用於生產氫和氧的裝置的製作方法
2023-06-13 15:30:56 2
專利名稱：用於生產氫和氧的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於生產高純度氫和氧的裝置(以下稱「HHOG」)。具體講，本發明涉及可以電解去離子水以便生產高純度的氫氣和氧氣並能夠在裝有電解池的缸中冷卻去離子水的HHOG。
背景技術：
如圖10所示，用於生產高純度氫和氧的高壓型裝置51(以下稱為「HHOG」)主要包括一個在其中裝有用於電解去離子水的池52(以下稱電解池)的用於產生氫和氧的缸53(以下稱去離子水缸)、一個用於將去離子水W供給去離子水缸53的去離子水供給缸54和一個用於從氫氣H2中除去水蒸汽的氫氣的氣一液分離缸55。圖中標號56指的是一個去離子水缸泵。在去離子水缸53中電解池52的內部，電解池52內部所存在的去離子水被電解，產生氫氣H2和氧氣O2。使所產生的氧氣O2直接通過去離子水缸53中的去離子水，而後通過氧氣排放管57收集。另一方面，不讓所產生的氫氣H2通過去離子水缸53中的去離子水。將氫氣H2由電解池52經過氧氣排放管58導入氫氣的氣—液分離缸55，在其中除去水蒸氣。而後收集氫氣H2。
上述電解池52呈塔狀，其結構示於圖11和圖12中。圖11示出組裝後的電解池52，而圖12示出組裝前的該電解池。電解池52包括一系列層疊起來的電解質隔膜單元。每個電解質隔膜單元在其兩側分別裝有電極板61和環形密封墊64。在電解質隔膜62的一側由上述隔膜61、62、64封閉的空間形成陽極室，而在電解質隔膜62的另一側由上述隔膜61、62、64封閉的空間形成陰極室。陽極室和陰極室分別帶有多孔導體64。除去電解池52的兩個端電極板之外每個電極板61都是雙極性電極板，這種電極板是具有在通電時呈現相反極性的相對表面的單個電極板。標號65表示一個保護板。標號66表示氫氣排放通道，而66a表示一個氫氣排放管道。標號67表示氧氣排放通道，而67a表示一個氧氣排放管道。標號68a和68b表示端板。圖中沒有示出去離子水供給通道，然而它的結構類似於氫氣排放通道66。
如圖11所示，以上所述這些部件在兩端板68a、68b之間用螺栓69夾緊，形成電解池52。
圖10中所示電解池52是水平安裝的(該電解池的中心軸實際上是呈水平的)，但是也有垂直安裝的電解池。
通常，處在上述去離子水缸中的去離子水的溫度會由於電解時產生熱而上升。從防止所述部件的熱老化和防止電解池熱老化的觀點來看這是不可取的。此外，去離子水溫度的上升會導致去離子水缸53中水蒸汽的增加，而這又會導致所生成的氧氣含水量的增加。結果，脫水負荷將增加。此外，去離子水缸53的高溫對於該裝置周圍的工人的工作也是不可取的。
所以，根據已有技術，在如圖10所示的高壓型HHOG的去離子水缸53中安裝了一個用於控制去離子水溫度升高的熱交換器59，以便冷卻去離子水。因此，必須使冷卻劑由去離子水缸53的外部通過熱交換器59循環。所以，將使冷卻劑通過的管道60a、60b從冷卻劑供給源(未加描述)裝到熱交換器59上，這些管道穿過去離子水缸53的殼壁。與熱交換器59的入口並排的管道60a帶有一個用於供給冷卻劑的泵60c。
通常的作法是將上述去離子水缸53的體積限制到剛好夠容納電解池52並含有用於電解的去離子水必要容積。這樣做的原因在於去離子水缸53的體積大於產生氫和氧所需要的體積會降低經濟效益。因此，必須減少熱交換器59的尺寸。此外，如果熱交換器59安裝在電解池52的上方，那麼從電解池所產生的氧氣的氣泡就會粘附在熱交換器的表面上，降低的熱交換的效率。因此，必須將熱交換器59安裝在電解池的一側，也就是說安裝在電解池52和去離子水缸53的壁的內表面之間的間隔中。
