电解制取高压氢气和氧气的系统

技术领域

本发明涉及一种电解制取高压氢气和氧气的系统，属于在压力电解槽中制取氢气和氧气的技术领域。

背景技术

氢气和氧气是常用工业和生活原料，氢气还是重要的能源原料。中国为了实现碳达峰与碳中和的目标，氢气作为替代传统含碳化石能源原料的一种重要绿色清洁能源原料已列入国家氢能产业发展目标规划中。目前氢气和氧气的储存和运输较多地采用压力气态储运方式，包括管道压力输送和压力罐储存运输。

通过电解水液来制氢气和氧气是现有主要制取氢气和氧气的技术，但一般是常压状态下电解制氢氧气，然后再通过压缩机对制取的氢气氧气加压后打入管道或储罐中。如公开号CN108692185A的中国专利申请公开了一种《高压高纯氢气制氢加氢一体机》。

已知的压力电解制氢氧气的循环系统，一般氢气和氧气是分开进行气液分离和储存的。如公开号CN113089022A中国专利申请公开的《一种碱性制氢电解槽的碱液循环系统及其

工作方法》。 由于一分子水产生一个氢气分子和半个氧气分子，因此电解水液时产生的氢气比氧气多。这样，对于分开的氢气气液分离储罐与氧气气液分离储罐来说，两个罐内气体体积和压力就不同，由此导致整个电解循环系统的压力不平衡，难以稳定通过电解产气来得到高压的氢气和氧气。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何稳定地电解制取高压氢气和氧气。

本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种电解制取高压氢气和氧气的系统，包括电解槽、气液分离储罐、泵、液位传感器、管路和阀，电解槽采用多层电解槽单元的平面构件叠拼而成，气液分离储罐内盛有未充满所述储罐的电解液，电解槽、气液分离储罐、泵、管路和阀均是密封耐压结构，所述气液分离储罐的电解液出口通过泵和管路与电解槽的电解液进口连接，所述气液分离储罐的气液回流口分别是设在气液分离器罐两侧壁的氢气电解液回流口和氧气电解液回流口，所述电解槽的气液出口分别是氢气液出口和氧气液出口，所述氢气电解液回流口通过管路与所述氢气液出口连接，所述氧气电解液回流口通过管路与所述氧气液出口连接；所述气液分离储罐只有一个，所述气液分离储罐内设隔板并将气液分离储罐内分为两个腔室，所述腔室分为上部储气的气室和下部储电解液的液室，所述隔板从气液分离器罐的顶内壁开始延伸到电解液的液面以下并与气液分离器罐的底内壁形成有间隙，两个腔室上部的两个气室被所述隔板隔开分别形成储存氢气的氢气室和储存氧气的氧气室，两个腔室下部的两个液室均储存电解液并在隔板以下彼此相通，所述电解液出口设在气液分离器罐的底部并与液室连通，所述氢气电解液回流口与所述氢气室连通，所述氧气电解液回流口与所述氧气室连通。

进一步，所述液位传感器包括设于气液分离器罐上部侧内壁的高位液位传感器和设于气液分离器罐下部侧内壁的低位液位传感器，所述低位液位传感器的位置高于隔板的下端；所述气液分离器罐在氢气室一侧设有连通氢气室的氢气放出口，所述气液分离器罐在氧气室一侧设有连通氧气室的氧气放出口；所述氢气放出口的外接管路上设有第一电磁阀，所述氧气放出口的外接管路上设有第二电磁阀，所述电磁阀根据所述液位传感器的传感信号进行开闭。

进一步，所述气液分离器罐的侧壁上设有加液口，所述加液口上设有密封盖。

进一步，所述高位液位传感器包括靠近氢气室一侧的第一高位液位传感器和靠近氧气室一侧的第二高位液位传感器，所述低位液位传感器包括靠近氢气室一侧的第一低位液位传感器和靠近氧气室一侧的第二低位液位传感器。

进一步，所述间隙大于等于20mm。

本发明的有益效果是：由于特别设计的单个气液分离器罐，通过在气液分离器罐内隔板分隔的两个腔室并在腔室形成上部气室和下部液室，既使得电解槽排出的氢气和氧气分开储存，又使得电解槽从阴极侧排出的电解液和从阳极侧排出的电解液在气液分离器罐内混合一体；因此两个气室（分别是氢气室和氧气室）的气体体积和压力即使不同，但通过两个腔室下部彼此相通的液室内电解液，可以保持电解槽的阴极侧和阳极侧的进出压力始终稳定一致。进而可以使得电解槽可以在阴极侧和阳极侧稳定地产出氢气和氧气。进一步，通过在气液分离器罐上设置的液位传感器、氢气放出口和氧气放出口，当气液分离器罐的两个气室压力不同导致两个液室的液位上下变化时，通过液位传感信号控制电磁阀打开发散一些气体（氢气或氧气），就可以自动调节两个液室的液位，既可以避免隔板露出电解液液面，又可以减少两个液室的液面差。

