一种电解海水制氢系统的制作方法

1.本实用新型涉及新能源系统设计领域，尤其是涉及一种电解海水制氢系统。


背景技术：

2.海水电解面临的最主要的问题是海水成分复杂，多种离子在电解过程中极易在电极上形成积垢，影响电极正常工作。钙、镁离子会与阴极电极表面水分解产生的氢氧根反应生成钙镁垢，锰离子在电解过程中会不可避免地在阳极电极表面氧化生成mno2沉积层，积垢轻则增大电极电阻，导致电解槽电压升高，增加电耗，重则使得电极报废。
3.目前主要通过定期酸洗来清理电极积垢，该种方法不仅会增加成本，影响设备寿命，且无法完全有效去除锰垢。此外，锰离子浓度对阳极影响极大，当锰离子浓度大于20μg/l时即可因锰沉积导致阳极电流效率短时间内急剧下降，通过预处理对海水中锰离子进行除杂也难以有效解决锰垢问题，因此水垢问题成为限制海水电解制氢技术发展的一大技术难题。


技术实现要素：

4.为解决现有存在的技术问题，本实用新型提供一种无需定期清理便能有效去除电解海水所产生的氧化物或氢氧化物积垢的电解海水制氢系统及制氢控制方法。
5.为达到上述目的，本实用新型实施例的技术方案是这样实现的：
6.本实用新型实施例提供一种电解海水制氢系统，包括超声电解槽装置、与所述超声电解槽装置相连的循环装置及气液分离装置，所述超声电解槽装置包括电解槽和设置于所述电解槽的槽体外壁的超声波换能器，所述循环装置包含至少一个进水口；所述循环装置通过包含的其中之一的进水口将海水抽送至所述电解槽的槽体内，海水作为电解液经过所述电解槽电解产生的氧化物或氢氧化物在所述超声波换能器的作用下，随电解液的流动方向经所述电解槽的输出口被运送至气液分离装置，所述气液分离装置用于将所述电解槽产生的气体和流动的电解液进行分离后分别排出。
7.可选的，所述电解海水制氢系统还包括：与所述气液分离装置相连的冷却装置以及与所述冷却装置相连的过滤装置，所述过滤装置与所述循环装置包含的另一进水口相连；所述冷却装置用于将所述气液分离装置分离出的电解液进行冷却，所述过滤装置对氧化物或氢氧化物进行过滤，经过滤后的电解液再次流向所述循环装置包含的另一进水口。
8.可选的，所述电解海水制氢系统还包括连接所述循环装置与所述超声电解装置的第一主液路管以及设置于所述第一主液路管上的第一流量控制阀，所述第一流量控制阀用于控制所述循环装置抽送至所述超声电解装置的水溶液的流量大小。
9.可选的，所述冷却装置采用冷却水冷却所述电解液，其中，所述冷却水的温度值为25℃。
10.可选的，所述过滤装置为双旋流过滤器。
11.可选的，所述气液分离装置包括氢分离器和氧分离器，所述氢分离器通过第一支
液路管与所述超声电解装置的阴极腔室相连，所述氧分离器通过第二支液路管与所述超声电解装置的阳极腔室相连；所述主液路管上设置有第一温度测量仪，所述第一支液路管上设置有第二温度测量仪，所述第二支液路管上设置有第三温度测量仪，所述冷却装置上设置有第二流量控制阀；所述第二流量控制阀用于根据所述第一温度测量仪、第二温度测量仪和第三温度测量仪的温度值控制所述冷却装置流出的电解液的流量大小。
12.可选的，所述超声波换能器的数量为多个，所述超声波换能器设置于所述电解槽的槽体相对两侧，每一侧所述超声波换能器等间隔分布。
13.可选的，所述电解海水制氢系统还包括控制器，所述控制器分别与所述第一温度测量仪、第二温度测量仪、第三温度测量仪以及第一流量控制阀、第二流量控制阀相连，用于根据所述第一温度测量仪、第二温度测量仪和第三温度测量仪的温度值确定所述电解槽内电解液的温度值，并根据所述温度值控制所述第一流量控制阀和所述第二流量控制阀的开度。
14.可选的，所述超声波换能器的数量为6个至50个，每个所述超声波换能器的频率范围为10khz-200khz。
15.可选的，所述电解槽的槽体内的电解液的温度值范围为75℃-85℃。
16.本实用新型实施例提供的电解海水制氢系统，在循环装置促使海水保持流动状态、以及超声波换能器提供震动的情况下，电解槽电解海水时产生的氧化物或氢氧化物能够及时被流动的电解液带走，有效防止氧化物或氢氧化物在电极处的沉积，摆脱水垢在电极上沉积导致的催化效率急剧降低，节约了电解海水制氢系统的清理和维护成本。
附图说明
17.图1为本实用新型一实施例中电解水制氢系统的结构示意图；
18.图2为图1中超声电解装置的结构示意图；
