便于检测水电解制氢装置中电极或隔膜性能的检测装置

技术领域

本发明属于水电解制氢技术领域，具体涉及一种便于检测水电解制氢装置中电极或隔膜性能的检测装置。

背景技术

目前，工业上常用的水电解制氢装置包括：制氢电解槽，制氢电解槽中安装有：将制氢电解槽分成阳极区域和阴极区域的隔膜，阳极区域中安装有电极阳极，阴极区域中安装有电极阴极，制氢电解槽工作时，槽中装有电解液，电解液通常为氢氧化钾或氢氧化钠溶液；氧碱处理单元，包括：氧分离器和氧气清洗器，氧分离器通过管道与制氢电解槽的阳极区域连通，用于将进入氧分离器的氧气和碱液的混合物在重力作用下进行气液分离，氧气清洗器通过管道与氧分离器连通，氧气清洗器中装有水，气液分离后的氧气经氧气清洗器中的水清洗后从氧气排放管道排出，氧气排放管道上设置有氧气调节阀；氢碱处理单元，包括：氢分离器和氢气清洗器，氢分离器通过管道与制氢电解槽的阴极区域连通，用于将进入氢分离器的氢气和碱液的混合物在重力作用下进行气液分离，氢气清洗器通过管道与氢分离器连通，氢气清洗器中装有水，气液分离后的氢气经氢气清洗器中的水清洗后从氢气排放管道排出，氢气排放管道上设置有氢气调节阀；氧分离器上设置有氧侧碱液回流管道，氢分离器上设置有氢侧碱液回流管道，氧侧碱液回流管道和氢侧碱液回流管道均和循环泵连通，回流的电解液通过循环泵回流至制氢电解槽的阴极区域中再循环使用，由于制氢电解槽中的电解液中的水不断消耗，还设置有外接水源的补水泵用来补水。由于氧侧碱液回流管道和氢侧碱液回流管道均和循环泵连通，因此需要保证氢分离器和氧分离器中的液位的平衡，避免气液互串造成危险，通常这种液位的平衡是通过控制氢分离器和氧分离器中的压力来实现的。

工业上的水电解制氢装置的产氢性能主要受制氢电解槽中的电极及隔膜的性能的影响。当在实验室中研发出新的能用于水电解制氢装置中的电极、隔膜后，需要检测研发出的新的电极、隔膜的性能。通常对新的电极、隔膜进行检测的方法如下：将制氢电解槽中原来正常工作的电极或隔膜拆下，然后将需要检测的电极或隔膜安装在制氢电解槽中，制氢电解槽的两端接电源，电源以恒电压模式工作，控制制氢装置的工作条件均与未更换电极或隔膜前相同，然后控制氢分离器和氧分离器的压力，使得氢分离器和氧分离器中的液位平衡，在此条件下制氢装置再平稳运行一段时间，通常为10分钟，取此时的电流数值与未更换电极或隔膜前相同工作条件下的电流的数值进行比较，电流数值高的水电解制氢装置产氢性能好，这样就能进而对研发的能用于水电解制氢装置中的电极或隔膜的性能进行检测与验证。

由于工业上的水电解制氢装置工作时，制氢系统中的压力一般在1.6-3.2MPa，产生的氢气的量通常在5-1000m

发明内容

本发明的目的是：提供一种便于检测水电解制氢装置中电极或隔膜性能的检测装置，该检测装置适用于在实验室中频繁操作调试、能常压下工作而不易造成安全隐患，且能对装有电极、隔膜的水电解制氢装置的工艺参数进行优化选择。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：便于检测水电解制氢装置中电极或隔膜性能的检测装置，包括：两端连接电源的测试电解槽，测试电解槽中能安装隔膜，测试电解槽的阳极区域中能安装电极阳极、阴极区域中能安装电极阴极；氧碱处理单元，包括：氧分离器和氧气清洗器，氧分离器通过管道与测试电解槽的阳极区域连通，氧气清洗器通过管道与氧分离器连通，氧气清洗器上设置有氧气排放管道，氧气排放管道上设置有氧气调节阀；氢碱处理单元，包括：氢分离器和氢气清洗器，氢分离器通过管道与测试电解槽的阴极区域连通，氢气清洗器通过管道与氢分离器连通，氢气清洗器上设置有氢气排放管道，氢气排放管道上设置有氢气调节阀；氧分离器上设置有氧侧碱液回流管道，氢分离器上设置有氢侧碱液回流管道，氧侧碱液回流管道和氢侧碱液回流管道均和循环泵连通，循环泵通过管道与测试电解槽的阴极区域连通；还设置有补水机构；氧分离器和氢分离器上分别设置有能够观察对应容器内液位的透明段，氧分离器上设置的透明段和和氢分离器上设置的透明段位于同一高度；氢气调节阀和氧气调节阀均为手动截止阀；氧分离器上设置有氧侧液位计，氢分离器上设置有氢侧液位计，氧侧液位计、氢侧液位计、电源均与控制器电信号连接。