附图说明

下面结合附图对本发明的电解制取高压氢气和氧气的系统作进一步说明。

图1是实施例一电解制取高压氢气和氧气的系统的结构示意图；

图2是图1的电解制取高压氢气和氧气的系统使用情况①的结构示意图；

图3是图1的电解制取高压氢气和氧气的系统使用情况②的结构示意图；

图4是实施例二电解制取高压氢气和氧气的系统的结构示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的一种电解制取高压氢气和氧气的系统，如图1所示，包括电解槽1、气液分离储罐2、泵3、液位传感器、管路4和阀，电解槽1采用多层电解槽单元的平面构件叠拼而成，电解槽1的多层叠拼结构可以采用现有技术（如公开号CN104364425A的中国专利申请《双极式碱性水电解单元和电解槽》）公开的结构，在此不再赘述。如图1所示，气液分离储罐2内盛有未充满气液分离储罐2的电解液5；电解槽1、气液分离储罐2、泵3、管路4和阀均是密封耐压结构。如图1所示，气液分离储罐2的电解液出口6通过泵3和管路4与电解槽1的电解液进口7连接，气液分离储罐2的气液回流口分别是设在气液分离器罐2两侧壁的氢气电解液回流口8和氧气电解液回流口9，电解槽1的气液出口分别是氢气液出口10和氧气液出口11，氢气电解液回流口8通过管路4与氢气液出口10连接，氧气电解液回流口9通过管路4与氧气液出口11连接。

如图1所示，气液分离储罐2只有一个，气液分离储罐2内设隔板12并将气液分离储罐2内分为两个腔室，腔室分为上部储气的气室和下部储电解液的液室，隔板12从气液分离器罐2的顶内壁开始延伸到电解液5的液面以下并与气液分离器罐2的底内壁形成有间隙（即隔板12下沿与气液分离器罐2的底内壁的间隙）d，间隙d根据实际需要确定，一般最小应大于20mm。两个腔室上部的两个气室被隔板隔开分别形成储存氢气的氢气室13和储存氧气的氧气室14两个腔室下部的两个液室均储存电解液5并在隔板12以下彼此相通，电解液出口6设在气液分离器罐2的底部并与液室连通，氢气电解液回流口8与氢气室13连通，氧气电解液回流口9与氧气室14连通。

如图1所示，液位传感器包括设于气液分离器罐2上部侧内壁的液位传感器和设于气液分离器罐下部侧内壁的低位液位传感器，其中：液位传感器包括靠近氢气室13一侧的第一液位传感器15和靠近氧气室14一侧的第二液位传感器16，低位液位传感器包括靠近氢气室13一侧的第一低位液位传感器17和靠近氧气室14一侧的第二低位液位传感器18；低位液位传感器（第一低位液位传感器17和第二低位液位传感器18）的位置均略高于隔板12的下端。第一液位传感器15和第二液位传感器16可以通过测量到电解液液面距离来确定两个液室的电解液的液位。

如图1所示，气液分离器罐2在氢气室13一侧设有连通氢气室13的氢气放出口19，气液分离器罐2在氧气室14一侧设有连通氧气室14的氧气放出口20；氢气放出口19设有第一三通阀21，第一三通阀21的一个出口外接氢气输出管路22，氢气输出管路22上设有第一电磁阀23，第一三通阀21的另外一个出口外接氢气发散管路24；同样，氧气放出口20也设有第二三通阀25，第二三通阀25的一个出口外接氧气输出管路26，氧气输出管路26上设有第二电磁阀27，第二三通阀25的电磁阀另外一个出口外接氧气发散管路28。电磁阀（包括第一电磁阀23和第二电磁阀27）根据液位传感器（包括两个高位液位传感器和两个低位液位传感器）的传感信号进行开闭。

此外，在气液分离器罐2的顶壁上设有加液口29，加液口29上设有密封盖30。当然，加液口29也可以设在气液分离器罐2的侧壁上且位置高于两个第一液位传感器15和第二液位传感器16。