19.图3为本实用新型又一实施例中电解水制氢系统的结构示意图；
20.图4为图3中第二流量控制阀与三个温度测量仪之间的结构示意图。
具体实施方式
21.以下结合说明书附图及具体实施例对本实用新型技术方案做进一步的详细阐述。
22.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型的实现方式。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
23.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
24.在本实用新型的描述中，需要说明的是，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，或一体地
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实用新型中的具体含义。
25.虽然淡水电解制氢的研究已较为成熟。但是，淡水电解制氢要占用大量的淡水资源。从节约淡水资源的角度出发，全球科研人员开展了电解海水制氢的研究。电解海水制氢有两种方式，第一种是先对海水淡化并除杂形成淡水后进行电解，第二种是直接对海水进行电解。第一种方法会增加海水淡化的成本。因此，研究人员对直接电解海水制氢比较关注。
26.请参阅图1，为适用于本实用新型一实施例中电解海水制氢系统的结构示意图。所述电解海水制氢系统包括超声电解槽装置11、与所述超声电解槽装置11相连的循环装置12及气液分离装置13，所述超声电解槽装置11包括电解槽和设置于所述电解槽的槽体外壁的超声波换能器，所述循环装置12包含至少一个进水口；所述循环装置12通过包含的其中之一的进水口将海水抽送至所述电解槽的槽体内，海水作为电解液经过所述电解槽电解产生的氧化物或氢氧化物在所述超声波换能器的作用下，随电解液的流动方向经所述电解槽的输出口被运送至气液分离装置13，所述气液分离装置用于将所述电解槽产生的气体和流动的电解液进行分离后分别排出。
27.在本实用新型实施例中，请参阅图2，所述超声电解槽装置11包括电解槽111和设置于所述电解槽111的槽体外壁的超声波换能器112。电解槽111包括阳极腔室和阴极腔室，所述阳极腔室用于装载海水溶液并将部分海水电解产生氧气，所述阴极腔室用于装载海水溶液并将部分海水电解产生氢气。超声波换能器112是把高频电能转化为机械能的装置，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去。因此，在电解槽111电解海水过程中，位于电解槽111的槽体外壁的超声波换能器112提供震动，使电解槽111内电解海水产生的氧化物或氢氧化物无法沉积。请继续参阅图1，循环装置12用于抽取海水并使其在整个电解海水制氢系统中循环流动起来。循环装置12可以包含有一个或多个进水口，海水通过其中之一的进水口被抽送至电解海水制氢系统中的每个装置；通常情况下，循环装置12可以采用循环泵。气液分离装置13用于将从电解槽内流出的包含氢气、氧气以及氧化物或氢氧化物的电解液进行气液分离，通常情况下，气液分离装置13可以采用气液分离器。气液分离器采用的分离结构很多，其分离方法有：重力沉降、折流分离、离心力分离、丝网分离、超滤分离、填料分离等。这里，气液分离器采用的是重力沉降的分离方法，即由于气体与液体的比重不同，电解液在与氢气和氧气一起流动时，电解液会受到重力的作用较大，产生一个向下的速度，而氢气和氧气仍然朝着原来的方向流动，也就是说电解液与氢气、氧气在重力场中有分离的倾向，向下的电解液附着在壁面上，汇聚在一起，通过气液分离器的输液管排出，向上的氢气和氧气通过气液分离器的输气管排出。
28.由于海水的成分复杂，其包含的金属离子在海水作为电解液被电解制氢的过程中会生成大量的氧化物或氢氧化物，若所述氧化物或氢氧化物在电解槽111内沉积势必会影响电极的功效。因此，本实用新型实施例中的电解海水制氢系统，其中的循环装置12通过包含的其中之一的进水口将海水抽送至所述电解槽111的槽体内，海水作为电解液经过电解槽111电解产生的氧化物或氢氧化物在所述超声波换能器112的作用下，随电解液的流动方向经电解槽111的输出口被运送至气液分离装置13，气液分离装置13用于将电解槽111产生的气体和流动的电解液进行分离后分别排出。如此，在循环装置12促使海水保持流动状态、
