CN214032715U - 通过电解水生产氢的设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种通过电解水生产氢的设备，包括水电解槽、氢分离器、氧分离器、电解液混合器和循环泵；所述氢分离器具有氢分离器电解液出口；所述氧分离器具有氧分离器电解液出口，所述水电解槽包括阴极板、阴极金属网、阳离子交换膜、阳极金属网和阳极板；电解液混合器具有进口端和出口端，进口端分别与氢分离器电解液出口和氧分离器电解液出口相连；所述循环泵具有循环泵入口和循环泵出口，循环泵入口与电解液混合器的出口端相连，循环泵出口与水电解槽相连。本实用新型的设备可以提高电解效率，节能降耗以及提高生产稳定性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种通过电解水生产氢的设备。
背景技术
传统的碱性电解水制氢装置一般采用隔膜，电解效率为70～80％，并且，氢气中氧气含量稍高，需要采取一定的装置来提高电解水制氢的安全性。水电解槽中的阴极板和阳极板之间的距离较大，导致阴极和阳极之间的电阻较大，不利于提高电解效率。此外，氢分离器和氧分离器中分离出来的电解液一般直接流入水电解槽，不利于水电解槽内的电解液浓度的平衡。以下研究对电解水制氢装置进行了一定的改进。
CN110023542A公开了一种复极式电解槽，使用含有无机颗粒的多孔膜作为隔膜。该复极式电解槽具备复数组阳极、阴极以及配置在上述阳极和上述阴极之间的隔膜，阳极和阴极的平均孔径为10nm以上200nm以下，上述隔膜含有平均一次粒径为20nm以上300nm以下的无机颗粒。该专利文献通过优化阳极、阴极结构或隔膜结构以维持优异的电解效率和提高产生的气体的纯度，但未提及如何处理氢分离器和氧分离器中分离出来的电解液。
CN206706217U公开了一种零极距多涂层氢发生器装置，包括下罩板、阳极、离子膜、阴极和上罩板，阳极的顶部设置有一阳极涂层，且阳极的底部设置有另一阳极涂层，离子膜的顶部设置有一离子膜涂层，且离子膜的底部设置有另一离子膜涂层，离子膜安装在阳极的顶部，阴极的顶部设置有一阴极涂层，且阴极的底部设置有另一阴极涂层，阴极安装在离子膜的顶部。该专利文献更适用于纯水电解，并且不适于工业化生产。
CN105483747A公开了一种电解水制氢气的装置。阴极室和阳极室由双极膜分割而成。由阳离子交换膜和阴离子交换膜复合而成双极膜。该专利文献可以克服耗电量大、制氢成本高的缺陷，但未提及电解效率。此外，该装置结构较复杂，不利于推广应用。
由此，还需要对碱性电解水制氢装置进一步改进。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种通过电解水生产氢的设备。本实用新型的设备可以使得水电解制氢的电解效率大大提高。具体地，电解效率可由传统的70～80％提高至95％以上。进一步地，该设备可以节能降耗，可以将氢分离器和氧分离器中分离出的电解液混合后输送至水电解槽，使得电解液浓度均衡，提高生产的稳定性，这样也有利于电解效率的提高。
本实用新型通过如下技术方案达到上述目的。
本实用新型提供一种通过电解水生产氢的设备，所述的设备包括氢分离器、氧分离器、水电解槽电解液、电解液混合器和循环泵；
所述水电解槽具有氢气液出口和氧气液出口；
所述氢分离器具有氢气液进口、氢气出口和氢分离器电解液出口，氢分离器用于分离氢气和电解液，氢气液进口与水电解槽的氢气液出口相连；
所述氧分离器具有氧气液进口、氧气出口和氧分离器电解液出口，氧分离器用于分离氧气和电解液，氧气液进口与水电解槽的氧气液出口相连；
