CN101284645A - 喷雾法机电联合制氢的工艺及设备 - Google Patents
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Abstract
喷雾法机电联合制氢的工艺及设备，涉及到一种用水为原料制氢的工艺及设备。其工艺是把水通过雾化喷嘴向喷雾分解室喷发水雾，用机械力和电场力联合来使水分子电离、分解，生成氢气和氧气。设备主要由喷雾分解室、雾化喷嘴、捕氢电极、集氢室、捕氧电极、集氧室组成，集氢室在上部，喷雾分解室在中部，集氧室在下部；雾化喷嘴在喷雾分解室的侧边，雾化喷嘴的喷口指向喷雾分解室的中心；捕氢电极和捕氧电极在喷雾分解室的内空间。本发明采用喷雾法机电联合制氢，可以减少电能消耗，使反应速度加快。本发明用水为原料制氢不消耗化石能源，把水作为一种能源来利用。本发明可作为气化设备的气化剂发生装置，还可作为水制氢设备、制氧设备。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种制氢的工艺及设备，特别涉及到一种用水为原料制氢的工艺及设备。
背景技术
当前，能源紧张，环保形势严峻，人们在积极开发新的清洁能源，氢能受到人们的关注。氢能是一种理想的新能源，氢能的发热值高，燃烧1公斤氢气可放出142120kj的热量，是汽油的三倍，而且氢燃烧后生成的是水，不污染环境，是一种非常洁净的燃料；氢气可通过燃料电池直接发电，理论上有100％的转换效率，目前的技术达到了80％左右的转换效率，氢气用于燃料电池发电时没有噪声污染也没有热污染，排放的是水，氢能发电是属于环境友好的发电项目；氢能可用于现在所有消耗燃料的燃烧工艺过程，用能设备无需作很大的改动就可适用，可以取代绝大部分化石能源。当前，氢能还不能实现大规模的商业化应用，还有待解决以下关键问题：a.廉价的制氢技术。因为氢是一种二次能源，现有技术的制氢技术不但需要消耗大量的能量，而且制氢效率很低，因此寻求大规模的廉价的制氢技术是各国科学家共同关心的问题；b.安全可靠的贮氢和输氢方法，由于氢易气化、着火、爆炸，因此开发储氢容量高、价廉的固态储氢材料成为开发氢能的关键。目前虽然已有储氢合金问世，氢气可以充入储氢合金以固体形态进行储存，需要使用时再放出来，但目前的储氢合金的成本及储氢容量均不能达到普及应用的程度。
水是一种含有氢元素最丰富的物质，每一个水分子由二个氢原子和一个氧原子结合而成，水又是地球上最普遍最易得到的一种物质，地球上70％的面积是水，把水开发成一种能源来应用，不但可解决能源紧张的局面，而且燃烧时不产生二氧化碳，生成物只有水，可反复使用，环保效果突出，对改善大气酸雨环境，减少大气中二氧化碳含量，从而减轻温室效应都有极大的好处。每M3水中含有111公斤多的氢气，其质量容量大于11.1％，是国际能源署提出的体积储氢容量大于50Kg(H2)/M3、质量储氢容量大于5％目标的二倍多，因此，水不但是一种理想的廉价制氢原料，而且还是一种非常理想的廉价储氢材料，其储氢容量是目前任何储氢材料都望尘莫及的。然而，水分子里的氢原子和氧原子结合得非常牢固，用高温加热的方法也很难把水分子进行分解，用电流容易把水分子进行分解，用电流来分解水的方法称为电解法，当前，工业上用水制造氢气用的就是电解法，这种方法耗能很大，得不偿失，而且分解速度慢、效率低。
发明内容
