氫氣發生器的製造方法
2023-12-11 07:25:02 3
氫氣發生器的製造方法
【專利摘要】一種氫氣發生器，包括氫氣發生裝置及控制器部分，控制器包括：分別與整流電路、開關電源的輸入端相連接的三相電，整流電路與開關電源的輸出端分別與直流開關電路及智能程序控制單元輸入端相連，智能程序控制單元的輸出端通過直流開關電路與氫氣發生裝置相連，氫氣發生裝置上所設置的電流信號、溫度信號、壓力信號與智能程序控制單元連；所述氫氣發生裝置包括由電解槽和冷卻系統組成，該電解槽的兩側分別設置有換熱器，在換熱器上設有循環冷卻水的進出口，該進出口通過管線及水泵與冷卻系統成循環冷卻系統，在靠近電解槽的換熱器上部設有氫氧氣體出口。本發明是將電解槽與冷卻系統有機的結合在一起，在電氣控制方面改變了普通直流電源供電方式。
【專利說明】氫氣發生器
【技術領域】
[0001]本發明涉及新能源開發的【技術領域】，具體地說是通過用水為原料高效製造氫氣的電解槽與電子脈衝控制技術的氫氣發生器。其目的是為尋求經濟有效的，可以實現工業化生產提供根本性解決方案。
【背景技術】
[0002]能源作為世界的經濟命脈，社會發展的動力，受到了各國的高度重視。氫氣作為一種清潔、高效、和資源豐富的新能源已漸為世人所共識。氫能源具有的以下優點必將成為人類的終極能源之一。
[0003]1.清潔。氫 氣燃燒過程中只產生水對環境沒有任何汙染，實現真正的「零排放」。
[0004]2.貯能高。燃燒I克氫可以放出14萬焦耳的熱量，約為燃燒I克汽油放熱的3倍。
[0005]3.使用效率高。採用催化燃燒氫氣產生的熱，比常規化石燃料的熱效率高10 —15% ;用於內燃機產生動力，比汽油效率高15 - 25%。
[0006]4.來源豐富。佔地球表面71%的水中含有大量的氫，資源非常豐富。
[0007]5.用途廣泛。用氫氣代替煤和石油，不需對現有的技術裝備作重大的改造，現在的內燃機稍加改裝即可使用。替代乙炔氣和氧氣做金屬焊接、切割處理，其效率高3倍以上。還可用於燃料電池，或轉換成固態氫用作備用可移動能源。總之，做為新能源，可以替代一切動力能源燃料。
[0008]儘管氫是自然界最豐富的元素之一，但是天然的氫在地面上卻很少有，所以只能依靠人工製取。但是作為能源使用，特別是普通的民用燃料，首先要求產氫氣量大、安全可靠性高，並要求能夠長時間的穩定運行。同時要求造價較低，即經濟上具有可行性，這是今後制氫技術的基本標準。就長遠和宏觀而言，氫氣的主要來源是水，以水裂解制氫應是當代新技術的主攻方向。
[0009]目前以水裂解制氫氣是普遍採用的方法。因為在電解水時的離子交換過程要放出極大的熱量；在制氫氣過程中的散熱問題是多少年來難以解決的課題。如果不妥善解決制氫設備的散熱問題就很難使制氫設備持久工作運行。其電解槽的設計至關重要。
[0010]眾所周知，電解水制氫技術自古有之。其原理在中學教科書裡都有。水是由氫氧元素組成的，化學名稱為h20。它由二個氫原子和一個氧原子組成。在「特定條件」下，對水溶液通電，可以將水分解成為氫氣和氧氣，如下式所示:
通電
2H20 ------> 2H2+0
即兩個水分子可以分解成為2個氫原子和一個氧原子。通常的電解水裂解制氫方法採用的都是不同形式的極板式電解槽。在使用時，直流電施加於電解槽兩端，電解槽內的水分子在電場作用下由雜亂無章的狀態轉變成有序的狀態，其中氫原子總是對應陰極板，氧原子總是對著陽極板，氫氧化學鍵在電場作用下被強制打破，形成化學陰陽離子，陰陽離子沿各自方向移動，分別在陽極形成氧氣，在陰極形成氫氣。這是常規的工作原理。依據這個原理先人做出了很多形式的電解槽，然而都擺脫不了電解槽離子交換過程中產生極大熱量的困惑。電解槽溫度不能超過55°C ;否則產生的不是氫氣而是水蒸氣。
