本發(fā)明涉及電解水制氫領(lǐng)域以及氣液分離裝置領(lǐng)域，尤其涉及一種電解水制氫的氣液分離洗滌一體化裝置。

背景技術(shù)：

1、氫能是全球能源向低碳化逐步轉(zhuǎn)型的重要載體之一，也是我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要媒介。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球的氫氣中約96％來自化石燃料制氫，這會(huì)產(chǎn)生大量co2排放，造成環(huán)保壓力。相比傳統(tǒng)的工業(yè)碳?xì)浠衔镎羝卣椒?，電解水制氫是一種高效、清潔的制氫技術(shù)。

2、在電解水制氫工藝中需要對(duì)混合有氫氣的氫電解液和混合有氧氣的氧電解液進(jìn)行氣液分離和洗滌的工藝。要想實(shí)現(xiàn)對(duì)氫和氧兩種不同且不可混合的電解液進(jìn)行氣液分離和洗滌，傳統(tǒng)采用的方案需要至少兩臺(tái)獨(dú)立的氣液分離裝置和兩臺(tái)獨(dú)立洗滌裝置分別對(duì)氫氧電解液進(jìn)行氣液分離和對(duì)氫氣和氧氣進(jìn)行洗滌。這種方案限制了制氫工藝整體的設(shè)備數(shù)量、增加了工藝整體的復(fù)雜性、降低了工藝設(shè)備的緊湊性，限制了制氫效率的提高。

3、此外，現(xiàn)有電解水制氫工藝中氣液分離通常為重力分離，重力分離主要是利用氣體和液體在重力作用下的密度差異來實(shí)現(xiàn)分離。在電解水制氫過程中，以氫氣測(cè)為例，氫氣作為氣體產(chǎn)物，其密度遠(yuǎn)小于作為電解質(zhì)的液體，因此在重力作用下，氣體會(huì)自然上升并與液體分離。然而，在重力作用下，氣體和液體的分離速度相對(duì)較慢，且當(dāng)氣體含量較高或氣泡較小時(shí)，容易形成氣液混合物，導(dǎo)致分離效率降低。因此，目前采用重力分離的方法分離效率有限。

4、為了解決以上問題，提出本發(fā)明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種電解水制氫的氣液分離洗滌一體化裝置，裝置充分結(jié)合了旋流分離和重力分離兩種氣液分離裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將氫氧電解液的氣液分離和洗滌工藝集成于一個(gè)裝置之中，減少了電解水制氫工藝整體的設(shè)備數(shù)量，降低了整體工藝的復(fù)雜性，增加了工藝設(shè)備的緊湊性，從而提升了工藝整體的運(yùn)行效率。

2、本發(fā)明第一方面提供了一種電解水制氫的氣液分離洗滌一體化裝置，其包括氫側(cè)氣液分離單元、氫側(cè)洗滌單元、氧側(cè)氣液分離單元、氧側(cè)洗滌單元和壓力平衡單元；

3、氫側(cè)氣液分離單元與氫側(cè)洗滌單元耦合，氧側(cè)氣液分離單元與氧側(cè)洗滌單元耦合，氫側(cè)氣液分離單元通過壓力平衡單元與氧側(cè)氣液分離單元耦合。

4、優(yōu)選地，氫側(cè)氣液分離單元包括主氫氣排氣管101、氫氣旋流分離室102、氫電解液輸入管104、氫氣重力分離室105和氫電解液排出管107；氫側(cè)洗滌單元包括氫氣洗滌室108、氫氣輸出管109、副氫氣排氣管110和氫側(cè)純水補(bǔ)充管113；氫側(cè)氣液分離單元通過所述主氫氣排氣管101、所述副氫氣排氣管110和所述氫側(cè)純水補(bǔ)充管113與氫側(cè)洗滌單元耦合；

5、氧側(cè)氣液分離單元包括主氧氣排氣管201、氧氣旋流分離室202、氧電解液輸入管204、氧氣重力分離室205、氧電解液排出管207；氧側(cè)洗滌單元包括氧氣洗滌室208、氧氣輸出管209、副氧氣排氣管210和氧側(cè)純水補(bǔ)充管213；氧側(cè)氣液分離單元通過所述主氧氣排氣管201、所述副氧氣排氣管210和所述氧側(cè)純水補(bǔ)充管213與氧側(cè)洗滌單元耦合；

