[发明专利]电解水生产高纯氢气和/或氧气的装置和方法

说明书

本发明公开了一种通过电解水制备高纯氢气和/或氧气的装置，包括电解器和将脱盐水脱气的脱气器，脱气器位于电解器的上游。脱盐水在脱气器中加热脱气后，其中气体杂质，特别是氩气的含量可以减少到几个ppb(重量比)。这种脱盐脱气水在电解器中电解后产生的氢气和氧气也含有极少量的氩气，满足了半导体产业的需要。本发明还公开了使用上述装置制备高纯氢气和/或氧气的方法。

技术领域

本发明属于高纯气体制备领域，特别是高纯氢气和/或氧气的制备，涉及一种电解水生产高纯氢气和氧气的装置和方法。

背景技术

在工业上，氢气的制备有多种方法，比如包括蒸汽甲烷重整和甲醇重整的化学制氢方法以及电解水制氢的电学方法。电解水生产氢气和氧气的基本原理是水被直流电力转换成气态的氢和氧。根据操作温度，主要分为低温电解器和高温电解器，前者又包含碱性电解器和质子交换膜电解器两种，它们都已成为商业中运用的成熟技术。

半导体工业领域需要大量的高纯气体，高纯是指所需气体中的杂质含量低于几个ppb。常规的分离杂质，提纯产品气体的方法包含不同温度、压力条件下的吸附和深冷精馏分离，然而上述方法对于分离氢气及氧气产品中的氩气不是很有效。

当半导体工厂同时需要高纯氧和高纯氢时，电解水制备氢气和氧气就成为一种特别合适的方法。现有技术关注的杂质主要为各种有机物，盐离子，氮气，二氧化碳，一氧化碳，碳氢化合物，水汽。US5,484,512公开了一种提供高纯氧和高纯氢的方法和装置，包含向电解器提供纯水，并将产生的氧气和氢气分别经过各自的纯化器，采用冷却、吸收、吸附等方式进一步纯化。纯水通过使用脱盐水或将脱盐水经解气膜(degassing membrane)去除氮气而制备。

发明内容

现有技术没有关注到氩气作为一种杂质存在于电解水制备的氢气和氧气中，因此并没有对降低氩气含量提供特别的方法和思路。根据现有技术的方法制备的氢气和氧气中一般含有重量比70-100ppb的氩气。为了在气体产品中将氩气的含量降到几个ppb以下，本发明公开了一种通过电解水制备高纯氢气和/或氧气的装置，包括电解器和将脱盐水脱气的脱气器，脱气器位于电解器的上游。

进一步地，本发明还包括位于脱气器上游的脱盐水处理系统。本发明的电解器包含碱性电解器，且脱气器被碱液换热器中通过的热碱液回流股加热。

在又一方面，本发明披露了一种通过电解水制备高纯氢气和/或氧气的装置，包括顺序连接的脱盐水处理系统、可选择的脱盐水储罐、脱气器给水泵、脱盐脱气水换热器、将脱盐水脱气的脱气器、电解器给水泵以及电解器。其中的电解器为碱性电解器，且包含电解槽、阳极碱液分离器、阴极碱液分离器和碱液冷却器。电解器还可以包含碱液换热器，流经其中的热碱液回流股为脱气器提供需要的热量。

本发明中脱盐水经脱气器脱气后的氩含量小于10ppb(重量比)；产生的高纯氢气和/或氧气中的氩含量小于5ppb(重量比)。

本发明中电解器阳极生成的O₂和阴极生成的H₂可进一步纯化。

另一方面，本发明公开了一种通过电解水制备高纯氢气和/或氧气的方法，包含将脱盐水在脱气器中脱气以得到氩含量小于10ppb的电解器给水的步骤。

再一方面，本发明公开的方法具体包含以下步骤：

a)将脱盐水在脱气器中脱气得到脱盐脱气水，

b)将脱盐脱气水经电解器给水泵增压后得到电解器给水，通入阳极碱液分离器和阴极碱液分离器，分离器中的部分碱液作为热碱液回流股在碱液冷却器中冷却后通入与直流电源连通的电解槽；

以及c)，将阳极碱液分离器中分离出来的O₂和阴极碱液分离器中分离出来的H2继续纯化后得到产品。

与现有技术相比较，本发明所提供的技术方案具有以下优点：