可以使用雙殼形去離子水缸，在這種去離子水缸中在去離子水缸的外周邊範圍內形成一個冷卻劑夾套。然而，當缸的內部壓力接近10kg/cm2時，雙殼型高壓缸的製造成本顯然較大，而且高壓缸需要較厚的缸壁，熱交換效率也將降低。
在如上所述的HHOG 51中，必須將熱交換器59安裝在去離子水缸53內部的電解池52的側邊，因此熱交換器59的尺寸受到限制，換句話講，為了將熱交換器59安裝在電解池52的一側，必須增加去離子水缸53的體積。此外，當將熱交換器59安裝在電解池52一側時，難以指望伴隨冷卻的去離子水的有效的自然對流。
發明內容
本發明可以用來解決上述問題並提供一種具有用於有效地冷卻去離子水缸中的去離子水的冷卻機構的HHOG。根據本發明，將一個熱交換器安裝在去離子水缸的外側。藉助於管線系統將熱交換器同去離子水缸連接起來，在該系統中不需要專門的泵，去離子水是利用通過一個環路的自然對流進行循環，所述環路包括具有一種熱發生源的去離子水缸和具有一種冷熱源的熱交換器。此外，由於熱交換器被安裝在去離子水缸外側，所以可以將去離子水缸做得更輕一些和更緊湊一些，並且可以根據運行條件和安裝條件選擇熱交換器的類型。
通過將電解池做成圓筒形，可以將熱交換器安裝在電解池的中心空腔中，這樣，去離子水缸的容積可以較小。此外，去離子水的自然對流進行得很有效，從而可以改善冷卻效率。
本發明的HHOG是一種用於生產氫和氧的具有包含一個電解池的去離子水缸的裝置，其特點是在去離子水缸的外側安裝了一個用於冷卻去離子水缸中的去離子水的熱交換器，熱交換器的入口連接到低於去離子水缸中的去離子水的液面以下的第一位置，熱交換器的出口連接到低於該缸中的第一位置的下面的第二位置上。
因此，去離子水由於在由熱交換器、去離子水缸以及用於連接該熱交換器和該去離子水缸的裝置(例如管線系統)構成的環路中的自然對流而產生自然循環。處在去離子水缸中的去離子水被加熱並上升，而處在熱交換器中的去離子水被冷卻而下降。因此，處在去離子水缸中的去離子水將由去離子水缸的第一位置流入熱交換器，而處在熱交換器中的去離子水將由水缸的第二位置流入去離子水缸。
如以上所說明的那樣，不需要泵使去離子水循環。由於循環的液體是粘度極低的去離子水，所以去離子水將產生令人滿意的自然循環。如果需要去離子水被動循環，那麼可以提供一個泵。例如，它可以是這樣一種HHOG，其特點是用於冷卻去離子水缸中去離子水的熱交換器被安裝在去離子水缸的外側，熱交換器的入口連接到低於缸中去離子水的液面的第一位置，而所提供的一管道系統是由熱交換器的出口到電解池並穿過用於為電解池供給冷卻的和去離子的水的缸的壁。
進一步講，由於熱交換器被安裝在缸的外側，所以可以將去離子水缸製作得比常規的缸更輕更緊湊。因此，可以降低生產成本並更容易運輸和安裝。此外，與已有技術相反，熱交換器的尺寸、結構、類型等不受缸的體積的限制。可以根據HHOG的運行條件、安裝有HHOG的工廠的設備、安裝場地等來選擇熱交換器類型的種類。熱交換器的類型不受限制，例如，主要使用板型熱交換器和具有各種管形狀的殼—管型熱交換器。
在上述熱交換器以可拆開的方式安裝在去離子水缸上的HHOG的情況下，熱交換器可以預先同連接缸的管線整體地安裝在缸上。因此，熱交換器和缸可以作為一個整體單元運輸，這將有利於降低成本。當安裝這種冷卻機構時，熱交換器和缸可以安裝成為一個整體單元，在安裝部位不需要用管線連接熱交換器和缸。這將有利於降低成本。此外，如果組裝是在製造商的工廠中完成的，可以在生產商的工廠中有效地進行過去在安裝現場業已進行過的各種試驗，例如洩漏試驗、壓力試驗和氣密試驗，這自然是可取的。
