在压力下的氢释放，是通过阳极电解液液位检测和相关的激发控制装置进行的。

符合本发明的电解器实质上独立于所存储的氢，与在阴极电解液之上驻留的气体相分离，在蓄积池(header)或类似的装置中，可选择按所希望的最小氢压力或在该压力之下。另外，可在压力下把电池连接于氢存储装置，例如，储气瓶、储气罐等；或较佳的做法是，在由符合本发明的方法和电池所提供的最小氢压力下，就地制造一个金属氢化物(例如氢化钛)，其中，氧气压力是由一个后压力阀所设置的，以实质上匹配金属氢化物吸收压力(平稳状态)。同时，对电池的氢一侧的压力进行平衡的，例如由一个浮子或阀加以平衡，浮子或阀可调节进入金属氢化物存储容器的气流，如以上所定义的。

在更进一层的意义上(其中上述的阴极电解液液位检测和控制装置包括阳极电解液液位检测装置)，本发明提供了：

控制氢出口关闭与开启的阀装置；以及

与上述检测装置和该阀装置进行通信的激发装置。

在本发明的实践中所使用的以利用阴极电解液液位控制氢压力积累和释放的另外的一些方法可能包括：液体传感器装置，例如依赖于吸收、反射和折射率特性的适当波长辐射的光传感器，这些光传感器位于电池的内部或外部。可以使用一个与阴极电解液液体表面的电接触(例如一个Reed Switch电探针)触发阀的关闭和此后当因氢压力的积累阴极电解液液位下降时阀的打开。

对于金属氢化物中的氢存储来说，要让金属吸收氢需要数个大气压力，因此，一个水密封型的控制系统本身不能提供适当的压力控制。碱电解与为金属氢化物电池开发的某些类型的合金的氢化兼容，这些合金未被氢氧化钾或水所毒化。与此处把本发明用于压力控制系统的碱型电解相比，电子或机械传动的电池压力系统的价格过高。

因此，在金属氢化物存储中，本发明提供了低价格的控制系统，这些系统可至少以100psi的压力传送氢(取决于金属氢化物的温度和吸收特性)，同时可在整个电池隔膜上维持一个接近于0的压力差。

于是，当可把电池检查阀压力设置成接近所希望的氢化压力时，本发明非常适用于充气金属氢化物。其中，氢化压力由温度、具体的充气速率(即每单位量合金的氢吸收率)和合金动力学所确定。

在根据需求按所希望的最小压力把一个实质上无存储供给的氢提供给一个氢压缩机，以按一个明显高的压力提供一个氢源方面，此处所定义的方法与装置也具有很高的价值。

因此，在更进一层的意义上，如以上所定义的，本发明提供的一个符合本发明的装置还包括用于把出口氢的压力从上述所希望的最小压力提升所希望的压缩机输出出口压力的压缩机装置。该压缩机装置可连续地运作，并包括一个再循环回路，该再循环回路通过一个压力调节器将压缩机释放氢气连接到压缩机吸入氢气，以按一个上升的压力保持吸入。压缩机的连续地运作包括仅当符合本发明的电解器正在生成馈送给压缩机的氢时压缩机的操作。与那些其容量很小的导管不同，在未结合一个氢存储的单元时，这样的系统是极为理想的。

作为一个此处称作‘小型个人燃料设备’的SPFA系统，本发明的方法和装置具有特殊的价值。SPFA系统可用于把压缩的氢提供给燃烧氢的设备，例如汽车、卡车、以及其它车辆。较佳的做法是令无存储的SPFA仅根据请求向车辆提供氢，最佳的做法是在供电低峰时提供氢。

在更进一层的意义上，本发明根据请求按所希望的最小压力并以跨整个电池隔膜的一个很低的，即可忽略的压力差提供了一个氧供给装置。

因此，本发明还提供了一个用于提供氧的方法，即就地按所希望的最小压力从一个电解器提供氧的方法，包括如以上所定义的一个方法，并包括一个按上述的相当小的压力从上述的电解器收集上述的氧的方法。

在更进一层的意义上，本发明提供了一个电解器，如以上所定义的，该电解器还包括用于从该电解器收集上述氧的装置。

因此，符合本发明的方法和装置为以下功能提供了必要的条件：就地、现场、或仅根据请求，把氢作为燃料以及把氧作为帮助呼吸、净化和消毒水的气体，直接地或通过相继的臭氧化处理方法迅速供给。因此，可在一个居民、商业、甚至工业设置中，在两种气体共同产生的地方同时消耗掉它们，从而可消除运输和提交方法，并具有所希望的最小的存储需求。

