電解水氫氣發生器的製作方法
2023-04-27 05:21:11
專利名稱：電解水氫氣發生器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種提供高純度氫氣的高效電解水氫氣發生器。
在工業生產中應用最多的電解水制氫裝置是以石棉布作為隔膜分隔氫氧兩氣室，它要求氫氧兩氣室的工作壓力相平衡，把壓差控制在幾百個毫米水柱之內 但由於石棉布的孔隙率較大，兩氣室中的氣體容易相互串漏，造成所產生的氣體質量差，氫氣純度只有98％。儘管有些制氫裝置採用先進的壓差控制方式，氫氣純度提高到99.7％，但仍滿足不了一些用戶使用高純度氫氣的要求。同時由於受石棉膜厚度極其不耐電流衝擊的影響，其運行電流密度只有1500-2100A/m2，不僅電解效率低、體積龐大，而且還帶來主機和輔機效率低的缺點目前較先進的技術(JAPPLELectrochem18(1988)1-4)是採用離子交換膜或特種膜，並採用孔徑不一致的兩種穿孔板為電極，以組成零極距，可部分解決間距的問題，一定程度地降低了能耗。但該裝置需要嚴格控制條件，操作不方便，同時這種裝置仍然沒有解決共用管道電解的問題。因此，使用該技術所提供的氣體純度不高。此外，這種裝置也因造價高，很難在工業生產中採用。
現在工業生產中的電解水制氫裝置採用的電解液循環方式為雙循環，即氫、氧氣室都有電解液循環，液路系統比較複雜，給控制和維護帶來不便。而且都沒有電解液流量控制元件，不能隨時監測電解液的流量，當電解液流量不夠或零流量時，帶來以下缺點電解所產生的熱量不能由電解液及時帶走，易造成電解槽溫度過高；電極表面的電解液濃度過高使槽電壓升高，同時電解效率下降；在壓力控制方面，壓力平衡式電解水制氫裝置大多採用氣動或電動薄膜閥，控制線路複雜成本高、故障率高。
本發明的目的在於克服以上技術不足，提供一種自控能力強的高效電解水氫氣發生器，與目前工業生產中所應用的水電解制氫裝置相比，具有以下優點1、純度高可產生高純度氫氣(氣體純度99.99％)；2、含水量低含水量≤1.7g/m3H2；3、結構簡單即單腔電解液循環；4、安全性高微孔膜的高阻氣性決定了裝置的安全性；5、體積小、重量輕高電流密度是本裝置體積小、重量輕的有效保證。
為達到上述目的，本發明液路裝置中的電解槽選用微孔膜(平均孔徑50-100nm)作氣室的隔膜，在微孔膜兩側緊密貼合兩塊穿孔板作為主電極，穿孔板與作為輔助電極的分隔板之間加入可透液彈性導電支撐形成硬支撐結構。同時改進傳統水電解槽的共用管道結構，用絕緣材料製成共用管道內襯環及支通道內襯管或用絕緣材料製成帶共用孔道的邊框，構成電絕緣的共用管道及支通道，這樣兩氣室間可在壓差(0.4MPa)下穩定工作，既解決兩氣室氣體相互串漏問題，又防止了共用管道電解現象的發生，使氣體質量得到提高。同時主電極穿孔板與微孔膜的緊密貼合，消除液相壓降形成零極距，降低了直流電耗。
由於本發明採用微孔膜分隔氫、氧氣室，並把穿孔板與其緊密貼合，以及透液彈性導電支撐的硬支撐結構，使本裝置可採用單循環的電解液循環方式，即氧氣室有電解液循環而氫氣室無電解液循環。由於氫氣室壓力高於氧氣室壓力，在氧氣室循環的電解液不透過微孔膜到達氫氣室，簡化了結構又降低了氫氣的含水量(氫氣的含水量≤1.7g/m3H2)為保證裝能夠高效、穩定的運行，本裝置設有監控電解液流量的流量開關，來保證裝置運行的最小流量，在電解液流量正常時，電解液動壓頭使其內部帶有磁鐵的浮子浮起，在磁鐵磁力的作用下，幹簧管內部的觸點斷開給出流量正常信號；當由於某種原因使電解液流量低於最小流量時，由於距離的原因，磁力作用不到幹簧管上，觸點吸合，給出一個報警停機信號。