用於生產氫和氧的裝置裝備有本發明的圓狀電解池，該電解池是一個具有用一種作為電解隔膜的固體電解隔膜隔開並被放置在電極板之間的陽極室和陰極室；以及一個包括有所述電解池的去離子水缸。
其特點是上述陽極室和陰極室兩者被製成在它們的內圓周上和在它們的外圓周上與外部隔開的環形室並且整個電解池是在其中心具有一空腔的圓筒；和用於冷卻去離子水缸中的去離子水並設置在電解池的中心空腔內的熱交換器。
由於採用了以上結構，所以可以將熱交換器安裝在圓筒形電解池的中心空腔中，使去離子水缸結構更為緊湊。此外，被熱交換器冷卻的去離子水將在上述中心空腔內下降，而後通過電解池的外周邊和去離子水缸的壁的內表面之間的間隙上升。簡單地講，為去離子水的自然對流形成了一條非常有效的途徑。
在為上述圓筒形電解池的兩端配置環形端板並且將兩端板夾緊在一起，以便於在陽極室和陰極室的內周邊側和外周邊側利用多個夾緊器具將陽極室和陰極室的部件固定在兩端板之間時，在其外周邊側和內周邊側將形成電解池的若干限制部分。因此，電解池的剛性將得以加強，各種已知的裝置都可以用作上述夾緊裝置。在這些裝置中，螺栓和螺母是容易得到和安裝的，這樣就可以避免增加成本。
最好為上述圓筒形電解池配置環形電解隔膜、設置在隔膜兩側的環形多孔導體、設置在兩個多孔導體外側的環形電極板、設置在多孔導體外周邊側的外側密封件和設置在多孔導體內周邊側的內側密封件。因為電解池可以整體地形成緊湊形式。密封墊可以用作上述外側和內側密封器件。關於密封墊的材料，其主要成分為矽氧烷樹脂的材料是最為可取的，因為它們的密封作用非常好。
將以上所述的若干電解池層疊起來形成電解積木式組件是最為可取的，因為這樣的結構可以使去離子水缸緊湊並且這種結構可以產生大量氣體。
如上所述，當去離子水缸垂直安裝(去離子水缸安裝得使它的中心軸線實際上垂直)時，被熱交換器冷卻的去離子水將在電解池的中心空腔中下降，而被電解池加熱的去離子水將通過電解池的外周邊和去離子水缸的壁的內表面之間的間隙上升，這種自然對流可以有效地冷卻全部去離子水。在這種情況下，如果打開電解池外周邊上的氧氣排放通道，氧氣將在電解池外周邊側的去離子水中上升，所產生的被帶走的去離子水流將加速被加熱的去離子水的上升，這樣可以產生更有效的去離子水對流。更為可取的是圓筒形電解池中心空腔的中心軸線被設置得與去離子水缸的中心軸線一致。
較為可取的是使上述去離子水缸具有缸殼和缸蓋並以可拆開的方式將上述電解池安裝在缸蓋的內表面上，使得在上述缸蓋被裝缸殼上時電解池將處在缸殼的內部，因為這種設置將使得容易將電解池安裝在去離子水缸中。同樣，在去離子水缸中，最好以可拆開的方式將上述熱交換器安裝在缸蓋的內表面上，因為這將使得容易拆卸和安裝熱交換器。
應該注意，「圓筒形」這個詞指的不僅包括圓形筒形，還包括稜柱形筒形、卵形筒形、橢圓形筒形等。「環狀」(annnlar form)這個詞不僅指圓環狀，還指多邊形狀、卵形環狀、橢圓形環狀等等。此外，「環形」(ring-shaped)這個詞不僅指圓環形，而且還指多邊環形、卵形環形、橢圓環形等等。
圖1是根據本發明的HHOG的一個實施例的剖視圖。
圖2是根據本發明的HHOG的另一個實施例的局部正面視圖。
圖3是根據本發明的HHOG的另一個實施例的剖視圖。
圖4是根據本發明的HHOG的另一個實施例的剖視圖。
