氫氣發(fā)生器的制造方法
【專利摘要】一種氫氣發(fā)生器，包括氫氣發(fā)生裝置及控制器部分，控制器包括：分別與整流電路、開關(guān)電源的輸入端相連接的三相電，整流電路與開關(guān)電源的輸出端分別與直流開關(guān)電路及智能程序控制單元輸入端相連，智能程序控制單元的輸出端通過直流開關(guān)電路與氫氣發(fā)生裝置相連，氫氣發(fā)生裝置上所設(shè)置的電流信號、溫度信號、壓力信號與智能程序控制單元連；所述氫氣發(fā)生裝置包括由電解槽和冷卻系統(tǒng)組成，該電解槽的兩側(cè)分別設(shè)置有換熱器，在換熱器上設(shè)有循環(huán)冷卻水的進出口，該進出口通過管線及水泵與冷卻系統(tǒng)成循環(huán)冷卻系統(tǒng)，在靠近電解槽的換熱器上部設(shè)有氫氧氣體出口。本發(fā)明是將電解槽與冷卻系統(tǒng)有機的結(jié)合在一起，在電氣控制方面改變了普通直流電源供電方式。
【專利說明】氫氣發(fā)生器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及新能源開發(fā)的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說是通過用水為原料高效制造氫氣的電解槽與電子脈沖控制技術(shù)的氫氣發(fā)生器。其目的是為尋求經(jīng)濟有效的，可以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)提供根本性解決方案。
【背景技術(shù)】
[0002]能源作為世界的經(jīng)濟命脈，社會發(fā)展的動力，受到了各國的高度重視。氫氣作為一種清潔、高效、和資源豐富的新能源已漸為世人所共識。氫能源具有的以下優(yōu)點必將成為人類的終極能源之一。
[0003]1.清潔。氫 氣燃燒過程中只產(chǎn)生水對環(huán)境沒有任何污染，實現(xiàn)真正的“零排放”。
[0004]2.貯能高。燃燒I克氫可以放出14萬焦耳的熱量，約為燃燒I克汽油放熱的3倍。
[0005]3.使用效率高。采用催化燃燒氫氣產(chǎn)生的熱，比常規(guī)化石燃料的熱效率高10 —15% ;用于內(nèi)燃機產(chǎn)生動力，比汽油效率高15 - 25%。
[0006]4.來源豐富。占地球表面71%的水中含有大量的氫，資源非常豐富。
[0007]5.用途廣泛。用氫氣代替煤和石油，不需對現(xiàn)有的技術(shù)裝備作重大的改造，現(xiàn)在的內(nèi)燃機稍加改裝即可使用。替代乙炔氣和氧氣做金屬焊接、切割處理，其效率高3倍以上。還可用于燃料電池，或轉(zhuǎn)換成固態(tài)氫用作備用可移動能源?？傊?，做為新能源，可以替代一切動力能源燃料。
[0008]盡管氫是自然界最豐富的元素之一，但是天然的氫在地面上卻很少有，所以只能依靠人工制取。但是作為能源使用，特別是普通的民用燃料，首先要求產(chǎn)氫氣量大、安全可靠性高，并要求能夠長時間的穩(wěn)定運行。同時要求造價較低，即經(jīng)濟上具有可行性，這是今后制氫技術(shù)的基本標準。就長遠和宏觀而言，氫氣的主要來源是水，以水裂解制氫應(yīng)是當(dāng)代新技術(shù)的主攻方向。
[0009]目前以水裂解制氫氣是普遍采用的方法。因為在電解水時的離子交換過程要放出極大的熱量；在制氫氣過程中的散熱問題是多少年來難以解決的課題。如果不妥善解決制氫設(shè)備的散熱問題就很難使制氫設(shè)備持久工作運行。其電解槽的設(shè)計至關(guān)重要。
