一种用于光电解水和燃料电池的氢氧等压储存方法与容器与流程

一种用于光电解水和燃料电池的氢氧等压储存方法与容器
【技术领域】
1.本发明属于能源储存领域，具体涉及一种用于光电解水和燃料电池的氢氧等压储存方法与容器。


背景技术：

2.近几十年来，随着人类工业化进程的加快，化石能源的开采和消耗速率持续增大，化石能源的枯竭急需人类开发新的能源获取技术来生产可替代化石能源产物的方法和设备。在众多可再生能源中，太阳能是一种取之不尽，用之不竭的绿色能源。太阳能资源丰富，如果将照射到地球表面的部分太阳能资源加以利用，可满足人类日常的生活和生产，因此，太阳能具有巨大的开发利用潜能。但是太阳能资源受白昼交替、气候和地域分布影响明显，导致太阳能的直接利用受到限制。
3.氢气作为一种高热值、零污染、能量密度高的燃料受到了人类广泛的关注，特别是将太阳能转化为氢能是解决人类能源危机和环境问题的有效途径之一，也是当前材料制氢领域的热点思路。自从1972年fujishima和honda教授首次报道了单晶tio2半导体为电极受光照时具有分解水产氢的能力后，四十余年来，不同国家的相关研究人员都在致力于提高光电解水制氢效率和其系统安全性。不同于传统的太阳能光热制氢方法，太阳能光催化分解水制氢是以半导体材料作为催化剂，在太阳光的驱动下分解水产生氢气和氧气，从而将太阳能转换成化学能储存在氢能源中。
4.光电解水制氢近几年随着新的半导体材料的发展，制氢效率得到了一定的提升。但是对于光电解水结构设计和氢氧分离的研究却相对较少，特别是关于气液分离及压力平衡方面的研究鲜有报道。光电分解水制氢通常包括一个带有两电极的密封池和一个分离氢气和氧气的隔膜。这种结构在碱性或聚合物电解质膜电解水制氢中应用较为广泛，但是需要注意的是要对氢气和氧气进行及时分离与压力调整。因为氢气和氧气的产生速率不同，所以氢气和氧气的储存压力容易产生差异，如果直接连接在储氢罐和储氧罐中，会因为压力差影响电解槽中膜的性能和后续使用。这就需要压力平衡器来调节产氢室和产氧室两端的压力，使得排出的气体能保持等压状态。现在的电解水系统大多将产生的氢气和氧气经过汽水分离器储存在相应的氢气罐和氧气罐中，结构较为单一，储存罐的稳定性差，且现在的氢气储存罐保护性能差，容易与外界的尖锐物体碰撞造成破坏，最重要的是由于氢气罐和氧气罐中储存的气体压力不平衡，会产生一定的偏压影响膜分离气体的效率和寿命。如果在其他工况条件下，使用氢气和氧气的比例不同可能造成储气罐中的压强不一致，需要重新调整压力满足不同的工况条件。所以在收集储存电解水产生的氢气和氧气时需要一个调节气体压力的装置来保证储存的气体压力一致，而且不会阻碍后续的气体收集。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于光电解水和燃料电池的氢氧等压储存方法与容器，以解决现有技术中氢、氧储存压力不平衡所带来的危险和使
用不便等问题。
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.一种用于光电解水和燃料电池的氢氧等压储存容器，包括外壳，所述外壳为倒置的圆柱桶形，外壳的底部被底板密封；
8.外壳的内部设置有金属伸缩管，所述金属伸缩管为倒置的圆柱桶形，金属伸缩管的侧壁设置有波纹的管状，所述波纹的长度方向为水平方向，所述金属伸缩管能够沿其轴线方向伸缩；所述金属伸缩管的环形下边沿被夹装在外壳的底部和底板之间；
9.所述金属伸缩管的内部为氧气室，金属伸缩管和外壳之间为氢气室；外壳的上端开设有氢气进气口和氢气出气口，底板上开设有氧气进气口和氧气出气口；
10.所述金属伸缩管的上端面设置有内部磁块，外壳的侧壁上设置有外部磁块。
11.本发明的进一步改进在于：
12.优选的，所述金属伸缩管的上表面为平面。
13.优选的，所述外壳的底部沿周向设置有向外突出的外沿，金属伸缩管的底部被夹装在外沿和底板之间。