进一步地，前述的便于检测水电解制氢装置中电极或隔膜性能的检测装置，其中：透明段的高度不小于15cm，透明段与所在容器的底端和顶端的距离均不小于5cm。

进一步地，前述的便于检测水电解制氢装置中电极或隔膜性能的检测装置，其中：氧侧液位计和氢侧液位计均为磁翻板液位计或均为液位开关。

进一步地，前述的便于检测水电解制氢装置中电极或隔膜性能的检测装置，其中：所述的补水机构包括：氢气清洗器下端和氧气清洗器下端之间设置的连通管，连通管上设置有连通阀，还设置有补水管，补水管上设置有补水阀，补水管设置在氧气清洗器和氧分离器之间、或者设置在氢气清洗器和氢分离器之间。

进一步地，前述的便于检测水电解制氢装置中电极或隔膜性能的检测装置，其中：氢气清洗器内腔上端和氧气清洗器的内腔上端分别设置有捕滴网。

进一步地，前述的便于检测水电解制氢装置中电极或隔膜性能的检测装置，其中：氧侧碱液回流管道和氢侧碱液回流管道均与加热器连通；工作时，碱液经加热器加热后再流入循环泵。

本发明的优点是：一、在氧分离器上设置氧透明段、在氢分离器上设置氢透明段，且氧透明段、氢透明段位于同一高度，从而能通过肉眼观察氧分离器和氢分离器中的液位变化，将氢气调节阀和氧气调节阀均设为手动截止阀从而便于当氧分离器和氢分离器液位变化时直接简便快捷手动控制氧气调节阀的开度大小，从而控制氧分离器和氢分离器中的压力，这种便于检测水电解制氢装置中电极或隔膜性能的检测装置结构简单，测试电解槽不需连接高压电源、工作时能耗低，检测装置能在常压下工作，氢气的产量小，不易有安全隐患，还能够通过氧透明段、氢透明段观察碱液中气液分离的时间，进而优化选择相关水电解制氢装置的工艺参数。二、氧分离器上设置有氧侧液位计，氢分离器上设置有氢侧液位计，氧侧液位计、氢侧液位计、电源均与控制器电信号连接，从而防止氧分离器和氢分离器中的液位相差过大或氧分离器和氢分离器中的液位太低而造成危险。三、本发明进一步的优点是：由连通管、连通阀、补水管、补水阀组成的补水机构结构简单，用在这种小产量的检测装置中，不需设置补水泵也能够方便高效及时地为测试电解槽中的电解液补水。

附图说明

图1是本发明所述的便于检测水电解制氢装置中电极或隔膜性能的检测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，便于检测水电解制氢装置中电极或隔膜性能的检测装置，包括：两端连接电源13的测试电解槽1，测试电解槽1中能安装隔膜，测试电解槽1的阳极区域中能安装电极阳极、阴极区域中能安装电极阴极；氧碱处理单元，包括：氧分离器2和氧气清洗器3，氧分离器2通过管道与测试电解槽1的阳极区域连通，氧气清洗器3通过管道与氧分离器2连通，氧气清洗器3上设置有氧气排放管道4，氧气排放管道4上设置有氧气调节阀41；氢碱处理单元，包括：氢分离器8和氢气清洗器7，氢分离器8通过管道与测试电解槽1的阴极区域连通，氢气清洗器7通过管道与氢分离器8连通，氢气清洗器7上设置有氢气排放管道5，氢气排放管道5上设置有氢气调节阀51；氧分离器2上设置有氧侧碱液回流管道22，氢分离器8上设置有氢侧碱液回流管道82，氧侧碱液回流管道22和氢侧碱液回流管道82均和循环泵12连通，循环泵12通过管道与测试电解槽1的阴极区域连通；氧分离器2和氢分离器8上分别设置有能够观察容器内液位的透明段，且氧分离器2上设置的透明段和氢分离器8上设置的透明段位于同一高度，为了便于描述，将氧分离器上设置的透明段称为氧透明段21，将氢分离器8上设置的透明段称为氢透明段81；氢气调节阀51和氧气调节阀41均为手动截止阀；氧分离器2上设置有氧侧液位计23，氢分离器8上设置有氢侧液位计83，氧侧液位计23、氢侧液位计83、电源13均与控制器电信号连接，在本实施例中，氧侧液位计23和氢侧液位计83均为磁翻板液位计。在实际使用中，氧侧液位计23和氢侧液位计83也可均采用液位开关。