圖5是根據本發明的HHOG的另一個實施例的剖視圖。
圖6是根據本發明的HHOG中的圓筒形電解池的示意圖。
圖7是圖6的圓筒形電解池組裝前的剖視圖。
圖8是圖6的圓筒形電解池組裝後的剖視圖。
圖9是顯示其上應用了圖6的圓筒形電解池的去離子水缸的一個實施例的剖視圖。
圖10是具有常規的冷卻機構的HHOG的一個例子的示意圖。
圖11是組裝後常規電解池的一個例子的剖視圖。
圖12是在組裝前的圖11的常規的電解池的一個例子的剖視圖。
具體實施例方式
以下將參照附圖中所示的那些實施例來說明本發明。
在圖1中，1表示去離子水缸(以下稱「缸」)，電解池2安裝在缸1中的支架3上。用於導出所產生的氫氣的氫氣排放管4從電解池2中伸出，穿過缸1的壁上的貫穿部位通向一個氫氣的液—氣分離缸(未示出)。5表示用於導出氧氣O2的氧氣排放管。標號6表示去離子水供給管線。
標號7表示一個眾所周知的熱交換器。標號8表示將冷卻劑由冷卻劑供應源(未示出)供給熱交換器7的冷卻劑供給泵。冷水、氟利昂等用作冷卻劑。
作為待冷卻的去離子水的入口的熱交換器7的入口7a通過管9a同缸1的去離子水流出口10相連。作為去離子水的出口的熱交換器7的出口7b通過管9b同缸1的去離子水流入口11相連。管9a、9b以可拆卸的方式與法蘭(未示出)相連接。
在缸1中以上所述去離子水流出口10形成於去離子水流入口11之上，並且在HHOG運行過程中缸1中的去離子水的水位保持在去離子水出口10之上。如以下所要說明的那樣，必須利用自然循環冷卻去離子水。
由於採用了上述結構，缸1中的去離子水在受到電解池2或熱源加熱的時候在缸1中將上升，另一方面，在熱交換器中被冷卻的去離子水在熱交換器中將下沉。這種自然對流將在由缸1、熱交換器7和管9a、9b構成的環路中產生自然循環。
關於冷卻的去離子水的入口11在水平面上相對於作為熱源的電解池2的入口的位置，最好將它們置於水平面上相同位置或如圖1至圖5所示那樣使去離子水流入口11形成在電解池2之下，使得缸1中的去離子水的溫升可以得到有效的控制。理由是被冷卻的去離子水可以直接注入電解池2。
為了防止意外事故或防止以氣泡形式上升的生成的氧氣流入去離子水流出口10並進而流入熱交換器7中，可以如圖所示那樣，由去離子水流出口10的下側安裝用於防止氧氣流入的蓋12。蓋12在缸1的內部圍住去離子水流出口10的下部和側面。這種蓋的結構實際上是一個被垂直等分的半球。由於使用了具有這種結構的蓋12，去離子水向下流入蓋12之內再朝向去離子水流出口10。另一方面，氧氣泡由於靜浮力向上運動。因此，去離子水流不會夾帶氧氣泡。這樣，氧氣泡就不會流入熱交換器7。對蓋12的結構不作具體限制。只要蓋12的構造可以防止氧氣泡靠近去離子水出口10通過就是夠了。
圖2所示冷卻機構冷卻去離子水的原理與圖1所示冷卻機構相同，只是以上所述的熱交換器7是直接安裝在缸1上而形成一個整體單元。
在本實施例中，熱交換器7利用螺栓(未示出)以可拆卸的方式安裝在缸1的支架13上。管9a、9b以可拆卸的方式與法蘭(未示出)連接。
由於採用了以上所述結構，可以將缸1的支架用作熱交換器7的支架13，不必為熱交換器7安裝另外的支架。此外，還可以縮短管9a、9b的長度，進而還可以使該裝置更為緊湊。
根據本發明，缸和熱交換器整體化不限於使用支架這種方式。例如，如果熱交換器7重量輕，那麼它可以單獨利用上述管9a、9b支撐。
