專(zhuān)利名稱(chēng)：電解池中的壓力差控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電解池，由于是涉及用于產(chǎn)生氫氣和氧氣的水電解池，以及在電解池膜/分隔器上的壓力差控制。
背景技術(shù)：
電合成是用于產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的方法，它是利用外部電源由在電化學(xué)電解池中通過(guò)陽(yáng)極電極與陰極電極之間通過(guò)一個(gè)電解質(zhì)的電流進(jìn)行電驅(qū)動(dòng)，一般地是直流電。在沒(méi)有寄生反應(yīng)的情況下，其產(chǎn)生速率正比于電流。例如，在液態(tài)堿性水電解池中，在水電解質(zhì)中兩個(gè)電極之間通過(guò)直流電來(lái)分裂水(反應(yīng)物)成成份氣體，即氫氣與氧氣，在此，產(chǎn)生的氣體在各自的電極表面散發(fā)出來(lái)。
水電解槽一般地依賴(lài)于壓力控制系統(tǒng)以控制電解池的兩半部分之間的壓力，以確保在電解反應(yīng)中產(chǎn)生的兩種氣體即氫和氧保持分離而不會(huì)混合。
在當(dāng)今化學(xué)應(yīng)用的現(xiàn)有的單極性電解池設(shè)計(jì)中，一個(gè)電解池或一組電解池(并行地)包含在一個(gè)功能電解槽、電解池隔間或各自的容器中。每個(gè)電解池是由獨(dú)立的容器內(nèi)的電極對(duì)組件構(gòu)成，其中每個(gè)電極對(duì)組件并行連接相當(dāng)于一個(gè)單一的電極對(duì)。對(duì)電解池的連接是利用一個(gè)互連總線(xiàn)條(例如在加拿大專(zhuān)利號(hào)302,737、授與A.T.Stuart(1930)中所公開(kāi)的)通過(guò)一個(gè)有限的區(qū)域接觸實(shí)現(xiàn)的。利用采用上述的電解池隔間之間的總線(xiàn)條組件的點(diǎn)到點(diǎn)電連接，電流從一個(gè)電解池內(nèi)的陰極部分流出到相鄰電解池的陽(yáng)極。電流通常從幾個(gè)點(diǎn)處的一個(gè)電極開(kāi)始和通過(guò)鉚接、焊接或類(lèi)似的連接方式與幾個(gè)點(diǎn)處的下一電極的連接，并且每個(gè)連接必須能通過(guò)極大的電流密度。
大多數(shù)的過(guò)濾壓力型電解槽利用各種材料對(duì)電解池的陽(yáng)極和陰極部分進(jìn)行絕緣，這樣的材料包括金屬、橡膠、陶瓷和各種纖維狀的結(jié)構(gòu)。在很多情況下，將O型凹槽機(jī)加工成框架，或者模壓框架以便插入O型圈。一般地，來(lái)自組件的至少兩種不同的材料必須包圍電解池中的電極并且產(chǎn)生電解液循環(huán)、反應(yīng)饋送以及產(chǎn)生物消除的通道。
1998年7月9日公開(kāi)的、申請(qǐng)人為Electrolyser Corporation Ltd.和Stuart Energy System Inc.的WO98/29912描述了這樣一種單極性電解池電解槽系統(tǒng)，該系統(tǒng)配置成單堆電解槽(SSE)中電流串流方式或多堆電解槽(MSE)中電流并流方式。前述的WO98/29912提供了用于SSE和MSE電解槽的部件和組件設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。
在這里所用的術(shù)語(yǔ)“電解池”或“電化學(xué)電解池”是指包含至少一對(duì)電極的結(jié)構(gòu)，其中電極包含相應(yīng)地支撐在電解池堆配置中一個(gè)陽(yáng)極和一個(gè)陰極。后者進(jìn)一步包括一系列部件如環(huán)形框架和墊圈，通過(guò)該墊圈水電解質(zhì)環(huán)繞以及產(chǎn)品脫離。該電解池進(jìn)一步包括具有相應(yīng)的用于在包圍內(nèi)密封和機(jī)械地支撐該分隔器的一個(gè)分隔器組件以及用于分隔相鄰的電解池塊的終端(end)壁。將多個(gè)電解池并行或串行地連接在一起以形成電解池堆，在用多少個(gè)電解池來(lái)形成所述的電解池堆方面沒(méi)有限制，一個(gè)電解池塊是包含一個(gè)或多個(gè)電解池堆的單元，以及多個(gè)電解池塊通過(guò)一個(gè)外部總線(xiàn)條連接在一起。前述的PCT申請(qǐng)WO98/29912描述包含一個(gè)或多個(gè)電解池的功能電解槽，其中這些電解池并行、串行或組合連接方式連接在一起。