所述水电解槽还包括阴极板、阴极金属网、阳离子交换膜、阳极金属网和阳极板；
所述阴极金属网设置于阴极板和阳离子交换膜之间，且其两侧分别紧贴阴极板和阳离子交换膜设置，阴极板和阳离子交换膜之间形成阴极室，阴极室用于充入阴极电解液；所述阴极室与氢气液出口相连通；
阳极金属网设置于阳极板和阳离子交换膜之间，且其两侧分别紧贴阳极板和阳离子交换膜设置，阳极板和阳离子交换膜之间形成阳极室，阳极室用于充入阳极电解液；所述阳极室与氧气液出口相连通；
电解液混合器具有进口端和出口端，进口端分别与氢分离器的氢分离器电解液出口和氧分离器的氧分离器电解液出口相连；
循环泵具有循环泵入口和循环泵出口，循环泵入口与电解液混合器的出口端相连，循环泵出口与水电解槽相连。
根据本实用新型的设备，优选地，还包括平衡管，其分别与氧分离器电解液出口和氢分离器电解液出口相连，平衡管用于平衡所述氢分离器和氧分离器的液位。
根据本实用新型的设备，优选地，还包括氢洗涤器和氧洗涤器，其中，
所述氢洗涤器具有待洗氢气进口、氢洗涤器除盐水进口和洗涤氢气出口；所述待洗氢气进口与氢分离器的氢气出口相连；
所述氧洗涤器具有待洗氧气进口、氧洗涤器除盐水进口和洗涤氧气出口；所述待洗氧气进口与氧分离器的氧气出口相连。
根据本实用新型的设备，优选地，还包括氢气提纯设备，所述氢气提纯设备与所述氢洗涤器的洗涤氢气出口相连。
根据本实用新型的设备，优选地，还包括氧气提纯设备，所述氧气提纯设备与所述氧洗涤器的洗涤氧气出口相连。
根据本实用新型的设备，优选地，所述氢洗涤器还具有氢洗涤器洗涤液出口，其用于排出氢洗涤器洗涤氢气产生的洗涤液；所述氧洗涤器还具有氧洗涤器洗涤液出口，其用于排出氧洗涤器洗涤氧气产生的洗涤液。
根据本实用新型的设备，优选地，所述氢分离器还具有氢分离器洗涤液进口，所述氢分离器洗涤液进口与所述氢洗涤器洗涤液出口相连。
根据本实用新型的设备，优选地，所述氧分离器还具有氧分离器洗涤液进口，所述氧分离器洗涤液进口与所述氧洗涤器洗涤液出口相连。
根据本实用新型的设备，优选地，还包括纯化水设备，所述纯化水设备用于将水纯化，纯化水设备具有纯化水设备出口，纯化水设备出口分别与氢洗涤器除盐水进口和氧洗涤器除盐水进口相连。
根据本实用新型的设备，优选地，还包括进料泵，进料泵具有进料泵入口和进料泵出口，进料泵入口与纯化水设备出口相连，进料泵出口分别与氢洗涤器除盐水进口和氧洗涤器除盐水进口相连。
本实用新型的设备中，阴极、阳离子交换膜和阳极之间相当于零极距，电阻最小，可以节能降耗，并且采用阳离子交换膜代替传统的隔膜，电解效率大大提高，电解效率可由传统的70～80％提高至95％以上。进一步地，可以将氢分离器和氧分离器中分离出的电解液混合后输送至水电解槽，使得电解液浓度均衡，提高生产的稳定性。由于采用了阳离子交换膜，本实用新型设备还可以更大限度地避免氢气和氧气混合发生爆炸安全事故。此外，零极距减轻了运行中阳离子交换膜的震动，阳离子交换膜产生针孔的情况大幅降低，因此电极的寿命也能够得到延长。
附图说明
图1为本实用新型的一种通过电解水生产氢的设备示意图。
附图标记说明如下：
100-水电解槽，110-阴极板，120-阴极金属网，130-阳离子交换膜，140-阳极金属网，150-阳极板，210-氢分离器，220-氧分离器，310-氢洗涤器，320-氧洗涤器，400-电解液混合器，500-循环泵，600-纯化水设备，700-进料泵。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本实用新型作进一步的说明，但本实用新型的保护范围并不限于此。
