气液分离器和电解制氢装置的制作方法

1.本发明属于新能源技术领域，尤其涉及一种气液分离器和电解制氢装置。


背景技术：

2.漂浮式海上风电平台是未来海上风电的发展趋势，但海上风电平台离岸较远，且风电波动性大，给电力传输和上网造成困难。将海上风电以氢的形式储存起来，再通过管道或船运的方式将氢运输到码头等负荷中心进行利用，是一种实现远海风电利用的有效手段。但是，漂浮式海上平台存在周期性晃荡的问题，给电解制氢系统的安全运行带来了挑战。
3.相关技术中，电解制氢系统包括碱性电解制氢系统和pem电解制氢系统，其中，碱性电解制氢系统成本较低、规模较大，但由于碱性电解制氢系统的电解槽目前采用的隔膜是多孔隔膜，需要维持较准确的阴极侧和阳极侧压力平衡，否则，电解槽内产生的氢气和氧气容易发生过膜掺混，形成爆炸混合物，发生危险。而海上风电处于一个晃荡的环境，容易使分离器内气液界面的液位波动，导致氢侧和氧侧的液位差波动，造成危险；也会给气液分离效率造成负面影响，给产品气体的处理造成困难。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种气液分离器，该气液分离器能够适应海上风电平台的晃荡，减轻晃荡造成的液位波动和压差，降低安全风险，提高分离效率。
5.本发明第二方面实施例提出了一种电解制氢装置。
6.本发明实施例的气液分离器包括筒体、横向挡板和竖向挡板。所述筒体的轴线沿竖直方向设置，所述筒体具有进料管、排液管和排气管，所述进料管位于所述筒体中部，所述排液管位于筒体下部，所述排气管位于筒体上部；所述横向挡板连接于所述筒体内，所述横向挡板位于所述进料管上方，所述横向挡板的侧壁与所述筒体的内壁相抵以将所述筒体的内腔分隔为上腔和下腔，所述横向挡板可沿竖直方向滑动，所述横向挡板上设有连通所述上腔和所述下腔的第一通孔；所述竖向挡板位于所述下腔内，所述竖向挡板的下壁和侧壁均与所述筒体的内壁连接以将所述筒体的下腔分隔为多个液槽，所述竖向挡板上设有连通相邻两个所述液槽的第二通孔；所述筒体满足公式：v《0.25πd3，其中，v为所述下腔的体积，d为所述筒体的当量直径。
7.本发明实施例的气液分离器通过横向挡板和竖向挡板的设置，在满足电解槽压差造成液位波动低于限值的前提下，竖向挡板将液面区域分隔开，使外部晃荡引起的气液分离器的液位波动较低，减轻了冲击性下的电解制氢两侧气体(氢气和氧气)的互串，实现了常规晃荡下的优化控制，而且避免了气液分离器体积过大，节省成本。
8.在一些实施例中，所述气液分离器还包括传感器、升降装置、驱动装置和控制器。所述传感器设在所述下腔内，所述传感器用于监测所述下腔内的温度和压力，所述升降装
置设在所述上腔内，所述升降装置的上端与所述筒体的内壁连接，所述升降装置的下端与所述横向挡板连接，所述升降装置可带动所述横向挡板沿竖直方向滑动，所述驱动装置与所述升降装置连接，所述驱动装置用于驱动所述升降装置，所述控制器分别与所述传感器和所述驱动装置连接，所述控制器用于接收所述传感器的信号并控制所述驱动装置运动。
9.在一些实施例中，所述竖向挡板有多个，多个所述竖向挡板相互平行或交叉分布。
10.在一些实施例中，所述第二通孔有多排，每一排的所述第二通孔沿水平方向在所述竖向挡板上间隔分布，多排所述第二通孔沿竖直方向在所述竖向挡板上间隔分布。
11.在一些实施例中，所述排气管满足公式：d
out
＝2(ngrt/pπkvm)
0.5
；所述进料管满足公式：d
in
＝2(v
l
/πkv
lm
)
0.5
；其中，d
out
为所述排气管的直径，ng为电解槽单位时间内产生的气体量，r为理想气体常数，t为所述下腔的工作温度，p为所述下腔的气压，k为安全系数，vm为所述排气管内允许的气体最大流速，d
in
为所述进料管的直径，v1为单位时间内通过所述进料管的液体流量，v
1m
为所述排液管内允许的液体最大流速。
12.在一些实施例中，所述筒体满足公式：d＝(1.1-1.4)(0.4ngrt/πbp)
0.5
，其中，d为所述筒体的当量直径，b为所述筒体内液位差的限制值。
13.在一些实施例中，所述筒体足公式：w
l
＝t(v,v
l
)《w
1m
，其中，w
l
＝t(v,v
l
)的函数形式和参数值由v/v
l
和所述排气管的气体中液体夹带量的历史数据根据非线性拟合来确定，w1为所述排气管内气体中液体夹带量，w