取決于這種電解池堆電化學(xué)系統(tǒng)的配置，在最簡(jiǎn)單的串行配置中，在每個(gè)堆的每一端都包含一個(gè)終端盒或在每個(gè)電解池塊的末尾附著的終端盒的集合。當(dāng)組裝一個(gè)并行和串行組合的電解池時(shí)電解槽的其它實(shí)施例包括附著地連接到水平頭盒(header box)的終端盒。
在電解質(zhì)的電解期間的電解池堆的操作中，陽(yáng)極用于產(chǎn)生氧氣，而陰極用于產(chǎn)生氫氣，這兩種氣體通過(guò)一個(gè)低氣體滲透性膜分隔器來(lái)分隔和區(qū)分。分隔器的期望的特性包括高電阻率，低離子阻抗力、低氣體滲透性、良好的機(jī)械集成性以及低成本。
電解池內(nèi)的氣流與電解質(zhì)通過(guò)環(huán)形框架和墊圈組件來(lái)導(dǎo)通，這些框架和墊圈還用于密封一個(gè)電解池部件到第二個(gè)部件以及在類(lèi)似的容器中包含電解池堆配置中的電解質(zhì)。
剛硬的終端盒可用作以下幾個(gè)功能提供電解質(zhì)從電解池的頂部流出的通道，以及用作氣體/液體的分隔裝置。該終端盒還可為部件提供一個(gè)位置，用于控制電解質(zhì)的高度，例如液面?zhèn)鞲衅骱蜏囟?，即，例如加熱器、冷卻器或熱交換器。而且，利用終端盒內(nèi)的合適的傳感器可以監(jiān)視各電解池堆電解質(zhì)和氣體純度。同時(shí)，盡管大多數(shù)的電解質(zhì)通過(guò)電解槽進(jìn)行再循環(huán)，電解質(zhì)流也可從一個(gè)終端盒流出以提供外部的液面控制、電解質(zhì)密度、溫度、電解池壓力以及氣體純度控制和監(jiān)視。該流可以返回到同一終端盒或與其它類(lèi)似的流混合并返回到終端盒。可替換地，可以將探針插入到終端盒內(nèi)以控制這些參數(shù)。一個(gè)終端盒也可具有一個(gè)導(dǎo)管以提供兩相混合物給終端盒內(nèi)的已有的液體來(lái)改進(jìn)氣體液體的分隔。包含同一類(lèi)型氣體的類(lèi)似的終端盒可以通過(guò)一個(gè)頭(header)來(lái)連接以便它們共享一個(gè)公共的電解質(zhì)液面。
一個(gè)先有技術(shù)的壓力控制系統(tǒng)提供水密封來(lái)均衡電解池的兩個(gè)半部分內(nèi)的壓力，這在自制的電解槽中經(jīng)常采用。一般地，水密封要幾英寸深并且因此電解池可運(yùn)行在大氣壓力上的幾英寸的WC壓力。
另外一個(gè)系統(tǒng)提供一種膜分隔器，它可承受電解池的兩個(gè)半部分之間的電壓差而不會(huì)發(fā)生氣體混合。PEM電解池是這種類(lèi)型系統(tǒng)的最好的例子。PEM電解池可承受將近2500psi的壓力差而不會(huì)有大的氣體純度損失。
第三種是主動(dòng)控制系統(tǒng)，它可檢測(cè)到壓力并控制氣體從兩個(gè)電解池中的外流，可以通過(guò)以下兩種方式達(dá)到控制借助于依賴(lài)壓力調(diào)節(jié)器的機(jī)械系統(tǒng)，例如裝有汽室的流調(diào)節(jié)器以控制兩個(gè)電解池之間的壓力，該電解池可以使用例如氧壓力作為參考?jí)毫σ哉{(diào)節(jié)電解池的氫半部分內(nèi)的壓力；以及借助于依賴(lài)兩個(gè)電解池之間的氣體壓力差的測(cè)量的電子系統(tǒng)，以控制氣體從電解池的兩側(cè)的外流速率，以便維持通常為零的期望的壓力差或讓氫側(cè)的壓力稍高。
但是一般地，對(duì)于小型的商用氫發(fā)生器(0.1Nm3/h)來(lái)說(shuō)，PEM型電解池更受歡迎。盡管電解池的費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于堿性電解槽，這些費(fèi)用也被利用機(jī)械或電子致動(dòng)器的堿性系統(tǒng)所需要的控制以及對(duì)更高的壓力并因此利用水密封壓力控制系統(tǒng)的電解質(zhì)內(nèi)的壓縮需求所抵消。
