CN102352513B - 电解水制纯氢的系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种电解水制纯氢的系统及其方法。一方面，一种电解水制纯氢的系统，包括电解槽、电源等；电解槽的端板、耐碱胶板等通过拉杆紧固，在相邻耐碱胶板间形成电解室，电解室由两耐碱胶板的对应侧的导流槽、母板、子板、隔离膜组成，一耐碱胶板的电极板作母板及另一耐碱胶板的电极板作子板，隔离膜在母板、子板间；每一电解室中，母板、子板之一成为阴电极板及剩下的母板、子板之一成为阳电极板，一耐碱胶板的导流槽与阴电极板配合当氢气导气槽和氢液导液槽和另一耐碱胶板的对应导流槽与阳电极板配合当氧气导气槽和氧液导液槽；电源为高频直流电源。另一方面，一种采用了上述系统的电解水制纯氢的方法。本发明具有设计巧妙、能够大量节省电能等优点。

Description

电解水制纯氢的系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种利用纯净水通过电解制纯氢作为新环保能源气体的系统，更具体地说，其涉及一种所制的氢气可在各行热能中的利用，如气割、熔化炉、燃烧炉、还原剂等方面利用的电解水制纯氢的系统及其方法。

背景技术

目前，采用电解结构对纯净水进行电解以获得氢的技术难以大范围普及。其关键在于传统电解结构在电解水过程中需要损耗大量电能并且其电解效果较为一般。由于需要损耗大量电能从而导致成本增加，因此，当前采用电解方式来制氢的技术的发展进入瓶颈阶段。如何攻克上述技术难题，成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种设计巧妙、析氢效果好、能够大量节省电能的电解水制纯氢的系统。

本发明的第二个目的在于提供一种采用上述系统的方法。

为解决上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一方面，一种电解水制纯氢的系统，其包括电解槽、电源、控制装置、氢液冷却结构、氧液冷却结构、氢液分离结构、氧液分离结构、氢气罐、氧气罐，所述电解槽分别与电源、控制装置连接，以及，所述控制装置经氢液冷却结构后与氢液分离结构连通，所述电解槽经氧液冷却结构后与氧液分离结构连通，以及，所述氢液分离结构与氢气罐连通，所述氧液分离结构与氧气罐连通；在所述电解槽中，其包括至少两个耐碱胶板，在所述耐碱胶板两侧都开有导流槽，在每一耐碱胶板两侧各设有一块电极板，在位于两外侧的耐碱胶板的外侧的电极板上各紧靠有一块绝缘厚胶板，在上述两绝缘厚胶板外侧都设有一块端板，在所述端板上设有电源连接触点，上述的两端板以及该两端板之间的带电极板的耐碱胶板、绝缘厚胶板通过拉杆、螺母紧固形成一完整的整体槽；在相邻的耐碱胶板之间形成一个电解室，所述电解室由上述的相邻耐碱胶板的各自相对应一侧的导流槽、一母板、一子板、一隔离膜组成，上述的其中一块耐碱胶板的相应电极板作为母板以及上述的另一块耐碱胶板的相应电极板作为子板，所述隔离膜设在母板、子板之间；在每一电解室中，所述的母板、子板之一成为阴电极板以及剩下的母板、子板中的另一板成为阳电极板，以及，相应耐碱胶板的导流槽与所述的阴电极板配合充当氢气导气槽和氢液导液槽和另一耐碱胶板的对应导流槽与所述的阳电极板配合充当氧气导气槽和氧液导液槽；所述电源为高频直流电源。

在上述的一种电解水制纯氢的系统中，在所述电极板表面喷涂有活性材料层。

在上述的一种电解水制纯氢的系统中，所述电源连接触点是铜电源连接触点。

在上述的一种电解水制纯氢的系统中，在所述相应端板、绝缘厚胶板之间设有大胶圈；在所述电极板外套有层电极板密封胶圈，内层的电极板密封胶圈为平板圈以及外层的电极板密封胶圈为“O”型圈。

在上述的一种电解水制纯氢的系统中，所述电极板的面积不小于.平方米；所述隔离膜为薄的、导电密度大的隔离膜并且母板、子板通过相应隔离膜均匀配合。

在上述的一种电解水制纯氢的系统中，其还包括氢气清洁干燥结构、氧气清洁干燥结构；所述氢气清洁干燥结构与氢气罐连通，所述氧气清洁干燥结构与氧气罐连通；所述氢液分离结构通过管道与电解槽连通，所述氧液分离结构通过管道与电解槽连通。

在上述的一种电解水制纯氢的系统中，其包括与氧气罐连接的压力调节结构，以及，还包括分别与所述氢气罐连通的氧微量分析仪、氢气流量检测结构，该氢气流量检测结构还与所述控制装置连接。