如图1所示，隔板12在气液分离器罐2内稍微偏向一侧，使得两个腔室大小不同，其中氢气室13的容积大于氧气室14的容积。

如图1所示，在气液分离器罐2顶部设有压力电接点压力表33。

本实施例的系统使用过程如下：

打开密封盖24，打开氢气放出口19和氧气放出口20的外接管路上的发散阀门，向气液分离器罐2内加入电解液5（如水、氢氧化钾或氢氧化钠等碱溶液），一般来说加入气液分离器罐2内的电解液5的体积为气液分离器罐2内容积的2/3。盖好密封盖24，关闭氢气放出口19和氧气放出口20的外接管路上的阀门，启动泵2工作，电解液5通过电解液出口6经管路4和泵3流入电解槽1的电解液进口7，电解液5从电解液进口7进入电解槽1后分别流入阴极侧和阳极侧，电解后产生的氢气和氧气连带剩余未电解的电解液5分别从电解槽1的氢气液出口10和氧气液出口11通过管路4流入气液分离器罐2的氢气电解液回流口8和氧气电解液回流口9。进入气液分离器罐2的氢气和剩余电解液5分离后，氢气在氢气室13内聚积；进入气液分离器罐2的氧气和剩余电解液5分离后，氧气在氧气室14内聚积；分离后的电解液5下落在液室混合，电解液5的液面始终高于隔板12的下端。电解液5就这样被抽入电解槽1后回到气液分离器罐2再次被抽入电解槽1，如此持续循环工作，随着电解产生氢气和氧气的量增加并在气液分离器罐2内聚积，气液分离器罐2内压力升高并使整个循环的系统内部压力会持续升高，该压力变化只在气液分离器罐2内形成，变化的压力经电解液5传到至电解槽1时，阴极侧和阳极侧的进出压力都是相同一致的，因此不会影响电解槽1的电解。当压力达到所需的压力值（如10MPa）时，可以控制打开氢气放出口19和氧气放出口20的外接氢气输出管路22和氧气输出管路26上的阀门，向外输出高压的氢气和氧气。当电解产生的氢气和氧气的气量与所需输出的气量相等时，就可以持续稳定地向外供给高压氢气和氧气了。在上述的过程中，电解槽1、气液分离储罐2、泵3、管路4和阀均是密封且耐压的。在使用过程中会出现的几种情况如下：

① 如图2所示，此时氢气室13内的压力不足，如果低位液位传感器18发出信号，则控制打开氧气发散管路28上的阀门发散部分氧气。如图2所示，此时如果需要高压氢气，先适当调小氢气输出管路22上的流量阀31或者调大氧气输出管路26上的流量阀32，待第一液位传感器15和第二液位传感器16反馈两个液室的电解液液面持平信号时，再适当调大流量阀31。如图2所示，此时如果需要高压氧气，先适当调大氧气输出管路26上的流量阀32或者调小流量阀31，待第一液位传感器15和第二液位传感器16反馈两个液室的电解液液面持平信号时，再适当调大流量阀32。

② 如图3所示，此时氧气室14内的压力不足，如果低位液位传感器17发出信号，则控制打开氢气发散管路24上的阀门发散部分氢气。如图3所示，此时如果需要高压氢气，先适当调大流量阀31或者调小流量阀32，待第一液位传感器15和第二液位传感器16反馈两个液室的电解液液面持平信号时，再适当调小流量阀31。如图3所示，此时如果需要高压氧气，先适当调大流量阀32或者调小流量阀31，待第一液位传感器15和第二液位传感器16反馈两个液室的电解液液面持平信号时，再适当调小流量阀32。

③ 当需要补充电解液5时，关闭电解槽1供电，关闭泵3，关闭氢气和氧气输出管路22、26，打开氢气和氧气发散管路24、28，待气液分离储罐2的压力电接点压力表33显示为0时，打开密封盖30，加入适量的电解液5，可通过液位传感器15、16提供信号适量添加。

实施例二

本实施例的一种电解制取高压氢气和氧气的系统，是在实施例一基础上的改进，如图4所示，除了与实施例一相同以外所不同的是：电解槽1采用一进两出结构形式，即电解液5通过一个通道同时进入电解槽1的阴极侧和阳极侧，阴极侧和阳极侧的气液出口仍然是分开两个通道。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，但本发明并不局限于此，所有根据本发明的构思及其技术方案加以等同替换或等同改变均应涵盖在本发明的保护范围之内。