1m
为所述排气管内气体中液体夹带量的限制值。
14.在一些实施例中，所述横向挡板满足公式：1-2％p2a/mgvg《θ《w
1m
/w1，其中，p2为所述上腔的气压，a为所述筒体水平方向截面积，mg为所述上腔内气体密度，vg为所述上腔内气体平均流速，θ为所述横向挡板的孔隙率，w
1m
为所述筒体内气体中液体夹带量的限制值，w1为所述筒体内气体中液体夹带量。
15.本发明第二方面实施例电解制氢装置包括电解槽、上述气液分离器和循环泵，所述电解槽适于存放电解液，所述气液分离器有两个，其中一个所述气液分离器的进料管与所述氢出口连通，另一个所述气液分离器的进料管与所述氧出口连通，所述循环泵具有进口和出口，所述进口与所述排液管连通，所述出口与所述的回液口连通。
16.本发明第二方面实施例的电解制氢装置通过采用上述气液分离器，减轻了冲击性下的电解制氢两侧气体(氢气和氧气)的互串，实现了常规晃荡下的优化控制。
17.在一些实施例中，所述电解制氢装置还包括过滤装置和换热器，所述循环泵、所述过滤装置、所述换热器和所述电解槽顺次连通。
附图说明
18.图1是本发明实施例的气液分离器的正视剖视图。
19.图2是本发明第一实施例的气液分离器的俯视剖视图。
20.图3是本发明第二实施例的气液分离器的俯视剖视图。
21.图4是本发明实施例的电解制氢装置的示意图。
22.附图标记：
23.筒体1；进料管11；排液管12；排气管13；
24.横向挡板2；
25.竖向挡板3；
26.升降装置4；
27.电解槽5；
28.循环泵6；
29.过滤装置7；
30.换热器8。
具体实施方式
31.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
32.以下结合附图描述本发明实施例的气液分离器。
33.如图1至图3所示，本发明实施例的气液分离器包括筒体1、横向挡板2和竖向挡板3。筒体1的轴线沿竖直方向设置，筒体1具有进料管11、排液管12和排气管13，进料管11位于筒体1中部，排液管12位于筒体1下部，排气管13位于筒体1上部；横向挡板2连接于筒体1内，横向挡板2位于进料管11上方，横向挡板2的侧壁与筒体1的内壁相抵以将筒体1的内腔分隔为上腔和下腔，横向挡板2可沿竖直方向滑动，横向挡板2上设有连通上腔和下腔的第一通孔(未示出)；竖向挡板3位于下腔内，竖向挡板3的下壁和侧壁均与筒体1的内壁连接以将筒体1的下腔分隔为多个液槽，竖向挡板3上设有连通相邻两个液槽的第二通孔(未示出)；筒体1满足公式：v《0.25πd3，其中，v为下腔的体积，d为筒体1的当量直径。
34.需要说明的是，为确保液面震荡幅度不超过限制值，使δh0《b，δh0为单位时间内分离器内液面在一定压力波动δp情况下所产生的液位差，δh0＝ngrtδp/p2/a＝0.1ngrt/p/a《b，其中，ng为电解槽5单位时间内产生的气体量，r为理想气体常数，t为下腔的工作温度，p为下腔的气压，a为气液分离器水平方向截面积且a＝dl/4，l为气液分离器水平截面周长，b为液位差的限制值，作为优选，b＝2-5cm，例如b＝2cm、b＝3cm、b＝4cm、b＝5cm，由上述公式可得，d
min
＝(0.4ngrt/πbp)
0.5
，其中，d
min
为筒体1的当量直径的最小值，取d＝(1.1-1.4)d
min
，使δhm《c，δhm为分离器内液面在外部周期性运动条件下造成的液位波动偏离平衡位置的最大值，δhm＝f(wm,t1,θ1,sm,t2,θ2,d/h)，f为决定分离器液位波动与周期性运动之间关系的函数，可以为显性经验公式或隐性映射关系，f可由外部周期性运动和分离器液位波动的历史数据根据非线性拟合来确定，作为优选，f形式如下：f(d/h)＝[c1(d/h)2+c2(d/h)+c3]*(wmcosθ1sinθ1+smsin(2πt1/t2+θ2))/t1/t2，c＝2-5cm其中，h为气液分离器的高度，wm为气液分离器沿垂直轴的角向晃动的最大振幅，sm为气液分离器沿垂直方向的线性震荡的最大振幅，θ1为wm的初始角度，t1为wm的运动周期，t2为sm的运动周期，θ2为sm的初始角度，c1、c2、c3为常数，由此，得d/h《d2，其中，d2满足f(d2)＝c，对于一定的d，h需达到较大数值，以确保液面震荡幅度不超过限制值，但是，v过大时，会造成投资增加，因此，规定v《0.25πd3，当由上述公式确定的d和h计算得到的v大于0.25πd3时，在分离器内设置k1个竖向挡板3，k1为使d’＝d/k满足d’/h《d2条件的最小正整数。