14.优选的，金属伸缩管和外壳同轴线。
15.优选的，外壳的内壁直径大于金属伸缩管横截面的外径。
16.优选的，所述外壳和底板的厚度根据外接储气瓶压力需求设定。
17.优选的，所述外壳、金属伸缩管下边沿和底板之间通过法兰连接。
18.一种基上述等压储存容器的光电解水和燃料电池的氢氧等压储存方法，当氧气室的压力大于氢气室的压力时，金属伸缩管扩展，氧气室体积增加，氢气室体积减小，使得氧气室的压力和氢气室的压力平衡；
19.当氢气室的压力大于氧气室的压力时，金属伸缩管收缩，氧气室体积减小，氢气室体积增加，使得氢气室的压力和氧气室的压力平衡。
20.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
21.本发明公开了一种用于光电解水和燃料电池的氢氧等压储存容器，该容器通过外壳、金属伸缩管，以及底板形成氧气室和氢气室，通过改变金属伸缩管的变形程度，自主改变气室体积调节氢气室和氧气室两端压力达到平衡，该容器可以在很大程度上缓解氢、氧储存压力不平衡所带来的危险和使用不便等问题。由传统的固定体积的储氢罐、储氧罐方式优化为可变体积的储存方式，可降低电解水储存氢气、氧气成本，提高电解过程中气体分离膜(质子交换膜)的寿命和效率，为后续相关技术的研发和设备的设计提供了技术支持和借鉴意义。该装置利用强度高、弹性好的金属伸缩管的体积变化实现自主改变氢气室和氧气室体积和压力的功能，可针对多种不同气体收集和应用环境实现自动调压，进一步避免了系统的复杂性和危险性。针对电解水分离和燃料电池系统，该装置可极大程度保证电解水过程中气体分离膜(质子交换膜)的可靠性与安全性，提高了气体分离膜(质子交换膜)的工作寿命，节约了成本。利用磁体之间的吸引力调整氢气室外表面磁块的位置，指示金属伸缩管的压缩程度，实时监测氢气室和氧气室的体积变化，进一步保护了金属伸缩管和两个气室的安全性。
【附图说明】
22.图1为本发明储存装置的整体结构示意图。
23.图2为外壳示意图。
24.图3为金属伸缩管示意图。
25.图4为底板的结构示意图。
26.其中，1—氢气进气口；2—氢气出气口；3—外部磁块；4—法兰及橡胶垫圈5—氧气出气口；6—金属伸缩管；7—内部磁块；8—氢气室；9—氧气室；10—外壳；11—氧气进气口；12—底板；13—外沿；14—金属伸缩管的底部。
【具体实施方式】
27.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
28.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.为了满足电解制氢系统中自增压氢氧储存系统的两端的压力平衡和安全性，本发明提出来一种利用金属伸缩管6，以隔离氢、氧室，并自动调节两室体积以保持两室压力相同，进一步结合磁块位置变化监测气室内体积比例的方法和装置，该方法拟可以运用在电解水产生的氢氧储存中，还可作为氢氧燃料发动机的压力调节平衡器。
30.本发明提出的一种用于高压电解水制氢的压力自动平衡的氢氧存储方法与容器，其主要包括氢气室8、氧气室9、折叠状金属伸缩管6、磁块、进气和出气管路。其各个装置之间的连接关系和具体说明为：
31.参见图2，所述外壳10的形状为圆柱体，其形状为倒扣的筒型，外壳10的侧壁底部设置有向外突出的外沿13，外沿为法兰结构，外沿13垂直于外壳10的侧壁；外壳10内部的腔体内设置有金属伸缩管6，外壳10和金属伸缩管6同轴线设置，所述金属伸缩管6同为圆柱体，且上端部密封，因此其形状也为倒扣的筒型，金属伸缩管6的底部14和外壳10的底部13同时被底板12密封，金属伸缩管的底部14、外壳底部13和底板12有相同的外径。外壳10和底板12的材质均为耐高压的316不锈钢，金属伸缩管6的材质为铍铜合金。