本实用新型的通过电解水生产氢的设备包括水电解槽、氢分离器、氧分离器、氢洗涤器、氧洗涤器、电解液混合器、循环泵。任选地，本实用新型的通过电解水生产氢的设备还可以包括纯化水设备、进料泵、氢气提纯设备和氧气提纯设备。任选地，本实用新型的通过电解水生产氢的设备还可以包括平衡管。下面进行详细描述。
<水电解槽>
在本实用新型中，水电解槽具有氢气液出口和氧气液出口。氢气液出口用于排出氢气和电解液的混合物。氧气液出口用于排出氧气和电解液的混合物。
本实用新型的水电解槽包括阴极板、阴极金属网、阳离子交换膜、阳极金属网和阳极板。这样有利于形成零极距的水电解槽，大大减小阴极、阳离子交换膜和阳极之间的电阻，节能降耗，提高电解效率。
阴极金属网设置于阴极板和阳离子交换膜之间。阴极金属网的两侧分别紧贴阴极板和阳离子交换膜设置。阴极板和阳离子交换膜之间形成阴极室，阴极室用于充入阴极电解液。阴极金属网位于阴极室内。
阴极室与氢气液出口相连通。这样可以将产生的氢气和电解液的混合物排出。
阳极金属网设置于阳极板和阳离子交换膜之间，阳极金属网的两侧分别紧贴阳极板和阳离子交换膜设置。阳极板和阳离子交换膜之间形成阳极室，阳极室用于充入阳极电解液。阳极金属网位于阳极室内。
阳极室与氧气液出口相连通。这样可以将阳极室产生的氧气和电解液的混合物排出。
根据电解水的原理，阴极室产生氢气，所产生的氢气由氢气液出口排出至氢分离器；阳极室产生氧气，所产生的氧气由氧气液出口排出至氧分离器。
在本实用新型中，阳极室和阴极室均为多组。
在本实用新型中，阴极、阳离子交换膜和阳极之间零极距，因而电阻最小，并且采用阳离子交换膜代替传统的隔膜，这样电解效率大大提高。电解效率可由传统的70～80％提高至95％以上，并可以节能降耗。根据本实用新型优选的一个实施方式，阳离子交换膜为全氟磺酸阳离子交换膜。
在本实用新型中，阳离子(比如Na+/H+/K+/Li+)可以通过阳离子交换膜进入阴极，阻止OH-、O2 -和气体通过，可以更大限度地避免氢气和氧气混合发生爆炸安全事故。金属网表面光滑无毛刺，不会对阳离子交换膜造成损伤，而且零极距减轻了运行中阳离子交换膜的震动，阳离子交换膜产生针孔的情况大幅降低，因此电极的寿命也能够得到延长。
在本实用新型中，除了阴极室和阳极室的结构，水电解槽的其他结构可以采用本领域已知的那些。比如，本实用新型的水电解槽还包括绝缘板、极框、密封垫片等。
<氢分离器>
本实用新型的氢分离器具有氢气液进口、氢气出口、氢分离器电解液出口和氢分离器洗涤液进口。氢分离器用于分离氢气和电解液。这样可以将氢气和电解液的混合物进行分离并得到氢气和电解液，从而有利于氢气的进一步纯化。
氢气液进口与水电解槽的氢气液出口相连，即水电解槽产生的氢气和电解液的混合物进入氢分离器。氢气出口用于排出分离掉大部分电解液的氢气。氢分离器电解液出口用于排出分离出来的电解液至电解液混合器。
<氢洗涤器>
本实用新型的氢洗涤器具有待洗氢气进口、氢洗涤器除盐水进口、洗涤氢气出口和氢洗涤器洗涤液出口。氢洗涤器用于洗涤氢气中的电解液(碱液)。待洗氢气进口与氢分离器的氢气出口相连。洗涤氢气出口与氢气提纯设备相连。氢气提纯设备用于将氢洗涤器得到的洗涤氢气进一步纯化。氢洗涤器的氢洗涤器洗涤液出口与氢分离器的氢分离器洗涤液进口相连。这样可以将氢洗涤器产生的洗涤液排入至氢分离器，进而排入至水电解槽，实现洗涤液的循环利用，节约资源，更环保。
<氧分离器>
本实用新型的氧分离器具有氧气液进口、氧气出口、氧分离器电解液出口和氧分离器洗涤液进口。氧分离器用于分离氧气和电解液。氧气液进口与水电解槽的氧气液出口相连，即水电解槽将产生的氧气和电解液的混合物排出至氧分离器进行分离。氧气出口用于排出分离掉大部分电解液的氧气至氧洗涤器。氧分离器电解液出口用于排出分离出来的电解液至电解液混合器。