缸1是在高壓下使用，為了防止去離子水從缸1洩漏，最好減少缸1中安裝管開口的數量。根據這一觀點，在圖3所示的冷卻機構中，可以將用於引導去離子水由熱交換器7到缸1的管9b和去離子水供應管6彼此連接，以便使流向缸1的兩股去離子水流合在一起。此外，如果在熱交換器7和匯交點14之間的管上設置一個單向閥15，那麼圖1中所具有的兩管入口可以減為一個。由於採用了這種結構，可以減少管入口數量，進而改善密封性和安全性。進而，當利用供給泵(未示出)通過去離子水輸送管6供給去離子水時，可以將來自熱交換器7的被冷卻的去離子水壓入缸1。設置單向閥15可以防止冷卻後的去離子水流回熱交換器7。
在圖4所示的冷卻機構中，與圖3所示機構類似，用於將去離子水由熱交換器7導向缸1的管9b和去離子水輸送管6彼此連接。然而，圖4的冷卻機構不同於圖3的機構之處在於在熱交換器7和交會部分14之間的上述管9b上設置了泵16。由於採用了這種結構，管可以簡化，進而可以將被熱交換器7冷卻的去離子水壓入缸1。結果，缸1中的去離子水將受到攪拌，將使缸1中的冷卻效果增強。
在圖5所示的冷卻機構中，與圖4所示機構類似，用於將去離子水從熱交換器7導入缸1的管9b和去離子水輸送管6彼此相連，在熱交換器7和交會點14之間的上述管9b上設置泵16。然而，上述管9b不只與缸1相連而且還延伸到缸1中並直接連接到電解池2上並穿透缸1的壁。換句話講，這種結構使得可以將被冷卻的去離子水直接注入電解池2中的去離子水輸送線路(未示出)。
由於採用了這種結構，可以使管線簡化，此外還可以直接冷卻作為熱源的電解池2。結果，可以有效地防止電解池的部件，例如固體電解質隔膜和密封墊(未示出)的熱衰減。
應該注意直接將上述管9b與電解池相連的結構不限於圖5所示的冷卻機構，對於圖1、圖2、圖3和圖4所示的冷卻機構也是適用的。
以下，將從功能的角度通過將以上所述的冷卻機構的冷卻效率和常規冷卻機的冷卻效率加以比較來說明根據本發明的HHOG的冷卻機構。
一般說來，用於以上所述這些實施例的板型熱交換器的熱傳送係數α是從1000至3000kcal/m2/hr/℃(平均值定在2000kcal/m2/hr/℃)，用於已有技術的螺旋管型熱交換器的熱傳遞係數α是從200至1000kcal/m2/hr/℃(平均值定在500kcal/m2/hr/℃)。
另一方面，用於已有技術和實施例的發熱量Q是25800kcal/hr，該值是由600A電流和50V電壓計算出的。
關於冷卻條件，待冷卻的去離子水的冷卻溫度或者說溫度下降值Δt定為30℃，即從80℃下降至50℃。熱交換器中的冷卻劑的溫升Δt定為5℃，即從32℃升至37℃。
於是，本實施例(使用板型熱交換器)的熱交換器所需要的熱傳遞面積Aa由下式Aa＝Q/αa·Δtm＝25800kcal/hr÷2000kcal/m2/hr/℃÷28.7℃＝0.45m2給出。
另一方面，已有技術(使用螺旋管型熱交換器)的熱交換器所需的熱傳遞面積Ab由下式Ab＝Q/αb·Δtm＝25800kcal/hr÷500kcal/m2/hr/℃÷28.7℃＝1.8m2給出。
如上所示，本發明的熱交換器的熱傳遞面積是已有技術的熱交換器的熱傳遞面積的1/4，換句話講，可以使用小尺寸的(薄的)熱交換器。由於可以使用這樣的小尺寸的和薄的熱交換器，所以容易使熱交換器同缸1一體化。實現這樣的一種對熱交換器的類型和尺寸的自由選擇是利用了這樣一個事實，即與已有技術相反，不需要將熱交換器安裝在有限結構的空間中或缸的內表面和電解池之間的空間。此外，按照另外一種方式安裝熱交換器可以使用板型和尺寸類似已有技術的熱交換器明顯地改善冷卻效率。
