本發(fā)明涉及一種氫氣生產(chǎn)裝置和生產(chǎn)方法，特別涉及一種電解制氫裝置及其制氫方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)中，有一種電解水制氫系統(tǒng)，其申請(qǐng)?zhí)枺?01210422579.1；申請(qǐng)日：2012-10-30；該裝置包括供電裝置、電解槽、氫分離器、氧分離器、純化塔，供電裝置與電解槽相連，氫分離器、氧分離器分別連接在電解槽上，氫分離器與純化塔相互連接。本發(fā)明所述的電解水制氫系統(tǒng)，將堿性液體電解分離獲得氫氣，并對(duì)氫氣經(jīng)過(guò)純化塔進(jìn)行純化處理，以獲得高純度的氫氣。

現(xiàn)有技術(shù)中，還有一種制氫系統(tǒng)，其申請(qǐng)?zhí)枺?01320772271.X；申請(qǐng)日：2013-11-28；公開(kāi)號(hào)：203625483U；公開(kāi)日：2014-06-04，該裝置包括依次連接的自動(dòng)補(bǔ)水子系統(tǒng)、電解子系統(tǒng)、氣體分離子系統(tǒng)和氫氣過(guò)濾子系統(tǒng)，所述氫氣過(guò)濾子系統(tǒng)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)氫氣出口與廢氣出口，還包括氫氣標(biāo)定裝置，所述氫氣標(biāo)準(zhǔn)裝置的外部端口連接標(biāo)準(zhǔn)氫氣瓶，所述自動(dòng)補(bǔ)水子系統(tǒng)包括集水箱，所述集水箱內(nèi)設(shè)置電解水進(jìn)口、電解水進(jìn)口與渾濁水出口，所述集水箱在電解水進(jìn)口設(shè)置過(guò)濾器；電解水進(jìn)口連接電解子系統(tǒng)。

現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處在于：現(xiàn)有的制氫系統(tǒng)主要是從理論上解決如何制氫的問(wèn)題，而不能用于生產(chǎn)實(shí)踐，其未能解決初始狀態(tài)下氫氣不純的問(wèn)題，如何高效洗滌氫氣的問(wèn)題，其電解效能不高，制氫過(guò)程控制不方便，且生產(chǎn)的連續(xù)性差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種堿溶液電解制氫裝置，使其可以安全制氫，制氫效率高，設(shè)備資金投入低，生產(chǎn)連續(xù)性好。

為此，本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)的：一種堿溶液電解制氫裝置，包括直流電源、電解槽、氫分離器和氧分離器，直流電源的電源正極和負(fù)極分別接通電解槽的陽(yáng)極板和陰極板，電解槽的底部設(shè)有堿液進(jìn)液口；電解槽的陽(yáng)極區(qū)上部接通氧分離器的循環(huán)液進(jìn)口，氧分離器頂部的氣相出口經(jīng)閥接通大氣；電解槽的陰極區(qū)上部接通氫分離器的循環(huán)液進(jìn)口，氫分離器頂部的氣相出口連接至氫氣洗滌器的進(jìn)口并延伸至氫氣洗滌器內(nèi)的溢流口下方，氫氣洗滌器頂部的出口連接三通閥一的進(jìn)口，三通閥一的一路出口經(jīng)絲網(wǎng)阻火器接通大氣，三通閥一的另一路出口接通氣水分離器的進(jìn)口；氫分離器和氧分離器底部分別設(shè)有循環(huán)液出口，所述循環(huán)液出口依次經(jīng)堿液冷卻器、堿液循環(huán)泵和堿液過(guò)濾器接通堿液進(jìn)液口；所述氣水分離器的出氣口經(jīng)三通閥二連接至干燥系統(tǒng)，干燥系統(tǒng)的出口經(jīng)管道過(guò)濾器連接至氫氣儲(chǔ)罐；所述氫分離器和氧分離器內(nèi)分別設(shè)有水冷卻機(jī)構(gòu)；氣水分離器的底部經(jīng)閥連接至氫氣排水水封機(jī)構(gòu)；所述氫氣洗滌器上設(shè)有補(bǔ)水口，氫氣洗滌器的溢流口連接至氫分離器。

