CN101532146A - 稳定强电场恒电流电解池及其电解装置 - Google Patents

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Abstract

稳定强电场恒电流电解池，在电解池中装有电解质，并设有分别与低压直流电源连接的低压阴极板和低压阳极板，该阴极板与阳极板之间设有隔板或离子交换膜，特征是：电解池中还设有高电压电源系统，该高电压电源系统分别与高压阴极板、高压阳极板连接；所述的高压阴极板与所述的低压阴极板组成复合阴极板；在该复合阴极板中的高压阴极板外表面设有绝缘层，使该高压阴极板与低压阴极板、该高压阴极板与电解质，均呈电隔离；所述的高压阳极板的外表面设有绝缘层，使该高压阳极板与低压阳极板、该高压阳极板与电解质，均呈电隔离。本发明能够提高电解过程的工作效率，减少其中的热损耗，尤其应用在弱电解质的电解分析中电解效率较高。

Description

稳定强电场恒电流电解池及其电解装置
技术领域
本发明涉及电解法应用领域，尤其涉及一种稳定强电场恒电流电解池及其电解装置。
背景技术
电解和电解槽的基本结构和工作原理由来已久。有阴、阳两级的电解池中电解质离子常处于无秩序的运动中，通直流电后，离子作定向运动。阳离子向阴极移动，在阴极得到电子，被还原；阴离子向阳极移动，在阳极失去电子，被氧化。电解广泛应用于冶金工业中，如从矿石或化合物提取金属(电解冶金)或提纯金属(电解提纯)，以及从溶液中沉积出金属(电镀)。金属钠和氯气是由电解溶融氯化钠生成的；电解氯化钠的水溶液则产生氢氧化钠和氯气。电解水产生氢气和氧气。水的电解就是在外电场作用下将水分解为H2(g)和O2(g)。电解是一种非常强有力的促进氧化还原反应的手段，许多很难进行的氧化还原反应，都可以通过电解来实现。
弱电解质：如在水电解过程中，阴、阳两极需要较大的电位差，OH-在阳极失去电子，被氧化成氧气放出；H+在阴极得到电子，被还原成氢气放出。所得到的氧气和氢气，即为水电解过程的产品。
强电解质：在电极上发生氧化或还原反应，而在阳极或阴极上施加的最小电位称为析出电位。以0.1mol/L的H2SO4介质中电解0.1mol/LCuSO4溶液为例：
阴极反应      Cu2++2e→Cu↓
阳极反应      2H2O→O2↑+4H++4e
电极总反应    2Cu2++2H2O→2Cu↓+O2↑+4H+
其中，电解水的电解槽，或者说电解法制备氢、氧的电解槽或电解装置，其结构与工作原理，参看附图1所示。现有电解池原理及结构是由直流电源1.1、阴极板1.2、电解槽1.3、隔板或离子交换膜1.5、阳极板1.4所组成，其存在的优缺点是：
优点：结构简单，针对中、强电解质在阳极或阴极上可施加最小电位与控制电流的方法。由法拉第电解定律可知，可以较高的电流效率进行电解反应，就可以通过测量进行电解反应所消耗的电量(库伦数)，得到电极上起反应的物质的量。所谓100％的电流效率，指电解时电极上只发生主反应，不发生副反应。影响电流效率的主要因素有：溶剂的电极反应、电解质中的杂质在电极上的反应、溶液中可溶性气体的电极反应、电极自身的反应等。
缺点：针对弱电解质在阳极或阴极上无法施加最小电位与控制电流的方法。如水电解过程中，阴、阳两极需要较大电位差，电能的消耗为电解化学式：
能量(电)：2H2O→O2↑+2H2↑+热能(温度)
阴极      2H2O+2e-→H2↑+2OH-
阳极      4OH-→O2↑+2H2O+4e-