附图说明

为了对本发明更好地加以理解，以下将参照附图，并仅通过例子对所推荐的实施例进行描述。在这些附图中：

图1是符合本发明的一个电解器的示意图；

图2是符合本发明的电解器的一个可选实施例的示意图；

图3A和图3B1是可选的阳极电解液液位和控制装置的概要图；其中以同样的数字表示相同的部件。

具体实施方式

参照图1，一个电解器(整个装置用10表示)拥有一个位于阳极电解液12之上的氧气生成腔室11、位于一个阴极电解液14之上的氢气生成腔室13、一个电池隔膜15、连接于太阳能电源18的电连接16、以及相应的氧和氢压力释放放气孔20和22。氧产品管线24拥有一个调节器检查阀26，调节器检查阀26是按所希望的预先选择的值设置的，而氢产品管线28拥有一个出口30，以接收阴极电解液表面上的一个浮标或浮球32，因而适合于密封接合，如以下所解释的。

在所描述的实施例中，氢出口产品管线28通过一个断开装置36导向一个金属氢化物腔室34。阳极电解液电池部分38拥有一个安全的低液位电开关40，低液位电开关40通过电管道42连接于电源18。

在操作方法中，由于氧释放是由调节器26加以控制和按所希望的压力加以设置的(通常最高达100psi，较佳的做法是令其约为60psi)，所以氧气在腔室11中积累。氢产品通过最初打开的出口30释出，同时腔室11中的氧压力积累，以导致液体阳极电解液液位从其最初的启动液位P₁下降到较低的操作液位P₂。相对应，阴极电解液液位以同等的幅度从启动液位Q₁上升到封闭液位Q₂，由此浮子32密封出口32。然而，就体积而言，由于在电池10中氢气的产生速度两倍于氧气的产生速度，所以氢压力积累到这样的一个值：迫使阴极电解液液位逐渐降低到导致浮标32部分地松开出口30的程度，并通过调节器26按预确定的压力值释放氢。因而，可按所希望的最小压力把氢源源不断地提供于金属氢化物生成单元34，或其它所希望的地方。

氧产品可以按通过阀26或阀20的压力输出。

风箱系统42、放气孔20、22以及低液位开关40(如果腔室11中的氧压力积累过高，低液位开关40切断与电池10连接的电源)提供了压力释放的安全特性。

于是，尽管符合本发明的电池10具有按所希望的最小压力提供氢和氧的能力，但跨整个电池隔膜的压力差是很低的。

现在参照图2中所述的可选的实施例。该实施例显示，实质上，电池10拥有并非凭借浮标装置32而是凭借实际的阳极电解液液位检测以及相关的控制装置的在一个阀控制器之下的氢产品管线28。

更详细地说，在该实施例中，电池10拥有一对阳极电解液液位传感器50、52，它们通过控制装置54可操作地连接在一起。控制装置54控制一个螺线阀56，定位成靠上的传感器50维持阀56的打开状态，直至腔室11中的氧压力的积累迫使阳极电解液液位下降到所希望的预先选择的液位“L”，在该液位，它激发传感器52和控制器54，控制器54驱动(override)传感器50以关闭阀56。氢压力的积累导致阳极电解液液位的一个逐步的上升取消对传感器52的激发，并与传感器50一致，这导致阀56按所希望的最小值打开和释放产品氢。如果液位压力差起伏不定，则可确保激发与取消激发的一个稳定状态，否则会按氧调节器26所设置的必需的最小压力连续地提供氢气。

图3A和图3B还描述了另外一些实施例。根据这些实施例，一个传感器和控制装置可以确定阳极电解液液位，用以控制氢输出管线的关闭和相继的打开。

图3A说明了一个螺线阀60的触发器方法。螺线阀60连接于光传感器62，其布置面当在氢压力和氧压力分别增加影响的情况下阴极电解液逐渐上升或下降时，确定光吸收的变化。阀60控制氢从腔室13的输出。