以及超声波换能器112提供震动的情况下，电解槽111电解海水时产生的氧化物或氢氧化物能够及时被流动的电解液带走，有效防止氧化物或氢氧化物在电极处的沉积，摆脱水垢在电极上沉积导致的催化效率急剧降低，节约了电解海水制氢系统的清理和维护成本。
29.在一些实施例中，请参阅图3，所述电解海水制氢系统还包括：与所述气液分离装置13相连的冷却装置14以及与所述冷却装置14相连的过滤装置15，所述过滤装置15与所述循环装置12的另一进水口相连；所述冷却装置14用于将所述气液分离装置13分离出的电解液进行冷却，所述过滤装置15对氧化物或氢氧化物进行过滤，经过滤后的电解液再次流向所述循环装置12的另一进水口。
30.在本实用新型实施例中，冷却装置14用于冷却从气液分离装置13排出的电解水。所述冷却装置14通常用水或空气为冷却剂以除去热量，这里根据需要冷却带氧化物或氢氧化物的电解液优先选用水冷的方式。过滤装置15按过滤方式的不同，可分直通式过滤器和旋流过滤器等。过滤装置15用于将流动的电解液经过滤网过滤后，其中的氧化物或氢氧化物和其他杂质被阻挡，被过滤后的电解液流向与过滤装置15相连的循环装置12包含的另一进水口。本实用新型实施例所述的电解海水制氢系统中的冷却装置将气液分离装置13分离出的电解液进行冷却，过滤装置15对氧化物或氢氧化物进行过滤，经过滤后的电解液再次流向循环装置12的另一进水口，如此，不仅可以循环利用水资源，还能将电解液进行冷却输出，以适时调节电解槽111内电解液的温度。
31.在一些实施例中，所述电解海水制氢系统还包括连接所述循环装置12与所述超声电解装置11的第一主液路管16以及设置于所述第一主液路管上的第一流量控制阀161，所述第一流量控制阀161用于控制所述循环装置12抽送至所述超声电解装置11的水溶液的流量大小。这里，第一流量控制阀161可以是手动流量控制阀，也可以是依靠电子电路来控制节流口流量的自动流量控制阀，第一流量控制阀161可以是节流阀和/或调速阀和/或分流集流阀等。如此，所述电解海水制氢系统可以根据电解槽111内电解液的温度和/或液体容量适时调整第一流量控制阀161的流量大小，例如，电解槽111内电解液的温度高于预设值和/或液体容量低于预设值，则增大第一流量控制阀161的节流口的流量。本实用新型实施例所述电解海水制氢系统能够根据电解液的温度和/或液体容量适时调整流入电解槽111的海水流量，增强了系统的适应性。
32.在一些实施例中，所述冷却装置14冷却后的电解液的温度值为25℃。冷却后的电解液经过滤装置15和循环装置12后回流至电解槽111内。冷却后的电解液为设定温度，用以降低电解槽111内电解液的温度值，增强电解海水制氢过程的稳定性和适用性。
33.在一些实施例中，所述过滤装置15为双旋流过滤器。所述旋流过滤器具有过滤能力大、压力损失小、排污方便的优点。
34.在一些实施例中，所述气液分离装置13包括氢分离器131和氧分离器132，所述氢分离器131通过第一支液路管17与所述超声电解装置11的阴极腔室相连，所述氧分离器132通过第二支液路管18与所述超声电解装置11的阳极腔室相连；所述主液路管16上设置有第一温度测量仪162，所述第一支液路管171上设置有第二温度测量仪171，所述第二支液路管18上设置有第三温度测量仪181，所述冷却装置14上设置有第二流量控制阀141；所述第二流量控制阀141用于根据所述第一温度测量仪162、第二温度测量仪171和第三温度测量仪181的温度值确定所述冷却装置14中冷却水的流量值，并根据所述流量值控制所述冷却装
置14中冷却水的流量大小。