本發(fā)明在工作時(shí)，其電解液采用質(zhì)量濃度為25~30%的 KOH或NaOH水溶液，在電解時(shí)，陽(yáng)極產(chǎn)生氧氣，陰極產(chǎn)生氫氣；工作過(guò)程中，電解槽是滿液的，通過(guò)兩路出口分別接通氫分離器和氧分離器，在氫分離器和氧分離器中實(shí)現(xiàn)氫分離和氧分離，堿溶液可以通過(guò)堿液循環(huán)泵再次循環(huán)進(jìn)入電解槽內(nèi)，分離后的氫氣經(jīng)洗滌、氣水分離、干燥后進(jìn)入氫氣儲(chǔ)罐。通過(guò)三通閥一可以選擇將氫氣通過(guò)絲網(wǎng)阻火器后在大氣中點(diǎn)燃焚燒，在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生氫氣純度不高時(shí)，可避免其他氣體的影響，尤其是在生產(chǎn)初期，可避免系統(tǒng)內(nèi)的殘留氣體進(jìn)入氫氣儲(chǔ)罐內(nèi)。此外，電解液的消耗可通過(guò)氫氣洗滌器補(bǔ)充進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)，補(bǔ)充的水中無(wú)堿，可充分洗滌氫氣，避免氫氣中夾帶堿液或析出的堿顆粒，清洗后的水通過(guò)與氫分離器內(nèi)的堿液混合，最后再與氧分離器內(nèi)抽出的堿液混合，使其進(jìn)入電解槽時(shí)，已經(jīng)被充分混合，避免了電解槽內(nèi)局部堿濃度不均勻所帶來(lái)的問(wèn)題。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便，能夠解決初始產(chǎn)氫時(shí)的氣體不純的問(wèn)題，產(chǎn)氫后，可連續(xù)生產(chǎn)，其設(shè)備投資小，管理成本低。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述干燥系統(tǒng)包括干燥塔A、干燥塔B和再生冷卻器，所述干燥塔A、干燥塔具有相同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分別包括同軸設(shè)置的外塔和內(nèi)塔，內(nèi)塔和外塔之間設(shè)有分子篩，內(nèi)塔底部與外塔接通，內(nèi)塔中心設(shè)有加熱器，內(nèi)塔上部設(shè)有內(nèi)塔進(jìn)出氣口，外塔上部設(shè)有外塔進(jìn)出氣口；所述再生冷卻器包括可以互換的兩個(gè)氣相口，還包括冷卻水的進(jìn)出口，以及內(nèi)底部設(shè)置的排污口，排污口經(jīng)閥連接至氫氣排水水封機(jī)構(gòu)；三通閥二的出口一路接通三通閥三的進(jìn)口，另一路連接至再生冷卻器上的任一氣相口，三通閥三兩路出口一路連接至干燥塔A的內(nèi)塔進(jìn)出氣口，另一路連接至干燥塔B的內(nèi)塔進(jìn)出氣口；干燥塔A和干燥塔B的內(nèi)塔進(jìn)出氣口還經(jīng)三通閥四連接所述干燥系統(tǒng)的出口；干燥塔A的外塔進(jìn)出氣口與再生冷卻器的一個(gè)氣相口相連，干燥塔B的外塔進(jìn)出氣口與再生冷卻器的另一個(gè)氣相口相連。該方案通過(guò)干燥塔A、干燥塔B和再生冷卻器的設(shè)置，使得兩個(gè)干燥塔中的一個(gè)在工作，另一個(gè)則利用氫的熱量進(jìn)行干燥塔的再生，無(wú)須利用外界氣體進(jìn)行再生，使得干燥塔A和干燥塔B在工作和再生兩種工況下可以隨時(shí)進(jìn)行切換，無(wú)需停止系統(tǒng)的工作，使得制氫的連續(xù)性更好。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述電解槽為壓濾式雙極結(jié)構(gòu)，中間極板為正極，兩端極板為負(fù)極，進(jìn)液管設(shè)置在電解槽下部，陰極區(qū)的上部設(shè)有氫液出口，陽(yáng)極區(qū)上部設(shè)有氧液出口。其中的氫液是指含氫的堿液，氧液是指含氧的堿液。該電解槽的結(jié)構(gòu)使得堿液易于分配，氫液和氧液能充分分離，電解槽工作效率高。

進(jìn)一步地，所述氫氣洗滌器、氧分離器和氫分離器上分別設(shè)有用于控制壓力和液位的傳感器。通過(guò)壓力和液位調(diào)節(jié)，使得裝置內(nèi)可穩(wěn)定產(chǎn)氫。

進(jìn)一步地，所述氫氣洗滌器的氣相出口的管路上旁通連接有在線氫中氧分析儀；所述氧分離器的氣相出口的管路上旁通連接有在線氧中氫分析儀。通過(guò)相應(yīng)的分析儀可以得知所產(chǎn)氫氣和氧氣的純度，以便可以通過(guò)相應(yīng)閥的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)氫氣儲(chǔ)存和排空；同時(shí)，可以通過(guò)產(chǎn)氫氣和氧氣的純度對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的各工作參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其處于最佳產(chǎn)氫狀態(tài)。