图3B说明了电池10的阴极电解液部分中的一个电探针70，探针70可操作地与阴极电解液液位接触，以触发阀60。

尽管这里所透露的内容描述和说明了本发明的某些推荐的实施例，但人们可以领悟到：本发明并不局限于这些具体的实施例。相反，本发明包括所有在功能上或结构上等价于这些具体实施例以及已描述过和已说明过的特性的实施例。

Claims (18)

1、一用于按所希望的最小压力从电解器中提供氢的方法，包括：

提供拥有阳极电解液液位的阳极电解液溶液；

提供拥有阴极电解液液位的阴极电解液溶液；

在上述的阳极电解液之上按氧压力生成氧；

在上述的阴极电解液之上按氢压力生成氢；

通过氢出口装置传送上述所生成的氢；

该方法包括：提升阳极电解液之上的氧压力，使上述的阴极电解液液位和上述的阳极电解液液位之间的一个液位压力差达到一个预先选定的值，以使上述的氢出口装置封闭，以及把氢压力随后增加到一个值，以使上述的氢出口装置开启，按上述所希望的最小压力提供氢。

2、如权利要求1所述的方法，该方法包括通过氧调节器装置防止氧从上述的电池释放。

3、如权利要求2所述的方法，该方法包括把氧压力提升到所希望的氧压力值。

4、如权利要求1所述的方法，该方法包括按上述所希望的最小压力把上述的氢馈送给一个金属氢化物生成装置。

5、如权利要求1所述的方法，该方法包括按上述所希望的最小压力把氢馈送给一个压缩机装置，以把上述的氢压缩到一个第二个所希望的最小压力。

6、如权利要求1～5中的任何一个权利要求所定义的一个方法，该方法还包括从上述的电解器中去除氧。

7、一种改进的电解器，用于按所希望的最小压力提供氢气，包括：

拥有阳极电解液液位的阳极电解液溶液；

拥有阴极电解液液位的阴极电解液溶液；

用于在上述的阳极电解液之上按氧压力生成氧的氧生成装置；

用于在上述的阴极电解液之上按氢压力生成氢的氢生成装置；

生成后的氢的出口装置；

这种改进包括氢出口关闭装置以及氧压力装置，氧压力装置用于提升阳极电解液之上的氧压力，以使上述的阴极电解液液位和上述的阳极电解液液位之间的一个正的液位压力差达到一个预先选定的值，以使上述的氢出口装置封闭，以及把氢压力相继增加到一个值，以使上述的氢出口装置开启，按上述所希望的最小压力通过该出口装置提供氢。

8、如权利要求7所述的电解器，其中上述的氧压力装置包括一个调节器阀装置。

9、如权利要求7所述的电解器，该电解器包括一个氢出口关闭装置。

10、如权利要求7或8所述的电解器，其中，上述的氢出口关闭装置包括液位检测装置和控制装置，以按上述预先选择的值提供上述的液位压力差，使上述的氢出口装置封闭，以及使氢压力相继增加到某一值，以控制上述氢出口装置的开启。

11、如权利要求10所述的电解器，其中，上述的氢出口关闭装置包括阳极电解液液位检测装置和控制装置，以按上述的预先选择的值提供上述的液位压力差，使上述的氢出口装置封闭，以及使氢压力相继增加到某一值，以控制上述氢出口装置的开启。

12、如权利要求9所述的电解器，其中，上述的氢出口关闭装置包括阴极电解液液位检测装置。

13、如权利要求12所述的电解器，其中，上述的氢出口关闭装置包括一个阴极电解液液位浮动封锁装置。

14、如权利要求12所述的电解器，其中，上述的阴极电解液液位检测装置包括光传感器，该光传感器布置于上述的阴极电解液之中或邻接在上述的阴极电解液之外。

15、如权利要求12所述的电解器，其中，上述的阴极电解液液位检测装置包括电接触检测装置。

16、如权利要求12～15中任何一个权利要求所定义的一个电解器，其中，上述的氢出口关闭装置还包括阀装置，以控制上述的氢出口的关闭和开启；并包括与上述的检测装置和阀装置进行通信的激发装置。

17、如权利要求10所述的电解器，其中，上述的阴极电解液液位检测和控制装置包括阳极电解液液位检测装置；

控制上述氢出口的关闭和开启的阀装置；以及

与上述的检测装置和上述的阀装置进行通信的激发装置。

18、如权利要求7～17中任何一个权利要求所定义的一个电解器，该电解器还包括一个氧出口装置。

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