CN114990596B - 电解水制氢装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新能源技术领域，公开了一种电解水制氢装置，具有若干密封腔，通电后对密封腔内的碱液分解产氢气和氧气，包括密封腔体，密封腔体内具有碱液，并设有导通离子的隔膜；通过所述隔膜将密封腔体分隔为相互嵌套的内腔和外腔，并在内腔与外腔中分别设有电极，通过电极与外部电路连接对碱液进行电解；所述密封腔体包括若干通过转接结构连接的子部分，并在端部的任意子部分上设有同时联通内腔、外腔的管路，通过在管路上设有的循环泵进行内腔、外腔的液体导流。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及电解水制氢装置。
背景技术
电解水通常是指含盐(如硫酸钠，食盐不可以，会生成氯气)的水经过电解之后所生成的产物。电解过后的水本身是中性，可以加入其他离子，或者可经过半透膜分离而生成两种性质的水。其中一种是碱性离子水，另一种是酸性离子水。以氯化钠为水中所含电解质的电解水，在电解后会含有氢氧化钠、次氯酸与次氯酸钠(如果是纯水经过电解，则只会产生氢氧根离子、氢气、氧气与氢离子)。
而氢能源作为高效、洁净和理想的二次能源已经受到了全世界的广泛重视。大规模、廉价地生产H2是开发和利用氢能的重要环节之一。利用绿电采用电解水技术制H2能够实现整个过程的零碳，符合国家的发展战略，且操作相对简单，技术相对成熟，制得的H2纯度高是实现大规模生产H2的重要手段。与PEM电解水制氢相比，碱性电解水制氢技术更加纯熟。因此，国内碱性水电解在行业中占主导地位。在碱性电解槽中，阴极产生H2，阳极产生O2，如果不把它们分隔开来，就会发生H2、O2混合，这样不但达不到生产H2的目的，而且还会带来安全隐患，这就需要用隔膜将H2、O2严格的隔离开来。
现有的电解水制氢设备中，大都为一种容器，即电解槽，在其中设置两个电极，并通过在不同的腔体内布置电极通电产气。但这种电解槽一般都为定制结构，一旦设置只能进行整体更换。现在需要一种模块化的电解槽结构，能够降低生产成本并适配多种应用场景。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种电解水制氢装置，具有若干子部分，能够根据实际需求进行配置，并可根据需求在布置后进行容积调整，以满足单个区域内的供气需求增加的问题。
本发明所采用的技术方案为：
第一方面，本发明提供一种电解水制氢装置，具有若干密封腔，通电后对密封腔内的碱液分解产氢气和氧气，包括密封腔体，密封腔体内具有碱液，并设有导通离子的隔膜；
通过所述隔膜将密封腔体分隔为相互嵌套的内腔和外腔，并在内腔与外腔中分别设有电极，通过电极与外部电路连接对碱液进行电解；
所述密封腔体包括若干通过转接结构连接的子部分，并在端部的任意子部分上设有同时联通内腔、外腔的管路，通过在管路上设有的循环泵进行内腔、外腔的液体导流。
结合第一方面，本发明提供第一方面的第一种实施方式，所述密封腔体包括壳体，所述壳体包括顶盖、底盖和外罩，所述外罩设置在顶盖与底盖之间；
所述外罩具有若干个，相邻外罩之间通过转接盘密封连接。
结合第一方面的第一种实施方式，本发明提供第一方面的第二种实施方式，所述隔膜为连续的密封结构，其两端开口分别与顶盖与底盖密封连接。
结合第一方面的第一种实施方式，本发明提供第一方面的第三种实施方式，在外罩内设有分隔层，分隔层上具有连通外腔、内腔的通道，在通道上设有隔膜进行覆盖。
结合第一方面的第三种实施方式，本发明提供第一方面的第四种实施方式，所述隔膜为具有若干部分，而转接盘内圈和外圈，内圈承接两侧隔膜部分保持隔膜连续，外圈承接外罩保持连续密封。
结合第一方面的第四种实施方式，本发明提供第一方面的第五种实施方式，所述顶盖与底盖之间通过若干固定杆连接，并通过固定杆将若干外罩拉紧形成筒型结构。
结合第一方面的第三、四或五种实施方式，本发明提供第一方面的第六种实施方式，所述密封腔体为立式结构，顶盖上设有连通外腔的外集气管和连通内腔的内集气管；
在底盖上设有连接外腔电极的外电极触点以及连接内腔电极的内电极触点。