所以现有的电解池原理在水电解过程中，阴、阳两极需要较大电位差，OH-在阳极失去电子，被氧化成氧气放出；H+在阴极得到电子，被还原成氢气放出，同时电解池热能消耗较大。
发明内容
为了克服现有的电解池原理及技术装置的不足，本发明提供一种“稳定强电场恒电流电解池及其电解装置”。该稳定强电场恒电流电解池及其电解装置能够提高电解过程的工作效率，减少其中的热损耗，尤其应用在弱电解质的电解分析中电解效率较高。
实现本发明目的的技术方案是：
一种稳定强电场恒电流电解池，在电解池中装有电解质，并设有分别与低压直流电源连接的低压阴极板和低压阳极板，该阴极板与阳极板之间设有隔板或离子交换膜，其特征是：电解池中还设有高电压电源系统，该高电压电源系统分别与高压阴极板、高压阳极板连接；所述的高压阴极板与所述的低压阴极板组成复合阴极板；在该复合阴极板中的高压阴极板外表面设有绝缘层，使该高压阴极板与低压阴极板、该高压阴极板与电解质，均呈电隔离；所述的高压阳极板的外表面设有绝缘层，使该高压阳极板与低压阳极板、该高压阳极板与电解质，均呈电隔离。
所述的高压阴极板与高压阳极板，其中的低压阴极板和低压阳极板，可以采用以下形式设置：
1、所述的高压阴极板、高压阳极板分别包裹在各自的绝缘层中，各自的绝缘层的外面分别包裹有所述的低压阴极板和低压阳极板；
2、所述的高压阴极板、高压阳极板分别被包裹在各自的绝缘层中，所述的低压阴极板和低压阳极板分别包裹各自的绝缘层，或可以是两个高压电极板之间的内侧；或两个高压电极板的外侧。
换言之，本发明的方案是：稳定强电场恒电流电解池主要由两个相互隔离的高压电源与低压恒流电源；电隔离复合电极板形成的双电极阴、阳极板；离子交换隔板；电解槽所组成。两个相互隔离的高压电源与低压恒流电源系统，由一个高电压电源系统提供电解池中电隔离复合电极的阴、阳极板与电解质之间，形成稳定强电场。另一个低压恒流电源系统，主要提供电解池中电隔离复合电极的阴、阳极板与电解质之间，形成低电压恒定的电流。电隔离复合电极板是一种提供两种电源电位的、电隔离的电解极板。
本发明所说的高电压及高电压电源，是根据电解槽的大小，阴、阳极板之间距离，高压电源电压范围在几十伏到上千伏的直流电压之间选择；
本发明所说的低电压及低电压电流源，是根据电解槽的大小，电极上反应的物质量，使其电流范围在小于1安培与上千安培电流之间选择。
由以上所述的稳定强电场恒电流电解池构成的电解法制备氢、氧的电解装置，其结构是：所述的一个复合阴极板与一个所述的复合阳极板，及该复合阴极板与复合阳极板之间的隔板或离子交换膜，构成一组电解池；若干组所述的电解池共同设置在一个电解质槽内，构成本发明的电解装置。
换言之，本发明所述的一种稳定强电场恒电流电解池及其电解装置，是采用两个相互隔离的高压电源与低压恒流电源；多组电隔离复合电极板形成的双电极阴、阳极板；多组离子交换隔板；电解槽所组的电解装置。
本发明所述的一种稳定强电场恒电流电解池及其电解装置与单一低压电源电解装置的分解电压和析出电位，参看附图7所示。
本发明能够提高电解过程的工作效率，减少其中的热损耗，尤其应用在弱电解质的电解分析中电解效率较高。附图7说明：本发明使电解过程的分解电压大幅降低。
本发明所述的电解池中装有电解质，是采用弱电解质，该弱电解质是一种弱导电水溶液或熔融状态下的化合物，如弱酸、弱碱或水。水电解的速率于导电性成正比，水分子是电偶极子分子，水在弱电场条件下时是弱电解质，水在强电场条件下电偶极子变形拉长，电偶极子相位增强，导电性提高。
附图说明
图1为现有电解池原理示意图；
图2为本发明电解池原理示意图；
图3-1、图3-2、图3-3为稳定强电场恒电流电解池装置结构图；
