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。

  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和电解水制氢的电学方法。电解水生产氢气和氧气的基础原理是水被直流电力转换成气态的氢和氧。根据操作温度，大致上可以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一样的温度、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。现存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。纯水利用脱盐水或将脱盐水经解气膜(degassingmembrane)去除氮气而制备。

  现存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)。

  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。

  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)，将阴极碱液分离器中分离出来的o2和阳极碱液分离器中分离出来的h2继续纯化后得到产品。

  使用简单、低成本的脱气器来降低电解器给水中多种气体，包含氩气的含量，由此减少这些杂质在电解后o2和h2产品中的含量。

  由于电解器给水中的气体杂质已被预先移除，使得电解后在两极得到的气体含有的杂质种类更少，后续的纯化过程更简单，纯化设备更低廉。

  图1是本发明所提供的通过电解水制备高纯氢气和/或氧气的装置的结构示意图；其中a点与b点直接相连，c点与d点直接相连时描述了现存技术中的一种方式。

  图2是本发明的一个实施例的结构示意图，其中a点和b点之间布置了将电解器给水加热脱气的脱气器；

  图3是本发明的再一个实施例的结构示意图，其中c点和d点之间布置了碱液换热器，用以把热碱液回流股的热量传递给脱气器。

  图中：100-电解器；1-碱性电解槽；2-阴极碱液分离器；3-阳极碱液分离器；4-碱液冷却器；5-碱液泵；6-脱盐水处理系统；7-脱盐水储罐；8-电解器给水泵；10-热碱液回流股；11-冷碱液回流股；12-碱液氧气混合流；13-碱液氢气混合流；14-氢气；15-氧气；20-原水；21-脱盐水；22-电解器给水；30-冷却水；50-脱气器给水泵；51-脱盐脱气水换热器；52-脱气器；53-加热器；60-冷脱盐水进水；61-热脱盐水出水；62-气体排放管道；63-热脱盐脱气水；64-冷脱盐脱气水；70-碱液换热器；71-真空泵。

  下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。

  在以下具体实施例的说明中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“轴向”、“径向”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。

  在以下具体实施例的说明中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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一定要有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不理解为对本发明的限制。

  术语“上游”、“下游”是指若干步骤、设备或设备的若干部分之间的相对位置关系。在本发明中，按照工艺流程先进行的步骤、先使用的设备位于其后步骤或设备的上游。

  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；可以是直接相连，也能够最终靠中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，能够准确的通过详细情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

  除非清楚地指出相反的，这里限定的每个方面或实施方案可以与任何其他一个或多个角度或一个或多个实施方案组合。特别地，任何指出的作为优选的或有利的特征可以与任何其他指出的作为优选的或有利的特征组合。

  电解器是指与直流电源相连并将水电解生成o2和h2的装置。各种电解器，包括碱性电解器、酸性电解器和质子交换膜电解器等都适用于本发明。以碱性电解器为例，采用10％～30％的koh水溶液作为电解液，并发生如下反应：

  从结构上来看，一个碱性电解器包含插有电极的电解槽，在两个电极附近产生的气体分别通过管路通入阳极碱液分离器和阴极碱液分离器，h2和o2分别从分离器的顶端离开进入下一步纯化步骤；新鲜的电解器给水分别补充到两个分离器中，并从分离器的底部离开，经碱液冷却器冷却后回流至电解槽。

  电解器给水是指通入电解器的补充水。现存技术中一般都会采用脱盐水，本发明中的脱盐水在脱气器中进一步脱气后得到电解器给水。

  脱盐水处理系统是指能够将原水，如自来水中的强电解质和/或部分弱电解质移除的系统。一般都会采用包含蒸馏、离子交换、电渗析等方法中的一种或几种的结合。适用于半导体工业的脱盐水较好地具有等于或高于18mω·cm(25℃)的电阻。

  脱气器的工作原理是基于气体在水中的溶解度随水温的升高和接近饱和温度而降低。脱气器的结构可以有多种形式，很常见的一种为塔状结构，塔内包含多块层板。待脱气的流股从塔的顶部喷射下来，洗涤水被加热到饱和温度并从塔的底部输入塔中。喷射和层板的设置能够加大待脱气流股和洗涤水的接触面积，增加脱气的效率。待脱气流股通过和洗涤水接触换热达到饱和温度，其中溶解的气体被释放并经过气体排放口排出脱气器，脱气后的流股在塔的底部汇聚输出。脱气器可以轻松又有效地去除水中溶解的大部分气体，包含o2,n2,co2,ar等，使它们的含量降到几个ppb级别。