本发明的目的是要克服现有技术和设备的缺点，提供一种耗能低、效率高、分解速度快的用水为原料的制氢工艺及设备，解决廉价的制氢技术问题，把水作为储氢材料来使用，从而实现氢能的大规模商业化应用。
为了达到上述的发明目的，本发明采用喷雾法机电联合的措施来分解水分子，实现低成本制氢的目的。其工艺是把水通过水泵加压后由雾化喷嘴向机电联合制氢装置内的喷雾分解室喷发水雾，当水非常猛烈地从喷嘴喷出时，喷嘴的固体表面与水的表面之间及气体与水的表面之间的相对运动而使水分裂成细小水滴带电，同时喷雾分解室内的电场中还将形成低温等离子体，对极性水分子进行活化、电离和分解，这样，就实现了用机械力和电场力联合来使水分子电离，生成氢H+和OH-；H+被捕氢电极捕获而反应成氢气，OH-被捕氧电极捕获而反应成氧气和氢气；氢气由装置的顶部出口输出，作为燃料使用或通过净化处理作为化工原料；氧气及未反应的水雾由装置的下部输出，经分离，获得副产品氧气，分离出的水送回水箱循环使用；装置内的余水由装置的底部输出，返回水箱循环使用。所述的水为淡水或中水，中水包括经过处理后的工业废水或经过处理后的海水。向装置内提供的工作电源为20000V以上的直流电源。
上述的工艺中，用机械力和电场力联合进行反应的方程式是：
H2O→H++OH-……机械力电离及电场力电离
2H++2e→H2……捕氢电极反应
4OH--4e→2H2+2O2……捕氧电极反应
在装置内的电场中还有下列反应：
e*+H2O→H2O*+e 或e*+H2O→H2O++2e
H2O*+e→H2O++2e
H2O++e→H++OH-
H++e→H OH--e→H+O
H+H→H2
O+O→O2
式中：e*-加速电子，e-失速电子，H2O-水分子，H2O*-活化的水分子，H2O+-水分子离子，H+-氢离子，OH--氢氧根离子，H-氢原子，O-氧原子，H2-氢气分子，O2-氧气分子。
本发明的喷雾法机电联合制氢的设备为机电联合制氢装置，主要由喷雾分解室(16)、雾化喷嘴(19)、捕氢电极(7)、集氢室(2)、捕氧电极(9)或(9b)、集氧室(14)、壳体(13)(20)(25)组成，其中：喷雾分解室(16)、雾化喷嘴(19)、捕氢电极(7)、集氢室(2)、捕氧电极(9)或(9b)、集氧室(14)在壳体内，集氢室(2)在上部，喷雾分解室(16)在中部，集氧室(14)在下部；雾化喷嘴(19)在喷雾分解室(16)的侧边，雾化喷嘴(19)的喷口指向喷雾分解室(16)的中心；捕氢电极(7)和捕氧电极(9)在喷雾分解室(16)的内空间。所述的捕氢电极(7)、捕氧电极(9b)为圆棒电极，数量为一支以上，至少一支；捕氧电极(9)为一块花孔板，安装在喷雾分解室(16)与集氧室(14)的之间；在装置壳体的上封头(25)与壳体的中段(20)之间有绝缘连接件(21)；在装置壳体的中段(20)与壳体的下封头(13)之间有绝缘连接件(21b)；在装置内还有阴极基板(3)和阳极花孔板(6)，阴极基板(3)和阳极花孔板(6)固定在绝缘连接件(21)上，捕氢电极(7)安装在阴极基板(3)上，捕氢电极(7)用石英套管(8)进行封装，捕氢电极(7)穿过阳极花孔板(6)的花孔伸进喷雾分解室(16)内；在装置内还有阳极基板(6b)和阴极花孔板(3b)，阳极基板(6b)和阴极花孔板(3b)固定在绝缘连接件(21b)上，捕氧电极(9b)安装在阳极基板(6b)上，捕氧电极(9b)用石英