為了能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排污，所述氣水分離器和再生冷卻器底部與氫氣排水水封機(jī)構(gòu)相連的閥為自動(dòng)排污閥。

為能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，所述三通閥為氣動(dòng)三通球閥。

本發(fā)明還提供了利用上述裝置進(jìn)行制氫的方法，采用KOH或NaOH堿液作為電解液，電解槽內(nèi)的堿液中的堿質(zhì)量百分濃度為25~30%，電解槽的工作溫度為85~90℃，額定電流900~950A，電壓48~55V。電解液中還可以加入有質(zhì)量濃度0.2~0.3%的V₂O₅，V₂O₅的加入可增加堿液中水的電離率，提高水的電解，減少能耗，可獲得最佳制氫效果。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明工作原理圖。

圖2為干燥塔結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1電解槽，2堿液過(guò)濾器，3堿液循環(huán)泵，4堿液冷卻器，5氫分離器，6氧分離器，7氫氣洗滌器，8三通閥一，9絲網(wǎng)阻火器，10氣水分離器，11干燥塔A，1101外塔進(jìn)出氣口，1102內(nèi)塔進(jìn)出氣口，1103內(nèi)塔，1104外塔，1105分子篩，1106加熱器，12再生冷卻器，13干燥塔B，14管道過(guò)濾器，15三通閥二，16三通閥三，17三通閥四，18氫氣排水水封機(jī)構(gòu)，19在線氫中氧分析儀，20在線氧中氫分析儀，21排污閥一，22排污閥二，23直流電源。

此外，P為壓力計(jì)或壓力繼電器，T為溫度計(jì)或溫度繼電器，L為液位計(jì)，K為補(bǔ)水管接口，M為堿液補(bǔ)充口。

具體實(shí)施方式

如圖所示，為一種堿溶液電解制氫裝置，主要包括直流電源23、電解槽1、氫分離器5和氧分離器6，直流電源23的電源正極和負(fù)極分別接通電解槽1的陽(yáng)極板和陰極板，電解槽1的底部設(shè)有堿液進(jìn)液口；電解槽1的陽(yáng)極區(qū)上部接通氧分離器6的循環(huán)液進(jìn)口，氧分離器6頂部的氣相出口經(jīng)閥接通大氣；電解槽1的陰極區(qū)上部接通氫分離器5的循環(huán)液進(jìn)口，氫分離器5頂部的氣相出口連接至氫氣洗滌器7的進(jìn)口并延伸至氫氣洗滌器7內(nèi)的溢流口下方，氫氣洗滌器7頂部的出口連接三通閥一8的進(jìn)口，三通閥一8的一路出口經(jīng)絲網(wǎng)阻火器9接通大氣，三通閥一8的另一路出口接通氣水分離器10的進(jìn)口；氫分離器5和氧分離器6底部分別設(shè)有循環(huán)液出口，所述循環(huán)液出口依次經(jīng)堿液冷卻器4、堿液循環(huán)泵3和堿液過(guò)濾器2接通堿液進(jìn)液口；所述氣水分離器10的出氣口經(jīng)三通閥二15連接至干燥系統(tǒng)，干燥系統(tǒng)的出口經(jīng)管道過(guò)濾器14連接至氫氣儲(chǔ)罐；所述氫分離器5和氧分離器6內(nèi)分別設(shè)有水冷卻機(jī)構(gòu)；氣水分離器10的底部經(jīng)閥連接至氫氣排水水封機(jī)構(gòu)18；所述氫氣洗滌器7上設(shè)有補(bǔ)水口，氫氣洗滌器7的溢流口連接至氫分離器5。干燥系統(tǒng)包括干燥塔A11、干燥塔B13和再生冷卻器12，干燥塔A11、干燥塔具有相同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；以干燥塔A11為例，其結(jié)構(gòu)包括同軸設(shè)置的外塔1104和內(nèi)塔1103，內(nèi)塔1103和外塔1104之間設(shè)有分子篩1105，內(nèi)塔1103底部與外塔1104接通，內(nèi)塔1103中心設(shè)有加熱器1106，內(nèi)塔1103上部設(shè)有內(nèi)塔進(jìn)出氣口1102，外塔1104上部設(shè)有外塔進(jìn)出氣口1101；再生冷卻器12包括可以互換的兩個(gè)氣相口I和O，還包括冷卻水的進(jìn)出口，以及內(nèi)底部設(shè)置的排污口，排污口經(jīng)閥連接至氫氣排水水封機(jī)構(gòu)18；三通閥二15的出口一路接通三通閥三16的進(jìn)口，另一路連接至再生冷卻器12上的任一氣相口，三通閥三16兩路出口一路連接至干燥塔A11的內(nèi)塔進(jìn)出氣口，另一路連接至干燥塔B13的內(nèi)塔進(jìn)出氣口；干燥塔A11和干燥塔B13的內(nèi)塔進(jìn)出氣口還經(jīng)三通閥四17連接所述干燥系統(tǒng)的出口；干燥塔A11的外塔進(jìn)出氣口與再生冷卻器12的一個(gè)氣相口相連，干燥塔B13的外塔進(jìn)出氣口與再生冷卻器12的另一個(gè)氣相口相連。