6、壓力平衡單元包括氫氧壓力平衡管301，且所述氫氧壓力平衡管301中間存留有一段氫氧電解液的混合液柱302，氫側(cè)氣液分離單元通過壓力平衡單元的所述氫氧壓力平衡管301與氧側(cè)氣液分離單元耦合。

7、優(yōu)選地，所述氫氣旋流分離室102的頂部安裝有所述主氫氣排氣管101，所述主氫氣排氣管101的一端伸入到所述氫氣旋流分離室102的內(nèi)部，另一端與所述氫氣洗滌室108的頂部連接并伸入到所述氫氣洗滌室108內(nèi)部且靠近所述氫氣洗滌室108底部的位置，將經(jīng)過所述氫氣旋流分離室102得到的氫氣通入到所述氫氣洗滌室108中洗滌；

8、在所述氫氣旋流分離室102筒壁的一側(cè)傾斜切向安裝有一所述氫電解液輸入管104，待氣液分離的氫電解液切向流入所述氫氣旋流分離室102；

9、所述氧氣旋流分離室202的頂部安裝有所述主氧氣排氣管201，所述主氧氣排氣管201的一端伸入到所述氧氣旋流分離室202的內(nèi)部，另一端與所述氧氣洗滌室208的頂部連接并伸入到所述氧氣洗滌室208內(nèi)部且靠近所述氧氣洗滌室208底部的位置，將經(jīng)過所述氧氣旋流分離室202得到的氧氣通入到所述氧氣洗滌室208中洗滌；

10、在所述氧氣旋流分離室202筒壁的一側(cè)傾斜切向安裝有一所述氧電解液輸入管204，待氣液分離的氧電解液切向流入所述氧氣旋流分離室202。

11、優(yōu)選地，所述氫電解液輸入管104的頂部安裝有一段氫氣歧管103，所述氫電解液輸入管104通過所述氫氣歧管103與所述氫氣旋流分離室102連通，將一部分由于重力而分離出來的氫氣導(dǎo)流至所述主氫氣排氣管101；

12、所述氧電解液輸入管204的頂部安裝有一段氧氣歧管203，所述氧電解液輸入管204通過所述氧氣歧管203與所述氧氣旋流分離室202連通，將一部分由于重力而分離出來的氧氣導(dǎo)流至所述主氧氣排氣管201。

13、優(yōu)選地，在所述氫氣旋流分離室102的底部出口位置安裝有一個(gè)氫側(cè)旋流防止器106，用于消除從所述氫氣旋流分離室102出來的氫電解液的旋流狀態(tài)；

14、在所述氧氣旋流分離室202的底部出口位置安裝有一個(gè)氧側(cè)旋流防止器206，用于消除從所述氧氣旋流分離室202出來的氧電解液的旋流狀態(tài)。

15、優(yōu)選地，所述氫氣重力分離室105的頂部與所述氫氣旋流分離室102的下端筒壁緊密連接，并且所述氫氣旋流分離室102的底部出口完全伸入到所述氫氣重力分離室105的內(nèi)部。

16、所述氫氣重力分離室105的一側(cè)筒壁上安裝有所述氫側(cè)純水補(bǔ)充管113，所述氫側(cè)純水補(bǔ)充管113的另一端口與所述氫氣洗滌室108的底部連接，在所述氫側(cè)純水補(bǔ)充管113上安裝有控制純水補(bǔ)充的氫側(cè)純水補(bǔ)充閥112；

17、所述氫氣重力分離室105的頂部安裝有所述副氫氣排氣管110，所述副氫氣排氣管110的另一端口與所述氫氣洗滌室108連通并伸入其內(nèi)部，用于將所述氫氣重力分離室105中由于重力分離出來的氫氣通入到所述氫氣洗滌室108中洗滌；在所述副氫氣排氣管110上安裝有控制氫氣排出和防止純水流入的副氫氣排氣閥111；

18、所述氫氣重力分離室105的底部安裝有所述氫電解液排出管107，所述氫電解液排出管107向所述氫氣重力分離室105內(nèi)安裝一段距離，與所述氫氣重力分離室105的底部錐角形成可以沉降固體污垢的槽；