32.其中外壳10和金属伸缩管6之间充斥有氢气，为氢气室8，金属伸缩管6的内部充斥有氧气，为氧气室9。
33.作为优选的，外壳10和底板12的厚度根据外界储气瓶的压力需求设定，更为具体的以设计压力和钢制压力容器国家标准确定，如当外界储气瓶的压力为15mpa时，厚度为5.4mm；当外界储气瓶的压力为20mpa时，厚度为6.2mm；当外界储气瓶的压力为25mpa时，厚度为8.2mm。
34.参见图3，作为优选的，金属伸缩管6的侧壁为波纹管状，所述波纹管状的折叠方向
为水平方向，因此每一个波纹的长度方向为水平方向，金属伸缩管6的上表面为水平面。金属伸缩管6展开后其上表面上升，最高到达外壳顶部的内壁，氧气室体积最大，氢气室体积最小；压缩后，其上表面下降，达到压缩极限后上表面最低，氢气室体积最大，氧气室体积最小。氢气室体积和氧气室体积之和保持不变。圆柱形的外壳10的内壁内径大于金属伸缩管6的最大的外径，因为金属伸缩管6为从上到下的波纹状，因此金属伸缩管6和外壳10内壁之间的距离随金属伸缩管的压缩和扩张呈规律变化，限定最大的径向距离小于氢气室8内壁的内径，以保证金属伸缩管6有足够的扩展空间。
35.更为具体的，所述外壳10的上端面开设有氢气进气口1和氢气出气口2，和氢气室8连通，所述氢气进气口1和氢气出气口2均设置为向上突出的管状结构，保证氢气能够顺利的流动。
36.参见图4，所述底板12上设置有氧气进气口11和氧气出气口5，氧气进气口11和氧气出气口5均设置在氧气室9的底部，和氧气室9连通。所述氧气进气口11和氧气出气口5均设置成向下突出的管状结构，保证氧气能够顺利的流动。
37.更为优选的，便于连接气路，氢气进气口1、氢气出气口2、氧气进气口11和氧气出气口5均为竖直方向。
38.参见图1，外沿13和底板12沿其周向固定连接，外沿13和底板12之间采用法兰的形式连接，即外沿13和底板12之间通过若干个螺栓连接，所有的螺栓之间等间距布置，外沿13和底板12之间设置有橡胶垫圈以增加气密性。金属伸缩管6的环形底边部14设有与法兰同分布的孔，被夹装在外沿13和底板13之间，保证金属伸缩管6能够固定在外沿13和底板13之间。
39.所述磁块包括内部磁块7和外部磁块3，内部磁块7固定设置在金属伸缩管6的上端面上，内部磁块7设置在氢气室中。所述外部磁块3设置在外壳10的侧壁上，优选的，内部磁块7设置在金属伸缩管6上端的外边沿处，使得内部磁块7和外部磁块3的距离尽可能的接近。所述外部磁块3设置在保护壳中，保护壳上设置有刻度，保护壳设置在外层壁10上。外部磁块3可在内部磁块7的吸引下沿保护壳滑动，可通过氢气室外部磁块3的位置来判断里面氢、氧气室的体积大小，计算体积比例。
40.优选的，所述内部磁块7和外部磁块3均为高性能的永磁体。
41.上述装置的制造过程为：
42.步骤1，选择耐高压的316不锈钢作为外壳10和底板12的材料，优选的，外壳10和底板12的厚度均为6mm。所述外壳10的侧壁与其外沿13，以及其上的氢气进气口1和氢气出气口2之间的连接采用焊接或一体成型，底板12及其上的氧气进气口11和氧气出气口5也采用焊接或一体成型，以增加整个系统的密封性；
43.步骤2，选择耐折弯的铍铜合金压制伸缩管，使其呈现整齐有规律的波纹管状结构，控制成型的金属伸缩管6呈圆筒形，波纹管状金属伸缩管下沿为向外突出的圆环形，波纹管状的金属伸缩管6的上表面为圆形平板状，将波纹管上端封闭。
44.步骤3，将内部磁块7固定设置在金属伸缩管6上端面的边缘。
45.步骤4，将压制好的金属伸缩管6的边部配套橡胶垫圈放置固定于底板12和外沿13中间并用螺栓连接，保证其不会发生位移。
46.步骤5，在外壳10的侧壁上粘结带有刻度的保护壳，并放入外部磁块3。
47.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。