移动式水电解制氢加氢装置的制作方法

本申请属于制氢设备技术领域，更具体地说，是涉及一种移动式水电解制氢加氢装置。

背景技术：

随着能源问题和环境问题日益严重，氢能源作为最清洁的二次能源已经成为我国重要的发展方向。而当前阶段，我国60％的氢气还是主要通过化石能源来制取，这种方式虽然生产成本较低，但会对环境产生大量污染，同时伴随大量的碳排放。水电解制氢作为一种将电能直接转化为氢能的技术，其转化效率高、无污染、无碳排放，是未来新能源的重点发展方向。由于目前氢燃料电池行业的发展迅速，无论是氢燃料电池汽车、氢燃料电池无人机以及氢燃料电池发电装置，从研发到应用的过程中都需要使用到大量的氢气，这也提高了市场对小型化、移动式水电解制氢装置的需求。

目前市场中的水电解制氢装置多为碱性水电解制氢装置，碱性水电解技术起步较早，目前技术成熟，成本较低，最大功率能够达到兆瓦级别。但是由于碱性水电解技术使用隔膜结构来分隔氢气和氧气，为了防止气体的混合，碱性水电解设备只能在一定的电流密度范围内进行工作，工作电流密度范围多数在0.2a/cm²～0.5a/cm²，要提高氢气的产量就需要增大碱水电解装置的体积；与此同时，隔膜结构还会导致碱水电解设备的输出压力较低(≤2mpa)。由于碱水电解技术使用碱液作为电解液，这也导致其需要定期更换电解液，操作流程比较复杂。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种移动式水电解制氢加氢装置，包括但不限于解决碱性水电解制氢装置的工作电流密度范围小、体积大及需要添加碱液的技术问题。

为实现上述目的，本申请实施例提供了一种移动式水电解制氢加氢装置，包括：

机架，所述机架的底部设有轮组；

质子交换膜电解槽，设于所述机架的内部；

循环泵，设于所述机架的内部，所述循环泵与所述质子交换膜电解槽的进水口连接；

水气分离组件，设于所述机架的内部，所述水气分离组件包括氢水分离器和氧水分离器，所述氢水分离器与所述质子交换膜电解槽的氢气出口连接，所述氧水分离器与所述质子交换膜电解槽的氧气出口和所述循环泵的进水口连接，且所述氧水分离器具有用于连接补水泵的补水口；以及

控制组件，设于所述机架上，所述控制组件包括控制器和两个背压阀，所述控制器用于控制所述质子交换膜电解槽、所述循环泵、所述氢水分离器和所述氧水分离器按照指令运行，其中一个所述背压阀连接于所述氢水分离器的氢气出口，另外一个所述背压阀连接于所述氧水分离器的氧气出口。

可选地，所述移动式水电解制氢加氢装置还包括：

排气组件，设于所述机架上，并受控于所述控制器，所述排气组件包括升压泵，所述升压泵通过所述背压阀与所述氢水分离器连接。

可选地，所述排气组件还包括：

干燥器，设于所述机架的内部，所述干燥器与所述氢水分离器连接，且所述干燥器通过所述背压阀与所述升压泵连接。

可选地，所述排气组件还包括：

氢气浓度检测仪，连接于所述干燥器和所述升压泵之间。

进一步地，所述质子交换膜电解槽包括层叠设置的多组电解单槽，所述电解单槽为平板结构，且所述电解单槽由单槽框架、质子交换膜、阳极多孔板、阳极流场板、阴极多孔板、阴极流场板和密封圈组成。

进一步地，所述氢水分离器包括：

第一水罐，与所述质子交换膜电解槽连接；以及

第一热交换器，设于所述第一水罐内，用于与恒温水机连接实现热交换；

所述氧水分离器包括：

第二水罐，与所述第一水罐、所述质子交换膜电解槽和所述循环泵连接，所述补水口开设于所述第二水罐上；以及

第二热交换器，设于所述第二水罐内，用于与恒温水机连接实现热交换。

可选地，所述移动式水电解制氢加氢装置还包括：

水净化组件，设于所述机架的内部，并受控于所述控制器，所述水净化组件包括水净化器，所述水净化器连接于所述氧水分离器和所述循环泵之间。

可选地，所述水净化组件还包括：

气泡检测器，连接于所述水净化器和所述循环泵之间。

可选地，所述移动式水电解制氢加氢装置还包括：

补水泵，设于所述机架上，与所述氧水分离器的补水口连接，并受控于所述控制器。

进一步地，所述控制组件还包括恒流电源、显示屏、控制开关和仪表。

本申请提供的移动式水电解制氢加氢装置的有益效果在于：

一、质子交换膜水电解技术具有大的工作电流密度范围0a/cm²～3a/cm²，并且由于质子交换膜的厚度低、机械强度大，整个质子交换膜电解槽的结构很紧密，使得质子交换膜电解槽可以在较高的气体压力、不同氢氧压差条件下(氢气高压、氧气低压)工作，使得移动式水电解制氢加氢装置具有更高的气体输出压力范围0.1～3mpa；