图4-1、图4-2为稳定强电场恒电流电解池装置剖面图；
图5-1～图5-4为稳定强电场恒电流电解池电隔离复合电极板结构图；
图6为稳定强电场恒电流电解池装置工作原理图；
图7为稳定强电场恒电流电解池装置分解电压析出曲线图。
具体实施方式
实施例1，一种稳定强电场恒电流电解池及其电解装置，参照图2所示，一种稳定强电场恒电流电解池是由低压恒流电源2.1、阴极电隔离复合电极板2.2、电解槽2.3、阳极电隔离复合电极板2.4、离子交换隔板2.5、高压电场负电位极2.6、高压电场正电位极2.7、稳定高压电源2.8主要部件所组成。
本实施例为阴极电隔离复合电极板2.2、阳极电隔离复合电极板2.4，是由表面金属电解层，中间绝缘层、中心金属薄板三层组合而成。阴、阳电隔离复合电极板的表面金属电解层，分别连接低电压恒流电源2.1的负极与正极。阴、阳电隔离复合电极板的中心金属薄板极的高压电场负电位极2.6、高压电场正电位极2.7，分别连接高压稳定电源2.8的负极与正极。
本实施例的工作原理是：在电解池中的水弱电解质，在高压稳定电源2.8分别连接阴、阳极板中心的高压电场电位极，使阴、阳极板与电解质之间形成高压稳定强电场，而弱电解质在高压稳定强电场条件下，电偶极子分子组成电极性排列，提高了弱电解质的导电性。这时低电压恒流电源2.1分别连接阴、阳极板表面的低电位极，使阴、阳极板表面的低电位极与电解质之间，可以形成低电压的、稳定大电流的电解分析，应为水电解的速率于导电性成正比。
参照图3-1～图3-3、图4-1、4-2：由塑料盖板1、塑料槽2、塑料气体隔离体3、硅胶隔离垫4、离子交换隔离板5、电隔离复合电极板6(其中分别包括有：阴极电隔离复合电极板2.2、阳极电隔离复合电极板2.4)构成电解槽，槽内装有水电解质8；电解槽上设有进水螺孔7、氢气出管9、放水螺盖10、氧气出管11、恒流电源负电位连接器12、高电压电源负电位连接器13、高电压电源正电位连接器14、恒流电源正电位连接器15、氢气通道16、氧气通道17、隔离复合电极板恒流负电位连接杆18、隔离复合电极板高电压电源负电位连接杆19、氢气出孔20、氧气出孔21、隔离复合电极板恒流正电位连接杆22、隔离复合电极板高电压电源正电位连接杆23、水位阀孔24、浮子阀杆25、水位线26，共同组成氢氧气水电解装置。
本实施例的稳定强电场恒电流电解池及其电解装置的主要发明特征为：电解池采用相互电隔离的高压电源与低压恒流电源，分别交错有序供给各个电隔离复合电极阴、阳板，使各个电隔离复合电极阴、阳板与电解质之间，相互形成强电场与低电压电解恒电流。相互交错的水电解质中，H+在阴极得到电子，被还原成氢气放出，经氢气出孔20、氢气通道16，由氢气出管9输出。相互交错的水电解质中，OH-在阳极失去电子，被氧化成氧气放出，经氧气出孔21、氧气通道17，由氧气出管11输出。水位阀孔24、浮子阀杆25、水位线26所组成自动补水装置。当水位下降时浮子阀杆25同步下降，这时水位阀孔24打开，开始给电解槽补水。当补水到水位线26时，浮子阀杆25同步上升关闭水位阀孔24，补水停止。
参照图5-1～图5-4，本实施例的稳定强电场恒电流电解池及其电解装置中电隔离复合电极板6结构，满足接入高压电位于低压电位的电隔离工作要求，其主要结构组成为：电极板外金属电解面6.1、电极板中间绝缘层6.2、电极板中心导电金属层6.3所组成的电隔离复合电极板。
本实施例“一种稳定强电场恒电流电解池及其电解装置”中电隔离复合电极板6结构，有低电压恒流电源电位连接端子与高压电源电场电位连接端子。电极板中间绝缘层6.2，可以采用聚四氟乙烯材料或其它高绝缘材料。