依賴(lài)于機(jī)械致動(dòng)器的控制系統(tǒng)難于校準(zhǔn)并確保在增壓的電解池上的“近零”壓力差。在Stuart電解池情形下，一種需要是保證壓力差不會(huì)迫使液面差大到足以使電解池的一側(cè)暴露給電解池的相對(duì)側(cè)的氣相，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致電解池效率的降低呀導(dǎo)致較差的氣體純度。依賴(lài)于機(jī)械致動(dòng)器的電解槽一般地在電解池兩側(cè)具有一個(gè)大氣壓左右的壓力差，氣體的純度由例如石棉紡織網(wǎng)或針狀黏結(jié)的聚亞苯基硫醚(PPS)膜來(lái)維護(hù)。
依賴(lài)于電子致動(dòng)器的控制系統(tǒng)的弱點(diǎn)在于，為了維護(hù)電解池內(nèi)兩側(cè)之間的液面差在一英寸的高度內(nèi)(這是確保在電解池兩側(cè)覆蓋該膜所要求的)，需要一個(gè)高級(jí)的高分辨率的壓力測(cè)量。當(dāng)我們考慮在增壓到7巴或7000cm WC的電壓內(nèi)控制壓力為2cm WC時(shí)，就要考慮到對(duì)測(cè)量和控制系統(tǒng)的需求。
因此，最好能為現(xiàn)有技術(shù)電解槽系統(tǒng)提供一個(gè)可用于系統(tǒng)控制的簡(jiǎn)單、低成本、實(shí)時(shí)的液面控制監(jiān)視器，這將消除對(duì)復(fù)雜、昂貴的壓力測(cè)量系統(tǒng)的需求，這樣的測(cè)量系統(tǒng)在很高的溫度例如30-100℃的惡劣環(huán)境以及比如20-40wt.％KOH的濃堿性環(huán)境中必須保持其穩(wěn)定性。
最重要的是，該液面壓力差可以維持在很好定義的限制內(nèi)以便降低產(chǎn)生氣體即氫氣與氧氣在膜上相混合的危險(xiǎn)，以及確保正常的流體管理以允許電解池的安全和功能性操作。
但是，仍然需要一種相對(duì)低成本且可靠的控制增壓電解槽內(nèi)的壓力的方法。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一種用于控制增壓堿性電解池內(nèi)的電解池的陽(yáng)極電解液與陰極電解液部分之間的壓力的低成本方法，其中該方法能將電解池的這兩個(gè)部分之間的壓力差控制在設(shè)置點(diǎn)的±2cmWC內(nèi)。
一方面，本發(fā)明提供一種控制電解池(特別是水電解槽)的氧氣與氫氣隔間之間的壓力方法，通過(guò)檢測(cè)陽(yáng)極電解液液面和/或陰極電解液液面為高于2cm而將壓力控制在壓力差值的期望范圍內(nèi)，特別是要低于所選的最大值。在測(cè)量得到壓力差的情況下，隨后調(diào)整一個(gè)隔間相對(duì)于另一個(gè)隔間的壓力以將壓力差保持在所允許的范圍內(nèi)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，連續(xù)地測(cè)量壓力差并反饋給具有算法控制裝置的控制器，該控制裝置可以指示起動(dòng)一個(gè)補(bǔ)償裝置以提供一個(gè)期望的壓力差。該補(bǔ)償裝置可以例如包括一個(gè)可變開(kāi)口氧氣控制閥，該控制閥可以設(shè)置為在電解池起動(dòng)時(shí)設(shè)置為提供一個(gè)預(yù)設(shè)的氧氣壓力?？梢栽O(shè)置包括為零的壓力差值并進(jìn)行非常精確的測(cè)量，最好精確到cm水柱的小數(shù)。本發(fā)明的價(jià)值在于不依賴(lài)于絕對(duì)的電解池壓力設(shè)置點(diǎn)，控制可以達(dá)到一個(gè)特定的壓力差液面差。
相應(yīng)地，一方面，本發(fā)明提供一種改進(jìn)的用于從電解池中提供氫氣的方法，其中該電解池包括具有陽(yáng)極電解液液面的陽(yáng)極電解液溶液；具有陰極電解液液面的陰極電解液溶液；在所述的陽(yáng)極電解液液面上以氧壓力產(chǎn)生氧氣；在所述的陰極電解液液面上以氫壓力產(chǎn)生氫氣；這種改進(jìn)包括(a)檢測(cè)所述的陽(yáng)極電解液和所述的陰極電解液液面中的至少一個(gè)作為陽(yáng)極電解液液面和陰極電解液液面數(shù)據(jù)；(b)將所述的液面數(shù)據(jù)饋入到中央處理裝置；(c)利用所述的液面數(shù)據(jù)確定所述的液面之間的壓力差以及所述的中央處理裝置的壓力調(diào)整數(shù)據(jù)；以及(d)將所述的壓力調(diào)整數(shù)據(jù)提供給壓力控制裝置以將所述的壓力差維持在所選的范圍內(nèi)。