19、所述氧氣重力分離室205位于所述氧氣旋流分離室202的底部，所述氧氣重力分離室205的頂部與所述氧氣旋流分離室202的下端筒壁緊密連接，并且所述氧氣旋流分離室202的底部出口完全伸入到所述氧氣重力分離室205的內(nèi)部；

20、所述氧氣重力分離室205的一側(cè)筒壁上安裝有所述氧側(cè)純水補(bǔ)充管213，所述氧側(cè)純水補(bǔ)充管213的另一端口與所述氧氣洗滌室208的底部連接，在所述氧側(cè)純水補(bǔ)充管213上安裝有控制純水補(bǔ)充的氧側(cè)純水補(bǔ)充閥212；

21、所述氧氣重力分離室205的頂部安裝有所述副氧氣排氣管210，所述副氧氣排氣管210的另一端口與所述氧氣洗滌室208連通并伸入其內(nèi)部，用于將所述氧氣重力分離室205中由于重力分離出來的氧氣通入到所述氧氣洗滌室208中洗滌；在所述副氧氣排氣管210上安裝有控制氧氣排出和防止純水流入的副氧氣排氣閥211；

22、所述氧氣重力分離室205的底部安裝有所述氧電解液排出管207，所述氧電解液排出管207向所述氧氣重力分離室205內(nèi)安裝一段距離，與所述氧氣重力分離室205的底部錐角形成可以沉降固體污垢的槽。

23、優(yōu)選地，在所述氫氣洗滌室108靠近頂部的側(cè)壁上安裝有所述氫氣輸出管109，用于輸出洗滌后的氫氣；

24、在所述氧氣洗滌室208靠近頂部的側(cè)壁上安裝有所述氧氣輸出管209，用于輸出洗滌后的氧氣。

25、優(yōu)選地，所述氫氧壓力平衡管301安裝在所述氫氣重力分離室105和所述氧氣重力分離室205之間并連通，在所述氫氧壓力平衡管301中間存留有一段氫氧電解液的所述混合液柱302，用于減少氫氧電解液的混合以及平衡氫電解液和氧電解液的壓力。

26、優(yōu)選地，所述氫氣旋流分離室102和所述氧氣旋流分離室202是下半段具有一定錐度的錐筒結(jié)構(gòu)；

27、所述氫氣重力分離室105和所述氧氣重力分離室205是一個(gè)筒徑大于筒高(也就是筒徑較大筒身較短)，同時(shí)底部具有一定錐度的錐筒結(jié)構(gòu)；

28、整個(gè)所述的電解水制氫的氣液分離洗滌一體化裝置關(guān)于裝置自身中心對(duì)稱。

29、優(yōu)選地，所述副氫氣排氣閥111、氫則純水補(bǔ)充閥112、所述副氧氣排氣閥211和所述氧側(cè)純水補(bǔ)充閥212可以通過在所述氫氣重力分離室105和所述氧氣重力分離室205中安裝液位計(jì)通過簡(jiǎn)單的電路進(jìn)行自動(dòng)控制。

30、優(yōu)選地，所述氫氣洗滌室108和所述氧氣洗滌室208內(nèi)的純水可以通過外部進(jìn)行補(bǔ)充，在本發(fā)明中附圖中未畫出外部補(bǔ)充管路。

31、就氧側(cè)氣液分離單元和氧側(cè)洗滌單元而言，其結(jié)構(gòu)和組成與上述氫側(cè)氣液分離單元和氫側(cè)洗滌單元完全一致，其布置與上述氫側(cè)氣液分離單元和氫側(cè)洗滌單元的布置對(duì)稱；不同點(diǎn)在于，氫側(cè)氣液分離單元和氫側(cè)洗滌單元中的工質(zhì)是氫電解液和氫氣，氧側(cè)氣液分離單元和氧側(cè)洗滌單元中的工質(zhì)是氧電解液和氧氣。本發(fā)明第二方面提供一種電解水制氫的氣液分離洗滌一體化方法，使用本發(fā)明第一方面所述的電解水制氫的氣液分離洗滌一體化裝置，其包括：

32、氫側(cè)氣液分離單元分離所得的氫氣進(jìn)入氫側(cè)洗滌單元進(jìn)行洗滌，最終經(jīng)過洗滌后的氫氣從氫側(cè)洗滌單元排出；

33、氧側(cè)氣液分離單元分離所得的氧氣進(jìn)入氧側(cè)洗滌單元進(jìn)行洗滌，最終經(jīng)過洗滌后的氧氣從氧側(cè)洗滌單元排出；

34、氫側(cè)氣液分離單元和氧側(cè)氣液分離單元通過壓力平衡單元平衡壓力，保證氫側(cè)氣液分離單元和氧側(cè)氣液分離單元排出的氫電解液和氧電解液的壓力相同。