在实际制作时，氧分离器2和氢分离器8高度均为45cm，直径均为10 cm，氢气清洗器7和氧气清洗器3的高度均为40cm，直径均为15cm，设计的氢气产量为0.1m

为了便于观察氧分离器2和氢分离器8中的液位变化，氧透明段21、氢透明段81的高度均不小于15cm，且氧透明段21、氢透明段81与所在容器的底端和顶端的距离均不小于5cm。制作时，氧透明段21、氢透明段81可采用聚四氟透明耐碱管材，位于透明段上方和下方的容器本体采用不锈钢制造。

在本实施例中，氢气清洗器内腔上端和氧气清洗器的内腔上端分别设置有捕滴网6，从而除去放空的氧气和氢气中的碱雾和液滴。

由于测试电解槽1工作时，其内的电解液的温度需要保持在80-85℃，因此氧侧碱液回流管道22和氢侧碱液回流管道82均与加热器11连通；工作时，碱液流入加热器11加热后再经循环泵12进入测试电解槽1的阴极区域。为了较好的控制电解液的温度，加热器11上设置有温度传感器，温度传感器与控制器电信号连接。

这种便于检测水电解制氢装置中电极或隔膜性能的检测装置工作时由于气体产量小，在进行单次或若干有限次数的检测工作时需要补充到测试电解槽1中的电解液中的水的量也较少，以氢气产量为0.1m

设置连通管91和连通阀92的目的是：在补水时打开连通阀92能保持整个系统中氢碱处理单元和氧碱处理单元中的液位平衡，补水结束应立即后关闭连通阀92。

用检测装置采用平行试验的方法对待检测的电极阳极或电极阴极或隔模的性能进行检测时，电极阳极、电极阴极、隔模三个变量中只允许有一个变量发生变化。例如，用检测装置检测电极阳极的性能时，进行一次平行测试的过程如下：一、关闭氢气截止阀51、氧气截止阀41，补水阀94、连通阀94，在安装有用以比对的电极阳极、电极阴极、隔膜的测试电解槽1、氧分离器2、以及氢分离器8中人工装入电解液，并使得氧分离器2和氢分离器8中装入的电解液的液位和透明段中部的工作液位标记平齐，打开连通阀92，在氢气清洗器7和氧气清洗器3中人工加入水后再将连通阀92关闭，然后打开循环泵12和加热器11，待测试电解槽1电解液的温度达到80-85℃后，打开电源13且电源13以恒电压的模式工作，输入电压为6V，由于水电解制氢过程中产生的氢气的产量是氧气的产量的两倍，采用氧气侧憋压的方式来使得氧分离器2和氢分离器8中的液位平衡，具体为：将氢气截止阀51全开，氧气截止阀41保持关闭，直至氧分离器2中的液位低于氢分离器8中的液位，然后缓缓打开氧气截止阀41，并根据氧分离器2和氢分离器8中的液位差进行调节氧气截止阀41，使得氧分离器2中的液位和氢分离器8中的液位平衡，然后检测装置在此状态下稳定运行10分钟，由于电源13上自带电流、电压显示，可记录此时电源13上显示的电流的大小A；二、拆下用以比对的电极阳极，将待检测的电极阳极安装在测试电解槽1中，其他因素即：电极阴极、隔膜、电解液浓度成分、电解槽工作温度、循环泵循环速度等均不变，重复上述的过程，记录到的电源13上显示的电流的大小为B，比较电流A和电流B的大小，数值高的检测装置的产氢性能高，即：如果电流A的数值小于电流B ,则待检测的电极阳极的性能比用以比对的电极阳极的性能好，如果电流A的数值大于电流B , 用以比对的电极阳极的性能比待检测的电极阳极的性能好。同样的，用检测装置采用平行试验的方法可以对研发出的新的电极阴极或隔膜的性能进行验证。

