一种制备高压氢气和氧气的装置的制作方法

本发明属于能源开发技术领域，具体涉及一种制备高压氢气和氧气的装置。

背景技术：

氢是最理想的清洁能源，在氢气燃烧过程中放出的能量最多而且不会污染环境；在电解水制氢领域人们做了很多研究，随着氢燃料的飞速发展，电解制氢也逐渐步入工业化取代传统的蒸汽重整制氢的方法来消除对天然气的依赖性同时又减少成本增加氢燃料纯度。电解水工业化还处于发展阶段，仍有许多问题需要处理。传统的制氢电解槽需要隔离膜，一侧产生氢气另一侧产生氧气，但是由于隔离膜无法承受高度压强，所以很难制备出高纯度高压氢气和氧气，而且高电压高能耗大。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种制备高压氢气和氧气的装置，能够在制备氢气时不排出氧气，在制备氧气时不排出氢气，保证了气体纯度，而且电解时电压很小降低了能耗，同时由于不采用隔离膜，能够达到很高的压强。

一种制备高压氢气和氧气的装置，由电解室1、极性转换器2、电流源3、比较器4、计时器5、控制模块6、电磁转换器7、第一电磁阀8、第二电磁阀9、氢分离器10、氧分离器11、供给泵12及反向阀13组成；其中，氢分离器10和氧分离器11等高放置，电解室1位于氢分离器10和氧分离器11下部，均竖直放置，以保证电解液自然循环；电解室1与氢分离器10和氧分离器11的下部通过液体管相连；电解室1中有多组电极，每组电极由活性电极14和惰性电极15交替构成，活性电极14和惰性电极15彼此分立，惰性电极15接到电解室1外壳上，电解室1外壳接地，活性电极14依次通过比较器4、计时器5与极性转换器2以及控制模块6相连；电磁转换器7位于氢分离器10和氧分离器1中间，并通过气体管分别与氢分离器10、氧分离器11以及电解室1的上部出气口连接，控制模块6通过第一电磁阀8和第二电磁阀9分别与氢分离器10和氧分离器11的上部出气口相连，并通过供给泵12经过反向阀13与氢分离器10和氧分离器11的下部相连。所有与控制模块连接的都是导线(图中虚线部分)，其他的是管路连接液体和气体管都是金属管(图中黑色粗线部分)。

进一步地，氢分离器10和氧分离器11中设有液体水位传感器，分为3个位置：位置1'和1"(分离器高度的60％-70％)、位置2'和2"(分离器高度的45％-55％)、位置3'和3"(分离器高度的30％-40％)，液体水位传感器与控制模块6相连。

进一步地，所述的电极组数为1～3组，所述的活性电极14为通过压块和烧结制得的铁、镍或者镍铁混合物的多孔合金块，活性电极的质量为20～40kg；惰性电极15为铁片。

进一步地，所述的多孔合金块的孔径为30～50微米。

更进一步地，电解室1中充满质量分数为20％～25％的碱溶液作为电解液，同时氢分离器10和氧分离器11中也充入电解液到达液面传感器2'和2"的位置；电解室1中始终充满电解液以保证装置安全工作避免电极暴露在电解液外面。

本发明的制备高压氢气和氧气的装置工作原理：

首先手动打开反向阀13，通过控制模块6，关闭位于输送氢气和氧气的管路上的第一电磁阀8和第二电磁阀9；通过供给泵12向电解室1、氢分离器10和氧分离器11中注入电解液，当电解液达到位置2'和2时，控制模块6关闭供给泵12然后手动关闭反向阀13，装置准备工作。

