带自循环运行结构的电解槽的制作方法

1.本实用新型涉及电解技术领域，特别是涉及一种带自循环运行结构的电解槽。


背景技术：

2.随着社会经济的发展，世界“能源危机”日益加剧，寻找和开发可再生绿色能源已越来越引起人们的重视。氢能作为一种清洁可再生的绿色能源，如今已备受世人的瞩目。氢气除了作为绿色能源以外，其生物学价值也非常广泛。从生物学角度来说，人体是由细胞所组成的，人的疾病最终都可以归结为细胞受损，人的衰老也是由于细胞氧化老化或坏死所造成的。造成人体细胞病态或者老化的主要元凶就是过剩的氧自由基。有日本医学专家教授研究证实，氢气能帮助人体保持健康，其机理是氢具有理想的抗氧化能力，能中和带走人体内恶性自由基。同时，活性氢能催化体内制造更多酵素，激发身体自我修复机制，修复一些基因蛋白，改善代谢，甚至使器官得以恢复应有的功能，改善人体生命的健康状态。
3.水电解制氢技术主要有三种，包括碱性水电解制氢、pem质子交换膜水电解制氢和固体氧化物水电解制氢技术。pem质子交换膜水电解槽能在高电流密度下工作，体积小，效率高，生成的氢气纯度可高达99.9％，被认为是最有发展前景的水电解技术。
4.pem质子交换膜水电解槽是由导电极板、电解腔和涂布有催化剂的质子膜电极等组成。将电解槽正负极连接到外部直流电源上，在催化剂的作用下，水在膜两侧表面分别电解析出氢气和氧气。现有电解槽工作运行时水循环结构主要有以下几种形式：1、水箱 水循环泵 电解槽；2、水箱 水循环泵 过滤器 电解槽；3、水箱 电解槽，水利用重力自流循环，不使用过滤器。以上几种结构中水循环泵均存在噪音大、使用寿命短等缺点，而不使用过滤器会导致水箱中水质污染加速，大大降低了水箱中水的循环使用时间。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种带自循环运行结构的电解槽，用于解决现有技术的电解槽均存在水循环泵噪音大、使用寿命短等缺点，而不使用过滤器会导致水箱中水质污染加速，导致水箱中水的循环使用时间极大缩短等问题。
6.为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种带自循环运行结构的电解槽，包括水箱、过滤器、电解槽、水气混合管路及电源；所述过滤器及电解槽均位于所述水箱的下方，所述电解槽与所述电源电连接，所述电解槽上设置有进水口、第一出口及第二出口，所述第一出口用于排放水及电解产生的第一气体，所述第二出口用于排放电解产生的第二气体；所述水气混合管路一端与所述电解槽的第一出口相连通，另一端向上延伸到所述水槽内；所述过滤器一端与所述水箱的出水口相连通，另一端与所述电解槽的进水口相连通。
7.可选地，所述电解槽为水电解制氢装置，所述第一气体为氧气，第二气体为氢气。
8.可选地，所述过滤器包括超纯化柱及位于所述超纯化柱内的阴阳离子混合树脂。
9.可选地，所述水气混合管路为透明管路和/或所述水箱为透明水箱。
10.可选地，所述过滤器的高度为8.5cm，直径为4.6cm。
11.可选地，所述电解槽和所述过滤器之间的连通管路上设置有排水口。
12.可选地，所述过滤器为多个，多个过滤器的连接方式包括串联和/或并联。
13.可选地，所述过滤器的进水口尺寸与所述水箱的出水口尺寸一致，所述过滤器贴置于所述水箱的底面。
14.可选地，所述电解槽还包括压力传感器，设置于所述水箱上。
15.可选地，所述电解槽还包括水位检测传感器，位于所述水气混合管路上，且位于所述水箱的下方；所述电解槽还包括控制器，所述控制器与所述水位检测传感器及所述电源相连接，以根据所述水位检测传感器的检测结果启动或关闭所述电源。
16.如上所述，本实用新型的带自循环运行结构的电解槽，具有以下有益效果：本实用新型的电解槽巧妙设计了由水箱 过滤器 电解槽组成的自循环运行结构，在无需使用循环泵的情况下可实现电解槽运行过程中的稳定供水，避免因使用循环泵带来的噪音及泵的寿命短等问题，且利用过滤器对水质进行过滤纯化，可以提高水的循环使用寿命，有助于降低电解成本。
附图说明
17.图1及2显示为本实用新型提供的带自循环运行结构的电解槽于不同示例中的结构示意图。
18.元件标号说明
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水箱
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水气混合管路
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水位检测传感器
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过滤器