在氧分离器2上设置氧透明段21、在氢分离器8上设置氢透明段81，且氧透明段21、氢透明段81位于同一高度，从而能通过肉眼观察氧分离器2和氢分离器8中的液位变化，由于实验室中检测时需要频繁调节截止阀的开度，将氢气调节阀51和氧气调节阀41均设为手动截止阀从而便于氧分离器2和氢分离器8液位变化时直接简便快捷手动控制氧气调节阀41的开度大小，从而控制氧分离器2和氢分离器8中的压力，使得氧分离器2和氢分离器8中液位保持平衡，最终使得检测装置稳定工作。为了防止操作人员不在现场而导致氧分离器2和氢分离器8中的液位相差过大而发生危险，氧分离器2上设置有氧侧液位计23，氢分离器8上设置有氢侧液位计83，氧侧液位计23、氢侧液位计83、电源13均与控制器电信号连接。当氧侧液位计23、氢侧液位计83显示氧分离器2和氢分离器8中的液位差达到5cm时，控制器提醒操作人员必须调整液位；当氧侧液位计23、氢侧液位计83显示氧分离器2和氢分离器8中的液位差达到10cm时，控制器直接控制电源13关机；当氧侧液位计23或氢侧液位计83显示氧分离器2或氢分离器8中的液位达到最低液位标记时，控制器直接控制电源13关机，这里的最低液位为电解液在测试装置中正常循环所必需的液位，最低液位标记位于补水液位标记的下方。

设置氧透明段21、氢透明段81的另一目的在于：当确定研发的电极或隔膜的性能较好，还需要用检测装置在实验室中对安装有该电极或隔膜的水电解制氢装置工作的参数如：碱液循环速度、制氢电解槽工作温度进行优化选择，优化后的参数可以用在工业大生产中，从而不需用工业上的制氢装置来优化选择碱液循环速度、制氢电解槽1工作温度参数。由于未开始制氢前，氧分离器2和氢分离器8中的碱液是透明状态，而开始制氢后，由于有氧气和氢气产生，氧分离器2和氢分离器8中的碱液转为乳白色，检测装置稳定运行10分钟后，关闭电源13，然后通过氧透明段21、氢透明段81观察此时碱液中气液分离的状况，当乳白色碱液的碱液中的气体完全排出后，碱液颜色恢复到初始的透明状态，这个过程需要几分钟时间。通过平行实验比较不同工艺参数下的碱液的气液分离的时间，通常碱液的气液分离的时间越短越好，这个指标可以对水电解制氢装置工作时碱液循环速度、制氢电解槽1工作温度的参数进行优化选择。

本发明的优点是：一、在氧分离器2上设置氧透明段21、在氢分离器8上设置氢透明段81，且氧透明段21、氢透明段81位于同一高度，从而能通过肉眼观察氧分离器2和氢分离器8中的液位变化，将氢气调节阀51和氧气调节阀41均设为手动截止阀从而便于当氧分离器2和氢分离器8液位变化时直接简便快捷手动控制氧气调节阀41的开度大小，从而控制氧分离器2和氢分离器8中的压力，使得氧分离器2和氢分离器8中液位保持平衡，这种便于检测水电解制氢装置中电极或隔膜性能的检测装置结构简单，测试电解槽不需连接高压电源、工作时能耗低，检测装置能在常压下工作，氢气的产量小，不易有安全隐患，还能够通过氧透明段21、氢透明段81观察碱液中气液分离的时间，进而优化选择相关水电解制氢装置的工艺参数。二、氧分离器2上设置有氧侧液位计23，氢分离器8上设置有氢侧液位计83，氧侧液位计23、氢侧液位计83、电源13均与控制器电信号连接，从而防止氧分离器2和氢分离器8中的液位相差过大或氧分离器2和氢分离器8中的液位太低而造成危险。三、本发明进一步的优点是：由连通管91、连通阀92、补水管93、补水阀94组成的补水机构结构简单，用在这种小产量的检测装置中，不需设置补水泵也能够方便高效及时地为测试电解槽1中的电解液补水。