结合第一方面的第六种实施方式，本发明提供第一方面的第七种实施方式，所述分隔层上设有沿分隔层的轴线方向设置的插槽，所述电极包括插板电极，所述插板电极***插槽内实现固定。
结合第一方面的第七种实施方式，本发明提供第一方面的第八种实施方式，所述插板电极设置在内腔和/或外腔中。
结合第一方面的第七种实施方式，本发明提供第一方面的第九种实施方式，所述插板电极包括与插槽配合的插条，以及设置在插条外表面并向外凸起形成与碱液扩大接触面积的多片式接触区。
本发明的有益效果为：
(1)本发明中的电解水制氢设备通过若干子部分构成，则能够根据实际需求设置对应数量的子部分进行安装，从而可在布置前或布置后进行容积调整，从而调整最大产气量，具有更高灵活度，适用于一些临时搭建设备，尤其是需要临时设置的制氢发电***中；
(2)本发明中的电解水制氢设备中，通过设置可快速拆卸式的封装结构和电极结构，能够根据需求调整内外腔体内的极性，具有较高灵活度，且便于维护更换。
附图说明
图1是本发明电解槽的实施例中的具体应用的正视图；
图2是本发明电解槽的实施例中的具体应用的俯视图；
图3是本发明电解槽的实施例中的具体应用的第一轴测图；
图4是本发明电解槽的实施例中的具体应用第二轴测图；
图5是本发明电解槽的实施例中的具体应用的侧视图；
图6是本发明图5中沿A-A剖切线剖切后的截面示意图；
图7是本发明电解槽的实施例中的具体应用的部分结构拆分状态平面图；
图8是本发明电解槽的实施例中的具体应用的部分结构拆分状态轴测图。
图中：1-外罩，2-固定杆，3-顶盖，4-底盖，5-底座，6-外集气管，7-内集气管，8-内电极触点，9-外电极触点，10-转接盘，11-分隔层，12-外腔，13-内腔，14-插板电极，15-嵌入式隔膜。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，本申请的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，本申请的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
实施例1：
本实施例公开一种电解水制氢设备，如图1所示，主要包括一种利用外部电源进行电解的容器，用于存放碱液并通过内部的电极在正阴极上产生氧气和氢气进行收集。
其中，本实施例中的制氢设备为立式的筒状的多层结构，包括一个顶盖、底盖和底座，其中，底座具有一定高度，可抬起底盖使其下部具有一个离地空隙，避免底盖上的部分结构直接与固定面接触，并可以保证外部管线从该离地空隙中进入。
在顶盖与底盖之间通过三根固定杆进行支撑和固定，从在顶盖与底盖之间形成一定空间，在该空间中，通过至少两个连通的外罩与顶盖、底盖合围形成密封腔体。
其中，在密封腔体中通过隔膜分隔为内外两个圆柱形腔体，即内腔与外腔。通过调整隔膜半径，使得内腔与外腔的容积相当，并在两个腔体内注入一定量的碱液，主要是氢氧化钠溶液，保证溶液中具有一定量的氢氧根离子。
而内腔与外腔并不限定具体的极性，根据需求进行设置，本实施例中则在外腔内设置阳极的电极，而在内腔内设有阴极的电极。本实施例中的隔膜可采用多种材质，其特征是具有一定空隙的小孔，可使两边液体中的离子可自由交换。
其中，阴极利用液体中的氢离子，给电子后在电极附近产生氢气，由于是立式结构，则氢气会快速上升至顶盖处，由顶盖处设置的外集气管将氢气排出。同时，内腔的阳极中可获得氢氧化物的电子，从而在阳极产生氧气，并通过顶盖上的内集气管排出。
本实施例中，该电解水制氢装置主要应用在一些应急发电储电***中，会根据实际需求进行搭建，则采用模块化结构设计，在获得现场产氢气需求时，直接拼接形成对应容积的电解水装置，从而在一定时间内提供氢气和氧气供应。
则本实施例中的核心点在于，这种筒型机身结构由多段的外罩构成。外罩本身为具有较好防腐性能的材料制成，可采用玻璃钢材质，也可以采用不锈钢材料。
本实施例中的外罩为等截面的圆管，两侧端口尺寸相同，且具有相同的壁厚。在顶盖内侧具有一个环形的嵌槽，其宽度稍大于外罩的壁厚。为了获得较好的密封效果，在嵌槽内设有胶层，而设有胶层的嵌槽宽度则小于外罩的壁厚，需要一定外力将外罩的一侧端口压入嵌槽内从而达到固定效果。