電解槽1為壓濾式雙極結(jié)構(gòu)，中間極板為正極，兩端極板為負(fù)極，進(jìn)液管設(shè)置在電解槽1下部，陰極區(qū)的上部設(shè)有氫液出口，陽(yáng)極區(qū)上部設(shè)有氧液出口。

氫氣洗滌器7、氧分離器6和氫分離器5上分別設(shè)有用于控制壓力和液位的傳感器。

氫氣洗滌器7的氣相出口的管路上旁通連接有在線氫中氧分析儀19；所述氧分離器6的氣相出口的管路上旁通連接有在線氧中氫分析儀20。

所述氣水分離器10和再生冷卻器12底部與氫氣排水水封機(jī)構(gòu)18相連的閥為自動(dòng)排污閥，分變?yōu)榕盼坶y一21和排污閥二22。該裝置中的三通閥全部為氣動(dòng)三通球閥，工作時(shí)，無(wú)電火花，安全可靠。

氫氣洗滌器7的補(bǔ)水口經(jīng)補(bǔ)水管路連接到補(bǔ)水管接口K，該補(bǔ)水管接口K可與補(bǔ)水泵出口相連，用于補(bǔ)充系統(tǒng)內(nèi)消耗的水。堿液循環(huán)泵3的進(jìn)口還連接到堿液補(bǔ)充口M，必要時(shí)補(bǔ)充堿液，保證堿液的濃度在合適范圍內(nèi)。壓力計(jì)或壓力繼電器P、溫度計(jì)或溫度繼電器T以及液位計(jì)L用于顯示或探測(cè)壓力、溫度和液位，用于系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

其主要工作流程包括電解制氫、凈化、干燥、儲(chǔ)存、冷卻、干燥塔再生、排污等，初始工作時(shí)，需要將系統(tǒng)內(nèi)的空氣排空，內(nèi)部需要清洗，再工作的初期，可以將制得的不純的氫氣經(jīng)三通閥一8和絲網(wǎng)阻火器9排空焚燒。正常工作時(shí)，電解液的循環(huán)路徑為：從堿液循環(huán)泵3出口經(jīng)堿液過(guò)濾器2后供入電解槽1內(nèi)，電解槽1中的陽(yáng)極區(qū)產(chǎn)生的氧液上行進(jìn)入氧分離器6，電解槽1中的陰極區(qū)產(chǎn)生的氫液上行進(jìn)入氫分離器5，氧氣和氫氣與相應(yīng)的堿液分離后，堿液從氧分離器6、氫分離器5的底部經(jīng)堿液冷卻器4冷卻后，再次回到堿液循環(huán)泵3進(jìn)口處，完成堿液的一個(gè)循環(huán)。當(dāng)需要補(bǔ)充電解消耗的水時(shí)，可以通過(guò)氫氣洗滌器7的補(bǔ)水口補(bǔ)水，補(bǔ)入的是去離子水，一方面可以將氫氣洗滌干凈，使其中的堿的液滴或析出的顆粒能被清洗進(jìn)入水中，并從溢流口流入氫分離器5，進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)，其還有助于將氫分離器5內(nèi)的堿液濃度降低，進(jìn)一步減少氫氣分離時(shí)夾帶堿液的可能性，可進(jìn)一步保證制氫的純度，減少管道腐蝕。

氧氣經(jīng)氧分離器6分離后可直接排空，當(dāng)然，也不排除可以有其他方式進(jìn)行收集再利用，因此，排空的管路上可任意連接其他收集裝置。

氫氣在氫分離器5中被分離后，進(jìn)入氫氣洗滌器7中被洗滌，洗滌干凈后的含飽和蒸汽的氫氣經(jīng)過(guò)三通閥一8進(jìn)入氣水分離器10中進(jìn)一步分離，氣水分離器10底部的水可經(jīng)排污閥一21、氫氣排水水封機(jī)構(gòu)18向外排放；分離后的氫氣進(jìn)入干燥系統(tǒng)進(jìn)行干燥。