【發明內容】
[0011]本發明的目的是提供一種通過用水為原料高效製造氫氣的電解槽與電子脈衝控制技術的氫氣發生器。
[0012]本發明目的是通過如下技術方案來實現的:它包括有氫氣發生裝置以及氫氣發生裝置的控制器部分，其特徵是:所述氫氣發生裝置的控制器部分包括:分別與整流電路、開關電源的輸入端相連接的三相或單相交流電源，整流電路與開關電源的輸出端分別與直流開關電路及智能程序控制單元輸入端相連接，智能程序控制單元的輸出端通過直流開關電路與氫氣發生裝置相連接，氫氣發生裝置上所設置的電流信號、溫度信號、壓力信號與智能程序控制單元連接，與預置當量數進行閉環返饋控制；所述氫氣發生裝置包括由電解槽和冷卻系統組成，該電解槽的兩側分別設置有換熱器，在換熱器上設有循環冷卻水的進出口，該進出口通過管線及水泵與冷卻系統行成密閉的循環冷卻系統，在靠近電解槽的換熱器上部設有氧氣和氫氣出口，在該電解槽上還設置有電流信號、溫度信號及壓力信號傳感器及顯示器或報警器。
[0013]在電解槽與其中一側的換熱器之間還設置有一電離氣體導流板，在電離氣體導流板上均布有氣體通孔。
[0014]所述直流開關電路的輸出端與電解槽輸入端相接，所述的電流信號、溫度信號及壓力信號的輸出端與智能程序控制單元輸入端相接。
[0015]本發明還包括在換熱器的下部還設置有除雜閥門。
[0016]本發明採用的是脈衝技術和智能計算機定量控制技術。電解槽與冷卻系統有機的結合在一起的設計無疑能夠將氫氣發生器的水裂解電極特性充分的發揮工作效率，並且始終處於活化狀態。矢量脈衝的智能計算機定量供電控制方式，使氫氣發生器的工作效率倍增。實踐證明該技術的效率是其它同類裝置產氣量的二倍以上。本發明特別採用電解水裂解制氫的方法改變了電解槽的設計。解決了自古以來難以解決的散熱課題，其經濟實用性得到了非常可觀的效果。其性價比超越目前所有的制氫氣裝置和設備。
[0017]本發明是將電解槽與冷卻系統有機的結合在一起的設計，在電氣控制方面也改變了以前普通直流電源供電方式。
[0018]本發明的主要特點是:採用無觸點控制，防爆安全。具有過流、超壓、超溫自動報警並且自動起動和停止工作。該裝置的體積僅是同類產品的四分之一；而且，還具有結構合理，使用壽命長，操作簡便，自動化程度高，應用與維護極為方便等優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是本發明的電路邏輯控制框圖；
圖2是圖1的電氣原理圖；
圖3是圖1中氫氣發生裝置的局剖結構示意簡圖；
圖4是本發明的動態效果曲線圖。[0020]下面將結合附圖通過實例對本發明作進一步詳細說明，但下述的實例僅僅是本發明其中的例子而已，並不代表本發明所限定的權利保護範圍，本發明的權利保護範圍以權利要求書為準。
【具體實施方式】