本裝置採用壓差調節器來控制氫、氧兩種氣體的壓力差，壓差調節器分為運行壓差調節器和關閉壓差調節器，由三個室組成，上部為控制氣室，下部為輸出氣室，中間室與上下氣室通過密封橡皮膜片隔絕，在中間室內設有一傳遞塊來連接上下氣室。通過兩個調節器對氧氣、氫氣的放空來控制氧氣和氫氣壓力差，當氫、氧壓差低於設定值時，運行壓差調節器動作，放空多餘的氧氣來提高氫、氧壓差；當氫、氧壓差高於設定值時，關閉壓差調節器動作，放空多餘的氫氣來降低氫、氧壓差，從而達到控制壓差的目的，使電解槽內氫氣室的壓力始終高於氧氣室壓力0.15-0.2MPa。
下面結合附圖以實施例進一步詳細說明。
圖1為本發明的結構簡圖。
圖2為本發明的電解槽單元結構示意圖。
圖3為本發明的流量開關原理圖。
圖4為本發明的運行壓差調節器原理圖。
圖5為本發明的關閉壓差調節器原理圖。
圖6為本發明的電氣工作原理圖。
圖7為本發明的電路圖。
圖中，1—上水泵；2—逆止閥；3—鹼罐；4—鹼液循環泵；5—流量開關；5-1—幹簧管；5-2—橫管；5-3—浮子；5-4—圓管；5-5—調整螺母；5-6—鎖定螺母；6—過濾器；7—電解槽；7-1—共用管道絕緣環；7-2—共用管道；7-3—支通道絕緣管；7-4—支通道；7-5—雙極性分隔板；7-6—透液彈性導電支撐；7-7—穿孔板；7-8—微孔膜；7-9—氫氣室；7-10—氧氣室；8—氧冷凝器；9—氫冷凝器；10—阻氣透液器；11—運行壓差調節器；11-1—出氣口；11-2—彈簧；11-3—輸出氣室；11-4—閥體；11-5—橡皮膜；11-5—橡皮膜；11-6—上蓋；11-7—控制氣室；11-8—彈簧；11-9—進氣口；12—關閉壓差調節器；12-1—出氣口；12-2—輸出氣室；12-3—閥體；12-4—橡皮膜；12-5—傳遞塊；12-6—上蓋；12-7—控制氣室；12-8—彈簧；12-9—進氣口；13—氫氣輸出背壓閥；14—安全閥；15—氫觸點壓力表；16—氧壓力表；17—氧壓力傳感器；18—氫壓力傳感器；19—氧中氫檢測儀；20—溫度傳感器；21—電解控制電源；22—氫中氧檢測儀電解水氫氣發生器由液路裝置、氣路裝置組成，液路裝置由上水泵1接逆止閥2連接鹼罐3接循環泵4接流量開關5接過濾器6接電解槽7至鹼罐3；氣路裝置由氫路結構、氧路結構組成，其中氫路結構由氫氣冷凝器9連接運行壓差調節器11、關閉壓差調節器12、背壓閥13、安全閥14、氫壓力表15、氫壓力傳感器18、氫中氧檢測儀22、氫吹掃閥組成；氧路結構由氧氣冷凝器8連接運行壓差調節器11、關閉壓差調節器12、氧壓力表16、氧壓力傳感器17、氧中氫檢測儀19、氧輸出閥組成。
液路裝置中的電解槽7，以微孔膜7-8及與其緊密貼合的穿孔板7-7分隔為氫氣室7-9、氧氣室7-10兩氣室，其特徵在於兩穿孔板7-7通過可透液的彈性導電支撐7-6分別與雙極性分隔板7-5相連，雙級性分隔板7-6的支通道7-4內壁鑲嵌絕緣管7-3。氣路裝置中的運行壓差調器11，在閥體11-4內設有傳遞塊11-8連接雙層膜片11-5分隔為控制氣室11-8和輸出氣室11-3，控制氣室11-8設有控制氣進口11-6，輸出氣室11-3內安裝調壓彈簧11-2，在輸出氣室設有進氣口11-10、出氣口11-1。氣路裝置中的關閉壓差調節器12，在閥體12-3內設有傳遞塊12-5連接雙層膜片12-4分隔為控制氣室12-8和輸出氣室12-2，兩氣室內安裝調壓彈簧12-9，在控制氣室12-8設有控制進氣口12-10，在輸出氣室12-2設有進氣口12-10、出氣口12-1。液路裝置中的流量開關5，在不鏽鋼圓管5-4內裝有鈦制帶有磁鐵的浮子5-3，上部有一內置幹簧管5-1的不鏽鋼橫管5-2，下部設有調整螺母5-5和鎖定螺母5-6。