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电解槽
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进水管道
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排水口
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排气管路
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电源
具体实施方式
[0028]
以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。如在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0029]
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解
到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
[0030]
在本技术的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
[0031]
需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。
[0032]
现有的电解槽的循环运行通常是依靠循环泵实现的，普遍存在噪音大、使用寿命短等缺点，而一些方案中不设置过滤器，利用水的重力实现仅在水箱和电解槽之间的循环，导致水箱中的水质污染，降低了水的循环使用时间，造成水资源的浪费。对此，发明人经长期研究，提出了一种改善方案。
[0033]
具体地，如图1所示，本实用新型提供一种带自循环运行结构的电解槽5，包括水箱1、过滤器4、电解槽5、水气混合管路2及电源9；电源9通常为直流电源9；所述水箱1用于装水，水箱1上设置有进水口(未示出)及出水口，所述过滤器4及电解槽5均位于所述水箱1的下方(位于水箱1外部)，以确保过滤器4和电解槽5的液位均低于水箱1内的液位；所述电解槽5与所述电源9电连接，所述电解槽5上设置有进水口、第一出口及第二出口，第二出口可以连接至排气管路8，所述第一出口用于排放水及电解产生的第一气体，所述第二出口用于排放电解产生的第二气体；所述水气混合管路2一端与所述电解槽5的第一出口相连通，另一端向上延伸到所述水槽内；所述过滤器4一端与所述水箱1的出水口相连通，另一端与所述电解槽5的进水口通过进水管道6相连通。使用时，在水箱1内装入纯水，在电解槽5运行过程中，水在电解槽5和水箱1内通过管路实现循环使用，水首先在重力作用下从水箱1流入电解槽5，然后因电解槽5内产生的气体，比如因氧气的压力，通过气流将水重新输送回水箱1。更具体地，在未启动电源9时，此时水箱1、进水管道6、过滤器4、电解槽5及水气混合管路2之间形成连通器。根据连通器原理，水在重力作用下流经过滤器4后进入到电解槽5进水口，接着从电解槽5的第一出口出来，然后进入水气混合管路2最后水气混合管路2中的水位与水箱1中水位齐平，达到一种静态平衡状态。需要说明的是，水气混合管路2的出口需要超过水箱1的液面，即往水箱1加水时不要超过该出口，这样为电解槽5中电解产生的气体和水的流动提供了通路，水气在管路中运行会变得更加顺畅。随着直流电源9启动，在电解槽5正负极之间施加了特定的直流电流，电解槽5阴极产生氢气，电解槽5阳极产生氧气，因电解槽5阳极产生的氧气压力，通过气流将水重新带回水箱1，而电解槽5进水口又不断地有新的水补充进来，这样水在水箱1、管路、过滤器4及电解槽5之间不断地自循环起来，达到一种动态平衡状态。
[0034]
本实用新型的电解槽巧妙设计了由水箱 过滤器 电解槽组成的自循环运行结构，在无需使用循环泵的情况下可实现电解槽运行过程中的稳定供水，避免因使用循环泵带来的噪音及泵的寿命短等问题，且利用过滤器对水质进行过滤纯化，可以提高水的循环使用寿命，有助于降低电解成本。
[0035]
作为示例，所述过滤器4采用纯化水用的超纯化柱，超纯化柱里面装有阴阳离子混合树脂，过滤器4的过滤长度设计为可将tds≤20的纯净水一过式处理为tds≤5的纯净水。所述过滤器4的数量可以为单个或多个，当为多个时，多个过滤器4的连接方式可以采用串联和并联中的一种或两种的结合(即多个过滤器4并联后再与其他过滤器4串联)。比如在一示例中，根据电解槽5运行特性及树脂特性，对过滤器4进行了重新设计，通过串并联使用满足不同出气量的电解槽5的用水要求，保证在5000小时使用时间内，无须更换过滤器4。该过滤器4的使用可使得电解槽5自循环结构变得结构简单，使用成本低。所述过滤器4中装有的阴阳离子混合树脂也叫混床树脂，阴阳离子混合树脂可以通过离子置换的形式去除水中除氢氧离子外的其他离子。在一个过滤器4柱体内，水流通过阴阳离子混合树脂后进行交换过滤，阳树脂的氢离子与水中的钙、镁、钠等阳离子发生置换反应，阴树脂的氢氧根与水中的硫酸根、氯根等阴离子发生置换反应，阳树脂置换出的氢离子与阴离子置换出的氢氧根离子结合形成水，达到过滤纯化水的效果。
