一种压力平衡式质子交换膜水电解槽装置的制作方法

1.本发明涉及质子交换膜水电解槽技术领域，尤其是涉及一种压力平衡式质子交换膜水电解槽装置。


背景技术：

2.pem制氢水电解槽氢气出口的压力范围0～3.5mpag，电解水进出口压力范围0～1.5mpag，现有水电解槽是放置在常温环境下，故水电解槽相对于环境有较高的压力差，阴极气室与环境压差最大可达到3.5mpa。阳极气室与环境压差最大可达1.5mpa。
3.pem制氢对水电解槽密封材料有非常高的要求，现有材料满足要求的种类较少，且价格昂贵，制约水电解槽的成本和商业应用范围。pem制氢设备中在密封结构及密封材料的成本上居高不下，限制了此领域的工业化推广。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种压力平衡式质子交换膜水电解槽装置，以此实现了质子交换膜水电解槽内氢气腔体压力和水腔腔体的压力保持平衡，提高膜电极的使用寿命和降低对密封材料的要求。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.本发明的目的是提供一种压力平衡式质子交换膜水电解槽装置，包括电解槽、电解进水管路、电解槽氢气管路、电解水蓄水池、单作用气缸，其中具体地：
7.电解槽中设有质子交换膜膜电极，所述质子交换膜膜电极将电解槽的内腔分隔为电解池水腔和电解池气腔；
8.电解进水管路设于所述电解槽上且与所述电解池水腔连接；
9.电解槽氢气管路设于所述电解槽上且与所述电解池气腔连接，所述电解槽氢气管路与外部的氢气储罐连接；
10.电解水蓄水池与所述电解进水管路连接；
11.单作用气缸设于所述电解槽上，所述单作用气缸的气缸本体中设有第一活塞，所述单作用气缸的输出端设有第二活塞，所述第二活塞置于电解池水腔中，实现电解池水腔的压力调节。
12.进一步地，所述电解槽的顶部设有垂向设置的柱形凸包，所述第二活塞设于所述柱形凸包中。
13.进一步地，所述柱形凸包的内径与所述第二活塞匹配。
14.进一步地，所述单作用气缸的气缸本体与所述电解槽氢气管路连接，实现单作用气缸的气缸本体与所述电解池气腔的压力平衡。
15.进一步地，所述电解槽氢气管路上设有单向阀；
16.所述电解槽氢气管路与氢气储罐之间还设有氢气水气分离器。
17.进一步地，所述电解水蓄水池的输出口与电解进水管路之间设有水泵。
18.进一步地，所述电解进水管路上设有补水流量调节阀。
19.进一步地，所述压力平衡式质子交换膜水电解槽装置还包括水位控制组件，所述水位控制组件包括监测电解池水腔水位的水腔液位计和与电解池水腔顶部连接的水腔补水管路，所述水腔补水管路上设有电磁阀，所述电磁阀与所述水腔液位计电连接。
20.进一步地，所述压力平衡式质子交换膜水电解槽装置还包括控制器；
21.所述电解池水腔和电解池气腔上分别匹配设有电解槽水腔压力计和电解槽气体压力计；
22.所述控制器分别与所述水腔液位计、电磁阀、电解槽水腔压力计、电解槽气体压力计电连接。
23.进一步地，所述压力平衡式质子交换膜水电解槽装置还包括水腔回水管路，所述水腔回水管路的一端接于所述电解池水腔顶部，另一端与所述电解水蓄水池连接。
24.与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：
25.本技术方案中压力平衡式质子交换膜水电解槽构建了稳压且可调压的整体结构，确保了质子交换膜水电解槽内氢气腔体压力和水腔腔体的压力保持平衡，提高膜电极的使用寿命和降低对密封材料的要求，从而达到提高电解槽的使用周期、降低材料成本。
附图说明
26.图1为本技术方案中压力平衡式质子交换膜水电解槽装置的结构示意图。
27.图中：10电解水蓄水池；100水泵；101补水流量调节阀；102电解进水管路；20电解槽；200电解池水腔；201电解池气腔；202质子交换膜膜电极；203水腔活塞；204单作用气缸；205电解槽水腔压力计；206电解槽气体压力计；207水腔液位计；301电解槽氢气管路；302氢气水气分离器；303氢气储罐，304单向阀；401水腔补水管路；402电解水流量调节阀；501水腔回水管路；601电解水回路。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的结构/模块名称、控制模式、算法、工艺过程或组成配比等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。