[0035]
本发明实施例的气液分离器通过横向挡板2和竖向挡板3的设置，在满足电解槽5压差造成液位波动低于限值的前提下，竖向挡板3将液面区域分隔开，使外部晃荡引起的气液分离器的液位波动较低，减轻了冲击性下的电解制氢两侧气体(氢气和氧气)的互串，实现了常规晃荡下的优化控制，而且避免了气液分离器体积过大，节省成本。
[0036]
如图1所示，在一些实施例中，气液分离器还包括传感器(未示出)、升降装置4、驱动装置(未示出)和控制器(未示出)。传感器设在下腔内，传感器用于监测下腔内的温度和压力，升降装置4设在上腔内，升降装置4的上端与筒体1的内壁连接，升降装置4的下端与横向挡板2连接，升降装置4可带动横向挡板2沿竖直方向滑动，驱动装置与升降装置4连接，驱动装置用于驱动升降装置4，控制器分别与传感器和驱动装置连接，控制器用于接收传感器的信号并控制驱动装置运动。
[0037]
由此，本实施例的气液分离器通过传感器、升降装置4、驱动装置和控制器的设置，传感器监测下腔内的的温度和压力并将信号传递至控制器，控制器接收到传感器的信号后根据设定的算法控制驱动装置运动，驱动装置与升降装置4控制横向挡板2沿竖直方向移动，从而改变了下腔的体积。
[0038]
可选地，升降装置4包括伸缩杆(未示出)，伸缩杆的上端与筒体1的内壁连接，伸缩杆的下端与横向挡板2连接。
[0039]
可选地，升降装置4包括丝杆(未示出)，丝杆的上端与筒体1的内壁连接，丝杆的下部贯穿横向挡板2并与横向挡板2螺纹连接。
[0040]
在一些实施例中，竖向挡板3有多个，多个竖向挡板3相互平行或交叉分布。
[0041]
如图2所示，可选地，多个竖向挡板3相互平行且沿左右方向间隔分布。
[0042]
如图3所示，可选地，多个竖向挡板3沿筒体1的周向间隔分布。
[0043]
可选地，竖向挡板3的顶端高于气液分离器内液体的液面5-10cm，例如，5cm、6cm、7cm、8cm、9cm、10cm。
[0044]
在一些实施例中，第二通孔有多排，每一排的第二通孔沿水平方向在竖向挡板3上间隔分布，多排第二通孔沿竖直方向在竖向挡板3上间隔分布。
[0045]
可选地，第二通孔共3-6排，例如，3排、4排、5排、6排。
[0046]
在一些实施例中，排气管13满足公式：d
out
＝2(ngrt/pπkvm)
0.5
；进料管11满足公式：d
in
＝2(v
l
/πkv
lm
)
0.5
；其中，d
out
为排气管13的直径，ng为电解槽5单位时间内产生的气体量，r为理想气体常数，t为下腔的工作温度，p为下腔的气压，k为安全系数，vm为排气管13内允许的气体最大流速，d
in
为进料管11的直径，v1为单位时间内通过进料管11的液体流量，v
1m
为排液管12内允许的液体最大流速。
[0047]
需要说明的是，v1＝(1+r)va/2，其中，va为电解槽5的碱液循环流量，va＝v
t
/ta，v
t
为氢侧或氧侧电解槽5液体积，v
t
＝alacnc/2，l为小室间距，优选0.5-1cm，例如l＝0.5cm、l＝0.6cm、l＝0.7cm、l＝0.8cm、l＝0.9cm、l＝0.5cm，a为形状因子，优选0.5-0.7，例如a＝0.5、a＝0.55、a＝0.6、a＝0.65、a＝0.7，ta为碱性电解槽5的电解液在槽内置换一次所需时间，优选5-10min，例如ta＝5min、ta＝6min、ta＝7min、ta＝8min、ta＝9min、ta＝10min，r为碱液携带气体的体积分数，r＝2ngrt/pva。
[0048]
在一些实施例中，筒体1满足公式：d＝(1.1-1.4)(0.4ngrt/πbp)
0.5
，其中，d为筒体1的当量直径，b为筒体1内液位差的限制值。
[0049]
在一些实施例中，筒体1足公式：w
l
＝t(v,v
l
)《w
1m
，其中，w
l
＝t(v,v
l
)的函数形式和参数值由v/v
l
和排气管13的气体中液体夹带量的历史数据根据非线性拟合来确定，w1为排气管13内气体中液体夹带量，w