套管进行封装，捕氧电极(9b)穿过阴极花孔板(3b)的花孔伸进喷雾分解室(16)内；为了防止绝缘连接件(21)的内壁形成水膜而造成电气短路，在绝缘连接件(21)(21b)的体内还有蒸汽加热腔或电热丝(22)，在喷雾分解室(16)内还设计有挡雾板(17)，挡雾板(17)架空安装，通过支持件(27)固定在壳体(20)上；在集氢室(2)的顶面有氢气输出接口(1)；在集氧室(14)的侧面有氧气输出接口(10)；在集氧室(14)的底面有回水输出接口(11)。
上述设备中，把水通过水泵加压后送入雾化喷嘴(19)，水便从喷口猛烈喷入喷雾分解室(16)，分裂成细小水滴形成带电水雾，在机械力和电场力的联合作用下，水分子被电离为氢离子(H+)和氢氧根离子(OH-)，氢离子(H+)在捕氢电极(7)上反应生成氢气，氢氧根离子(OH-)在捕氧电极(9)或(9b)上反应生成氧气和氢气，氢气由集氢室(2)顶面的氢气输出接口(1)输出，氧气由集氧室(14)侧面的氧气输出接口(10)输出，未反应的余水由集氧室(14)底面的回水输出接口(11)回到水箱循环使用。本设备直接用水制氢，不需用锅炉把水加热汽化。本设备在与其它热能设备配合使用时，如利用其它热能设备的余热把原料水加热到60～80℃再喷入喷雾分解室(16)内进行电离、分解，可以取得更好的效果。本设备可灵活设计成圆形或方形，大小不受限制。
本发明的有益效果是：采用喷雾法机电联合制氢，可以减少电能消耗，使反应速度加快，因而提高了效率。设备可大可小，灵活设计，使用方便，适合分散应用，易于普及使用。本发明用水为原料制氢不消耗化石能源，把水作为一种制氢原料及储氢材料来应用，解决了氢能的储运难题，作为能源来利用，还可以使燃烧设备大大减少对环境的污染，为我国的节能减排作出有益的贡献。本发明可作为气化设备的气化剂发生装置，还可作为水制氢设备、制氧设备。
附图说明
本发明提供下列附图作进一步的说明，但各附图及以下的具体实施方式均不构成对本发明的限制：
图1是本发明的喷雾法机电联合制氢的工艺流程方框图。
图2是本发明的喷雾法机电联合制氢装置的结构图。
图3是本发明的另一个喷雾法机电联合制氢装置的结构图。
图4是图2和图3的A-A剖视图。
图5是图3的B-B剖面图。
图中：1.氢气输出接口，2.集氢室，3.阴极基板，3b.阴极花孔板，4.阴极电源插口，5.阳极电源插口，6.阳极花孔板，6b.阳极基板，7.捕氢电极，8.石英套管，9.捕氧电极，9b.捕氧电极，10.氧气输出接口，11.回水输出接口，12.脚架，13.壳体的下封头，14.集氧室，15.过渡室，16.喷雾分解室，17.挡雾板，18.保护接地接头，19.雾化喷嘴，20.壳体的中段，21.绝缘连接件，21b.绝缘连接件，22.蒸汽加热腔或电热丝，23.过渡室，24.螺杆，25.壳体的上封头，26.电晕环，27.挡雾板的支持件。
具体实施方式
图1所示的喷雾法机电联合制氢的工艺中，水通过水泵加压后由雾化喷嘴喷入机电联合制氢装置内，在机械力和电场力联合作用下，水分子被电离成氢离子(H+)和氢氧根离子(OH-)，随后又生成氢气和氧气，氢气被压缩机从装置内抽出，经冷却装置进行冷却后，送入气柜，气柜内的氢气可直接燃用，或进行净化处理作为化工原料；氧气及未反应的水雾从装置内输出，通过分离装置获得副产品氧气，分离出的水送回水箱循环使用；装置内的余水和水泵内的余水返回水箱循环使用；送入装置的电源为20000伏以上的直流电源，可通过升压型的开关电源经整流获得，也可用工频变压器升压经整流获得，还可通过倍压整流的方法获得，本实施例优选采用升压型的开关电源经整流获得20000伏以上的高压直流电源。