<氧洗涤器>
本实用新型的氧洗涤器具有待洗氧气进口、氧洗涤器除盐水进口、洗涤氧气出口和氧洗涤器洗涤液出口。氧洗涤器用于洗涤氧气中的电解液(碱液)。待洗氧气进口与氧分离器的氧气出口相连。洗涤氧气出口与氧气提纯设备相连。氧气提纯设备用于将氧洗涤器得到的洗涤氧气进一步纯化。氧洗涤器的氧洗涤器洗涤液出口与氧分离器的氧分离器洗涤液进口相连。这样可以使得氧洗涤器产生的洗涤液排入氧分离器，进而输送至水电解槽，实现洗涤液资源的循环利用，更环保。
<电解液混合器>
本实用新型的电解液混合器具有进口端和出口端。电解液混合器用于对电解液进行有效混合。进口端分别与氢分离器的氢分离器电解液出口和氧分离器的氧分离器电解液出口相连。电解液混合器将来自氢分离器和氧分离器中的电解液进行有效混合，通过循环泵将电解液通入水电解槽内。这样可以避免阴极室和阳极室内的电解液的浓度差，提高生产的稳定性，并进而有利于电解效率的提高。
<循环泵>
本实用新型的循环泵具有循环泵入口和循环泵出口。循环泵入口与电解液混合器的出口端相连，循环泵出口与水电解槽相连。这样有利于提高电解液的输送效率。循环泵的结构没有特别限定，能实现本实用新型的循环泵的功能即可。
这样，本实用新型就实现了零极距混合式阳离子交换膜电解水制氢。在本实用新型中，氢分离器、氢洗涤器、氧分离器、氧洗涤器、电解液混合器的结构没有特别限定，可以采用本领域已知的那些。
<平衡管>
本实用新型的设备还可以包括平衡管。平衡管分别与氧分离器的氧分离器电解液出口和氢分离器的氢分离器电解液出口相连，平衡管用于平衡氢分离器和氧分离器的液位。
<纯化水设备>
在本实用新型中，纯化水设备用于将水纯化，主要是用于除盐而得到除盐水。纯化水设备具有纯化水设备出口。在本实用新型中，纯化水设备的结构没有特别限定，可以采用本领域已知的那些。
<进料泵>
在本实用新型中，可以通过进料泵将纯化水设备产生的纯化水分别输送至氢洗涤器和氧洗涤器。
进料泵具有进料泵入口和进料泵出口。进料泵入口与纯化水设备出口相连，进料泵出口分别与氢洗涤器的氢洗涤器除盐水进口和氧洗涤器的氧洗涤器除盐水进口相连。纯化水设备通过进料泵向氢洗涤器和氧洗涤器内通入纯化水，即通入除盐水，从而分别将氢洗涤器内的氢气进行洗涤除去碱液，以及将氧洗涤器内的氧气进行洗涤除去碱液。在本实用新型中，进料泵的结构没有特别限定，能够实现本实用新型的进料泵的功能即可，可以采用本领域常见的那些。
下面介绍上述设备的使用方法：除盐水(即纯化水)通过进料泵输送至氢洗涤器和氧洗涤器中；氢洗涤器中的洗涤液自流至氢分离器中；氧洗涤器中的洗涤液自流至氧分离器；阴极室内产出的氢气夹带电解液(即氢气和电解液的混合物)进入氢分离器内，电解液自流至电解液混合器内，氢气进入氢洗涤器内，从氢洗涤器的洗涤氢气出口排出至氢气提纯设备；阳极室内产出的氧气夹带电解液(即氧气和电解液的混合物)进入氧分离器内，电解液自流至电解液混合器内，氧气进入氧洗涤器内，从氧洗涤器的洗涤氧气出口排出至氧气提纯设备；来自氢分离器和氧分离器中的电解液在电解液混合器内得到有效混合，通过循环泵输送至水电解槽。
实施例1
图1为本实用新型的一种通过电解水生产氢的设备示意图。
如图1所示，本实施例的通过电解水生产氢的设备包括水电解槽100、氢分离器210、氧分离器220、氢洗涤器310、氧洗涤器320、电解液混合器400、循环泵500、纯化水设备600、进料泵700、氢气提纯设备(未示出)和氧气提纯设备(未示出)。