1m
为排气管13内气体中液体夹带量的限制值。
[0050]
需要说明的是，在温度、压强和电流强度一定的情况下，排气管13处气体杂质浓度
c满足c《cm，cm为排气管13处气体杂质浓度的限制值，作为优选，cm＝1.6-2％，例如cm＝1.6％、cm＝1.7％、cm＝1.8％、cm＝1.9％、cm＝2.0％，c＝k(v,v
l
,v
t
,wm,t1,θ1,lm,t3,θ3)的形式为显性经验公式或隐性映射关系，c可由外部周期性运动和分离器出口气体杂质的浓度的历史数据根据非线性拟合来确定，作为优选，c形式为c＝k1/(1+k2/(v-v
l
))，其中，k1＝[s1*m*(wm/t1)2*cos2θ1sin2θ1+s1*m*(lm/t3)2*cos2(2πt1/t3+θ1)+s2]/(1+1/v
t
)，k2为常数，由此可得v
l
《v-cm*k2/(c
m-k1)，取v
l
＝max(v-2cm*k2/(c
m-k1),2/3v)，排气管13中液体夹带量w
l
＝t(v,v
l
)《w
1m
，作为优选，w
1m
＝3-4％，w
l
＝t(v,v
l
)的函数形式和参数值可由v/v
l
和分离器出口气体中液体夹带量的历史数据根据非线性拟合来确定，作为优选，w
l
＝c1(v/v
l
)+c2，c1,c2为常数，c1《0。
[0051]
当v
l
＝max(v-2cm*k2/(c
m-k1),2/3v)所确定的v/v
l
使w
l
＝t(v,v
l
)超过wm时，调节横向挡板2，使w
l
＝t(v,v
l
)《w
1m
。
[0052]
在一些实施例中，横向挡板2满足公式：1-2％p2a/mgvg《θ《w
1m
/w1，其中，p2为上腔的气压，a为筒体1水平方向截面积，mg为上腔内气体密度，vg为上腔内气体平均流速，θ为横向挡板2的孔隙率。
[0053]
需要说明的是，孔隙率θ应满足w
l
＝t(v,v
l
)*θ《wm，防止因孔隙率过大而导致排气管13气体中液体夹带量超过限制值，孔隙率θ应满足δp
θ
＝mgvg(1-θ)/a《2％p，其中δp
θ
为下腔内压力损失，防止孔隙率过小而导致压力损失较大，由此得1-2％p2a/mgvg《θ《w
1m
/w1。
[0054]
优选地，θ＝(1-2％pa/mgv
g+w1m
/t(v,v
l
))/2。
[0055]
以下结合附图描述本发明第二方面实施例得电解制氢装置。
[0056]
如图4所示，本发明第二方面实施例电解制氢装置包括电解槽5、上述气液分离器和循环泵6，电解槽5适于存放电解液，气液分离器有两个，其中一个气液分离器的进料管11与氢出口连通，另一个气液分离器的进料管11与氧出口连通，循环泵6具有进口和出口，进口与排液管12连通，出口与的回液口连通。
[0057]
本发明实施例的电解制氢装置通过采用上述气液分离器，减轻了冲击性下的电解制氢两侧气体(氢气和氧气)的互串，实现了常规晃荡下的优化控制。
[0058]
在一些实施例中，电解制氢装置还包括过滤装置7和换热器8，循环泵6、过滤装置7、换热器8和电解槽5顺次连通。
[0059]
由此，本实施例得电解制氢装置通过过滤装置7和换热器8的设置，防止杂质进入电解槽5内且使回流至电解槽5内的碱液与电解槽5内的温度一致，减少了电解槽5的故障率。
[0060]
可选地，过滤装置7包括管体(未示出)和至少一个滤网(未示出)，管体分别与循环泵和换热器连通，滤网安装于管体内，滤网的外周与管体的内壁紧密贴合。
[0061]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
[0062]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0063]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0064]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0065]
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0066]
尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。