第一个为氢循环，计时器5转换电磁转换器7到氢分离器10与电解室1相连的状态，同时转换极性转换器2到相应的氢释放状态，就是说在电解室1的惰性电极上加上负电位，变成阴极，而活性电极加上正电位变为阳极，这时候阴极上释放氢气，氢气通过电磁转换器7进入到氢分离器10，之后通过电解液由打开的第一电磁阀8进入到氢气管路。同时阳极上释放的氧气被活性电极上化学吸收。氢气的释放持续到活性电极全被氧化，反应为：fe+2oh^-＝fe(oh)2+2e^-。此时氢循环伴随着电极上电压的升高，电极电压在0.3～0.5v范围内，在控制模块6控制下被比较器4追踪，一旦电压达到0.5v，比较器4发出脉冲信号给计时器5，计时器5转换极性转换器2到断电状态，进入脱气时间排出电解液中残留气体，在电解液脱气时间里，电磁转换器7停留在电解室1与氢分离器10相接的状态，脱气时间结束后，计时器5转换电磁转换器7到电解室1与氧分离器11相连的状态，而极性转换器2转换到相反的极性，与下一个氧循环相适应。此时在电解室1中的惰性电极上加上正电位，在活性电极加上负电位，就是说惰性电极变为阳极释放氧气，并通过电磁转换器7进入氧分离器11，之后通过打开的第二电磁阀9进入到氧气管路，同时进行活性电极的还原，反应为：fe(oh)2+2e^-＝2oh^-+fe，释放氧气的过程直到活性电极全部还原完。释放氧气和活性电极的还原过程伴随着电极上电压的下降从1.5～1.4伏，在控制模块6的控制下由比较器4追踪，当达到1.4伏时通过计时器5转换极性转换器2到断电状态，进入脱气时间排出电解液中残留气体，在这段时间电磁转换器7停留在氧循环状态下，脱气结束后，再进入下一个循环过程。

在装置工作正常状态时，液面位于位置2'和2"处，液体水位传感器不向控制模块6发送信号。液体水位传感器在如下情况向控制模块发送信号：液体水位传感器位置1'和1"处响应表明电解液高出规定位置，装置无法正常工作；随着电解水过程的进行电解液中的水会减少，液体水位传感器位置2'和2"处由原来的响应状态变为不响应，表明水位低于位置2'和2"处，当液体水位传感器位置3'和3"处响应时表明系统中电解液基本耗尽，此时控制模块6转换极性转换器2到断开状态，关闭第一电磁阀8、第二电磁阀9，打开供给泵向电解室注入蒸馏水，直到液体水位传感器2'和2"处再次响应，在装置注水结束后，控制模块6使装置返回到为了注水而中断的循环中。

本发明提供的装置中，极性转换器2保证了氢气、氧气分开制备，从而保证了低能耗和高效率；控制模块6、供给泵12、液体水位传感器的存在确保了及时向电解室1中供给水，从而提高装置操作可靠性；控制模块6与极性转换器2的相连保证了气体释放周期和脱气时间，从而降低了易爆混合气形成的概率，提高了安全性。

附图说明

图1为本发明的制备高压氢气和氧气的装置示意图；

图中：电解室1、极性转换器2、电流源3、比较器4、计时器5、控制模块6、电磁转换器7、第一电磁阀8、第二电磁阀9、氢分离器10、氧分离器11、液体水位传感器：位置1′和1"、位置2′和2"、位置3′和3"、供给泵12、反向阀13；活性电极14和惰性电极15

图2为电极部分放大结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，一种制备高压氢气和氧气的装置，由电解室1、极性转换器2、电流源3、比较器4、计时器5、控制模块6、电磁转换器7、第一电磁阀8、第二电磁阀9、氢分离器10、氧分离器11、供给泵12及反向阀13组成；其中，氢分离器10和氧分离器11等高放置，电解室1位于氢分离器10和氧分离器11下部，均竖直放置，以保证电解液自然循环；电解室1与氢分离器10和氧分离器11的下部通过液体管相连；电解室1中有多组电极，每组电极由活性电极14和惰性电极15交替构成，活性电极14和惰性电极15彼此分立，惰性电极15接到电解室1外壳上，电解室1外壳接地，活性电极14依次通过比较器4、计时器5与极性转换器2以及控制模块6相连；电磁转换器7位于氢分离器10和氧分离器1中间，并通过气体管分别与氢分离器10、氧分离器11以及电解室1的上部出气口连接，控制模块6通过第一电磁阀8和第二电磁阀9分别与氢分离器10和氧分离器11的上部出气口相连，并通过供给泵12经过反向阀13与氢分离器10和氧分离器11的下部相连。所有与控制模块连接的都是导线(图中虚线部分)，其他的是管路连接液体和气体管都是金属管(图中黑色粗线部分)。