干燥的過(guò)程可如圖1中所示，圖中的箭頭代表氫氣運(yùn)行方向，圖中，氫氣經(jīng)三通閥二15、三通閥三16進(jìn)入干燥塔A11的內(nèi)塔中，經(jīng)加熱器輔助加熱后，再經(jīng)過(guò)分子篩，將分子篩中的水分帶走，使得分子篩干燥再生，然后帶有水蒸汽的氫氣經(jīng)過(guò)再生冷卻器12冷卻，使其溫度降低，絕對(duì)濕度降低，水蒸汽凝結(jié)并流入再生冷卻器12底部，可經(jīng)底部的排污閥二22排放，經(jīng)冷卻后的低溫氫氣進(jìn)入干燥的干燥塔B13中，先進(jìn)入干燥塔B13，經(jīng)分子篩吸收其中殘留的水分，使氫氣的純度進(jìn)一步提高后，經(jīng)管道過(guò)濾器14后進(jìn)入氫氣儲(chǔ)罐中儲(chǔ)存。該工作過(guò)程是干燥塔A11再生，同時(shí)，干燥塔B13干燥的工況；可以通過(guò)轉(zhuǎn)換三通閥三16和三通閥四17，使得干燥塔B13再生，同時(shí)干燥塔A11干燥；上述干燥和再生工況之間可以隨時(shí)切換，使得該裝置可利用氫氣自身能量進(jìn)行干燥和再生，加熱器用于輔助加熱，再生過(guò)程中，氫氣自帶的熱量也可以直接帶走分子篩的水分，使其再生，輔助加熱后效果更好切溫度可控；該工作過(guò)程可以看出，該裝置實(shí)現(xiàn)了氫氣不停車(chē)的工況下連續(xù)生產(chǎn)。該系統(tǒng)并不排除所制得的氫氣可以不經(jīng)儲(chǔ)存而直接使用，但作為可實(shí)施的系統(tǒng)，即使可以直接使用也需要調(diào)壓、調(diào)溫，暫存裝置是不可缺少的，該暫存裝置也是氫氣儲(chǔ)罐的一種形式。

該裝置中還有冷卻水系統(tǒng)，其主要用于氧分離器6、氫分離器5、堿液冷卻器4、再生冷卻器12的降溫。

實(shí)施例2

一種利用上述裝置電解制氫方法，其以KOH堿液作為電解液，電解槽1內(nèi)的堿液中堿的質(zhì)量百分濃度為25%，電解槽1的工作溫度為85~90℃，額定電流900A，電壓48V；電解液中加入有質(zhì)量濃度0.2%的V₂O₅。

實(shí)施例3

又一種利用上述裝置電解制氫方法，其以KOH堿液作為電解液，電解槽1內(nèi)的堿液中堿的質(zhì)量百分濃度為30%，電解槽1的工作溫度為90℃，額定電流950A，電壓55V；電解液中加入有質(zhì)量濃度0.3%的V₂O₅。

實(shí)施例4

第三種利用上述裝置電解制氫方法，其以NaOH堿液作為電解液，電解槽1內(nèi)的堿液中堿的質(zhì)量百分濃度為25~30%，電解槽1的工作溫度為85~90℃，額定電流900~950A，電壓48~55V；電解液中加入有質(zhì)量濃度0.2~0.3%的V₂O₅。

實(shí)施例5

第四種利用上述裝置電解制氫方法，其以NaOH堿液作為電解液，電解槽1內(nèi)的堿液中堿的質(zhì)量百分濃度為25%，電解槽1的工作溫度為85~90℃，額定電流900A，電壓50V；電解液中加入有質(zhì)量濃度0.25%的V2O5。

本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施例，在本發(fā)明公開(kāi)的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)所公開(kāi)的技術(shù)內(nèi)容，不需要?jiǎng)?chuàng)造性的勞動(dòng)就可以對(duì)其中的一些技術(shù)特征作出一些替換和變形，這些替換和變形均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。相應(yīng)的管路上可以根據(jù)需要任意設(shè)置截止閥、單向閥、取樣閥等，也可以任意增加壓力計(jì)、溫度計(jì)等，還可以在適當(dāng)位置設(shè)置三通閥并將其中一路接通大氣進(jìn)行排空或焚燒，以便處理不純的氣體。