参照图6所示，本实施例“一种稳定强电场恒电流电解池及其电解装置”工作电路原理是：电解槽中多个电隔离复合电极板6之间，相互交错的并联电位，分别连接高压电源与低电压恒流电源的正负极。使相互之间电隔离复合电极板6形成阴、阳电极板，并且在阴、阳电极板与电解质中形成强电场与低电压恒电流的工作状态，有利弱电解质提高导电率，提高电解出气率，降低电解槽的热损耗，达到节约电能消耗的目的。

Claims (8)

1、一种稳定强电场恒电流电解池，在电解池中装有电解质，并设有分别与低压直流电源连接的低压阴极板和低压阳极板，该阴极板与阳极板之间设有隔板或离子交换膜，其特征在于：电解池中还设有高电压电源系统，该高电压电源系统分别与高压阴极板、高压阳极板连接；所述的高压阴极板与所述的低压阴极板组成复合阴极板；在该复合阴极板中的高压阴极板外表面设有绝缘层，使该高压阴极板与低压阴极板、该高压阴极板与电解质，均呈电隔离；所述的高压阳极板的外表面设有绝缘层，使该高压阳极板与低压阳极板、该高压阳极板与电解质，均呈电隔离。
2、根据权利要求1所述的稳定强电场恒电流电解池，其特征在于：所述的高压阴极板与高压阳极板，其中的低压阴极板和低压阳极板，是采用以下形式设置：
所述的高压阴极板、高压阳极板分别被包裹在各自的绝缘层中，各自的绝缘层的外面，可以是两个高压电极板之间内侧；或两个高压电极板的外侧，分别包裹有所述的低压阴极板和低压阳极板；
所述的高压阴极板、高压阳极板分别被包裹在各自的绝缘层中，所述的低压阴极板和低压阳极板分别包裹各自的绝缘层。
3、根据权利要求1所述的稳定强电场恒电流电解池，其特征在于：所述的电解池中的电解质，是采用弱电解质。
4、根据权利要求3所述的稳定强电场恒电流电解池，其特征在于：所述的弱电解质是一种弱导电水溶液或熔融状态下的化合物。
5、根据权利要求4所述的稳定强电场恒电流电解池，其特征在于：所述的弱电解质选自：弱酸、弱碱或水。
6、一种权利要求1所述的稳定强电场恒电流电解池构成的电解法制备氢、氧的电解电解装置，其特征在于，其结构是：所述的一个复合阴极板与一个所述的复合阳极板，及该复合阴极板与复合阳极板之间的隔板或离子交换膜，构成一组电解池；若干组所述的电解池共同设置在一个电解质槽内，构成本发明的电解装置。
7、根据权利要求6所述的电解法制备氢、氧的电解装置，其特征在于，具体结构是由：塑料盖板1、塑料槽2、塑料气体隔离体3、硅胶隔离垫4、离子交换隔离板5、电隔离复合电极板6(其中分别包括有：阴极电隔离复合电极板2.2、阳极电隔离复合电极板2.4)构成电解槽，槽内装有水电解质8；电解槽上设有进水螺孔7、氢气出管9、放水螺盖10、氧气出管11、恒流电源负电位连接器12、高电压电源负电位连接器13、高电压电源正电位连接器14、恒流电源正电位连接器15、氢气通道16、氧气通道17、隔离复合电极板恒流负电位连接杆18、隔离复合电极板高电压电源负电位连接杆19、氢气出孔20、氧气出孔21、隔离复合电极板恒流正电位连接杆22、隔离复合电极板高电压电源正电位连接杆23、水位阀孔24、浮子阀杆25、水位线26，共同组成氢氧气水电解装置。
8、根据权利要求7所述的电解法制备氢、氧的电解装置，其特征在于，所述电隔离复合电极板6的结构为：电极板外金属电解面6.1、电极板中间绝缘层6.2、电极板中心导电金属层6.3所组成的电隔离复合电极板；电极板中间绝缘层6.2，采用聚四氟乙烯材料或其它绝缘材料。
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