进一步地，氢分离器10和氧分离器11中设有液体水位传感器，分为3个位置：位置1'和1"(分离器高度的60％)、位置2'和2"(分离器高度的45％)、位置3'和3"(分离器高度的30％)，液体水位传感器与控制模块6相连。

整个装置外形尺寸500х640х2500mm，质量为200千克，竖直放置的电解室体积40升，外壳高1050mm，直径219mm；惰性电极和活性电极为3组，活性电极为通过压块和烧结制得的铁、镍或者镍铁混合物的多孔合金块，孔径为30微米，质量为20kg，惰性电极为铁片，电解室中充满质量分数为20％的氢氧化钾。

控制模块schneiderelectricsr2b201bd，电磁阀burkekt2200,电磁转换器iorf32055，电源mws-350-24，极性转化器pef-319，比较器lm393，计时器ackonte8-10a，供给泵maximatorgx35，反向阀hrpckhb-g/1/4，液体水位传感器torrixstandart。氢分离器10为改装过的氢气瓶，氢气瓶截掉两端，然后用法兰在断口处和半球型壳体固定，氧分离器11为改装过的氧气瓶，氧气瓶截掉两端，然后用法兰在断口处和半球型壳体固定。

本发明的装置是这样工作的：

首先手动打开反向阀13，通过控制模块6打开供给泵12，关闭位于输送氢气和氧气的管路上的第一电磁阀8和第二电磁阀9；通过供给泵12向电解室1、氢分离器10和氧分离器11中注入电解液，当电解液达到位置2'和2"时，控制模块6关闭供给泵12然后手动关闭反向阀13，装置准备工作。

第一个为氢循环，计时器5转换电磁转换器7到氢分离器10与电解室1相连的状态，同时转换极性转换器2到相应的氢释放状态，就是说在电解室1的惰性电极上加上负电位，变成阴极，而在活性电极加上正电位变为阳极，这时候在阴极上释放氢气，氢气通过电磁转换器7进入到氢分离器10，之后通过打开的第一电磁阀8进入到氢气管路。同时阳极上释放的氧气被活性电极化学吸收。氢气的释放持续到活性电极全被氧化。此时氢循环伴随着电极上电压的升高，被比较器4追踪并维持在0.3-0.5v范围内，一但电压达到0.5v，比较器4发出脉冲信号给计时器5，计时器5转换极性转换器2到断电状态，进入脱气时间排出电解液中残留气体，在电解液脱气时间里，电磁转换器7停留在使电解室1与氢分离器10相接的状态，脱气时间结束后，计时器5转换电磁转换器7到电解室1与氧分离器11相连的状态，而极性转换器2转换到相反的极性，与下一个氧循环相适应。此时在电解室1中的惰性电极上加上正电位，在活性电极加上负电位，就是说惰性电极变为阳极释放氧气，并通过电磁转换器7进入氧分离器11，之后通过打开的第二电磁阀9进入到氧气管路，同时进行活性电极的还原，释放氧气的过程直到活性电极全部还原完。释放氧气和活性电极的还原过程伴随着电极上电压的下降从1.5到1.4伏，在控制模块6的控制下由比较器4追踪，当达到1.4伏时通过计时器5转换极性转换器2到断电状态，进入脱气时间，在这段时间电磁转换器7停留在氧循环状态下，脱气结束后，再进入下一个循环过程。

装置的氢气产量为0.5立方米/小时，氧气产量为0.25立方米/小时，气体产生的工作压强为0.1到15兆帕。气体产生的循环过程由控制系统自动控制。