[0010]眾所周知，電解水制氫技術(shù)自古有之。其原理在中學(xué)教科書里都有。水是由氫氧元素組成的，化學(xué)名稱為h20。它由二個氫原子和一個氧原子組成。在“特定條件”下，對水溶液通電，可以將水分解成為氫氣和氧氣，如下式所示:
通電
2H20 ------> 2H2+0
即兩個水分子可以分解成為2個氫原子和一個氧原子。通常的電解水裂解制氫方法采用的都是不同形式的極板式電解槽。在使用時，直流電施加于電解槽兩端，電解槽內(nèi)的水分子在電場作用下由雜亂無章的狀態(tài)轉(zhuǎn)變成有序的狀態(tài)，其中氫原子總是對應(yīng)陰極板，氧原子總是對著陽極板，氫氧化學(xué)鍵在電場作用下被強制打破，形成化學(xué)陰陽離子，陰陽離子沿各自方向移動，分別在陽極形成氧氣，在陰極形成氫氣。這是常規(guī)的工作原理。依據(jù)這個原理先人做出了很多形式的電解槽，然而都擺脫不了電解槽離子交換過程中產(chǎn)生極大熱量的困惑。電解槽溫度不能超過55°C ;否則產(chǎn)生的不是氫氣而是水蒸氣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的是提供一種通過用水為原料高效制造氫氣的電解槽與電子脈沖控制技術(shù)的氫氣發(fā)生器。
[0012]本發(fā)明目的是通過如下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:它包括有氫氣發(fā)生裝置以及氫氣發(fā)生裝置的控制器部分，其特征是:所述氫氣發(fā)生裝置的控制器部分包括:分別與整流電路、開關(guān)電源的輸入端相連接的三相或單相交流電源，整流電路與開關(guān)電源的輸出端分別與直流開關(guān)電路及智能程序控制單元輸入端相連接，智能程序控制單元的輸出端通過直流開關(guān)電路與氫氣發(fā)生裝置相連接，氫氣發(fā)生裝置上所設(shè)置的電流信號、溫度信號、壓力信號與智能程序控制單元連接，與預(yù)置當(dāng)量數(shù)進行閉環(huán)返饋控制；所述氫氣發(fā)生裝置包括由電解槽和冷卻系統(tǒng)組成，該電解槽的兩側(cè)分別設(shè)置有換熱器，在換熱器上設(shè)有循環(huán)冷卻水的進出口，該進出口通過管線及水泵與冷卻系統(tǒng)行成密閉的循環(huán)冷卻系統(tǒng)，在靠近電解槽的換熱器上部設(shè)有氧氣和氫氣出口，在該電解槽上還設(shè)置有電流信號、溫度信號及壓力信號傳感器及顯示器或報警器。
[0013]在電解槽與其中一側(cè)的換熱器之間還設(shè)置有一電離氣體導(dǎo)流板，在電離氣體導(dǎo)流板上均布有氣體通孔。
[0014]所述直流開關(guān)電路的輸出端與電解槽輸入端相接，所述的電流信號、溫度信號及壓力信號的輸出端與智能程序控制單元輸入端相接。
[0015]本發(fā)明還包括在換熱器的下部還設(shè)置有除雜閥門。
[0016]本發(fā)明采用的是脈沖技術(shù)和智能計算機定量控制技術(shù)。電解槽與冷卻系統(tǒng)有機的結(jié)合在一起的設(shè)計無疑能夠?qū)錃獍l(fā)生器的水裂解電極特性充分的發(fā)揮工作效率，并且始終處于活化狀態(tài)。矢量脈沖的智能計算機定量供電控制方式，使氫氣發(fā)生器的工作效率倍增。實踐證明該技術(shù)的效率是其它同類裝置產(chǎn)氣量的二倍以上。本發(fā)明特別采用電解水裂解制氫的方法改變了電解槽的設(shè)計。解決了自古以來難以解決的散熱課題，其經(jīng)濟實用性得到了非?？捎^的效果。其性價比超越目前所有的制氫氣裝置和設(shè)備。