二、由于质子交换膜电解槽使用纯水作为反应物，因此无需使用碱液作为电解液；

三、由于无需设置碱液控制和供应组件，并且在同等氢气产量的情况下，质子交换膜电解槽的体积是碱水电解槽的五分之一，因此移动式水电解制氢加氢装置的体积更小、重量更轻，具有小型化、移动灵活的特点；

四、由于质子交换膜具有交叉渗透率低的特点，使得质子交换膜电解槽相对于碱水电解槽具有更高的气体纯度和安全性；

五、由于质子交换膜电解槽可以产生较高的气体压力，因此有助于气体从电极上排出，提高了电解效率，同时在满足气体输出压力要求的前提下，移动式水电解制氢加氢装置可以减少后续添加气体升压组件的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请实施例提供的移动式水电解制氢加氢装置的立体示意图；

图2为本申请实施例提供的移动式水电解制氢加氢装置另一角度的立体示意图；

图3为本申请实施例提供的移动式水电解制氢加氢装置的后视示意图；

图4为本申请实施例提供的移动式水电解制氢加氢装置的结构框图。

其中，图中各附图标记：

1—移动式水电解制氢加氢装置、10—机架、20—质子交换膜电解槽、30—循环泵、70—水净化组件、80—补水泵、41—氢水分离器、42—氧水分离器、51—控制器、52—背压阀、53—恒流电源、54—显示屏、55—控制开关、56—仪表、61—升压泵、62—干燥器、100—轮组、610—高压出口。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需说明的是，当部件被称为“固定在”或“设置在”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接在”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。当一个部件被称为与另一个部件“电连接”，它可以是导体电连接，或者是无线电连接，还可以是其它各种能够传输电信号的连接方式。术语“上”、“下”、“左”、“右”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，仅是为了便于描述，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专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1至图3，本申请提供了一种移动式水电解制氢加氢装置1，包括机架10、质子交换膜电解槽20、循环泵30、水气分离组件40和控制组件，其中，机架10的底部设置有轮组100；质子交换膜电解槽20设置在机架10的内部；循环泵30设置在机架10的内部，并且循环泵30与质子交换膜电解槽20的进水口连接，为质子交换膜电解槽20提供纯水；水气分离组件设置在机架10的内部，此处水气分离组件包括氢水分离器41和氧水分离器42，该氢水分离器41与质子交换膜电解槽20的氢气出口连接，即氢水分离器41的进汽口与质子交换膜电解槽20的氢气出口连接，氧水分离器42与质子交换膜电解槽20的氧气出口和循环泵30的进水口连接，即氧水分离器42的进汽口与质子交换膜电解槽20的氧气出口连接，氧水分离器42的出水口与循环泵30的进水口连接，并且氧水分离器42具有用于补水泵的补水口；控制组件设置在机架10上，此处控制组件包括控制器51和两个背压阀52，该控制器51用于控制质子交换膜电解槽20、循环泵30、氢水分离器41和氧水分离器42按照指令运行，其中一个背压阀52连接在氢水分离器41的氢气出口，另外一个背压阀52连接在氧水分离器42的氧气出口。可以理解的是，质子交换膜电解槽20、循环泵30、氢水分离器41、氧水分离器42和背压阀52之间均通过管道连接，并且在氢水分离器41和氧水分离器42之间连接有单向截止阀，平时单向截止阀不打开，当氢水分离器41中的水位增高时，单向截止阀打开放水。

具体地，轮组100可以包括万向轮和/或滚轮，万向轮和/或滚轮的数量至少有三个，并且呈非直线分布，用于支撑机架10并且协助移动式水电解制氢加氢装置1作整体移动；

质子交换膜电解槽20包括多组电解单槽，该电解单槽为平板结构，多组电解单槽之间层叠设置，并且电解单槽由单槽框架、质子交换膜(protonexchangemembrane，pem)、阳极多孔板、阳极流场板、阴极多孔板、阴极流场板和密封圈组成，其中，单槽框架、质子交换膜、阳极多孔板、阳极流场板、阴极多孔板、阴极流场板和密封圈以常规连接方式组合，此处不再赘述，由于采用了多层电解单槽结构，使得质子交换膜电解槽20的制氢产量更高，整个装置的制氢效率更高，另外，质子交换膜电解槽20的阳极处的气压相对于阴极处保持为低压、阴极处的气压相对于阳极处保持为高压(可以理解的是，在阴极处产生氢气，在阳极处产生氧气)，这样的设计既可以降低水循环过程的能量损失，又可以通过降低氧气的压力来提高移动式水电解制氢加氢装置1的安全性；