底盖尺寸与顶盖相同，且其内侧面也具有一个相同尺寸的嵌槽，用于连接外罩的端口。若仅有一个外罩，则直接在其端口处扣合固定顶盖和底盖形成密封结构。
而本实施例中采用双层结构设计，具有两个外罩，则在相邻外罩之间设有一个转接盘进行连接。该转接盘包括两种方式，独立结构和对称双结构密封拼接。其中一体式结构上具有两个相对设置的环形嵌槽，用于嵌入固定对应一侧的外罩端口。
而对称双结构类似法兰，采用这种方式可针对具有更多外罩拼接的装置提供更好的固定连接效果。采用双层拼接的转接盘时，在外罩一个端口的外圈表面设有环形凸缘。而一侧的转接盘上具有一个环形沉槽，该环形沉槽与环形凸缘配合，可将环形凸缘罩住并压合密封。安装时，需要将转接盘从一侧外罩不具有环形凸缘的端口处套入，由于转接盘的内径正好等于或稍大于外罩外径，则套入后的转接盘顺着外罩轴线方向移动，并在移动至另一侧断口处时将外部的环形凸缘罩住，使其沉入环形沉槽内。
在转接盘的外圈边缘上设有若干通孔，该通孔供固定杆穿过，而本实施例中的固定杆为螺纹杆结构，如图2-4所示。可以看到，固定杆依次穿过顶盖、两个转接盘与底盖，并在对应结构上均设有螺帽进行锁紧。由于两个转接盘扣合并将内侧的外罩端口抵住，从而通过两侧的两个螺帽将其压紧，此时在转接盘的缝隙处设有的胶圈受压变形并将其缝隙完全填充，从而达到较好的密封效果。
同时，由于在顶盖和底盖上分别设有螺帽，则通过两个螺帽相对于锁紧的同侧转接盘，可将外罩压紧从而实现固定效果。
本实施例中，由于隔膜采用石棉或高分子材料的隔膜，并在内部或外部设有用于增加抗拉强度的尼龙或不锈钢拉绳。由于其材料为软质特性，则设置为连续结构，根据需要设置的外罩长度，从而裁切为对应的长度形成筒型结构，并将两侧端口压合在顶盖和底盖内侧面并密封处理即可。
顶盖上设有连通外腔的外集气管和连通内腔的内集气管；在底盖上设有连接外腔电极的外电极触点以及连接内腔电极的内电极触点。
同时，为了实现内外液体的循环交换，也为了补充消耗的水源，在该设备中还包括有循环管路***，通过循环管路***在底盖上连通内外两个腔体。包括单独的管道，同时在管道上还设有一个容纳腔，其具有一定容积，可供一定量的碱液在其中驻留。
同时，该循环管路***还设有一个循环泵，该循环泵上具有一个供水口，用于连通外部水源进行供水，通过控制机构控制，在获取到内部水位信息后，通过设定的阈值实现循环泵的注水控制。
而在一些实施例中，如图5-8所示，提供另一种内部的结构布置方式。
在外罩内形成的筒状腔体中，设有一个分隔层。该分隔层同样为筒型结构，并分别连接在顶盖和底盖上，中间通过通过转接盘的内圈进行连接。而转接盘具有的外圈用于连接两个外罩，内外圈结构之间通过若干连接杆连接，使得内圈与外圈之间具有若干间隙，供碱液在两个外罩之间流动。
而分隔层为硬质的固定架结构，同样可采用耐腐蚀的高分子材料或不锈钢材料。通过分隔层将外罩内的密封腔体分隔为内腔与外腔。在分隔层外侧沿轴线等圆心角布置有四个插槽，该插槽贯穿整个分隔层，可在插槽内插设有插板电极，插板电极***插槽内实现固定。
而插板电极包括与插槽配合的插条，以及设置在插条外表面并向外凸起形成与碱液扩大接触面积的多片式接触区。其中插条一端端部深入顶盖或底盖内，并与外部设有的外电极触点电连接，从而实现导电效果。同时，在插条上合适位置设有绝缘材料实现绝缘接触。同时，该多片式接触区具有多个沿轴线延伸的片体结构，能够增大与碱液的接触面积，具有较好的产气效果。
同时，本实施例中的分隔层上设有若干镂空区域，而在镂空区域内设有嵌入式隔膜。如图所示，嵌入式隔膜具有与镂空区域卡接配合的固定外框，而固定外框内设有隔膜材料或者导离子填充材料。这种固定方式不仅能够通过设置合适的导离子材料实现对应效果，同时可根据需求来替换不同材料。由于本实施例中的设备主要是一种临时产气设备，会在一定时间内进行拆装和更换，若采用石棉等易损材料，其成本更低，但需要更换维护，则采用这种嵌入式隔膜结构，能够便于维护更换，降低成本。