[0017]本發(fā)明是將電解槽與冷卻系統(tǒng)有機的結(jié)合在一起的設(shè)計，在電氣控制方面也改變了以前普通直流電源供電方式。
[0018]本發(fā)明的主要特點是:采用無觸點控制，防爆安全。具有過流、超壓、超溫自動報警并且自動起動和停止工作。該裝置的體積僅是同類產(chǎn)品的四分之一；而且，還具有結(jié)構(gòu)合理，使用壽命長，操作簡便，自動化程度高，應(yīng)用與維護極為方便等優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的電路邏輯控制框圖；
圖2是圖1的電氣原理圖；
圖3是圖1中氫氣發(fā)生裝置的局剖結(jié)構(gòu)示意簡圖；
圖4是本發(fā)明的動態(tài)效果曲線圖。[0020]下面將結(jié)合附圖通過實例對本發(fā)明作進一步詳細說明，但下述的實例僅僅是本發(fā)明其中的例子而已，并不代表本發(fā)明所限定的權(quán)利保護范圍，本發(fā)明的權(quán)利保護范圍以權(quán)利要求書為準。
【具體實施方式】
[0021]由圖1-3所示，它包括有氫氣發(fā)生裝置F以及氫氣發(fā)生裝置的控制器部分，所述氫氣發(fā)生裝置的控制器部分包括:分別與整流電路Q1、開關(guān)電源KGV的輸入端相連接的三相AC，整流電路Ql與開關(guān)電源KGV的輸出端分別與直流開關(guān)電路Q2及智能程序控制單元PCff輸入端相連接，智能程序控制單元PCW的輸出端通過直流開關(guān)電路Q2與氫氣發(fā)生裝置F相連接，氫氣發(fā)生裝置上所設(shè)置的電流信號1、溫度信號T、壓力信號P與智能程序控制單元PCW連接，與預(yù)置當(dāng)量數(shù)進行閉環(huán)返饋控制；所述氫氣發(fā)生裝置包括由兩個電解槽8、10(以兩個電解槽為例)和冷卻水箱系統(tǒng)2組成，兩個對應(yīng)設(shè)置的電解槽兩側(cè)及之間分別設(shè)置有三個換熱器7、9、11，而在換熱器7、9、11上部分別設(shè)有與循環(huán)冷卻水箱系統(tǒng)2相連通的進水口 3、5、6，在換熱器7、9、11下部分別設(shè)有與循環(huán)冷卻水箱系統(tǒng)2相連通的出水口 15、16、18，換熱器中的冷卻水經(jīng)出水口 15、16、18通過管線及水泵20與冷卻水箱系統(tǒng)2成密閉的循環(huán)冷卻系統(tǒng)，在兩個電解槽8、10與其間的換熱器9之間分別設(shè)置有一電離氣體導(dǎo)流板12、13，在電離氣體導(dǎo)流板12、13上均布有氣體通孔21。在兩個電解槽之間的換熱器9上部設(shè)有氧氣和氫氣出口 4,在兩個電解槽之間的換熱器9上還設(shè)置有電流信號1、溫度信號T及壓力信號Y傳感器。另外，根據(jù)需要還可在該位置上設(shè)置顯示器或報警器。另外圖3中的I為冷卻水箱系統(tǒng)的注水口。
[0022]工作原理如下:
本發(fā)明包括三相或單相交流電源AC、整流橋電路Q1、大功率直流開關(guān)電路Q2、開關(guān)電源KGV、與智能程序控制單元PCW、電解槽與冷卻系統(tǒng)F組成；交流電源AC通過整流橋Ql和開關(guān)電源KGV，分別得到直流電源DC和DCl，DC提供給大功率直流開關(guān)電路Q2，做為直流矢量脈沖斬波調(diào)制電源；DC1做為控制用工作電源，提供給智能程序控制單元PCW，進行正常工作。與電解槽和冷卻系統(tǒng)F組成了完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)(見圖1)。