最好，前述的處理連續(xù)、序列地實(shí)施步驟(a)-(d)，其中中央處理裝置將壓力差提交給一個(gè)算法處理裝置以確定壓力調(diào)整數(shù)據(jù)來(lái)更好地限定該調(diào)整數(shù)據(jù)。
“連續(xù)”意味著液面的所有時(shí)刻和所有變化都由檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)算該變化以提供調(diào)整裝置的實(shí)時(shí)動(dòng)作。如果安全操作是在設(shè)置點(diǎn)AB之間，則在A+Δx與A+Δx1之間，控制器可以不采取任何動(dòng)作，也就是說(shuō)允許靜區(qū)。
在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)簡(jiǎn)單的安裝有彈簧的檢查閥控制從電解池的氧氣側(cè)的外流并維持電解池壓力為由該檢查閥所設(shè)置的值，可以調(diào)整檢查閥的壓力以設(shè)置特定應(yīng)用中所需要的最大的壓力。在氫氣側(cè)，一個(gè)可變的氣流控制閥或者打開(kāi)或者關(guān)閉以調(diào)整氫氣從出口(outtake)的流出。在陽(yáng)極與陰極隔間內(nèi)所測(cè)量的電解質(zhì)的液面確定電解池的這兩側(cè)的壓力差，所測(cè)量的液面差與一個(gè)液面差設(shè)置點(diǎn)進(jìn)行比較，并將誤差用于調(diào)整氫氣控制閥的設(shè)置。
在按照本發(fā)明的其它實(shí)施例中，可以通過(guò)例如光學(xué)檢測(cè)裝置、電子或電磁產(chǎn)生與檢測(cè)裝置、超聲產(chǎn)生和檢測(cè)裝置或它們的組合來(lái)檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)液面差。
前面所述的按照本發(fā)明的壓力控制方法非常適用于將電解池連接到一個(gè)連續(xù)運(yùn)行的壓縮機(jī)，在此，通過(guò)一個(gè)將吸氣維持在恒定的增壓的壓力調(diào)節(jié)器，由一個(gè)將放氣連接到吸氣的再循環(huán)環(huán)路來(lái)維持壓縮機(jī)吸入的氣體壓力。
本發(fā)明可用在單一的電解池或使用終端盒(其中氣體排放位于此)的電解池堆上。進(jìn)而，它也可用在通過(guò)一個(gè)頭(header)互連以形成電解池塊的電解池堆上，在此，氣體/液體混合物被放出并電解質(zhì)液面控制在期望的高度上。
在此，說(shuō)明書(shū)與權(quán)利要求書(shū)所用的術(shù)語(yǔ)“電解池”包括本發(fā)明的實(shí)施，其中在本質(zhì)上的電解池、終端盒和/或相關(guān)的頭內(nèi)來(lái)檢測(cè)陽(yáng)極和/或陰極液面。
本發(fā)明提供了省錢(qián)的堿性壓力水電解槽，該電解槽可用在能量和工業(yè)應(yīng)用的場(chǎng)合并且不要求水密封。
另一方面，本發(fā)明提供一種用于產(chǎn)生氫氣的改進(jìn)的電解池，包括具有陽(yáng)極電解液液面的陽(yáng)極電解液溶液；具有陰極電解液液面的陰極電解液溶液；在所述的陽(yáng)極電解液液面上以氧壓力產(chǎn)生氧氣；在所述的陰極電解液液面上以氫壓力產(chǎn)生氫氣；這種改進(jìn)包括(i)用于檢測(cè)所述的陽(yáng)極電解液和所述的陰極電解液液面中的至少一個(gè)作為陽(yáng)極電解液液面數(shù)據(jù)和陰極電解液液面數(shù)據(jù)的檢測(cè)裝置；
(ii)中央處理裝置；(iii)將所述的液面數(shù)據(jù)饋入到中央處理裝置以利用所述的液面數(shù)據(jù)確定所述的液面之間的壓力差以及所述的壓力調(diào)整數(shù)據(jù)的裝置；以及(iv)接收所述的調(diào)整數(shù)據(jù)并調(diào)整所述的氧壓力與氫壓力中至少一個(gè)以將所述的壓力差維持在所選的范圍內(nèi)的壓力控制裝置。
在優(yōu)選的實(shí)施例中，按照本發(fā)明的電解池包括光學(xué)檢測(cè)裝置、電子或電磁產(chǎn)生和檢測(cè)裝置、超聲產(chǎn)生和檢測(cè)裝置或其組合。