如果假定以上所述的熱交換器的熱傳遞面積對於已有技術和本實施例是相同的，那麼必須將冷卻劑流速和已有技術的作為待冷卻目標的去離子水的流速定為本實施例4倍。這樣的一種假定是不現實的。
如到目前為止所作過的說明那樣，本發明的HHOG重量輕而且緊湊，並在冷卻效果方面獲得了明顯的改進。
接下去將在以下說明具有充分的去離子水冷卻機構的另一種類型的HHOG。如圖6至圖10所示那樣，藉助於改進所述HHOG的電解池大大地改善了水冷卻效果。
圖6至圖8中示出了圓筒形電解池21，而22a和22b表示極板。以下要說明的電解池21的部件藉助於緊固螺栓23被固定在極板之間。一系列螺栓23分別被緊固在圓筒形電解池21的外側的外周邊側面和外側的內圓周側面上。如圖8所示，「外側的內周邊」指的是電解池的內周邊的外側的中心空腔側。這樣，由於螺栓被設置在外周邊側和內周邊側上，所以電解池21的剛性大於常規電解池。此外，當夾緊螺栓的數量增加時，可以使用直徑較小的螺栓。
標號24表示圓環形電極板，而標號25表示圓環形固體電解質隔膜。標號26a和26b分別表示圓環形多孔導體。標號27表示圓環形端部密封墊，而標號28表示圓環形保護板。標號29表示氧氣排放路線，而數字29a表示氧氣排放管。數字30表示氫氣排放路線，而數字30a表示氫氣排放管。在圖中沒有示出去離子水輸送線路，但是它的結構類似於氫氣排放線路30。
電解池21由一系列疊放在一起的電解池單元構成。每個電解池單元都帶有利用電解質隔膜25隔離開的並且位於所述電極板24之間的陽極室和陰極室。彼此相鄰的電解池單元具有共用的作為雙極性電極板的單個電極板24。因此，彼此相鄰的電解池單元之間的每一個所述電極板24具有在通電時具有相反極性的相對表面。
陽極室和陰極室兩者被製作成在它們的內周邊和在它們的外周邊與帶有中間密封墊31的外側被隔絕環形部件。
所述中間密封墊31將陽極室26a或陰極室26b在內周邊側和外周邊側與外側隔絕。中間密封墊31包括兩個部件，電解池內周邊側上作為內側密封件的密封墊31i和電解池外周邊側上作為外側密封件的密封墊31o。剛性(positive)板28包括兩個部件，電解池內周邊側上的板28i和電解池外周邊側上的板28o。它們分別被設計成能構成圓環形陽極室26a和陰極室26b。陽極室和陰極室分別帶有所述的多孔導體26a、26b。上述氧氣排放路線29連接陽極室26a和氧氣管29a。氫氣排放路線30連接陰極室26b和氫氣管30a。
最好使用鈦型板作為所述電極板24的材料。因此，關於多孔導體26a、26b，常使用網格型鈦。
彎頭32被設置在上端板22a的頂部，與氧氣管29a相連。如以下所要說明的那樣，這將把在電解池21中產生的氧氣從電解池21的外周邊引導出來。螺紋接頭33被設置在下端板22b的底部，與氫氣管30a相連。如以下所要說明的那樣，這將連接氫氣排出管45，而管45把在電解池21中產生的氫氣從去離子水缸41中引導出來。
由於採用了以上所述結構，本發明的電解池21被製成在其中心具有空腔H的圓形筒。
在以上所述的實施例中，為圖6至圖8所示，已描述過具有兩個固體電解質隔膜的電解池。本發明不限於這一種類型的電解池，為了滿足所需要氧氣和氫氣的數量，可以使用任意數量的固體電解質隔膜。
圖9示出了在其中按兩級設置以上所述電解池的去離子水缸41。這種去離子水缸41是HHOG的首要部件。去離子水W被貯存在去離子水缸41中，去離子水W被吸入電解池21並被電解。標號42是用於將電解池21固定在去離子水缸41的底部。標號43是一個將兩個電解池21彼此相連的連接器。
