太阳能水电解制氢(氧)装置
本发明——太阳能水电解制氢(氧)装置,是能够有效利用间歇式能源,
主要是利用太阳能(风能和潮汐能),太阳能经光伏电池(风能及潮汐能产生的交流电经整流)转换成直流电后,直接用来将“水”电解为二次能源——“氢”的装置。
随着我国三十年的改革开放,中国的工、农业发展都取得了举世瞩目的成就。中国是一个人口大国,又是人均资源量相对贫乏的国家。能源主要以煤和石油(化石能源)为主,会造成局域环境污染,大量二氧化碳排放会导致全球变暖。自进入21世纪以来,中国进入了工业化中期发展阶段,对能源消费量急剧增长,凸显了能源供应的安全保障,以及来自环境污染的双重压力,成为我国长期可持续发展所面临的重大挑战。
一.本发明的目的:
为了解决上述提出的具体问题,本发明的目的:是要提供一种新的,结构简单、低成本,能够实现规模化、家庭化、廉价高效的制氢装置(技术)。
二.现有水电解制氢(氧)技术所能达到的技术效果及其不足,主要存在以下三个问题:
1.电极的过保和气问题:
i.在水的电解过程中,电极(这里不分阴极和阳极)的表面会被微小的气泡(指氢氧气)所包裹,我把电解时的这种现象称之为——电极的过保和气。由于工作中的电极有过保和气的存在、阻碍了电解质溶液中的氢离子在阴极上获得电子的机会,同时也阻碍了氧离子在阳极上获得正电子(空穴)的机会,从而影响了水的电解速度,降低了效率,为了解决这个问题,现有技术的做法是:采用新的“雷尼镍合金”作为电极材料,以加快水的电解速度,提高电解效率。采用新的电极材料,固然可以收到好的效果,其缺点是:没有消减过保和气对电极产生的影响。
ii.增加电极(这里指在两隔膜之间的同一组电极)数量,以达到增大电极表面积,达到提高电解效率的目的。由于在水电解时,电极上会有连续不断的气泡析出,在浮力的作用下徐徐上升,大量上升的气泡,会对电解质溶液中的氢离子及氧离子的迁移速度造成影响,这就形成了新的矛盾——电极增加与气泡增加的矛盾,从而降低了电解速度,影响了电极的有效利用率。
2.隔膜(质子交换膜)问题:
“质子交换膜电解槽”是现有水电解技术中,最为先进的一种,它是利用薄膜“PEM膜”作为固体电解质,其机械强度和化学稳定性都很好,电解效率高达94%,这是优点,其缺点是“膜”的价格昂贵,需要用贵金属“铂”作催化剂,在50~100摄氏度,3.0~5.0MPa的压力下工作。因此成本很高,电解槽的构造及制造工艺也复杂,这是现有水电解技术不能实现规模化,家庭化制氢的主要原因。
3.增加“电极组”数量与增加“隔膜”数量带来的成本增加问题:
由于现有水电解技术,无一例外地使用了“隔膜”(包括质子交换膜)随着电集组数量的增加,必然导致“隔膜”用量的增加,使得电解槽的结构变的更复杂,增加电极组与隔膜的数量,虽然起到了加快水电解的目的,同时也大大增加了成本。
三.本发明与现有技术相比所具有的有益效果:
1.在本发明的水电解槽(以下简称电解槽)的外侧,装置电磁振动器产生的有益效果:
由于在本发明电解槽外侧部的台阶上装置了一个电磁振动器,该振动器产生的振动波:一路经电解槽传递给电极、直达极针;另一路透过电解槽、经电解质溶液传递给极针。由于振动波在固体物质和液体物质中、传播速度的差异,能促使极针上析出的微小气泡迅速脱离,在浮力的作用下迅速形成上升的气泡流。因此,较好地消减了电极的过保和气,对选择电极材料有了更宽范的余地,降低了电极材料成本,提高了电极的有效利用率,收到了好的效果。
2、用开放式塔形电解、分离、收集法产生的有益效果:
由于本人发明了一种新的水电解、分离和收集的方法,取名为——开放式塔形电解,分离、收集法。因为其结构和形状与“塔”相似,固得此名[作为一种方法以下简称“塔式法”,作为一个单独部件出现时则称为——“塔”(见附图3)]。本塔式法与现有技术相比,所具有的显著特点是:在连续的水电解过程中,氢气和氧气的分离与收集可以一次完成,各个塔、各电极、以及各极针、能够独立、协调地工作,各“塔”中的每一层电极在析出气体(指氢气或氧气)时,经每一层上的集气罩收集、由下层至上层逐渐汇聚成上升的气泡流、最终由顶部的集流罩收集。一个“塔”(或同一组的塔)只能与电源的一个极(负电极或正电极)连接,也就是说一个“塔”(或同一组的塔)只能产生一种气体(氢气或氧气),由于“塔”在电解槽内的安装分为二组,使“塔”实现了氢气与氧气的自然分离、互不干扰、单独收集的效果。经二组“塔”上的集流罩分别收集到的气体,一组经排气管(20)自动送入集气瓶(14)进行收集;另一组经排气管(21)自动送入集气瓶(17)进行收集。在整个水电解、分离、收集过程中,不使用“隔膜”,因此氢离子和氧离子在电解质溶液中的迁移更加迅速,也不在使用贵金属“铂”作催化剂,只是在常温、常压下进行,因此本发明的结构更为简单,制造起来更容易,使用、维修也就更方便。在不影响效率的前提下、大大降低了成本,为规模化、家庭化的廉价制氢提供了一个有力的技术支撑。
四.本发明的目的是这样实现的:
下面结合附图来详细说明本发明的结构、工作原理及实现的过程。
附图说明:
图1是本发明中电磁振动器的剖视图。
图2是本发明的结构(轴侧)图。
图3是本发明中的部件“塔”的结构(轴侧)图。
图4是本发明的电源原理图。
1.下面结合附图1及附图2来详细说明电磁振动器的结构、工作原理及实现的过程:
本发明的电解槽(26)通过焊接固定在基座(30)上,其内部制有防腐塑料层(28),其外侧制有一个供安装电磁振动器(见附图1)用的台阶(33),振动器通过其外壳(4)与底板(1)连接后、固定在台阶(33)上。当给振动器的线圈(6)供给脉冲电流时,线圈(6)产生的脉冲磁力,通过导磁体(5)及导磁环(3)导入中央部位,吸引安装在支架(7)上的击锤(2),在弹簧(8)及脉冲磁力的作用下,作往复式运动,敲击固定在台阶(33)上的底板(1),发出振动波。经电解槽分两路传递给极针(29),用来消减电极过饱和气对电解时产生的影响。
2.下面结合附图2来说明本发明的给水与排水系统:
自来水首先通过进水管(9)、扩散器(10)进入除气瓶(11)内,通过调节除气瓶上方装置的、其内部制有孔、孔与外部排气孔(12)相通的圆柱体上的手柄(13),除去自来水中夹带的空气。瓶内液面的高度应是扩散器高度的三分之二,空气与水可自然分离。槽内的液面高度通过玻璃管(32)进行观察。静止下来的水,通过过水管(37)、经三通(35)、进水法兰(34)、由电解槽(26)的底部进入槽内,为电解槽提供连续的水源。排水由三通(35)的另一端经排水阀(36)排出,排水的目的是用来清理电解槽内的污垢。
3、氢气和氧气的分离与收集过程:
在阐述氢气和氧气的分离与收集之前,首先要结合说明书附图2及图3来详细阐述“塔”的结构、形状及工作原理:
本发明中的“塔”主要是由集气罩(27)、梳状电极(以下简称电极)(46)相间叠加经垫圈(40)限位后,通过螺杆(49)、螺母(48)紧固在集流罩(25)[或(23)]的下方而成。“塔”是本发明的核心部件,工作时电源通过导线(31)与从集流罩顶部伸出的螺杆(49)连接,给电解槽内装置的“塔”提供分解电压及分解电流。
i.集流罩
集流罩(25)(23)的上部为不等腰的“四棱锥形”,四棱锥形两端不对称的两个锥形斜面上、分别制有两个供装配螺杆(49)用的孔,顶部制有法兰(24)[或(22)],下部为长方体(42)。“四棱锥形”与长方体结合部的外侧制有矩形法兰(41),其作用是与电解槽连接,密封固定用。集流罩是一个空腔壳体,空腔与顶部法兰的中心孔相通。集流罩的作用是通过螺杆(49)、螺母(48)及限位垫圈(40)来固定集气罩(27)和电极(46),其目的是收集来自下方的气泡流。
ii.集气罩与梳状电极(以下简称电极)