附圖的簡(jiǎn)要描述為了更好地理解本發(fā)明，下面僅通過(guò)示例并參照附圖描述優(yōu)選的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明

圖1概括地表示了按照現(xiàn)有技術(shù)作為前述的WO98/29912的實(shí)施例的單極MSE20。
電化學(xué)系統(tǒng)20示出為一個(gè)電解池塊，包含串行連接的四個(gè)電解池堆22以及每個(gè)堆的兩個(gè)電解池并行連接。
每個(gè)堆22包括具有兩個(gè)陽(yáng)極110和兩個(gè)陰極30的兩個(gè)電解池。在每個(gè)隔間內(nèi)，陽(yáng)極電解液液框架38與陽(yáng)極110鄰近以限定一個(gè)陽(yáng)極室，以及陰極電解液液框架40與陰極30鄰近以限定一個(gè)陰極室。陽(yáng)極液框架38在結(jié)構(gòu)上與陰極液框架40基本相同并且一般地可稱(chēng)為電解質(zhì)環(huán)形框架。
在給定的電解池內(nèi)每個(gè)陽(yáng)極與陰極室是由隔離器36分隔以減少不同的電解產(chǎn)品的混合，即在各自的陽(yáng)極室與陰極室產(chǎn)生的氧與氫的混合。
電化學(xué)系統(tǒng)20在每個(gè)堆22的終端包括一個(gè)終端盒44。參照?qǐng)D1，每個(gè)終端盒44在該盒的與各自的陽(yáng)極電解液或陰極電解液室相通的一側(cè)設(shè)置有一個(gè)下孔徑446和上孔徑48。在每個(gè)盒44的頂部的氣體出口提供一個(gè)用于聚集在電解反應(yīng)過(guò)程中所涉及的各氣體的出口。電解池堆22和整個(gè)電解池塊20被以足夠的力量固定在一起以便進(jìn)行流體密封來(lái)防止電解液或氣體的泄露。剛硬的結(jié)構(gòu)元件，如利用夾緊條52和連桿以及相關(guān)的緊固件(圖中未示出)形成終端盒44的矩形管，提供一個(gè)非常平滑的負(fù)載分布表面以便以最適宜的夾緊壓力密封堆22。電氣絕緣板54被置于終端盒44的外表面與夾緊條52之間以便防止終端盒通過(guò)該夾緊條而彼此電連接。
一個(gè)絕緣平面墊圈26放置在電解質(zhì)框架38或40與終端盒44之間的每個(gè)堆的終端，用于將終端盒44的表面與電解質(zhì)隔離接觸。墊圈26設(shè)置有一個(gè)上孔徑和一個(gè)下孔徑(圖中未示出)，分別用于在終端盒44內(nèi)與孔徑48和46定位。
應(yīng)明白，已知的電化學(xué)系統(tǒng)可以修改以包含在此所公開(kāi)的終端盒。
對(duì)于在電合成中所用的電解池，液體可以從一個(gè)電解池塊向前饋送到相鄰的盒之間的下一個(gè)電解池塊以便輔助每通路上的轉(zhuǎn)換。終端盒44可以由適用于堿性或酸性電化學(xué)系統(tǒng)的各種材料制造，包括鋼、不銹鋼、鎳或必要時(shí)進(jìn)行加強(qiáng)的塑料。
圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)的由160指示的、作為單堆電化學(xué)系統(tǒng)(SSE)配置的電化學(xué)系統(tǒng)的配置，其特征在于這樣一種事實(shí)，即兩個(gè)或多個(gè)電解池隔間一個(gè)在另一個(gè)后面地放置以形成電解池隔間串行連接的一個(gè)系列或串。電解池之間的電連接是利用一個(gè)可折疊的雙電極板130來(lái)完成的以便電流通過(guò)構(gòu)成終端壁76的絕緣板的周?chē)?。?yáng)極電解液框架70與陰極電解液框架70’與圖1對(duì)應(yīng)的電解液框架38和40相同。通過(guò)將液體不能滲透的板76置于這兩個(gè)框架之間而形成的電解液框架組件180，每個(gè)電解池與相鄰的電解池分隔開(kāi)。從電源(圖中未示出)到電化學(xué)系統(tǒng)160的外部接觸被做到單板電極30’。