電解水氫氣發生器電源裝置調節器由兩級比例放大器組成放大電路、壓力保護電路、截流電路、和過流保護電路作用到放大器相關部分控制脈衝，還包括溫度控制電路、產氣量跟蹤電路、切換電路和軟啟動電路，切換電路的輸出點作用於放大器的輸入端，溫度控制電路和產氣量跟蹤電路與切換電路的輸入端相連，軟啟動電路組成各單元電路的控制電源。
電解水氫氣發生器電源裝置的溫度控制電路由零基極場效應管V202、V203的柵極分別和二極體VD211、VD213連接，而二極體VD211、VD213受控於溫度切換電路，零基極場效應管V202的源極通過電阻R207、電位器RP202和溫度信號相連，零基極場效應管V202的漏極接兩級放大電路使槽電壓輸出信號受控於溫度信號，零基極場效應管V203的源極通過電阻R220接調整電位器RP205，零基極場效應管V203的漏極接兩極放大電路，使槽電壓輸出信號受控於電位器RP205的整定值。
電源裝置的產氣量跟蹤電路由放大器A221第六腳通過電阻R219，接電位器RP207，RP207另兩個接頭分別通過電阻R226，R229接-15V和壓力信號。
電源裝置的軟啟動電路由三極體V205集電極接集成穩壓塊7812第二腳，射極接地，基極通過電阻R201接集成穩壓塊7812第三腳，基極接電容C201。
控制系統工作原理闡述如下a.流過電槽的直流電流Ifz，當電槽溫度在50℃以下時，隨電槽溫度的升高而逐漸加大，當電槽溫度在50℃以上時，電流Ifz≤300A。電路的結構如下零基極場效應管V202和V203受控於溫度切換電路，當電槽溫度在50℃以下時，零基極場效應管V202導通，零基極場效應管V203截止。此時，來自檢測單元的溫度電信號經電阻R242、電位器RP202、電阻R207、零基極場效應管V202作用到兩極放大電路，輸出信號隨溫度信號的增大而增大，而輸出信號是移相角觸發單元的輸入信號，即輸出信號增大，導通角前移，整流輸出電壓增加，即增加輸出電流。當電槽溫度升到50℃以上時，零基極場效應管V202截止，零基極場效應管V203導通，電位器RP205中點電壓經R220、零基極場效應管V203直接加到兩級放大電路，使輸出信號受控於電位器RP205，此時為額定輸出。
b.當用戶使用氫氣量減少時，槽電流Ifz相應減少。當用戶用氣量大時，電解槽電流相應增大。當用戶不用氫氣時，電解槽電流變為0，發生器不產生氫氣。這部分電路的結構如下當用戶用氫氣量多時，壓力信號減少，當用戶用氫氣量少時，該信號變為最大(5V)。壓力信號與調節器工作電壓-15V疊加後加在放大器A221的輸入端，當系統壓力在0.95MPa以下時，放大器A221的輸出為正值，放大器A222為射隨器，由於二極體VD216的作用，其輸出的正信號值對輸出無影響。當系統壓力＞0.95MPa時，放大器A222輸出為負值，與電位器RP205的正電壓疊加，減少輸出，從而減少了槽電壓，即減少了槽電流Ifz。當用戶不用氣時，系統壓力升高至1.0MPa時，放大器A222輸出的負電壓完全抵消了電位器RP205上的正電壓，使系統電流為零。
C、整機的軟啟動電路結構如下集成穩壓塊7812與三極體V205、電阻R201、電容C201組成恆流源電路，使電容C201上的電位隨時間的增加而增加，其變化為線性升高，時間為20秒。其輸出電壓為電容C201的正極，電容C201和地接在主接觸器的常閉接點上，關機時電容C201通過主接觸器的常閉接點和地相接，保證了電容C201正極為地電位。當主接觸器吸合時，電容C201正極經20秒時間從零伏上升到12V，從而實現了整機的軟啟動過程。