35、具體的，本發(fā)明電解水制氫的氣液分離洗滌一體化方法如下：

36、對(duì)于氫側(cè)氣液分離單元和氫側(cè)洗滌單元而言，首先混有氫氣的氫電解液流過所述氫電解液輸入管104并通過切向接口進(jìn)入到氫氣分離室102內(nèi)部形成氫電解液旋流，在這個(gè)過程中一小部分氫氣由于重力的作用在所述氫電解液輸入管104中分離出來并通過所述氫氣歧管103導(dǎo)流至所述主氫氣排氣管101的入口，這個(gè)過程相當(dāng)于進(jìn)行了整個(gè)裝置的第一級(jí)重力分離；主要的氫氣由所述氫氣旋流分離室102內(nèi)形成的氫電解液旋流分離出來，最終也匯聚到所述主氫氣排氣管101的入口，這兩部分氫氣經(jīng)過主氫氣排管從所述氫氣洗滌室108的底部冒出，被存放在所述氫氣洗滌室108內(nèi)的純水進(jìn)行洗滌，最終經(jīng)過洗滌后的氫氣從所述氫氣洗滌室108的所述氫氣輸出管109輸出。經(jīng)過所述氫氣旋流分離室102分離后的氫電解液仍具有一定的氫氣，這部分氫電解液從所述氫氣旋流分離室102的底部出口流出，經(jīng)過所述氫側(cè)旋流防止器106消除旋流狀態(tài)，流入到所述氫氣重力分離室105進(jìn)行整個(gè)裝置的第二級(jí)重力分離；由所述氫氣重力分離室105分離出的氫氣達(dá)到一定壓力后，打開所述副氫氣排氣閥111，從而使氫氣從所述氫氣重力分離室105頂部的所述副氫氣排氣管110排出至所述氫氣洗滌室108內(nèi)進(jìn)行洗滌，洗滌后的氫氣最后也通過所述氫氣輸出管109輸出；經(jīng)過所述氫氣重力分離室105分離獲得的氫電解液最終從所述氫電解液排出管107排出。當(dāng)所述氫氣重力分離室105內(nèi)的氫電解液液位低于一定程度時(shí)，打開所述氫側(cè)純水補(bǔ)充閥112，將所述氫氣洗滌室108內(nèi)的純水通過所述氫側(cè)純水補(bǔ)充管113補(bǔ)充到所述氫氣重力分離室105內(nèi)，維持氫電解液的液位保證所述副氫氣排氣管110的氫氣輸出。

37、對(duì)于氧側(cè)氣液分離單元和氧側(cè)洗滌單元而言，首先混有氧氣的氧電解液流過所述氧電解液輸入管204并通過切向接口進(jìn)入到氧氣分離室202內(nèi)部形成氧電解液旋流，在這個(gè)過程中一小部分氧氣由于重力的作用在所述氧電解液輸入管204中分離出來并通過所述氧氣歧管203導(dǎo)流至所述主氧氣排氣管201的入口，這個(gè)過程相當(dāng)于進(jìn)行了整個(gè)裝置的第一級(jí)重力分離；主要的氧氣由所述氧氣旋流分離室202內(nèi)形成的氧電解液旋流分離出來，最終也匯聚到所述主氧氣排氣管201的入口，這兩部分氧氣經(jīng)過主氧氣排管從所述氧氣洗滌室208的底部冒出，被存放在所述氧氣洗滌室208內(nèi)的純水進(jìn)行洗滌，最終經(jīng)過洗滌后的氧氣從所述氧氣洗滌室208的所述氧氣輸出管209輸出。經(jīng)過所述氧氣旋流分離室202分離后的氧電解液仍具有一定的氧氣，這部分氧電解液從所述氧氣旋流分離室202的底部出口流出，經(jīng)過所述氧側(cè)旋流防止器206消除旋流狀態(tài)，流入到所述氧氣重力分離室205進(jìn)行整個(gè)裝置的第二級(jí)重力分離；由所述氧氣重力分離室205分離出的氧氣達(dá)到一定壓力后，打開所述副氧氣排氣閥211，從而使氧氣從所述氧氣重力分離室205頂部的所述副氧氣排氣管210排出至所述氧氣洗滌室208內(nèi)進(jìn)行洗滌，洗滌后的氧氣最后也通過所述氧氣輸出管209輸出；經(jīng)過所述氧氣重力分離室205分離獲得的氧電解液最終從所述氧電解液排出管207排出。當(dāng)所述氧氣重力分離室205內(nèi)的氧電解液液位低于一定程度時(shí)，打開所述氧側(cè)純水補(bǔ)充閥212，將所述氧氣洗滌室208內(nèi)的純水通過所述氧側(cè)純水補(bǔ)充管213補(bǔ)充到所述氧氣重力分離室205內(nèi)，維持氧電解液的液位保證所述副氧氣排氣管210的氧氣輸出。