水电解槽100具有氢气液出口和氧气液出口。氢气液出口排出氢气和电解液的混合物。氧气液出口排出氧气和电解液的混合物。
水电解槽100包括阴极板110、阴极金属网120、阳离子交换膜130、阳极金属网140和阳极板150。
阴极金属网120设置于阴极板110和阳离子交换膜130之间，阴极金属网120的两侧分别紧贴阴极板110和阳离子交换膜130设置。阴极板110和阳离子交换膜130之间形成阴极室，阴极室容纳阴极电解液。阴极金属网120位于阴极室内。阴极室与氢气液出口相连通。
阳极金属网140设置于阳极板150和阳离子交换膜130之间，阳极金属网140的两侧分别紧贴阳极板150和阳离子交换膜130设置。阳极板150和阳离子交换膜130之间形成阳极室，阳极室容纳阳极电解液。阳极金属网140位于阳极室内。阳极室与氧气液出口相连通。
由于阴极金属网120和阳极金属网140的厚度很小，相当于阴极、阳离子交换膜130和阳极之间零极距，这样电阻最小，并且采用阳离子交换膜代替传统的隔膜，这样电解效率大大提高，电解效率可由传统的70～80％提高至95％以上。
本实施例中，阳离子交换膜130为全氟磺酸阳离子交换膜。
氢分离器210具有氢气液进口、氢气出口、氢分离器电解液出口和氢分离器洗涤液进口。氢分离器210分离氢气和电解液。氢气液进口与水电解槽100的氢气液出口相连，即水电解槽100产生的氢气和电解液的混合物进入氢分离器210。
氢洗涤器310具有待洗氢气进口、氢洗涤器除盐水进口、洗涤氢气出口和氢洗涤器洗涤液出口。待洗氢气进口与氢分离器210的氢气出口相连。洗涤氢气出口与氢气提纯设备相连。氢洗涤器310的氢洗涤器洗涤液出口与氢分离器210的氢分离器洗涤液进口相连。
氧分离器220具有氧气液进口、氧气出口、氧分离器电解液出口和氧分离器洗涤液进口。氧分离器220分离氧气和电解液。氧气液进口与水电解槽100的氧气液出口相连。
氧洗涤器320具有待洗氧气进口、氧洗涤器除盐水进口、洗涤氧气出口和氧洗涤器洗涤液出口。待洗氧气进口与氧分离器220的氧气出口相连。洗涤氧气出口与氧气提纯设备相连。氧洗涤器320的氧洗涤器洗涤液出口与氧分离器220的氧分离器洗涤液进口相连。
电解液混合器400具有进口端和出口端。进口端分别与氢分离器210的氢分离器电解液出口和氧分离器220的氧分离器电解液出口相连。来自氢分离器210和氧分离器220中的电解液在电解液混合器400中有效混合，经过循环泵500通入水电解槽100内。
循环泵500具有循环泵入口和循环泵出口。循环泵入口与电解液混合器400的出口端相连，循环泵出口与阳极室和阴极室相连。
纯化水设备600将水纯化，得到除盐水。纯化水设备600具有纯化水设备出口。
进料泵700具有进料泵入口和进料泵出口。进料泵入口与纯化水设备出口相连，进料泵出口分别与氢洗涤器310的氢洗涤器除盐水进口和氧洗涤器320的氧洗涤器除盐水进口相连。纯化水设备600通过进料泵700向氢洗涤器310和氧洗涤器320内通入除盐水。
实施例2
除了以下设置之外，其余与实施例1相同：
本实施例的通过电解水生产氢的设备还包括平衡管(未示出)。平衡管分别与氧分离器220的氧分离器电解液出口和氢分离器210的氢分离器电解液出口相连，用于平衡氢分离器210和氧分离器220的液位。
本实用新型并不限于上述实施方式，在不背离本实用新型的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本实用新型的范围。
Claims (10)
1.一种通过电解水生产氢的设备，其特征在于：
所述的设备包括氢分离器、氧分离器、水电解槽、电解液混合器和循环泵；
所述水电解槽具有氢气液出口和氧气液出口；