電解水氫氣發生器工作過程電解過程所消耗的去離子水由上水泵1，根據鹼罐3中浮子液位計所給出的電信號定時補充，逆止閥2阻止了加進鹼罐3的去離子水的回流。在鹼罐3中包括有浮子液位計和冷卻盤管，浮子液位計把液位信號轉換成電信號，冷卻盤管對鹼罐中電解液進行冷卻，保證了裝置運行的額定溫度。鹼液循環泵4把電解液從鹼罐3吸出，經過濾器6濾除直徑大於0.1mm雜質顆粒後輸送到電解槽7的氧氣室7-10，電解液在氧氣室7-10裡便浸潤到微孔膜7-8的兩側，在貼和在微孔膜7-8兩側的穿孔板7-7表面分別生成氧氣和氫氣。生成的氫氣被輸送到氫氣氣路；生成的氧氣與電解液一起流過透液彈性導電支撐7-6，經過支通道7-4匯集到共用管道7-2流回鹼罐3，並在鹼罐3中完成氣液分離，分離出來的氧氣被輸送到氧氣氣路。在氧氣氣路中氧氣首先流經氧冷凝器8，在這裡氧氣所夾帶的水蒸汽被冷凝為水流回鹼罐3，冷凝後的氧氣進入氧氣總管路，從這裡分一支路到運行壓差調節器11的輸出氣室11-3，通過放空來保持與氫氣氣路的壓差；又一路接關閉壓差調節器12的控制氣室12-8控制氫氣的放空；又一路接氧壓力表16來顯示氧氣壓力；又一路接氧壓力傳感器17來傳送氧氣的壓力信號到電解控制電源21；又一路接氧中氫檢測儀19，在那裡隨時檢測氧氣中的氫氣含量，當氧氣中的氫氣含量超過設定值時給出報警信號；最後氧氣從氧輸出閥輸出。在氫氣氣路裡，氫氣首先被輸送到氫冷凝器9，在那裡氫氣所夾帶的水蒸氣被冷凝成為水經阻氣透液器10流回鹼罐，冷凝後的氫氣進入氫氣總管路，從這裡分一路到運行壓差調節器11的控制氣室11-18，控制氧氣的輸出；又一路接關閉壓差調節器12的輸出氣室12-2，通過放空來維持與氧氣氣路的壓力差；又一路接安全閥14，氫氣超壓時進行安全放空；又一路接氫觸點壓力表15來顯示氫氣壓力；又一路接氫壓力傳感器18傳送氫氣的壓力信號到電解控制電源21；又一路接氫中氧檢測儀22，在那裡隨時檢測氫氣中的氧氣含量，當氫氣中的氧氣含量超過設定值時給出報警信號；又一路接氫吹掃入口，在裝置運行前對裝置的氫氣路進行氣體置換；又一路接背壓閥13來保持氫氣的最小壓力，最後由氫輸出閥輸出。氫氣路與運行壓差調節器11的控制氣室11-8、關閉壓差調節器12的輸出氣室12-2相連，氧氣路與運行壓差調節器11的輸出氣室11-3、關閉壓差調節器12的控制氣室12-8相連。當氫、氧壓差低於設定值時，運行壓差調節器11動作，放空多餘的氧氣來提高氫、氧壓差。當氫、氧壓差高於設定值時，關閉壓差調節器12動作，放空多餘的氫氣來降低氫、氧壓差，從而達到控制壓差的目的，使電槽內氫氣室的壓力始終高於氧氣室壓力0.15～0.2MPa。
本發明提供一種自控能力強的高效純氫發生器，具有產氫純度高、含水量低、體積小、重量輕、自動化程度高、安全性高等特點，可不加純化和脫水直接使用，減少投資。可製成常壓、中壓系列發生器，規格1-10m3/h、30m3/h、60m3/h等，適用於電子、治金、電力、輕工、食品、醫藥、建材及精細化工等行業，為傳統電解水制氫設備的換代產品。
權利要求
1.一種由液路裝置、氣路裝置組成的電解水氫氣發生器，其特徵在於1)液路裝置由上水泵1接逆止閥2連接鹼罐3接循環泵4接流量開關5接過濾器6接電解槽7至鹼罐3；2)氣路裝置由氫路結構、氧路結構組成，其中氫路結構由氫氣冷凝器9連接運行壓差調節器11、關閉壓差調節器12、背壓閥13、安全閥14、氫壓力表15、氫壓力傳感器18、氫中氧檢測儀22、氫吹掃閥組成；氧路結構由氧氣冷凝器8連接運行壓差調節器11、關閉壓差調節器12、氧壓力表16、氧壓力傳感器17、氧中氫檢測儀19、氧輸出閥組成。