[0023]PCff的預(yù)置的計算機程序決定了 VF的輸出直流脈沖當(dāng)量；即DCF的直流脈沖曲線特性，以期適應(yīng)電解槽和冷卻系統(tǒng)F所需要的直流脈沖電源值。通過電流信號1、溫度信號T、壓力信號P、液位信號Y的預(yù)置參數(shù)進行閉環(huán)返饋控制，使整個系統(tǒng)在智能程序控制單元PCW的管理下，使電解槽與冷卻系統(tǒng)運行在理想的工作狀態(tài)(圖4)。其工作狀態(tài)可以任意設(shè)定。因此，該發(fā)明的功效是其它同等裝置是無法比擬的。
[0024]本技術(shù)方案是采用新型絕緣柵雙極型大功率晶體管IGBT (Q2)作為直流電路的開關(guān)元件，并且配有由二極管Dl、D2構(gòu)成的控制保護電路。智能程序控制單元PWC采用的是工業(yè)級單片計算機。電流檢測元件AL采用高精度霍爾元件做模擬信號I檢測。溫度信號T、壓力信號P和液位信號Y均采用高精度元件。電解槽與冷卻系統(tǒng)F和過渡管件均采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料。
[0025]三相或單相交流電源AC，經(jīng)整流Ql、濾波Cl和開關(guān)電源電路KGV，其輸出的直流電壓DC和DC1，分別送給直流開關(guān)電路Q2和智能程序控制單元電路PCW。通過智能程序控制單元電路PCW中的單片計算機程序達到實時檢測和控制的目的。使電解槽與冷卻系統(tǒng)F工作在理想狀態(tài)。
[0026]經(jīng)過多年探索和實踐，上百次的實驗發(fā)現(xiàn)，電解槽的傳導(dǎo)電極，在水介質(zhì)中的導(dǎo)電特性是有規(guī)律的，即在剛開始通電時，很不活躍，需要強力激活，而又不能過量，否則會浪費電能，達不到經(jīng)濟實用的效果。因此，通過計算機程序設(shè)置給定量，即直流脈沖當(dāng)量和精確的時間常數(shù)VF，通過高速直流開關(guān)電路Q2、保護二極管Dl輸出理想的直流調(diào)制脈沖電源DCF，給電解槽與冷卻系統(tǒng)F的電解槽14、19 二端供電。通過高精度的電流信號1、溫度信號T、壓力信號P和液位信號Y的參數(shù)檢測信號，回饋給智能程序控制單元PCW的計算機進行計算控制，使電解槽8、10電解效率與冷卻系統(tǒng)水泵20水循環(huán)冷卻流速達到最理想的同步工作狀態(tài)。即高效又節(jié)約電能對電解槽冷卻的效果。其動態(tài)效果曲線圖(見圖4)。
[0027]通過圖4可知:通過時間tl (10秒)電源啟動，經(jīng)過時間t2 (5分鐘)強脈沖激活發(fā)生器電極，通過t317的時間，脈沖電源按預(yù)置規(guī)律回落(節(jié)約電力)。時間t8時電解槽與冷卻系統(tǒng)開始穩(wěn)定工作，其供電脈沖電源維持在很低的同步經(jīng)濟運行狀態(tài)，因此可見，低供電高輸出的產(chǎn)氣效果。
[0028]通過圖4上面的工作狀態(tài)曲線不難看出，氫氣輸出曲線，從開始工作到a點的斜率是很高的，說明強力脈沖電源的作用效果。同時也可以看到從a點到b點完全靠發(fā)生器被激活后的沖量效果。此刻，脈沖電源輸出曲線呈規(guī)律下降，通過各種檢測元件(電流信號1、溫度信號T、壓力信號P、液位信號Y)，其數(shù)據(jù)信號提供給PWC計算機進行處理。使電解槽與冷卻系統(tǒng)F處于按需設(shè)定的參數(shù)(如壓力信號P、溫度信號T)等參數(shù)進行穩(wěn)定工作。該發(fā)明在使用前通過反復(fù)調(diào)整預(yù)置參數(shù)，可達到最理想的氫氣產(chǎn)生效果。
[0029]系統(tǒng)操作說明:
首先將該裝置(如圖3中)的冷卻水箱2中加滿較為潔凈的清水，通過該裝置的加水口I向水箱內(nèi)注水，并且有三級液位開關(guān)量輸出液位信號Y指示液位。連接好控制器(圖2)與電解槽和冷卻系統(tǒng)(圖3)之間的電源與控制信號線(即14、19、1、T、P、Y)，按線號對應(yīng)接好。接好控制器(圖2)的交流輸入電源AC，最好通過帶有過流保護的自動開關(guān)接入為好。檢查電解槽與冷卻系統(tǒng)管線是否有漏水。一切正常視為準備工作就緒。該裝置初次使用還需要檢查是否有漏氣現(xiàn)象，若有要及時處理，因為氫氣是易燃易爆氣體，防止造成不必要的傷害。一般在通電I分鐘后有氣壓產(chǎn)生后進行檢查。
[0030]在控制電源開關(guān)K通電之前一定要將控制器上的所有的控制旋扭RWl、RW2、RW3歸零。防止過流沖擊損壞控制系統(tǒng)元件。
[0031]合上外部的自動開關(guān)，控制系統(tǒng)得到電源AC，水泵20開始工作并且控制器(圖2)上電，打開控制器上的控制電源開關(guān)K，該系統(tǒng)開始工作。慢慢微調(diào)給定旋扭RW1，使控制器上的電流表A在(25— 30 )A;這時該裝置按圖4的工作程序自動開始工作。通過圖4可知:通過11時間(10秒)電源啟動，經(jīng)過t2時間(5分鐘)強脈沖激活發(fā)生器電極，通過t317的時間，脈沖電源按預(yù)置規(guī)律回落(節(jié)約電力)。t8發(fā)生器開始穩(wěn)定工作。發(fā)生器F開始產(chǎn)氣，通過氣體出口(圖3) 4輸出。
[0032]在使用時(見圖2)，打開電源開關(guān)K，電源模塊Ql將交流電AC轉(zhuǎn)換成直流電，并通過Cl進行濾波處理后，通過Q2進行脈沖調(diào)制施加于電解槽與冷卻系統(tǒng)F (圖2) 14,19兩端，電解槽(圖3) 12,13內(nèi)的水分子在電場作用下由雜亂無章的狀態(tài)轉(zhuǎn)變成有序的狀態(tài)，其中氫原子總是對應(yīng)陰極板，氧原子總是對著陽極板，氫氧化學(xué)鍵在電場作用下被強制打破，形成化學(xué)陰陽離子，陰陽離子沿各自方向移動，分別在陽極形成氧氣，在陰極形成氫氣。所形成的氣體連同電解液經(jīng)循環(huán)冷卻系統(tǒng)輸送至換熱器9進行換熱后從出口 4輸出氫氣。電解液通過20水泵重新回到電解槽進行電解，而電解后的氫氧氣體通過電解槽經(jīng)電離氣體導(dǎo)流板12、13上的氣體通孔21進入到換熱器9內(nèi)進一步脫離微量電解液，經(jīng)外部配置的安全水封罐、干式氫氧阻火器輸送到用氣設(shè)備，點火即可使用。智能程序控制系統(tǒng)PWC自動檢測系統(tǒng)的氣體壓力信號P、電解槽水位信號Y、電解槽溫度信號T并進行自動停開機，過溫報警、自動補水等自動處理。D1、D2均做續(xù)流保護作用。
[0033]氫氣是采用按需生產(chǎn)的技術(shù)，即用多少產(chǎn)多少，不用不產(chǎn)的方式工作。實行低壓供氣，使本裝置安全可靠。徹底解決了安全性問題。
[0034]當(dāng)電解槽和冷卻系統(tǒng)需要維護時，則打開設(shè)置在換熱器下部的除雜閥門17，以便去除換熱器的內(nèi)部雜質(zhì)。
[0035]做為綠色環(huán)保新能源可供應(yīng)各行各業(yè)所需使用。可以取代乙炔、丙烷氣、金火焰燃氣、特利氣、液化汽、天然氣等工業(yè)氣體。具有其他燃氣所不能比擬的優(yōu)點。氫能源制造只需水電，并且可以連續(xù)二十四小時工作，只要有水有電，就一直有氣體供應(yīng)。
[0036]電氣原理說明:
該裝置是由整流橋電路Q1、大功率直流開關(guān)電路Q2、開關(guān)電源KGV、與智能程序控制單元PCW、電流信號1、溫度信號T、壓力信號P、液位信號Y，電解槽和冷卻系統(tǒng)F (圖3)組成。其特征是:交流電源AC通過整流橋Ql和開關(guān)電源KGV，分別得到工作和控制所需要的直流電源DC、DCl。K是大功率整流模塊的起?？刂崎_關(guān)，也是智能程序控制模塊PCW中的控制輸出開關(guān)，它是通過電流信號1、溫度信號T、壓力信號P和液位信號Y的預(yù)制參數(shù)，經(jīng)過計算機計算得出的結(jié)果進行工作的。即工作程序智能開關(guān)。RWl是大功率整流模塊的輸出給定量微調(diào)。是根據(jù)氫氣發(fā)生器的不同規(guī)格進行輸出功率調(diào)整。RW2、RW3分別是脈沖頻率和脈沖寬度手動調(diào)整旋扭(在控制器操作面板上)。A為工作電流表，V為工作電壓表均在控制器操作面板上?？呻S時觀查工作狀態(tài)。
[0037]智能程序控制模塊PCW的預(yù)置的計算機程序決定了 VF的輸出直流脈沖當(dāng)量；從而控制了大功率直流開關(guān)電路Q2輸出特性，即DCF的直流脈沖曲線特性，以期適應(yīng)電解槽和冷卻系統(tǒng)F所需要同步的直流脈沖電源值。通過電流信號1、溫度信號T、壓力信號P的預(yù)置當(dāng)量數(shù)進行閉環(huán)返饋控制，使整個系統(tǒng)在智能程序控制單元PCW的管理下運行在理想的工作狀態(tài)。其工作狀態(tài)可以任意設(shè)定。因此，該技術(shù)的功效是其它同等裝置是無法比擬的。
【權(quán)利要求】
1.一種氫氣發(fā)生器，它包括有氫氣發(fā)生裝置以及氫氣發(fā)生裝置的控制器部分，其特征是:所述氫氣發(fā)生裝置的控制器部分包括:分別與整流電路、開關(guān)電源的輸入端相連接的三相或單相交流電源，整流電路與開關(guān)電源的輸出端分別與直流開關(guān)電路及智能程序控制單元輸入端相連接，智能程序控制單元的輸出端通過直流開關(guān)電路與氫氣發(fā)生裝置相連接，氫氣發(fā)生裝置上所設(shè)置的電流信號、溫度信號、壓力信號與智能程序控制單元連接，與預(yù)置當(dāng)量數(shù)進行閉環(huán)返饋控制；所述氫氣發(fā)生裝置包括由電解槽和冷卻系統(tǒng)組成，該電解槽的兩側(cè)分別設(shè)置有換熱器，在換熱器上設(shè)有循環(huán)冷卻水的進出口，該進出口通過管線及水泵與冷卻系統(tǒng)行成密閉的循環(huán)冷卻系統(tǒng)，在靠近電解槽的換熱器上部設(shè)有氧氣和氫氣出口，在該電解槽上還設(shè)置有電流信號、溫度信號及壓力信號傳感器及顯示器或報警器。
2.根椐權(quán)利要求1所述的氫氣發(fā)生器，其特征是:在電解槽與其中一側(cè)的換熱器之間還設(shè)置有一電離氣體導(dǎo)流板，在電離氣體導(dǎo)流板上均布有氣體通孔。
3.根椐權(quán)利要求1所述的氫氣發(fā)生器，其特征是:所述直流開關(guān)電路的輸出端與電解槽輸入端相接，所述的電流信號、溫度信號及壓力信號的輸出端與智能程序控制單元輸入端相接。
4.根椐權(quán)利要求1所述的氫氣發(fā)生器，其特征是:在換熱器的下部還設(shè)置有除雜閥門。
【文檔編號】C25B1/04GK103451671SQ201310347600
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月12日
【發(fā)明者】侯艷杰 申請人:侯艷杰