38、對(duì)于壓力平衡單元而言，所述氫氣重力分離室105和所述氧氣重力分離室205由所述氫氧壓力平衡管301連通，并通過所述氫氧壓力平衡管301內(nèi)的所述混合液柱302平衡壓力，保證從所述氫電解液排出管107和所述氧電解液排出管207排出的氫電解液和氧電解液的壓力相同，便于后續(xù)回收利用。

39、對(duì)于氧側(cè)氣液分離單元和氧側(cè)洗滌單元而言，其內(nèi)部工質(zhì)流動(dòng)情況和裝置的操作步驟與上述氫側(cè)氣液分離單元和氫側(cè)洗滌單元完全一致，區(qū)別在于，經(jīng)過分離洗滌的氫氣和氧氣分別排出并收集，有效保證兩種氣體不會(huì)發(fā)生混合導(dǎo)致事故的發(fā)生。

40、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

41、1.本發(fā)明電解水制氫的氣液分離洗滌一體化裝置，將氫氧電解液的氣液分離和洗滌工藝集成于一個(gè)裝置之中，減少了電解水制氫工藝整體的設(shè)備數(shù)量，降低了整體工藝的復(fù)雜性，增加了工藝設(shè)備的緊湊性，從而提升了工藝整體的運(yùn)行效率。氫氣氧氣同時(shí)分離，分開收集，極好的滿足了電解水制氫工藝的氫氧電解液的氣液分離的工藝要求和安全規(guī)范，從而提升整個(gè)制氫工藝的運(yùn)行效率。

42、2.本發(fā)明電解水制氫的氣液分離洗滌一體化裝置，充分結(jié)合了旋流氣液分離器和重力氣液分離器的特點(diǎn)，并將兩者的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有機(jī)的結(jié)合，提高了裝置的緊湊性和氣液分離的效率；充分利用了動(dòng)態(tài)分離和靜態(tài)分離，使裝置整體運(yùn)行更加穩(wěn)定，并保證了氫氧電解液同壓回收的工藝要求。

43、3.結(jié)合本發(fā)明電解水制氫的氣液分離洗滌一體化裝置，本發(fā)明電解水制氫的氣液分離洗滌一體化方法中對(duì)于分離過程有三級(jí)，其包括兩級(jí)重力分離和一次旋流分離，以氫側(cè)氣液分離單元為例：

44、首先混有氫氣的氫電解液流過所述氫電解液輸入管104并通過切向接口進(jìn)入到氫氣分離室102內(nèi)部形成氫電解液旋流，在這個(gè)過程中一小部分氫氣由于重力的作用在所述氫電解液輸入管104中分離出來并通過所述氫氣歧管103導(dǎo)流至所述主氫氣排氣管101的入口，這個(gè)過程相當(dāng)于進(jìn)行了整個(gè)裝置的第一級(jí)重力分離；主要的氫氣由所述氫氣旋流分離室102內(nèi)形成的氫電解液旋流分離出來，最終也匯聚到所述主氫氣排氣管101的入口，這個(gè)過程相當(dāng)于旋流分離；經(jīng)過所述氫氣旋流分離室102分離后的氫電解液仍具有一定的氫氣，這部分氫電解液從所述氫氣旋流分離室102的底部出口流出，經(jīng)過所述氫側(cè)旋流防止器106消除旋流狀態(tài)，流入到所述氫氣重力分離室105進(jìn)行整個(gè)裝置的第二級(jí)重力分離。