[0036]
作为示例，所述电解槽5还包括压力传感器，设置于所述水箱1上，以实时检测所述水箱1内的压力，在检测到所述水箱1内的压力超过阈值时可对所述水箱1进行排气。
[0037]
作为示例，所述电解槽5和所述过滤器4之间的连通管路上设置有排水口7，以根据需要对所述过滤器4和/或电解槽5中的水进行排放。
[0038]
作为示例，所述电解槽5还包括水位检测传感器3，位于所述水气混合管路2上，且位于所述水箱1的下方；所述电解槽5还包括控制器(未示出)，所述控制器与所述水位检测传感器3及所述电源9相连接，以根据所述水位检测传感器3的检测结果启动或关闭所述电源9。具体地，启动电源9之前控制器需要先检测水位信号，如果水位信号异常则不启动电源9，不然电解槽5会因为缺水干烧而损坏，如果水位信号正常，控制器则启动直流电源9。所述控制器优选但不限于plc控制器。当然，在其他示例中，所述水气混合管路2可以选择透明管路，所述水箱1也可以采用透明水箱，因而可以通过直接观察了解水位情况而无需设置所述水位检测传感器。
[0039]
作为示例，所述电解槽5为水电解制氢装置，所述第一气体为氧气，第二气体为氢气，即本实施例中实现氢气的收集利用而氧气则在电解槽5内产生压力而将水重新输送回水箱1，多余的氧气则通过水箱1上的出气口(未示出)排到空气中，或者还可以设置与所述水箱相连接的收集装置以专门收集氧气。所述电解槽5可以采用市面上常见的型号装置，通常包括进水口、出氧/出水口、氢气出口和备用口(备用口在正常使用时一般是堵住的)，电解槽5的正极极耳和负极极耳分别连接至直流电源9的正负极。当然，在其他示例中，也可以是收集氧气，即第一气体为氢气而第二气体为氧气，对此不做严格限制。所述第二气体可经与排气管路8连接的水气分离器(未示出)进行水气分离后收集。
[0040]
本实用新型可基于电解槽5运行特性及树脂的特性对过滤器4尺寸进行重新设计，使过滤器4在电解槽5使用周期内保证水质的同时，结构进一步简化，且组合灵活，成本经济。比如常见的10寸纯化柱过滤器4的直径约6cm，高度约30cm，可以过滤约1500l纯水(tds≤20)，而本实施例中将过滤器4尺寸设计为高度8.5cm，直径为4.6cm。则10寸纯化柱过滤器4与本实施例中的过滤器4两者体积之比约为6:1。根据计算本实施例中过滤器可过滤约250l纯水(tds≤20)。
[0041]
表1不同规格电解槽5耗水量
[0042]
序号电解槽5规格(ml/min)耗水250l时间(年)150≥102100≥53150≥3.54300≥25600≥1
[0043]
不同规格电解槽耗水量及相关计算数据如表1所示。不同规格的电解槽对水的需求量有所差异，所以使用不同规格的电解槽时，为了满足过滤效果可以根据其耗水量对过滤器进行分别设计。比如在一示例中，可采用前述的多个过滤器并联设计的结构以确保电解槽的用水需求。
[0044]
在另一示例中，如图2所示，为了满足不同电解槽5进水速度的需求，可增大水箱1连接到过滤器4的进水管道6的管径，当该进水管道6管径与过滤器4直径一样大时，即当所述过滤器4的进水口尺寸与所述水箱1的出水口尺寸一致时，可将所述过滤器4贴置于所述水箱1的底面，最终可以将过滤器4与水箱1设计为一体。
[0045]
综上所述，本实用新型提供一种带自循环运行结构的电解槽，包括水箱、过滤器、电解槽、水气混合管路及电源；所述过滤器及电解槽均位于所述水箱的下方，所述电解槽与所述电源电连接，所述电解槽上设置有进水口、第一出口及第二出口，所述第一出口用于排放水及电解产生的第一气体，所述第二出口用于排放电解产生的第二气体；所述水气混合管路一端与所述电解槽的第一出口相连通，另一端向上延伸到所述水槽内；所述过滤器一端与所述水箱的出水口相连通，另一端与所述电解槽的进水口相连通。本实用新型的电解槽巧妙设计了由水箱 过滤器 电解槽组成的自循环运行结构，在无需使用循环泵的情况下可实现电解槽运行过程中的稳定供水，避免因使用循环泵带来的噪音及泵的寿命短等问题，且利用过滤器对水质进行过滤纯化，可以提高水的循环使用寿命，有助于降低电解成本。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0046]
上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。