图2所示的实施例中，喷雾法机电联合制氢装置主要由喷雾分解室(16)、雾化喷嘴(19)、捕氢电极(7)、集氢室(2)、捕氧电极(9)、阴极基板(3)、阳极花孔板(6)、集氧室(14)、绝缘连接件(21)、壳体的上封头(25)、壳体的中段(20)、壳体的下封头(13)组成，其中：喷雾分解室(16)、雾化喷嘴(19)、捕氢电极(7)、集氢室(2)、捕氧电极(9)、阴极基板(3)、阳极花孔板(6)、集氧室(14)在壳体内，集氢室(2)在上部，喷雾分解室(16)在中部，集氧室(14)在下部；雾化喷嘴(19)在喷雾分解室(16)的侧边，雾化喷嘴(19)的喷口指向喷雾分解室(16)的中心；捕氢电极(7)和捕氧电极(9)在喷雾分解室(16)的内空间；在装置壳体的上封头(25)与壳体的中段(20)之间有绝缘连接件(21)；阴极基板(3)固定在绝缘连接件(21)上；阳极花孔板(6)与壳体中段(20)的法兰直接进行压接；捕氢电极(7)为圆棒电极，多支捕氢电极(7)安装在阴极基板(3)上，捕氢电极(7)用石英套管(8)进行封装后穿过阳极花孔板(6)的花孔伸进喷雾分解室(16)内；捕氧电极(9)为一块花孔板，安装在喷雾分解室(16)与集氧室(14)的之间，直接固定在金属材料制作的壳体中段(20)上；在绝缘连接件(21)的体内还有电热丝(22)；在集氢室(2)的顶面有氢气输出接口(1)；在集氧室(14)的侧面有氧气输出接口(10)；在集氧室(14)的底面有回水输出接口(11)；在绝缘连接件(21)上还有阴极电源插口(4)，阴极电源插口(4)与阴极基板(3)进行电气连接；在壳体的中段(20)上还有阳极电源插口(5)；保护接地接头(18)连接在壳体的中段(20)；本实施例向机电联合制氢装置提供35000伏的直流工作电源，工作电源的正极连接到阳极电源插口(5)，工作电源的负极连接到阴极电源插口(4)。本实施例中，把水通过水泵加压后送入雾化喷嘴(19)，水便从喷口猛烈喷入喷雾分解室(16)，分裂成细小水滴形成带电水雾，在机械力和电场力的联合作用下，水分子被电离为氢离子(H+)和氢氧根离子(OH-)，氢离子(H+)在捕氢电极(7)上反应生成氢气，氢氧根离子(OH-)在捕氧电极(9)上反应生成氧气和氢气，生成的氢气通过阳极花孔板(6)的花孔进入过渡室(23)，在阳极花孔板(6)的花孔与石英套管(8)之间有电晕环(26)产生，电晕环(26)可以分解水分子，氢气可以通过电晕环(26)而氧气则不能通过，起到分离氢、氧、水雾的作用；进入过渡室(23)的氢气再由阴极基板(3)的花孔进入集氢室(2)，然后从集氢室(2)顶面的氢气输出接口(1)被抽出；氧气和未反应的水雾由捕氧电极板(9)的花孔进入集氧室(14)，再从集氧室(14)侧面的氧气输出接口(10)输出；未反应的余水由集氧室(14)底面的回水输出接口(11)输出回到水箱循环使用。