35.本实用新型实施例中，电解槽11以海水作为电解液所产生的氢气跟随流动的电解液经第一支液路管17流向氢分离器131，氢分离器131将电解液和氢气进行分离，被分离的氢气经氢分离器131的上部端口排出，被分离的电解液经氢分离器131的下部端口流向冷却装置14；同样的，电解槽11以海水作为电解液所产生的氧气跟随流动的电解液经第二支液路管18流向氧分离器132，氧分离器132将电解液和氧气进行分离，被分离的氧气经氧分离器132的上部端口排出，被分离的电解液经氧分离器132的下部端口流向冷却装置14。第一支液路管17上设置有第二温度测量仪171，第二支液路管18上设置有第三温度测量仪181，第二温度测量仪171用于监测流经第一支液路管17的电解液的温度值，第三温度测量仪181用于监测流经第二支液路管18的电解液的温度值。同时，第一温度测量仪161用于监测流经第一主液路管16的电解液的温度值。第二流量控制阀141可以是手动控制阀或者是电动控制阀，当第二流量控制阀141是手动控制阀时，监控者可以根据三个温度测量仪的温度值对应调节第二流量控制阀141的开度；当第二流量控制阀141是电动控制阀时，第二流量控制阀141会依靠电子电路来控制节流口流量的自动流量控制阀的开度。即本实用新型实施例所述电解水制氢系统能够根据电解槽111的输入端和输出端的水温适时调节电解液111内的电解液的温度，增强电解海水制氢过程的稳定性和适用性。
36.在一些实施例中，请参阅图4，所述电解海水制氢系统还包括控制器10，所述控制器10分别与所述第一温度测量仪、第二温度测量仪、第三温度测量仪以及第一流量控制阀、第二流量控制阀相连，控制器10用于获取第一温度测量仪162、第二温度测量仪171和第三温度测量仪181的温度值，并根据所述第一温度测量仪162、第二温度测量仪171和第三温度测量仪181的温度值采用数据模型进行模拟运算来确定电解槽111内电解液的温度值，并进一步控制第一流量控制阀161和/或第二流量控制阀141的开启程度，从而控制电解槽111内电解液的温度。如此，本实用新型实施例所述电解海水制氢系统可以根据对应不同位置的第一温度测量仪162、第二温度测量仪171和第三温度测量仪181的温度值精确调整冷却装置14输出的冷却电解液的流量大小，进而控制电解槽111进水的温度，使得电解槽111内电解液的温度维持在合理范围内。即本实用新型实施例所述电解水制氢系统能够根据电解槽111的输入端和输出端的水温适时调节电解液111内的电解液的温度，增强电解海水制氢过程的稳定性和适用性。
37.在一些实施例中，请继续参阅图3，所述超声波换能器112的数量为多个，所述超声波换能器112设置于所述电解槽111的槽体相对两侧，每一侧所述超声波换能器等间隔分布。如此，既能保持超声电解装置11在电解海水过程中的电解均衡，又有利于电解槽内氧化物或氢氧化物随电解液的及时排出，增强电解海水制氢过程的稳定性和适用性。
38.在一些实施例中，所述超声波换能器112的数量为6个至50个，每个所述超声波换能器112的频率范围为10khz-200khz。例如，请继续参阅图1，所述超声波换能器112的数量为6个。如此，既能保持超声电解装置11在电解海水过程中的电解均衡，又有利于电解槽内氧化物或氢氧化物随电解液的及时排出，增强了电解海水制氢过程的稳定性和适用性。
39.在一些实施例中，所述电解槽111的槽体内的电解液的温度值范围为75℃-85℃。这里，一方面为了使电解槽111槽体内电解液的电解速率达到期望值，另一方面为了节约电解槽111在电解海水过程中的能量消耗，预先设置电解槽111的槽体内的电解液的温度值范
围为75℃-85℃。如此，增强了电解海水制氢过程的稳定性和适用性。
40.本实用新型实施例提供的点解海水制氢系统，在循环装置促使海水保持流动状态、以及超声波换能器提供震动的情况下，电解槽电解海水时产生的氧化物或氢氧化物能够及时被流动的电解液带走，有效防止氧化物或氢氧化物在电极处的沉积，提高了电解海水制氢的生产效率，节约了电解海水制氢系统的维护成本；再者，本实用新型实施例中的电解海水制氢系统采用冷却装置将气液分离装置分离出的电解液进行冷却，以及采用过滤装置对氧化物或氢氧化物进行过滤，经过滤后的电解液再次流向循环装置的另一进水口，不仅可以循环利用水资源，还能适时调节电解槽内电解液的温度。另外的，采用控制器分别根据电解槽输入口、输出口的温度值适时调节用于控制冷却装置中冷却水的流量阀的开度，进而调节流经冷却装置的电解液的温度，从而进一步控制电解槽进水的温度，使得电解槽内电解液的温度维持在合理范围内。
41.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围之内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。