在電解池中生成的氧氣從上述彎頭32中被排出進入電解池21的外周邊側中的去離子水中。而後氧氣被引導通過連接到去離子水缸41的頂部上的氧氣排放管44，被送入脫溼器(未示出)。在脫溼後被收集起來。
另一方面，在電解池21中產生的氫氣被引導通過連接到上述螺紋接頭上並穿過去離子水缸41的壁的氫氣排放管45，並被送入氣—液分離缸(未示出)。而後，氫氣被送入脫溼器(未示出)。在脫溼後收集氫氣。標號46表示連接有去離子水輸送管(未示出)的去離子水輸送口。
在電解池21中心的空腔H裡安裝的是一個管型熱交換器47。熱交換器47的一端連接到形成在去離子水缸壁上的冷卻劑入口48上，而其另一端連接到形成在去離子水缸壁上的冷卻劑出口49。用作冷卻劑的是冷水、氟裡昂等。
由於採用了以上結構，在去離子水缸41中，被熱交換器47冷卻的去離子水W通過處在電解池21中心處的空腔H下沉，而被電解池加熱的去離子水W部分地由於所生產氧氣的上浮在電解池21的外周邊側上升。這樣產生了有效的對流，從整體上改善了去離子水的冷卻效果。此外，與已有技術相反，這種熱交換器不安裝在電解池外側的環形間隙中，這樣，可以將去離子水缸製作得更為緊湊。
此外，儘管未加說明，去離子水缸可以由二部分構成，一個殼體和一個頂板，每部分都帶有一個法蘭，或者由三部分構成，一個殼體和二個頂板，每部分都帶有一個法蘭。這些部件可以製作得使它們可以通過法蘭連接一體化。按照這種方式，上述電解池和/或上述熱交換器47可以預先安裝在一個頂板的內表面上。由於採用了這種結構，可以使去離子水缸41的組裝和分解更為容易。
關於固體電解質隔膜，固體聚合物電解質適合於製成隔膜，例如固體聚合物電解質隔膜，在其中有多孔陽極和多孔陰極，每一種都是由貴金屬，部分是鉑系金屬製成，有利用化學鍍法固定到陽離子交換隔膜，例如用含有磺酸基的氟代烷烴製成的陽離子交換隔膜的反面上的，如NAFION117，這種陽離子交換隔膜可從DuPont deNemours，Inc，Wilmington，DE買到。在這種情況下，兩種電極最好都是用鉑制的。具體地講，當兩種電極都是具有鉑和銥兩層結構時，可以使用高電流密度，例如在80℃和200A/dm2的條件下進行長達4年的電解，而在其中電極同離子交換隔膜是物理接觸的常規固體電解質隔膜只在50℃和70A/dm2條件下電解。在這種情況下，除去以上所述的銥之外，還可以使用在其中加有兩種或兩種以上的鉑族金屬的多層結構的固體電解質隔膜。利用以上所述隔膜，可以在高電流密度下完成操作。
當本申請的固體電解質隔膜的結構使得可以利用化學鍍法將由一種多孔金屬或幾種多孔金屬構成的電極固定到固體聚合物電解質的反面上時，在固體聚合物電解質和其中任一電極之間不存在水。因此，既沒有溶液電阻，也沒有氣體電阻，並進而使得在固體聚合物電解質和每個電極之間的接觸電阻很低，電壓很低並且電流分布均勻。結果，可以使用很高的電流密度並在高溫高壓下電解水，這使得可以以較高的效率生產高純度的氫和氧。
也可以使用其他一些諸如陶瓷隔膜一類固體聚合物電解質隔膜代替所述的固體聚合物電解質隔膜。
在上述實施例中，是拿一個在其中按照二級安裝電解池的、用於生產高純度氫和氧的裝置作為例子來說明本發明的。本發明不限於這種裝置，可以應用於在其中電解池是按一級安裝的或是按三級或更多級安裝的裝置。
在本實施例中，作為例子的是使用垂直缸(缸的中心軸線實際上是垂直的)。然而，在本發明中缸不限於垂直式的，也可以使用水平式(缸的中心軸線實際上是水平的)缸。