图3所示的实施例中，喷雾法机电联合制氢装置主要由喷雾分解室(16)、雾化喷嘴(19)、捕氢电极(7)、捕氧电极(9b)、挡雾板(17)、集氢室(2)、集氧室(14)、阴极基板(3)、阳极花孔板(6)、阴极花孔板(3b)、阳极基板(6b)、壳体的下封头(13)、壳体的中段(20)、壳体的上封头(25)、绝缘连接件(21)(21b)组成，其中：喷雾分解室(16)、雾化喷嘴(19)、捕氢电极(7)、捕氧电极(9b)、挡雾板(17)、集氢室(2)、集氧室(14)、阴极基板(3)、阳极花孔板(6)、阴极花孔板(3b)、阳极基板(6b)在壳体内，集氢室(2)在上部，喷雾分解室(16)在中部，集氧室(14)在下部；雾化喷嘴(19)在喷雾分解室(16)的侧边，雾化喷嘴(19)的喷口指向喷雾分解室(16)的中心；捕氢电极(7)和捕氧电极(9b)在喷雾分解室(16)的内空间，捕氢电极(7)和捕氧电极(9b)为圆棒电极，数量为一对以上，至少一对；在装置壳体的上封头(25)与壳体的中段(20)之间有绝缘连接件(21)；在装置壳体的中段(20)与壳体的下封头(13)之间有绝缘连接件(21b)；阴极基板(3)和阳极花孔板(6)固定在绝缘连接件(21)上，捕氢电极(7)安装在阴极基板(3)上，捕氢电极(7)用石英套管(8)进行封装后穿过阳极花孔板(6)的花孔伸进喷雾分解室(16)内；阳极基板(6b)和阴极花孔板(3b)固定在绝缘连接件(21b)上，捕氧电极(9b)安装在阳极基板(6b)上，捕氧电极(9b)用石英套管进行封装后穿过阴极花孔板(3b)的花孔伸进喷雾分解室(16)内；为了防止绝缘连接件(21)的内壁形成水膜而造成电气短路，在绝缘连接件(21)(21b)上还有蒸汽加热腔(22)，在喷雾分解室(16)内还设计有挡雾板(17)，挡雾板(17)架空安装，通过支持件(27)固定在壳体(20)上；在集氢室(2)的顶面有氢气输出接口(1)；在集氧室(14)的侧面有氧气输出接口(10)；在集氧室(14)的底面有回水输出接口(11)；在绝缘连接件(21)(21b)上还有阴极电源插口(4)和阳极电源插口(5)，阴极电源插口(4)与阴极基板(3)及阴极花孔板(3b)进行电气连接，阳极电源插口(5)与阳极花孔板(6)及阳极基板(6b)进行电气连接；保护接地接头(18)连接在壳体上；本实施例向机电联合制氢装置提供35000伏的直流工作电源，工作电源的正极连接到阳极电源插口(5)，工作电源的负极连接到阴极电源插口(4)。本实施例中，把水通过水泵加压后送入雾化喷嘴(19)，水便从喷口猛烈喷入喷雾分解室(16)，分裂成细小水滴形成带电水雾，在机械力和电场力的联合作用下，水分子被电离为氢离子(H+)和氢氧根离子(OH-)，氢离子(H+)在捕氢电极(7)上反应生成氢气，氢氧根离子(OH-)在捕氧电极(9b)上反应生成氧气和氢气，生成的氢气通过阳极花孔板(6)的花孔进入过渡室(23)，在阳极花孔板(6)的花孔与石英套管(8)之间有电晕环(26)产生，电晕环(26)可以分解水分子，氢气可以通过电晕环(26)而氧气则不能通过，起到分离氢、氧、水雾的作用；进入过渡室(23)的氢气再由阴极基板(3)的小孔进入集氢室(2)，然后从集氢室(2)顶面的氢气输出接口(1)被抽出；生成的氧气和未反应的水通过阴极花孔板(3b)的花孔进入到过渡室(15)，阴极花孔板(3b)的花孔内有电晕环产生，该电晕环可以分解水分子，让氧气通过而阻止氢气通过，起到分离氢、氧、水的作用；进入到过渡室(15)的氧气和未反应的水再通过阳极基板(6b)的花孔进入到集氧室(14)，再从集氧室(14)侧面的氧气输出接口(10)输出；未反应的余水由集氧室(14)底面的回水输出接口(11)回到水箱循环使用。