  图1是本发明所提供的通过电解水制备高纯氢气和/或氧气的装置的结构示意图；包含电解器100和前置的处理原水，生成电解器给水的装置。其中当a点与b点直接相连，c点与d点直接相连时描述了一种现存技术。在这一现存技术中，原水20经脱盐水处理系统6脱盐后生成脱盐水21。可选择的，脱盐水21通入脱盐水储罐7，或者直接经电解器给水泵8升压后成为电解器给水22。电解器给水22分别通入阴极碱液分离器2与阳极碱液分离器3。阴极碱液分离器2与阳极碱液分离器3分别接收来自电解槽1的碱液氧气混合流12与碱液氢气混合流13。在每个分离器中，碱液与气体的混合物被加热而使气体从混合物中分离出来。氧气15从阴极碱液分离器的顶部排出，相应的，氢气14从阳极碱液分离器的顶部排出。两个分离器里的部分碱液从分离器底部排出，汇流后形成热碱液回流股10，该流股经碱液泵5升压后，在碱液冷却器4中被冷却水30冷却至大约常温的冷碱液回流股11，然后通入电解槽1。

  图2描述了本发明的一个实施例，其与图1所示的现存技术的不同之处在于在a点与b点之间增加了与脱气相关的设备。具体表现为，脱盐水21被脱气器给水泵50升压后，作为冷脱盐水进水60通入脱盐脱气水换热器51，被加热后得到热脱盐水出水61，流股61从顶部进入脱气器52。脱气器52具有加热器53，脱气后的热脱盐脱气水63从脱气器52底部排出，释放出的气体从顶部通过气体排放管道62排出。热脱盐脱气水63作为热介质进入脱盐脱气水换热器51，换热冷却后成为冷脱盐脱气水64。流股64经电解器给水泵8升压后成为电解器给水22继续后面的工艺流程。

  由于图2中的电解器给水22在脱盐脱气后既不含盐分，也只含极少量的气体(小于几个ppb重量比)，这使得在电解槽中产生的o2和h2中杂质的成分也相应单纯，(氩气的含量小于5ppb，几乎不含二氧化碳)，从而简化了进一步的纯化步骤。例如在两极释放的气体产品中分别含有少量的另一种气体，这能够最终靠催化反应将其转化成水，此时气体产品中的主要副产品为水，能够最终靠液氮将水冷凝分离，并最后使用吸附剂，如分子筛吸附去除残余的水。

  图3描述了本发明的再一个实施例，在图2的基础上，即在a点与b点之间增加了与脱气相关的设备的前提下，在c点和d点之间连接了碱液换热器70。从两个碱液分离器汇流而成的热碱液回流股10在经过碱液泵5增压后，通入碱液换热器70。碱液换热器70的一端伸入脱气器52，用来自热碱液回流股10的热量加热脱气器底部的洗涤水，换热后的热碱液回流股10通过碱液冷却器4进一步冷却后回流入电解槽1。利用热碱液回流股的能量加热脱气器减少了外部能量的需求，提高了能量利用效率。

  如无特别说明，本文中出现的类似于“第一”、“第二”的限定语并非是指对时间顺序、数量、或者重要性的限定，而仅仅是为了将本技术方案中的一个技术特征与另一个技术特征相区分。同样地，本文中出现的类似于“一”的限定语并非是指对数量的限定，而是描述在前文中未曾出现的技术特征。同样地，本文中在数词前出现的类似于“大约”、“近似地”的修饰语通常包含本数，并且其具体的含义应当结合上下文意理解。同样地，除非是有特定的数量量词修饰的名词，否则在本文中应当视作即包含单数形式又包含复数形式，在该技术方案中即可以包括单数个该技术特征，也可以包括复数个该技术特征。

  本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验能够获得的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

  尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了以上内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

  设计和制备新能源电极材料研究材料在氢气、氧气、二氧化碳等能源小分子电催化转化中的应用，通过先进表征手段和理论模拟计算理解催化位点和反应机理，力图发展几种具有应用前景的电催化剂材料。

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