集气罩(27)与梳状电极(46)的形状相同,成四棱锥形,开口向下,底部制有排气孔(39)(43)(44),在排气孔(39)(43)与中间排气孔(44)之间分别制有两个螺杆装配孔。电极(46)底部所制的排气孔(38)(45)、中间排气孔(47)及螺杆装配孔、其尺寸大小应与集气罩底部的排气孔及中间排气孔、螺杆装配孔对应一致,集气罩是用耐酸碱的塑料薄膜制成,其作用是收集隐藏在它下面电极(46)析出的微小气泡。由于电极的形状与集气罩的形状相同,四周制成针状[以下称极针(29)]、目的是为了提高电解效率。电极的高度小于集气罩的高度,能够隐藏在集气罩内。集气罩与电极相间叠加,经垫圈(40)限位(使集气罩与电极有一定的间隙)后,通过螺杆(49)、螺母(48)等零件紧固在集流罩的下方,够成一个独立的部件——塔(见附图3)。由于在每个电极上面都装置了单独的集气罩,因此、每个电极在析出气泡时、能够实现单独收集,也就阐明了集流罩(指上部)、集气罩、以及电极,为什么要制成“四棱锥形”的原因。为了实现气体的收集,集气罩的“A”面和“B”面与它们各自的对应面所成的锥度应控制在“大于零度”,小于“一百八十度”的范围内,最佳锥度为六十度至一百二十度,才能发挥出最好的分离与收集效果。
4.下面结合附图2来详细说明各“塔”收集到的气体、是如何进行输送与储存:
由于“塔”在电解槽内是独立工作的,所以它的安装具有方向性,塔与塔之间采用正-反-正-反相间的安装格式,“塔”在电解槽内的安装共分二组,处于同一组“塔”的方向一致、收集的气体相同(至于哪一组“塔”是收集氢气或氧气、是由它与电源的接法来决定),由“塔”顶层集流罩(23)(25),排气口上的法兰(22)(24)来判别它们的正反方向。第一组“塔”收集到的气体、通过集流罩(23)、与法兰(22)连接的排气管(20)、经法兰(18)自动送入集气瓶(14)内进行暂时存放;第二组“塔”收集到的气体,则是通过集流罩(25)、与法兰(24)连接的排气管(21)、经法兰(19)自动送入集气瓶(17)内进行暂时存放,对暂时存放在集气瓶(14)(17)内的气体,可以通过各自的阀门(15)、(16)输出,以便大量储存和使用。
5.下面结合附图4来说明电源的工作原理:
电源是水电解制氢的关键所在,廉价的制氢,必然要依赖廉价的电能供应。太阳能光伏发电(PV)技术,则是最好的电能提供者。太阳能是一种清洁的可再生能源,对于人类来说,是取之不尽、用之不竭的,其主要缺点是:一是它的能量密度低;二是它的能量随时间和天气呈现不稳定性和不连续性。这两个缺点、限制了人类对太阳能的大规模开发利用。而水电解制氢,正好解决了这两个问题,它能有效的利用,由于时间和天气变化,呈现的不稳定和不连续的能量,以二次能源“氢”的方式储存起来,做到了积少成多,集中使用的目的。
由太阳能电池阵列(PV)为本发明提供电能供应,经光伏电池转换后的直流电流,首先通过开关(K)、导线(31)为本发明的电解槽直接提供分解电压UPV及分解电流IPV;一路经电阻(R1)限流后,为电源指示灯提供电流;另一路经电阻(R2)限流后、经继电器(J)转换成脉冲电流后,用来控制电磁振动器,发出振动波。
五.下面结合说明书附图1、2、3及附图4来详细说明本发明的具体结构及装配细节:
本发明——太阳能水电解制氢(氧)装置,是由底板(1)、击锤(2)、导磁环(3)、导磁体(5)、电感线圈(6)、外壳(4)支架(7)以及装置在击锤上的弹簧(8)、构成的振动器;与基座(30)焊接在一起的、内部制有防腐塑料层(28)的电解槽(26);进水管(9)、扩散器(10)、除气瓶(11)、过水管(37)、三通(35)、进水法兰(34)及排水阀(36)等零件构成的给排水系统;电解槽内装置的、由集流罩(23)(25)、集气罩(27)、电极(46)、垫圈(40)等零件构成的“塔”;与集流罩上的法兰(22)(24)分别连接的排气管(20)(21)、法兰(18)(19)、集气瓶(14)(17)及排气阀(15)(16)等零件构成的、气体的收集与输送系统;导线(31)以及电源等零部件装配而成。