圖2中的電化學(xué)系統(tǒng)160包括具有一個(gè)雙電極板130和兩個(gè)單板電極30’和31’的兩個(gè)電解池，其中單板電極中的每一個(gè)位于該堆的每一終端?？梢岳斫?，對(duì)于具有三個(gè)電解池的SSE，將要求兩個(gè)雙電極板130，而對(duì)于具有四個(gè)電解池的SSE來(lái)說(shuō)，將要求三個(gè)雙電極板，以此類(lèi)推，一個(gè)絕緣平板26’用于在鄰近于該終端盒44的堆的終端。陽(yáng)極電解液框架70、陰極電解液框架70’與電解池間平板76被夾置在所組裝的電解槽內(nèi)的陽(yáng)極區(qū)114與陰極區(qū)116之間。雙電極板130上設(shè)置有兩個(gè)上孔徑132和兩個(gè)下孔徑132’。一個(gè)雙打孔的墊圈150位于每個(gè)孔徑132和132’內(nèi)以將陽(yáng)極與陰極流渠道分離。雙電極板130設(shè)置有在折疊板內(nèi)形成縫隙136的孔徑134以允許在SSE被夾緊前按圖2組裝時(shí)清除連桿(圖中未示出)。
參照?qǐng)D3，MSE電解槽的另一個(gè)實(shí)施例包括連接到水平頭盒300的終端盒44，其中該水平頭盒具有一個(gè)出口302用于產(chǎn)生的氣體，終端盒44分別設(shè)置有上下孔徑316和318，具有間隔對(duì)的上和下孔徑312和314的墊圈310被置于頭盒300與終端盒44之間。
參照?qǐng)D4，該圖示出的圖1中的MSE具有一個(gè)統(tǒng)一用標(biāo)號(hào)400表示的超聲發(fā)生器和液面?zhèn)鞲衅?，其通過(guò)螺絲402固定于終端盒44內(nèi)的頂部。發(fā)生器/傳感器400通過(guò)直接機(jī)械振動(dòng)或通過(guò)一個(gè)壓電單元404將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移而感應(yīng)的機(jī)械振動(dòng)而提供一個(gè)聲波。單元404產(chǎn)生從電解液408的表面406反射且由檢測(cè)環(huán)410檢測(cè)的源信號(hào)。在源信號(hào)與返回信號(hào)之間的頻率、振幅和相移可以用于在所選的設(shè)置點(diǎn)的±2cm內(nèi)計(jì)算液面。
參照?qǐng)D5，該圖示出了用標(biāo)號(hào)500指示的光學(xué)液面?zhèn)鞲衅?，該傳感器通過(guò)螺栓502固定在SSE內(nèi)。液面?zhèn)鞲衅?00產(chǎn)生一個(gè)精細(xì)的、連續(xù)的給定波長(zhǎng)的光源，該光從下尖端504發(fā)送到電解液508的表面506。由一個(gè)光電倍增管檢測(cè)反射回的光束510。利用光束的頻率、波長(zhǎng)、強(qiáng)度、相移和折射來(lái)連續(xù)地計(jì)算液面。
圖6示出圖3中的頭盒還具有一個(gè)用標(biāo)號(hào)600表示的電子/電磁傳感器。傳感器600包括一個(gè)具有垂直柱體602的浮漂/舌簧(reed)開(kāi)關(guān)，其中該柱體602具有一個(gè)電磁核芯并保持在密度低于電解液606的環(huán)603、604之間。
浮漂604隨著電解液液面的變化而在電解液表面上上下移動(dòng)，以便翻譯浮漂604相對(duì)于中央體602的相對(duì)位置。浮漂604或體602都可作為磁鐵的初級(jí)磁極和/或次級(jí)磁極，這種相對(duì)位移會(huì)在磁場(chǎng)(磁通)內(nèi)產(chǎn)生電荷，可以檢測(cè)該電荷并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以反映該液面。
圖7示出了圖1中的終端盒44具有一個(gè)機(jī)械液面球凸起(cock)傳感器(用標(biāo)號(hào)700表示)，該傳感器在壁的上半部分固定到終端盒44。傳感器700具有一個(gè)浮漂704和桿706。通過(guò)一個(gè)定義的弧(arc)電解液液面708的變化翻譯成浮漂704位置內(nèi)的變化，以便其相對(duì)位置可以由電子或機(jī)械傳感器710確定以反映電解液的液面。
如800所示的第1液面?zhèn)鞲衅鬏^佳地置于電解池的陽(yáng)極電解液部分以檢測(cè)、測(cè)量和確定電解池內(nèi)陽(yáng)極電解液的瞬態(tài)值，傳感器800以沿著線(xiàn)805的電流(4-20mA)或電壓(0-5V)信號(hào)的形式提供一個(gè)正比于陽(yáng)極液面的幅度的數(shù)據(jù)信號(hào)輸出。同時(shí)，如與810所示的第2液面?zhèn)鞲衅饕匝刂€(xiàn)815的電流(4-20mA)或電壓(0-5V)信號(hào)的形式提供一個(gè)正比于液面的幅度的數(shù)據(jù)信號(hào)輸出。