由於使用了本發明的冷卻機構，可以在利用自然對流使去離子水循環的同時冷卻離子水。因此，不需要使用專門的裝置，其結構也簡單。當然，也可以安裝強制循環的裝置(例如泵)。此外，如果將熱交換器安裝在外面，缸可以製作得重量更輕、結構更緊湊。進而，這又降低了生產成本、運輸費用和安裝工作費用。可以根據工作條件和安裝條件自由選擇熱交換器的類型。進而這又提高了冷卻效果。
由於採用了本發明圓筒形電解池的HHOG，可以將熱交換器安裝在圓筒形電解池的中心空腔內，可以使去離子水缸製作得更為緊湊。此外，可以形成合適的線路使去離子水自然對流以便於有效地冷卻全部去離子水，在對流過程中，被熱交換器冷卻的去離子水在上述空腔中下沉，而被電解池的加熱的去離子水通過電解池的外周邊和去離子水缸的壁的內表面之間的間隙上升。
此外，由於電解池的外周邊側和內周邊側都受到夾持和壓緊，所以該電解池的剛性相對於常規的電解池得到了改進。
權利要求
1.一種用於生產氫和氧的裝置帶有具有被電解質隔膜隔開的並位於電極板之間的陽極室和陰極室的電解池；及包含有所述電解池的去離子水缸；其特徵在於，所述陽極室和陰極室兩者都製作成它們的內周邊上和在它們的外周邊上與外部隔絕的環形部件，這樣整個電解池在其中心具有一個空腔的圓筒形；和被安裝在電解池的中心腔中，用於冷卻去離子水缸中的去離子水的熱交換器。
2.根據權利要求1所述的用於生產氫和氧的裝置，其中在於所述圓筒形電解池包括位於其兩端的環形端板和一系列位於其內周邊側和其外周邊側的陽極室和陰極室外面的夾緊裝置，在其中兩端板藉助於所述夾緊裝置將所述陽極室和所述陰極室的部件夾在它們之間。
3.根據權利要求1所述的用於生產氫和氧的裝置，其中所述圓筒形電解池包括環形電解質隔膜、設置在所述隔膜兩側的環形多孔導體、設置在兩個多孔導體外側的環形電極板、設置在所述多孔導體的外周邊側的外側密封件和設置在所述多孔導體的內周邊側的內側密封件。
4.根據權利要求1所述的用於生產氫和氧的裝置，包括一系列層疊在一起的所述圓筒形電解池。
5.根據權利要求1所述的用於生產氫和氧的裝置，其中形成用於排放所產生的氧氣的線路，以便連接陽極室和圓筒狀電解池的外周邊側上的氧氣排放口。
6.根據權利要求1所述的用於生產氫和氧的裝置，其中所述圓筒形電解池中心腔的中心軸線被設置成與去離子水缸的中心軸線一致。
7.根據權利要求1所述的用於生產氫和氧的裝置，其中去離子水缸由缸殼體和缸蓋構成，圓筒形電解池以可拆卸的方式安裝在缸蓋的內側，並且圓筒形電解池被安裝得在缸蓋裝配在去離子水缸殼體上時圓筒形電解池將在缸殼體的內部。
8.根據權利要求1所述的用於生產氫和氧的裝置，其中去離子水缸由缸殼體和缸蓋構成，熱交換器以可拆卸的方式安裝在水缸蓋的內側，熱交換器被安裝得在水缸蓋裝配在缸殼體上時熱交換器將在缸殼體的內部。
全文摘要
本發明的任務是獲得用於生產氫和氧裝置的冷卻機構的簡單結構和使得可以自由選擇熱交換器的類型而不必受任何限制，以便改善熱交換器的冷卻效率。用於冷卻包括有電解池2的去離子水缸1中的去離子水的熱交換器7被安裝在缸1的外部，利用管9a將熱交換器7的入口7a與低於缸1中去離子水液面的去離子水流出口10相連接，利用管9b將熱交換器7的出口7b與處在缸1的所述去離子水流出口10的正下方的去離子水流入口11相連接。
文檔編號C25B9/08GK1519393SQ20041000297
公開日2004年8月11日 申請日期1997年5月6日 優先權日1996年5月8日
發明者平井清司, 安井信一, 小林宏子, 森岡輝行, 三宅明子, 原田宙幸, 一, 子, 幸, 行 申請人:株式會社神鋼環境舒立淨