[0021]由圖1-3所示，它包括有氫氣發生裝置F以及氫氣發生裝置的控制器部分，所述氫氣發生裝置的控制器部分包括:分別與整流電路Q1、開關電源KGV的輸入端相連接的三相AC，整流電路Ql與開關電源KGV的輸出端分別與直流開關電路Q2及智能程序控制單元PCff輸入端相連接，智能程序控制單元PCW的輸出端通過直流開關電路Q2與氫氣發生裝置F相連接，氫氣發生裝置上所設置的電流信號1、溫度信號T、壓力信號P與智能程序控制單元PCW連接，與預置當量數進行閉環返饋控制；所述氫氣發生裝置包括由兩個電解槽8、10(以兩個電解槽為例)和冷卻水箱系統2組成，兩個對應設置的電解槽兩側及之間分別設置有三個換熱器7、9、11，而在換熱器7、9、11上部分別設有與循環冷卻水箱系統2相連通的進水口 3、5、6，在換熱器7、9、11下部分別設有與循環冷卻水箱系統2相連通的出水口 15、16、18，換熱器中的冷卻水經出水口 15、16、18通過管線及水泵20與冷卻水箱系統2成密閉的循環冷卻系統，在兩個電解槽8、10與其間的換熱器9之間分別設置有一電離氣體導流板12、13，在電離氣體導流板12、13上均布有氣體通孔21。在兩個電解槽之間的換熱器9上部設有氧氣和氫氣出口 4,在兩個電解槽之間的換熱器9上還設置有電流信號1、溫度信號T及壓力信號Y傳感器。另外，根據需要還可在該位置上設置顯示器或報警器。另外圖3中的I為冷卻水箱系統的注水口。
[0022]工作原理如下:
本發明包括三相或單相交流電源AC、整流橋電路Q1、大功率直流開關電路Q2、開關電源KGV、與智能程序控制單元PCW、電解槽與冷卻系統F組成；交流電源AC通過整流橋Ql和開關電源KGV，分別得到直流電源DC和DCl，DC提供給大功率直流開關電路Q2，做為直流矢量脈衝斬波調製電源；DC1做為控制用工作電源，提供給智能程序控制單元PCW，進行正常工作。與電解槽和冷卻系統F組成了完整的閉環控制系統(見圖1)。
[0023]PCff的預置的電腦程式決定了 VF的輸出直流脈衝當量；即DCF的直流脈衝曲線特性，以期適應電解槽和冷卻系統F所需要的直流脈衝電源值。通過電流信號1、溫度信號T、壓力信號P、液位信號Y的預置參數進行閉環返饋控制，使整個系統在智能程序控制單元PCW的管理下，使電解槽與冷卻系統運行在理想的工作狀態(圖4)。其工作狀態可以任意設定。因此，該發明的功效是其它同等裝置是無法比擬的。
[0024]本技術方案是採用新型絕緣柵雙極型大功率電晶體IGBT (Q2)作為直流電路的開關元件，並且配有由二極體Dl、D2構成的控制保護電路。智能程序控制單元PWC採用的是工業級單片計算機。電流檢測元件AL採用高精度霍爾元件做模擬信號I檢測。溫度信號T、壓力信號P和液位信號Y均採用高精度元件。電解槽與冷卻系統F和過渡管件均採用優質不鏽鋼材料。
[0025]三相或單相交流電源AC，經整流Ql、濾波Cl和開關電源電路KGV，其輸出的直流電壓DC和DC1，分別送給直流開關電路Q2和智能程序控制單元電路PCW。通過智能程序控制單元電路PCW中的單片電腦程式達到實時檢測和控制的目的。使電解槽與冷卻系統F工作在理想狀態。
[0026]經過多年探索和實踐，上百次的實驗發現，電解槽的傳導電極，在水介質中的導電特性是有規律的，即在剛開始通電時，很不活躍，需要強力激活，而又不能過量，否則會浪費電能，達不到經濟實用的效果。因此，通過電腦程式設置給定量，即直流脈衝當量和精確的時間常數VF，通過高速直流開關電路Q2、保護二極體Dl輸出理想的直流調製脈衝電源DCF，給電解槽與冷卻系統F的電解槽14、19 二端供電。通過高精度的電流信號1、溫度信號T、壓力信號P和液位信號Y的參數檢測信號，回饋給智能程序控制單元PCW的計算機進行計算控制，使電解槽8、10電解效率與冷卻系統水泵20水循環冷卻流速達到最理想的同步工作狀態。即高效又節約電能對電解槽冷卻的效果。其動態效果曲線圖(見圖4)。