2.一種電解水氫氣發生器電源裝置調節器由兩級比例放大器組成放大電路、壓力保護電路、截流電路、和過流保護電路作用到放大器相關部分控制脈衝，其特徵在於還包括溫度控制電路、產氣量跟蹤電路、切換電路和軟啟動電路，切換電路的輸出點作用於放大器的輸入端，溫度控制電路和產氣量跟蹤電路的輸入端相連，軟啟動電路組成各單元電路的控制電源。
3.根據權利要求1所述電解水氫氣發生器液路裝置中的電解槽7，以微孔膜7-8及與其緊密貼合的穿孔板7-7分隔為氫氣室7-9、氧氣室7-10兩氣室，其特徵在於兩穿孔板7-7通過可透液的彈性導電支撐7-6分別與雙極性分隔板7-5相連，雙級性分隔板7-5的支通道7-4內壁鑲嵌絕緣管7-3。
4.根據權利要求1所述的電解水氫氣發生器，其特徵在於氣路裝置中的運行壓差調器11，在閥體11-4內設有傳遞塊11-8連接雙層膜片11-5分隔為控制氣室11-8和輸出氣室11-3，控制氣室11-8設有控制氣進口11-6，輸出氣室11-3內安裝調壓彈簧11-2，在輸出氣室設有進氣口11-10、出氣口11-1。
5.根據權利要求1所述的電解水氫氣發生器，其特徵在於氣路裝置中的關閉壓差調節器12，在閥體12-3內設有傳遞塊12-5連接雙層膜片12-4分隔為控制氣室12-8和輸出氣室12-2，兩氣室內安裝調壓彈簧12-9，在控制氣室12-8設有控制進氣口12-10，在輸出氣室12-2設有進氣口12-10、出氣口12-1。
6.根據權利要求1所述的電解水氫氣發生器，其特徵在於液路裝置中的流量開關5，在不鏽鋼圓管5-4內裝有鈦制帶有磁鐵的浮子5-3，上部有一內置幹簧管5-1的不鏽鋼橫管5-2，下部設有調整螺母5-5和鎖定螺母5-6。
7.根據權利要求2所述的電解水氫氣發生器，其特徵在於電源裝置的溫度控制電路由零基極場效應管V202、V203的柵極分別和二極體VD211、VD213連接，而二極體VD211、VD213受控於溫度切換電路，零基極場效應管V202的源極通過電阻R207、電位器RP202和溫度信號相連，零基極場效應管V202的漏極接兩級放大電路使槽電壓輸出信號受控於溫度信號，零基極場效應管V203的源極通過電阻R220接調整電位器RP205，零基極場效應管V203的漏極接兩極放大電路，使槽電壓輸出信號受控於電位器RP205的整定值。
8.根據權利要求2所述的電解水氫氣發生器，其特徵在於電源裝置的產氣量跟蹤電路由放大器A221第六腳通過電阻R219，接電位器RP207，RP207另兩個接頭分別通過電阻R226，R229接-15V和壓力信號。
9.根據權利要求2所述的電解水氫氣發生器，其特徵在於電源裝置的軟啟動電路由三極體V205集電極接集成穩壓塊7812第二腳，射極接地，基極通過電阻R201接集成穩壓塊7812第三腳，基極接電容C201。
全文摘要
本發明公開了一種電解水氫氣發生器技術,液路裝置由上水泵接逆止閥、連接鹼罐、接循環泵、接流量開關、接過濾器、接電解槽;氣路裝置的氫路結構由氫氣冷凝器連接運行壓差調節器、關閉壓差調節器、背壓閥、安全閥、氫壓力表、氫壓力傳感器、氫中氧檢測儀、氫吹掃閥組成;氧路結構由氧氣冷凝器連接運行壓差調節器、關閉壓差調節器、氧壓力表、氧壓力傳感器、氧中氫檢測儀、氧輸出閥組成。產氫純度99.99%,含水量為≤1.7g.m
文檔編號C25B1/10GK1258762SQ98121140
公開日2000年7月5日 申請日期1998年12月25日 優先權日1998年12月25日
發明者王可新, 陳迎大, 吳顏明, 李尚華, 吳建軍, 李世宏 申請人:阜新化工設備有限責任公司