一种PEM水电解高压水气分离装置的制作方法

本发明涉及pem水电解制氢，具体而言，涉及一种pem水电解高压水气分离装置。

背景技术：

1、氢气的制取是氢能产业的源头，在制氢方法中，pem水电解制氢技术运行灵活、利于快速变载，与风电、光伏发电的波动性和随机性具有良好的匹配性，使其将成为大规模绿电制氢的主流技术，但目前pem水电解制氢装置的生产成本较高，制约其广泛应用。

2、pem水电解技术中，主体框架由电解槽以及围绕电解槽配置的水泵与气液分离器构成的水循环回路、气体调节与气体纯化设备组成。其中，气液分离器极为重要，它是保障系统连续、稳定运行的关键设备。在工业生产中，气、液混合物通常利用重力在气液分离器中进行分离，分离器内积累的液体必须通过排出以维护稳定的气、液界面，实现系统正常的连续运转。在常压条件下，现有技术通常采用浮子式液位开关来控制气、液界面。

3、但在pem水电解制氢中，pem装置的压力通常在3mpa以上、产氢量通常每小时数米立方到十多米立方，在实验室研究中更涉及到每小时数升的状态，采用浮子式液位开关会因压差大而造成浮球动作失稳或失效，具有不可靠性，从而增加了高压系统的安全性风险，并且由于阀芯两侧的压差增加，开启阀门所需要的浮力也显著增加，因此导致浮子的体积、高压容器的体积都需要大幅度增加，存在使用代价大、实施困难的问题。

4、现有技术中，采用液位测量传感器和电动阀控制是气液分离器应用在高压状态下的主要方法，但该方法中电动阀价格高，在经济性上适用大型装置，但对于pem水电解制氢装置而言会进一步增加生产成本，不利于广泛应用；并且电动阀的阀门孔径是基于压差与流量设计的，其调节余量及适应性有限，缺乏广谱性。

5、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种pem水电解高压水气分离装置，该装置基于高压pem水电解装置的水、气分离特点，在实现气液分离的同时，还能保持气体压力稳定，防止气、液界面的剧变或破坏，并且结构简易、操作简单。

2、为实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

3、本发明提供了一种pem水电解高压水气分离装置，包括有高压容器，所述高压容器上设置有氢、水混合物的输入管道以及液面控制组件，所述高压容器的顶部出气口处设置有背压阀，所述高压容器的底部出液口处设置有减压阀。

4、在顶部出气口设置了背压阀后，通过调节背压阀的阀门开度来改变氢气经过时的流动阻力，当出气口中的氢气压力超过背压阀设定的背压值时，背压阀才会打开，允许部分氢气经过，当一部分氢气流出后，高压容器内的压力下降至低于设定的背压值时，背压阀关闭，其作用在于保证高压容器内的压力始终在预定的范围内。在出液口处设置减压阀后，可控制液体的排出速率，以及维持出气口处的压力，其原理与背压阀类似，当出液口处的压力超过减压阀预设的阈值时，减压阀自动打开，使过多的液体流出，从而确保整个系统的压力始终保持在预定的范围内。通过设置背压阀以及减压阀，可实现对高压容器内的液位以及气体压力的稳定控制。

5、优选的，所述液面控制组件为差压传感器，所述差压传感器设置有两个接口，一个与所述高压容器内上端的气体空间连接，另一个与所述高压容器内下端的液体空间连接。

6、本发明的液面控制组件可以使用差压传感器，通过测量气体和液体的压差，当高压容器内的液体被排出时，根据差压的变化可以用于计算流量的大小。此外，差压传感器承受的二侧压力仅为液位差产生，而高压部分则由外壳结构承担。

7、优选的，还包括有电磁阀，所述电磁阀的一端通过管道与所述高压容器的底部出液口连接，另一端通过管道与所述减压阀连接。

8、电磁阀是一种简易的通过电磁控制来打开或关闭介质流动的阀门装置，使用简单、成本低廉，但难以单独应用于高压环境下，无法保证液位控制与排液量的控制。而本发明将电磁阀设置在高压容器的出液口与减压阀之间，减压阀能很好地起到控制液体的排出速率的效果，防止液位的突变与压力波动，弥补了电磁阀应用在高压环境下的不足。

9、优选的，还包括有液位显示仪，所述液位显示仪的信号输入端与所述差压传感器的信号线连接，所述液位显示仪的信号输出端与所述电磁阀连接。

10、液位显示仪用于根据差压传感器的液位信号来控制电磁阀的开闭状态，当液位高于设定值时打开电磁阀排放液体，当液位低于设定值时关闭电磁阀，实现对高压容器内液位和气体的稳定控制。