Claims (10)
1.一种喷雾法机电联合制氢的工艺及设备，包括电解水技术，其特征是所述的工艺为：把水通过水泵加压后由雾化喷嘴向机电联合制氢装置内的喷雾分解室喷发水雾，用机械力和电场力联合来使水分子电离，生成氢H+和OH-；H+被捕氢电极捕获而反应成氢气，OH-被捕氧电极捕获而反应成氧气和氢气；氢气由装置的顶部出口输出，作为燃料使用或通过净化处理作为化工原料；氧气及未反应的水雾由装置的下部输出，经分离，获得副产品氧气，分离出的水送回水箱循环使用；装置内的余水由装置的底部输出，返回水箱循环使用。
2.一种喷雾法机电联合制氢的工艺及设备，其特征是机电联合制氢装置主要由喷雾分解室(16)、雾化喷嘴(19)、捕氢电极(7)、集氢室(2)、捕氧电极(9)、集氧室(14)、壳体(13)(20)(25)组成，其中：喷雾分解室(16)、雾化喷嘴(19)、捕氢电极(7)、集氢室(2)、捕氧电极(9)、集氧室(14)在壳体内，集氢室(2)在上部，喷雾分解室(16)在中部，集氧室(14)在下部；雾化喷嘴(19)在喷雾分解室(16)的侧边，雾化喷嘴(19)的喷口指向喷雾分解室(16)的中心；捕氢电极(7)和捕氧电极(9)在喷雾分解室(16)的内空间。
3.根据权利要求2的一种喷雾法机电联合制氢的工艺及设备，其特征是所述的捕氢电极(7)为圆棒电极；数量为一支以上，至少一支。
4.根据权利要求2的一种喷雾法机电联合制氢的工艺及设备，其特征是所述的捕氧电极(9)为一块花孔板，安装在喷雾分解室(16)与集氧室(14)的之间。
5.根据权利要求2的一种喷雾法机电联合制氢的工艺及设备，其特征是所述的捕氧电极(9b)为圆棒电极；数量为一支以上，至少一支。
6.根据权利要求2所述的一种喷雾法机电联合制氢的工艺及设备，其特征是装置壳体的上封头(25)与壳体的中段(20)之间有绝缘连接件(21)；壳体的中段(20)与壳体的下封头(13)之间有绝缘连接件(21b)。
7.根据权利要求2或6所述的一种喷雾法机电联合制氢的工艺及设备，其特征是装置内还有阴极基板(3)和阳极花孔板(6)，阴极基板(3)和阳极花孔板(6)固定在绝缘连接件(21)上，捕氢电极(7)安装在阴极基板(3)上，捕氢电极(7)用石英套管(8)进行封装，捕氢电极(7)穿过阳极花孔板(6)的花孔伸进喷雾分解室(16)内。
8.根据权利要求2或6所述的一种喷雾法机电联合制氢的工艺及设备，其特征是装置内还有阳极基板(6b)和阴极花孔板(3b)，阳极基板(6b)和阴极花孔板(3b)固定在绝缘连接件(21b)上，捕氧电极(9b)安装在阳极基板(6b)上，捕氧电极(9b)用石英套管进行封装，捕氧电极(9b)穿过阴极花孔板(3b)的花孔伸进喷雾分解室(16)内。
9.根据权利要求2所述的一种喷雾法机电联合制氢的工艺及设备，其特征是喷雾分解室(16)内还有挡雾板(17)，挡雾板(17)架空安装，通过支持件(27)固定在壳体(20)上。
10.根据权利要求2所述的一种喷雾法机电联合制氢的工艺及设备，其特征是集氢室(2)的顶面有氢气输出接口(1)；集氧室(14)的侧面有氧气输出接口(10)；集氧室(14)的底面有回水输出接口(11)。
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