[0027]通過圖4可知:通過時間tl (10秒)電源啟動，經過時間t2 (5分鐘)強脈衝激活發生器電極，通過t317的時間，脈衝電源按預置規律回落(節約電力)。時間t8時電解槽與冷卻系統開始穩定工作，其供電脈衝電源維持在很低的同步經濟運行狀態，因此可見，低供電高輸出的產氣效果。
[0028]通過圖4上面的工作狀態曲線不難看出，氫氣輸出曲線，從開始工作到a點的斜率是很高的，說明強力脈衝電源的作用效果。同時也可以看到從a點到b點完全靠發生器被激活後的衝量效果。此刻，脈衝電源輸出曲線呈規律下降，通過各種檢測元件(電流信號1、溫度信號T、壓力信號P、液位信號Y)，其數據信號提供給PWC計算機進行處理。使電解槽與冷卻系統F處於按需設定的參數(如壓力信號P、溫度信號T)等參數進行穩定工作。該發明在使用前通過反覆調整預置參數，可達到最理想的氫氣產生效果。
[0029]系統操作說明:
首先將該裝置(如圖3中)的冷卻水箱2中加滿較為潔淨的清水，通過該裝置的加水口I向水箱內注水，並且有三級液位開關量輸出液位信號Y指示液位。連接好控制器(圖2)與電解槽和冷卻系統(圖3)之間的電源與控制信號線(即14、19、1、T、P、Y)，按線號對應接好。接好控制器(圖2)的交流輸入電源AC，最好通過帶有過流保護的自動開關接入為好。檢查電解槽與冷卻系統管線是否有漏水。一切正常視為準備工作就緒。該裝置初次使用還需要檢查是否有漏氣現象，若有要及時處理，因為氫氣是易燃易爆氣體，防止造成不必要的傷害。一般在通電I分鐘後有氣壓產生後進行檢查。
[0030]在控制電源開關K通電之前一定要將控制器上的所有的控制旋扭RWl、RW2、RW3歸零。防止過流衝擊損壞控制系統元件。
[0031]合上外部的自動開關，控制系統得到電源AC，水泵20開始工作並且控制器(圖2)上電，打開控制器上的控制電源開關K，該系統開始工作。慢慢微調給定旋扭RW1，使控制器上的電流表A在(25— 30 )A;這時該裝置按圖4的工作程序自動開始工作。通過圖4可知:通過11時間(10秒)電源啟動，經過t2時間(5分鐘)強脈衝激活發生器電極，通過t317的時間，脈衝電源按預置規律回落(節約電力)。t8發生器開始穩定工作。發生器F開始產氣，通過氣體出口(圖3) 4輸出。
[0032]在使用時(見圖2)，打開電源開關K，電源模塊Ql將交流電AC轉換成直流電，並通過Cl進行濾波處理後，通過Q2進行脈衝調製施加於電解槽與冷卻系統F (圖2) 14,19兩端，電解槽(圖3) 12,13內的水分子在電場作用下由雜亂無章的狀態轉變成有序的狀態，其中氫原子總是對應陰極板，氧原子總是對著陽極板，氫氧化學鍵在電場作用下被強制打破，形成化學陰陽離子，陰陽離子沿各自方向移動，分別在陽極形成氧氣，在陰極形成氫氣。所形成的氣體連同電解液經循環冷卻系統輸送至換熱器9進行換熱後從出口 4輸出氫氣。電解液通過20水泵重新回到電解槽進行電解，而電解後的氫氧氣體通過電解槽經電離氣體導流板12、13上的氣體通孔21進入到換熱器9內進一步脫離微量電解液，經外部配置的安全水封罐、乾式氫氧阻火器輸送到用氣設備，點火即可使用。智能程序控制系統PWC自動檢測系統的氣體壓力信號P、電解槽水位信號Y、電解槽溫度信號T並進行自動停開機，過溫報警、自動補水等自動處理。D1、D2均做續流保護作用。