11、优选的，所述液面控制组件为设置在所述高压容器内的浮子液位开关，所述浮子液位开关的阀芯与所述高压容器的底部出液口相匹配。

12、另一方面，本发明的液位控制组件还可使用浮子液位开关，与传统的pem水电解装置不同，由于本发明设置了背压阀和减压阀，具有压力保持功能，在高压容器中避免了压力的快速变化产生对浮子造成影响的压力冲击；并且由于减压阀控制了浮子液位开关阀门的内外压差保持一致，使得阀芯能够开闭顺畅，因此使得不适宜高压应用的浮子液位开关也可实现应用。

13、优选的，所述浮子液位开关中浮子的相对位置处开设有开孔，所述开孔上安装有透气防水膜。

14、为了进一步提高浮子对高压环境的适应性，还可在浮子所处的位置处设置开孔，并安装透气防水膜，以保障浮子内、外的压力一致。

15、优选的，所述透气防水膜包括有防水层，所述防水层为ptfe膜，所述ptfe膜的孔率为50％-70％。ptfe膜的微孔允许水蒸气分子通过，而水滴和液体因分子较大无法透过。由于在高压环境下，还需要限定ptfe膜的孔隙率以保证兼顾透气性和防水性。

16、优选的，所述防水层的下方还有支撑层，所述支撑层的材质为聚酯或聚酰胺非织造布。以提高透气防水膜整体结构的强度和耐用性。

17、优选的，所述ptfe膜上涂覆有聚氨酯涂层。涂层能够进一步阻止液态水穿透，即使在压力较高的情况下也能组织水通过。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

19、(1)本发明通过设置了背压阀和减压阀，使高压容器内的气体压力稳定，防止气、液界面的剧变或破坏，在此基础上，可以通过电磁阀及一些简单的控制电路实现高压环境下的稳定控制，甚至还可以使用浮子液位开关进行控制，结构简易、操作简单、更加经济的同时，能保障装置的稳定使用。

20、(2)对于采用浮子液位开关的方案，还对浮子液位开关进行了相对应的设计，通过采用透气防水膜保障了浮子内、外的压力一致，对透气防水膜的设计也进一步提高了其的透气性和防水性。

技术特征：

1.一种pem水电解高压水气分离装置，其特征在于，包括有高压容器，所述高压容器上设置有氢、水混合物的输入管道以及液面控制组件，所述高压容器的顶部出气口处设置有背压阀，所述高压容器的底部出液口处设置有减压阀。

2.根据权利要求1所述的高压水气分离装置，其特征在于，所述液面控制组件为差压传感器，所述差压传感器设置有两个接口，一个与所述高压容器内上端的气体空间连接，另一个与所述高压容器内下端的液体空间连接。

3.根据权利要求2所述的高压水气分离装置，其特征在于，还包括有电磁阀，所述电磁阀的一端通过管道与所述高压容器的底部出液口连接，另一端通过管道与所述减压阀连接。

4.根据权利要求3所述的高压水气分离装置，其特征在于，还包括有液位显示仪，所述液位显示仪的信号输入端与所述差压传感器的信号线连接，所述液位显示仪的信号输出端与所述电磁阀连接。

5.根据权利要求1所述的高压水气分离装置，其特征在于，所述液面控制组件为设置在所述高压容器内的浮子液位开关，所述浮子液位开关的阀芯与所述高压容器的底部出液口相匹配。

6.根据权利要求5所述的高压水气分离装置，其特征在于，所述浮子液位开关中浮子的相对位置处开设有开孔，所述开孔上安装有透气防水膜。

7.根据权利要求6所述的高压水气分离装置，其特征在于，所述透气防水膜包括有防水层，所述防水层为ptfe膜，所述ptfe膜的孔率为50％-70％。

8.根据权利要求7所述的高压水气分离装置，其特征在于，所述防水层的下方还有支撑层，所述支撑层的材质为聚酯或聚酰胺非织造布。

9.根据权利要求7所述的高压水气分离装置，其特征在于，所述ptfe膜上涂覆有聚氨酯涂层。

技术总结
本发明提供了一种PEM水电解高压水气分离装置，包括有高压容器，所述高压容器上设置有氢、水混合物的输入管道以及液面控制组件，所述高压容器的顶部出气口处设置有背压阀，所述高压容器的底部出液口处设置有减压阀。该装置基于高压PEM水电解装置的水、气分离特点，在实现气液分离的同时，还能保持气体压力稳定，防止气、液界面的剧变或破坏，并且结构简易、操作简单。

技术研发人员：周抗寒
受保护的技术使用者：北京航宇高科氢能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27