氢水分离器41包括第一热交换器和第一水罐，其中，该第一热交换器设置在第一水罐的内部，用于与恒温水机连接实现热交换，该第一水罐与质子交换膜电解槽20连接，即第一水罐的进汽口与质子交换膜电解槽20的氢气出口连接，并且第一水罐的出气口通过背压阀52与氢气输出口连接；氧水分离器42包括第二热交换器和第二水罐，其中，该第二热交换器设置在第二水罐的内部，用于与恒温水机连接实现热交换，该第二水罐与第一水罐、质子交换膜电解槽20和循环泵30连接，即第二水罐的第一进水口通过管道和单向截止阀与第一水罐的出水口连接，第二水罐的进汽口与质子交换膜电解槽20的氧气出口连接，第二水罐的出水口与循环泵30的进水口连接，上述补水口开设在第二水罐上，即补水口为第二水罐的第二进水口，第二水罐的出气口通过背压阀52与氧气输出口连接；

控制器51优选为可编程逻辑控制器(plc)，其包括电解控制模块、电源控制模块、信号接收模块、存储模块等，并且控制器51与质子交换膜电解槽20、循环泵30、第一热交换器、第二热交换器等电连接，控制组件还包括恒流电源53、显示屏54、控制开关55、仪表56等，其中，恒流电源53用于将接入的动力电转换成恒流电，供质子交换膜电解槽20、循环泵30、第一热交换器、第二热交换器、控制器51、显示屏54等使用，显示屏54与控制器51电连接，用于显示移动式水电解制氢加氢装置1的运行数据，供用户实时了解移动式水电解制氢加氢装置1的运行状态，控制开关55与控制器51电连接，用于控制移动式水电解制氢加氢装置1的各运行步骤的开启和关闭，仪表56用于显示质子交换膜电解槽20、第一热交换器、第二热交换器和管道等内部的压力数据。

使用移动式水电解制氢加氢装置1制氢时，首先要检查第二水罐内纯水的水位，使其满足电解用水的需求，如果水位不满足电解用水的需求，需要通过补水口补充纯水；接着旋转两个背压阀52，分别进行排氧压力调节和排氢压力调节，使两者的压力范围为0～5mpa后，锁定两个背压阀52；接着接通恒流电源53，并且检查显示屏54和仪表56，确认控制器51处于待机状态，通过显示屏54设定电解电流和电解电压；接着通过控制开关55启动质子交换膜电解槽20和循环泵30；接着质子交换膜电解槽20通电，电解开始，其阳极溢出氧气，阴极溢出氢气；接着随着溢出气体压力的增大，达到背压阀52的设定值后，背压阀52会打开，氢气和氧气分别从不同的管道排出，当压力值低于设定值的10％时，背压阀52自动关闭，气体继续在氢水分离器41和氧水分离器42内累积，累积至设定压力后，重复上一个循环；在电解过程中，控制器51持续通过计算机程序和安装在氢水分离器41和氧水分离器42上的数字化电容或者差压液位计来判断是否需要补充纯水。

本申请实施例提供的移动式水电解制氢加氢装置1，相对现有的碱性水电解制氢装置，具有以下优势：

一、质子交换膜水电解技术具有大的工作电流密度范围0a/cm²～3a/cm²，并且由于质子交换膜的厚度低、机械强度大，整个质子交换膜电解槽20的结构很紧密，使得质子交换膜电解槽20可以在较高的气体压力、不同氢氧压差条件下(氢气高压、氧气低压)工作，使得移动式水电解制氢加氢装置1具有更高的气体输出压力范围0.1～3mpa；

二、由于质子交换膜电解槽20使用纯水作为反应物，因此无需使用碱液作为电解液；

三、由于无需设置碱液控制和供应组件，并且在同等氢气产量的情况下，质子交换膜电解槽20的体积是碱水电解槽的五分之一，因此移动式水电解制氢加氢装置1的体积更小、重量更轻，具有小型化、移动灵活的特点；