在分隔层的内部还设有一根柱状的电极，这种电极的长度与分隔层、外罩的长度相同，并在电极的端部两个端部各设有相互匹配螺杆端和螺纹槽。如图中展示的具有两个外罩的结构，则同样在内部采用两根电极杆，通过螺纹配合实现固定和电连接。
实施例2：
本实施例公开一种电解水制备、收集氢气的装置，通过外部供电对碱液进行电解获取氢气并收集，包括：电解水机构，用于对输入的碱液电解产气；输送机构，用于连接电解水机构并将产出的氢气和氧气进行收集；以及加压罐储机构，将输送机构送入的氢气和氧气分别加压存储在气罐中，并具有供气机构，通过供气机构与外部管路连通进行恒压送气。
电解水机构包括电解槽、泵送装置和控制机构，控制机构根据电解槽内的水位变化进行碱液补充，并在泵送装置内设有加热机构，使得通过泵送装置进入电解槽内的碱液温度不低于60℃。
进一步地，加压罐储机构还包括与气罐连接的加压机构，加压机构具有至少两条加压线路，将氧气和氢气通过不同的加压线路输送至独立的气罐中进行储存。
进一步地，具有若干电解槽，在输送机构中设有预存罐，用于分开收集若干电解槽的氧气和氢气；预存罐中具有气压计，通过设定阈值控制在预存罐内气压达到阈值后便由输送机构通入对应加压罐储机构。
进一步地，还具有氢燃料电池机构，由加压罐储机构将氢气与氧气按比例输送至氢燃料电池机构内进行发电，并将氢燃料电池机构中产生的纯水回送至电解水机构中用于补充碱液。
进一步地，所述氢燃料电池机构与电解水机构设置在同一支架上，在该支架上通过同一泵送机构进行液体输送，并通过同一控制机构进行控制。
进一步地，所述电解水机构、输送机构、加压罐储机构和氢燃料电池机构均设置在同一支架上，并由同个控制机构进行控制；所述控制机构内的电源控制模块连接外部的不稳定供电网络，并将不稳定供电网络的电流持续通入电解水机构中持续产气，并在预存罐达到气压阈值后进行加压储存；当加压罐储机构内的气量达到设定阈值后便由控制机构向外发出供电完备信息，并由控制机构根据储气量发出持续供电时间信息。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。
Claims (5)
1.电解水制氢装置，具有若干密封腔，通电后对密封腔内的碱液分解产氢气和氧气，其特征在于：包括密封腔体，密封腔体内具有碱液，并设有导通离子的隔膜；
通过所述隔膜将密封腔体分隔为相互嵌套的内腔和外腔，并在内腔与外腔中分别设有电极，通过电极与外部电路连接对碱液进行电解；
所述密封腔体包括若干通过转接盘（10）连接的子部分，并在端部的任意子部分上设有同时联通内腔、外腔的管路，通过在管路上设有的循环泵进行内腔、外腔的液体导流；
所述密封腔体包括壳体，所述壳体包括顶盖（3）、底盖（4）和外罩（1），所述外罩（1）设置在顶盖（3）与底盖（4）之间；
所述外罩（1）具有若干个，相邻外罩（1）之间通过转接盘（10）密封连接；
在外罩（1）内设有分隔层（11），分隔层（11）上具有连通外腔（12）、内腔（13）的通道，在通道上设有隔膜进行覆盖；
所述密封腔体为立式结构，顶盖（3）上设有连通外腔（12）的外集气管（6）和连通内腔（13）的内集气管（7）；
在底盖（4）上设有连接外腔（12）电极的外电极触点（9）以及连接内腔（13）电极的内电极触点（8）；
所述分隔层（11）上设有沿分隔层的轴线方向设置的插槽，所述电极包括插板电极（14），所述插板电极（14）***插槽内实现固定。
2.根据权利要求1所述的电解水制氢装置，其特征在于：所述隔膜为具有若干部分，而转接盘（10）内圈和外圈，内圈承接两侧隔膜部分保持隔膜连续，外圈承接外罩（1）保持连续密封。
3.根据权利要求2所述的电解水制氢装置，其特征在于：所述顶盖（3）与底盖（4）之间通过若干固定杆（2）连接，并通过固定杆（2）将若干外罩（1）拉紧形成筒型结构。
4.根据权利要求1所述的电解水制氢装置，其特征在于：所述插板电极（14）设置在内腔（13）和/或外腔（12）中。
5.根据权利要求1所述的电解水制氢装置，其特征在于：所述插板电极（14）包括与插槽配合的插条，以及设置在插条外表面并向外凸起形成与碱液扩大接触面积的多片式接触区。
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