所述氢分离器具有氢气液进口、氢气出口和氢分离器电解液出口，氢分离器用于分离氢气和电解液，氢气液进口与水电解槽的氢气液出口相连；
所述氧分离器具有氧气液进口、氧气出口和氧分离器电解液出口，氧分离器用于分离氧气和电解液，氧气液进口与水电解槽的氧气液出口相连；
所述水电解槽还包括阴极板、阴极金属网、阳离子交换膜、阳极金属网和阳极板；
所述阴极金属网设置于阴极板和阳离子交换膜之间，且其两侧分别紧贴阴极板和阳离子交换膜设置，阴极板和阳离子交换膜之间形成阴极室，阴极室用于充入阴极电解液；所述阴极室与氢气液出口相连通；
阳极金属网设置于阳极板和阳离子交换膜之间，且其两侧分别紧贴阳极板和阳离子交换膜设置，阳极板和阳离子交换膜之间形成阳极室，阳极室用于充入阳极电解液；所述阳极室与氧气液出口相连通；
电解液混合器具有进口端和出口端，进口端分别与氢分离器的氢分离器电解液出口和氧分离器的氧分离器电解液出口相连；
循环泵具有循环泵入口和循环泵出口，循环泵入口与电解液混合器的出口端相连，循环泵出口与水电解槽相连。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述的设备还包括平衡管，其分别与氧分离器电解液出口和氢分离器电解液出口相连，平衡管用于平衡所述氢分离器和氧分离器的液位。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述的设备还包括氢洗涤器和氧洗涤器；
所述氢洗涤器具有待洗氢气进口、氢洗涤器除盐水进口和洗涤氢气出口；所述待洗氢气进口与氢分离器的氢气出口相连；
所述氧洗涤器具有待洗氧气进口、氧洗涤器除盐水进口和洗涤氧气出口；所述待洗氧气进口与氧分离器的氧气出口相连。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述的设备还包括氢气提纯设备，所述氢气提纯设备与所述氢洗涤器的洗涤氢气出口相连。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述的设备还包括氧气提纯设备，所述氧气提纯设备与所述氧洗涤器的洗涤氧气出口相连。
6.根据权利要求3～5任一项所述的设备，其特征在于：
所述氢洗涤器还具有氢洗涤器洗涤液出口，其用于排出氢洗涤器洗涤氢气产生的洗涤液；
所述氧洗涤器还具有氧洗涤器洗涤液出口，其用于排出氧洗涤器洗涤氧气产生的洗涤液。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述氢分离器还具有氢分离器洗涤液进口，所述氢分离器洗涤液进口与所述氢洗涤器洗涤液出口相连。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述氧分离器还具有氧分离器洗涤液进口，所述氧分离器洗涤液进口与所述氧洗涤器洗涤液出口相连。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述的设备还包括纯化水设备，所述纯化水设备用于将水纯化，纯化水设备具有纯化水设备出口，纯化水设备出口分别与氢洗涤器除盐水进口和氧洗涤器除盐水进口相连。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述的设备还包括进料泵，进料泵具有进料泵入口和进料泵出口，进料泵入口与纯化水设备出口相连，进料泵出口分别与氢洗涤器除盐水进口和氧洗涤器除盐水进口相连。
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