沿著數(shù)據(jù)導(dǎo)管805來(lái)自陽(yáng)極電解液液面?zhèn)鞲衅?00的數(shù)據(jù)流與沿著數(shù)據(jù)導(dǎo)管815來(lái)自陰極電解液液面?zhèn)鞲衅?10的數(shù)據(jù)流到達(dá)一個(gè)塊比較單元820，按照一種算法處理每個(gè)信號(hào)以提供一個(gè)相當(dāng)?shù)囊好嬷?，以及信?hào)的差值在單元820內(nèi)確定，如果有的話(huà)。計(jì)算差值的幅度和正負(fù)并與由電解槽的安全和正常操作所確定的最小可接受范圍進(jìn)行對(duì)比。如果由塊單元820所確定的差值信號(hào)的幅度和正負(fù)(sign)超過(guò)或低于最小可接受的范圍，該差值信號(hào)沿著數(shù)據(jù)導(dǎo)管825傳送到處理與儀器(P/I)控制器830。根據(jù)差值信號(hào)的幅度和正負(fù)，P/I控制器830以沿著數(shù)據(jù)導(dǎo)管835的電流(4-20mA)或電壓(0-5V)信號(hào)的形式發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)控制信號(hào)，以便以這種方式改變控制閥840的狀態(tài)以便或者打開(kāi)或關(guān)閉以最小化差值信號(hào)的幅度，導(dǎo)致陽(yáng)極電解液或陰極電解液的液面的變化。
盡管上面描述了本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例，就明白本發(fā)明并不限于這些特定的實(shí)施例，而是包括與這些特定實(shí)施例或特征在功能或機(jī)械上相關(guān)的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種用于從電解池中提供氫氣的改進(jìn)的方法，其中該電解池具有具有一定的陽(yáng)極電解液液面的陽(yáng)極電解液溶液；具有一定的陰極電解液液面的陰極電解液溶液；在所述陽(yáng)極電解液液面上方以氧壓力產(chǎn)生氧氣；在所述陰極電解液液面上方以氫壓力產(chǎn)生氫氣；這種改進(jìn)包括(a)檢測(cè)所述的陽(yáng)極電解液和所述的陰極電解液液面中的至少一個(gè)作為陽(yáng)極電解液液面和陰極電解液液面數(shù)據(jù)；(b)將所述的液面數(shù)據(jù)饋入到中央處理裝置；(c)利用所述的液面數(shù)據(jù)確定所述的液面之間的壓力差以及所述的中央處理裝置的壓力調(diào)整數(shù)據(jù)；以及(d)將所述的壓力調(diào)整數(shù)據(jù)提供給壓力控制裝置以將所述的壓力差維持在所選的范圍內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，包括連續(xù)、序列地實(shí)施步驟(a)-(d)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中中央處理裝置將壓力差提交給一個(gè)算法處理裝置以確定壓力調(diào)整數(shù)據(jù)來(lái)更好地限定該調(diào)整數(shù)據(jù)。
4.如權(quán)利要求1-3中任一個(gè)所述的方法，包括檢測(cè)所述的陽(yáng)極電解液液面和檢測(cè)所述陰極電解液液面。
5.如權(quán)利要求1-4中任一個(gè)所述的方法，包括所述的控制裝置改變所述氧氣和所述的氫氣中至少一個(gè)來(lái)使得所述的壓力差的調(diào)整有效。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，包括相對(duì)于所述的氫氣壓力改變氧壓力以使所述壓力差的調(diào)整有效。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，包括改變氧氣從所述的陽(yáng)極電解液液面上方的流出。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，包括相對(duì)于所述的氧氣壓力改變氫壓力以使所述壓力差的調(diào)整有效。
9.如權(quán)利要求1-8所述的方法，其中所述的檢測(cè)包括光學(xué)檢測(cè)所述的液面。
10.如權(quán)利要求1-9中任一個(gè)所述的方法，其中所述的檢測(cè)包括實(shí)行所述液面的電子特征檢測(cè)。