四、由于质子交换膜具有交叉渗透率低的特点，使得质子交换膜电解槽20相对于碱水电解槽具有更高的气体纯度和安全性；

五、由于质子交换膜电解槽20可以产生较高的气体压力，因此有助于气体从电极上排出，提高了电解效率，同时在满足气体输出压力要求的前提下，移动式水电解制氢加氢装置1可以减少后续添加气体升压组件的成本。

进一步地，请参阅图2，作为本申请提供的移动式水电解制氢加氢装置的一个具体实施例，移动式水电解制氢加氢装置1还包括排气组件，该排气组件设置在机架10上，并且排气组件受控制器51控制，此处排气组件包括升压泵61，该升压泵61通过背压阀52与氢水分离器41连接，即背压阀52连接升压泵61的进气口和氢水分离器41的氢气出口，升压泵61的高压出口610为氢气输出口。这样在升压泵61驱使下，氢气的输出压力可以从3mpa升高到40mpa，可为氢燃料电池汽车、氢燃料电池无人机以及氢燃料电池发电装置等直接提供氢气，省去了氢气的存储步骤，实现现场加氢。

进一步地，请参阅图1至图3，作为本申请提供的移动式水电解制氢加氢装置的一个具体实施例，排气组件还包括干燥器62，该干燥器62设置在机架10的内部，干燥器62与氢水分离器41连接，并且干燥器62通过背压阀52与升压泵61连接，即从氢水分离器41分离出来的氢气需要依序经过干燥器62和背压阀52后再进入升压泵61内。这样通过干燥器62可以将氢水分离器41输出的氢气里可能存在的空气和水汽清除掉，使得氢气进一步净化，满足了用户对高纯度氢气的需求，有效地降低水汽对背压阀52、升压泵61和管道等侵蚀的风险，延长了移动式水电解制氢加氢装置1的使用寿命。当然，在本申请的其它实施例中，可以根据用户的需求，在机架10的内部增设另一个干燥器62，该增设的干燥器62与氧水分离器42和背压阀52连接，用于控制氧气排放的纯度和防止氧气排放管道发生结露。

进一步地，作为本申请提供的移动式水电解制氢加氢装置的一个具体实施例，排气组件还包括氢气浓度检测仪(未图示)，该氢气浓度检测仪连接在干燥器62和升压泵61之间，即氢气浓度检测仪安装在连通干燥器62和升压泵61的管道上，用于检测氢气浓度，保证从干燥器62输出的氢气达到用户要求的浓度。

可选地，请参阅图4，作为本申请提供的移动式水电解制氢加氢装置的一个具体实施例，移动式水电解制氢加氢装置1还包括水净化组件70，该水净化组件70设置在机架10的内部，并且水净化组件70受控制器51控制，此处水净化组件70包括水净化器(未图示)，该水净化器连接在氧水分离器42和循环泵30之间，即水净化器的进水口与氧水分离器42的出水口连接，水净化器的出水口与循环泵30的进水口连接。这样通过氧水分离器42补充进来的水会先通过水净化器净化后，再通过循环泵30注入移动式水电解制氢加氢装置1的供水回路内，从而确保了补充入质子交换膜电解槽20内的电解用水的纯净度。可以理解的是，在水净化器与循环泵30之间可以设置有水质检测仪和截流阀，如果经过净化后的水通过水质检测仪检测后结果为不符合用水要求，则截流阀会截断供水回路并且将该水切换到废水回路内。当然，在本申请的其它实施例中，水净化组件70可以作为单独的功能模块，当用户需要时，再通过氧水分离器42的补水口连接到移动式水电解制氢加氢装置1上。

可选地，请参阅图4，作为本申请提供的移动式水电解制氢加氢装置的一个具体实施例，水净化组件70还包括气泡检测器(未图示)，该气泡检测器连接在上述水净化器和循环泵30之间，即气泡检测器安装在连通水净化器和循环泵30的管道上，用于检测管道内气泡的大小和数量，防止电解用水中的气泡挤占质子交换膜电解槽20内的空间，影响水电解的效率。

可选地，请参阅图4，作为本申请提供的移动式水电解制氢加氢装置的一个具体实施例，移动式水电解制氢加氢装置1还包括补水泵80，该补水泵80设置在机架10上，与氧水分离器42的补水口连接，并且补水泵80受控制器51控制。具体地，补水泵80连接在氧水分离器42的补水口上，当需要补水时，通过水管将补水泵80与外部水源连接，即可通过补水泵80提供的离心力将外部水源的水抽吸进移动式水电解制氢加氢装置1的供水回路内。当然，在本申请的其它实施例中，补水泵80可以作为单独的功能模块，当用户需要时，再通过氧水分离器42的补水口连接到移动式水电解制氢加氢装置1上。

以上仅为本申请的可选实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。