[0033]氫氣是採用按需生產的技術，即用多少產多少，不用不產的方式工作。實行低壓供氣，使本裝置安全可靠。徹底解決了安全性問題。
[0034]當電解槽和冷卻系統需要維護時，則打開設置在換熱器下部的除雜閥門17，以便去除換熱器的內部雜質。
[0035]做為綠色環保新能源可供應各行各業所需使用。可以取代乙炔、丙烷氣、金火焰燃氣、特利氣、液化汽、天然氣等工業氣體。具有其他燃氣所不能比擬的優點。氫能源製造只需水電，並且可以連續二十四小時工作，只要有水有電，就一直有氣體供應。
[0036]電氣原理說明:
該裝置是由整流橋電路Q1、大功率直流開關電路Q2、開關電源KGV、與智能程序控制單元PCW、電流信號1、溫度信號T、壓力信號P、液位信號Y，電解槽和冷卻系統F (圖3)組成。其特徵是:交流電源AC通過整流橋Ql和開關電源KGV，分別得到工作和控制所需要的直流電源DC、DCl。K是大功率整流模塊的起停控制開關，也是智能程序控制模塊PCW中的控制輸出開關，它是通過電流信號1、溫度信號T、壓力信號P和液位信號Y的預製參數，經過計算機計算得出的結果進行工作的。即工作程序智能開關。RWl是大功率整流模塊的輸出給定量微調。是根據氫氣發生器的不同規格進行輸出功率調整。RW2、RW3分別是脈衝頻率和脈衝寬度手動調整旋扭(在控制器操作面板上)。A為工作電流表，V為工作電壓表均在控制器操作面板上。可隨時觀查工作狀態。
[0037]智能程序控制模塊PCW的預置的電腦程式決定了 VF的輸出直流脈衝當量；從而控制了大功率直流開關電路Q2輸出特性，即DCF的直流脈衝曲線特性，以期適應電解槽和冷卻系統F所需要同步的直流脈衝電源值。通過電流信號1、溫度信號T、壓力信號P的預置當量數進行閉環返饋控制，使整個系統在智能程序控制單元PCW的管理下運行在理想的工作狀態。其工作狀態可以任意設定。因此，該技術的功效是其它同等裝置是無法比擬的。
【權利要求】
1.一種氫氣發生器，它包括有氫氣發生裝置以及氫氣發生裝置的控制器部分，其特徵是:所述氫氣發生裝置的控制器部分包括:分別與整流電路、開關電源的輸入端相連接的三相或單相交流電源，整流電路與開關電源的輸出端分別與直流開關電路及智能程序控制單元輸入端相連接，智能程序控制單元的輸出端通過直流開關電路與氫氣發生裝置相連接，氫氣發生裝置上所設置的電流信號、溫度信號、壓力信號與智能程序控制單元連接，與預置當量數進行閉環返饋控制；所述氫氣發生裝置包括由電解槽和冷卻系統組成，該電解槽的兩側分別設置有換熱器，在換熱器上設有循環冷卻水的進出口，該進出口通過管線及水泵與冷卻系統行成密閉的循環冷卻系統，在靠近電解槽的換熱器上部設有氧氣和氫氣出口，在該電解槽上還設置有電流信號、溫度信號及壓力信號傳感器及顯示器或報警器。
2.根椐權利要求1所述的氫氣發生器，其特徵是:在電解槽與其中一側的換熱器之間還設置有一電離氣體導流板，在電離氣體導流板上均布有氣體通孔。
3.根椐權利要求1所述的氫氣發生器，其特徵是:所述直流開關電路的輸出端與電解槽輸入端相接，所述的電流信號、溫度信號及壓力信號的輸出端與智能程序控制單元輸入端相接。
4.根椐權利要求1所述的氫氣發生器，其特徵是:在換熱器的下部還設置有除雜閥門。
【文檔編號】C25B1/04GK103451671SQ201310347600
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月12日 優先權日:2013年8月12日
【發明者】侯豔傑 申請人:侯豔傑