11.如權(quán)利要求1-10中任一個(gè)所述的方法，其中所述的檢測(cè)包括檢測(cè)所述液體上的浮動(dòng)部件的高度。
12.如權(quán)利要求1-11中任一個(gè)所述的方法，其中所述的檢測(cè)包括檢測(cè)作為所述液面變化結(jié)果的電磁特征變化。
13.如權(quán)利要求1-12中任一個(gè)所述的方法，其中所述的檢測(cè)包括檢測(cè)作為所述液面變化結(jié)果的超聲特征變化。
14.一種用于產(chǎn)生氫氣的改進(jìn)的電解池，包括具有一定的陽(yáng)極電解液液面的陽(yáng)極電解液溶液；具有一定的陰極電解液液面的陰極電解液溶液；在所述陽(yáng)極電解液液面上方以氧壓力產(chǎn)生的氧氣；在所述陰極電解液液面上方以氫壓力產(chǎn)生的氫氣；這種改進(jìn)包括(i)檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)所述的陽(yáng)極電解液和所述的陰極電解液液面中的至少一個(gè)作為陽(yáng)極電解液液面和陰極電解液液面數(shù)據(jù)；(ii)中央處理裝置；(iii)用于將所述的液面數(shù)據(jù)饋送給所述的中央處理裝置以便利用所述的液面數(shù)據(jù)確定所述的液面之間的壓力差以及壓力調(diào)整數(shù)據(jù)的裝置；以及(d)壓力控制裝置，接收所述的調(diào)整數(shù)據(jù)并調(diào)整所述的氧壓力與氫壓力中至少一個(gè)以將所述的壓力差維持在所選的范圍內(nèi)。
15.如權(quán)利要求14所述的電解池，其中所述的中央處理裝置包括用于處理所述的壓力差以提供所述的調(diào)整數(shù)據(jù)的算法處理裝置。
16.如權(quán)利要求14或15所述的電解池，包括陽(yáng)極電解液液面檢測(cè)裝置和陰極電解液液面檢測(cè)裝置。
17.如權(quán)利要求14-16中任一個(gè)所述的電解池，其中所述的壓力控制裝置包括用于相對(duì)所述的氫壓力改變氧壓力的裝置。
18.如權(quán)利要求14-17中任一個(gè)所述的電解池，其中所述的檢測(cè)裝置包括光學(xué)檢測(cè)裝置。
19.如權(quán)利要求14-18中任一個(gè)所述的電解池，其中所述的檢測(cè)裝置包括電子特征檢測(cè)裝置。
20.如權(quán)利要求14-19中任一個(gè)所述的電解池，其中所述的檢測(cè)裝置包括用于確定在所述陽(yáng)極電解液和陰極電解液的至少之一上的一個(gè)浮動(dòng)部件的高度的裝置。
21.如權(quán)利要求14-20中任一個(gè)所述的電解池，其中所述的檢測(cè)裝置包括電磁發(fā)生和測(cè)量裝置。
22.如權(quán)利要求14-21中任一個(gè)所述的電解池，其中所述的檢測(cè)裝置包括超聲發(fā)生和測(cè)量裝置。
全文摘要
一種用于從電解池中提供氫氣的改進(jìn)的方法,其中該電解池具有:具有一定的陽(yáng)極電解液液面的陽(yáng)極電解液溶液;具有一定的陰極電解液液面的陰極電解液溶液;在所述陽(yáng)極電解液液面上方以氧壓力產(chǎn)生氧氣;在所述陰極電解液液面上方以氫壓力產(chǎn)生氫氣;這種改進(jìn)包括:檢測(cè)所述的陽(yáng)極電解液和所述的陰極電解液液面中的至少一個(gè)作為陽(yáng)極電解液液面和陰極電解液液面數(shù)據(jù);將所述的液面數(shù)據(jù)饋入到中央處理裝置;利用所述的液面數(shù)據(jù)確定所述的液面之間的壓力差以及所述的中央處理裝置的壓力調(diào)整數(shù)據(jù);將所述的壓力調(diào)整數(shù)據(jù)提供給壓力控制裝置以將所述的壓力差維持在所選的范圍內(nèi)。該方法提供了一種將壓力差控制在設(shè)置點(diǎn)的2cm WC內(nèi)的低成本方法。
文檔編號(hào)C25B1/08GK1372603SQ00812381
公開(kāi)日2002年10月2日 申請(qǐng)日期2000年5月3日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月1日
發(fā)明者馬修·J·費(fèi)爾利, 威廉·J·斯圖爾特, 查利·東 申請(qǐng)人:斯圖爾特能源系統(tǒng)公司