29.本发明中压力平衡式质子交换膜水电解槽装置，包括电解槽20、电解进水管路102、电解槽氢气管路301、电解水蓄水池10、单作用气缸204，其中具体地参见图1。
30.电解槽20中设有质子交换膜膜电极202，所述质子交换膜膜电极202将电解槽20的内腔分隔为电解池水腔200和电解池气腔201。电解槽20的顶部设有垂向设置的柱形凸包，所述第二活塞设于所述柱形凸包中。柱形凸包的内径与所述第二活塞匹配。
31.单作用气缸204设于所述电解槽20上，所述单作用气缸204的气缸本体中设有第一活塞，所述单作用气缸204的输出端设有第二活塞，所述第二活塞置于电解池水腔200中，实现电解池水腔200的压力调节。单作用气缸204的气缸本体与所述电解槽氢气管路301连接，实现单作用气缸204的气缸本体与所述电解池气腔201的压力平衡。
32.电解进水管路102设于所述电解槽20上且与所述电解池水腔200连接。电解槽氢气管路301设于所述电解槽20上且与所述电解池气腔201连接，所述电解槽氢气管路301与外
部的氢气储罐303连接；电解水蓄水池10与所述电解进水管路102连接；电解槽氢气管路301上设有单向阀304；所述电解槽氢气管路301与氢气储罐303之间还设有氢气水气分离器302。
33.电解水蓄水池10的输出口与电解进水管路102之间设有水泵100。电解进水管路102上设有补水流量调节阀101。
34.压力平衡式质子交换膜水电解槽装置还包括水位控制组件，所述水位控制组件包括监测电解池水腔200水位的水腔液位计207和与电解池水腔200顶部连接的水腔补水管路401，所述水腔补水管路401上设有电磁阀，所述电磁阀与所述水腔液位计207电连接。
35.压力平衡式质子交换膜水电解槽装置还包括控制器，所述控制器为单片机或x86架构、arm架构、risc-v架构处理器中的一种。
36.电解池水腔200和电解池气腔201上分别匹配设有电解槽水腔压力计205和电解槽气体压力计206。控制器分别与所述水腔液位计207、本技术方案中各个电磁阀、电解槽水腔压力计205、电解槽气体压力计206电连接，以此按照需要实现简单的控制过程。
37.压力平衡式质子交换膜水电解槽装置还包括水腔回水管路501，所述水腔回水管路501的一端接于所述电解池水腔200顶部，另一端与所述电解水蓄水池10连接。
38.工作原理说明：
39.1.本技术方案中压力平衡式质子交换膜水电解槽结构目的是为了确保质子交换膜水电解槽内氢气腔体压力和水腔腔体的压力保持平衡。提高膜电极的使用寿命和降低对密封材料的要求，从而达到提高电解槽的使用周期、降低材料成本。
40.2.本技术方案中电解槽水腔200中的水包含电解制氢的水(由102管路进入槽内)和平衡压力的补给水(由401进入槽内)，此两路进入电解槽的水流量均可调，槽内压力由水泵100产生。槽内压力由205显示。电解槽内水的体积由液位计207显示；当液位计显示缺水时，此时调节流量阀402，水腔补水管路401进行补水，当水腔压力计205显示压力超过规定压力时，调小或关闭流量阀402断开补水管路，同时调小进电解槽的管路101阀门，减少进入槽内的电解水。
41.3.本技术方案中电解槽氢水腔腔体设置有活塞203，与单作用气缸204连接，单作用气缸缸体内部由电解槽产生的氢气填充，缸体缸作用面s1，水腔腔体活塞面积s2。电解槽氢气腔体压力由压力计206显示。
42.4.本技术方案中电解槽氢气腔体产生的氢气经过水气分离器302后，一部分进入储气罐303，管路上布置有单向阀304，另一部分进入单做用气缸204。单做用气缸复位为弹簧复位。
43.5.本技术方案中单作用气缸内部的气体压力和电解槽产生氢气的压力大致相同，当气缸活塞作用面积s1大于电解槽活塞面积s2，此时气缸活塞推力大于电解槽活塞推力。当气缸活塞作用面积s1等于电解槽活塞面积s2，此时槽内气腔活塞推力与气缸内部活塞推力相同。当气缸活塞面积＜电解槽活塞面积s2，此时气缸活塞推力小于电解槽活塞推力。
44.6.当电解槽运行快速变载时，通过提前设置好气缸活塞面积和槽体水腔活塞面积确保电解槽水腔压力和气腔压力能够达到动态平衡。
45.7.由电解槽水腔压力和氢气腔体压力值匹配可以推算出出合理的气缸活塞作用面积和电解槽活塞作用面积比。
46.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。