另一方面，一种电解水制纯氢的方法，其包括步骤如下：

8.1 采用由高频直流电源形成的直流电直接给电解槽供电并且保证供电的直流电压参数为2.1V～2.5V；

8.2 在所述电解槽1中，使每一隔离膜在对应的母板、子板之间紧接合以保证母板、子板的均匀分布电流，同时，增加母板、子板面积使母板、子板的工作电流密度都不高于300安/平方米；

8.3 采用控制装置对电解槽进行实时控制并产生氢液和氧液；

8.4 对上述氢液和氧液进行冷却后，使氢液、氧液分离出氢气、氧气、液体并对氢气回收利用。

在上述的一种电解水制纯氢的方法中，在步骤8.1中，所述的直流电压参数为2.315V、2.305V或2.325V。

在上述的一种电解水制纯氢的方法中，在步骤8.2中，在所述母板、子板上喷涂活性材料；在步骤8.4中，使所述液体回流给电解槽继续进行电解利用，以及，对所获得的氢气先进行清洁干燥后再回收利用。

本发明通过采用上述的系统和方法，其具有的有益效果如下：

在本发明中，对于电源来说，电源采用高频直流电源，其远远超出了用交流电可控硅整流出的直流电源，其用电效率高、损耗少，能大大提高整个电解过程中的用电效率。对于电解槽来说，电极板具有耐强碱、耐高温的特点，其析氢效果好；隔离膜导电强，通过采用在每一电极板的母板、子板之间设有隔离膜，故由于母板、子板中间不存在连接电阻，让隔离膜在每组母板、子板之间紧接合使整个电解槽处于极小内阻状态从而形成内阻小的连通，故本发明能够极大降低工作用电，隔离膜在其中充当一种导电介质，氢离子能很好通过而气体不能通过。通过对电解槽和电源进行配合工作，从而本发明克服了传统的电解水产生氢气、氧气的机器耗能大的问题，传统技术如果把氢、氧两种气体合在一起产生1立方混合气一般需要耗4.5度电，而本发明通过对电解槽和电源进行改进配合，使获得同样的1立方混合气耗电极大的降低，一般只需耗2.5度电。故本发明设计巧妙，其能够极大降低工作用电，能够大量节省电能。本发明能够更好的为人类提供了即环保又节能的氢气和氧气，并且克服传统的因为耗电大而不愿普及使用电解结构的问题。

在结合附图阅读本发明的实施方式的详细描述后，本发明的特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图l为本发明的系统的实施方式的结构示意框图；

图2为电解槽的截面图；

图3为母板的示意图；

图4为子板的示意图；

图5为隔离膜的示意图；

图6为耐碱胶板的示意图。

具体实施方式

下面以一个实施方式对本发明作进一步详细的说明，但应当说明，本发明的保护范围不仅仅限于此。

参阅图1、图2和图6，一种电解水制纯氢的系统，其包括电解槽1、电源2、控制装置4、氢液冷却结构5、氧液冷却结构6、氢液分离结构7、氧液分离结构8、氢气罐9、氧气罐11，所述电解槽1分别与电源2、控制装置4连接，以及，所述控制装置4经氢液冷却结构5后与氢液分离结构7连通，所述电解槽1经氧液冷却结构6后与氧液分离结构8连通，以及，所述氢液分离结构7与氢气罐9连通，所述氧液分离结构8与氧气罐11连通，其还有进水口120。在所述电解槽1中，其包括至少2个耐碱胶板111，如2个、5个、10个耐碱胶板111等而不影响本发明的保护范围，耐碱胶板111可以为四氟材料等耐碱材料制成的胶板，在所述耐碱胶板111两侧都开有导流槽115，在每一耐碱胶板111两侧各设有一块电极板，在位于两外侧的耐碱胶板111中，设在上述两耐碱胶板111外侧的电极板上各紧靠有一块绝缘厚胶板17，在上述两绝缘厚胶板17外侧都设有一块端板150，在所述端板150上设有电源连接触点15，上述的两端板150以及该两端板150之间的带电极板的耐碱胶板111、绝缘厚胶板17通过拉杆140、螺母紧固形成一完整的整体槽。在相邻的耐碱胶板111之间形成一个电解室130，所述电解室130由上述的相邻耐碱胶板111的各自相对应一侧的导流槽115、一母板18、一子板110、一隔离膜19组成，上述的其中一块耐碱胶板111的相应电极板作为母板18以及上述的另一块耐碱胶板111的相应电极板作为子板110，所述隔离膜19设在母板18、子板110之间。在每一电解室130中，所述的母板18、子板110之一成为阴电极板以及剩下的母板18、子板110中的另一板成为阳电极板；相应耐碱胶板111的导流槽115与所述的阴电极板配合充当氢气导气槽和氢液导液槽，另一耐碱胶板111的对应导流槽115与所述的阳电极板配合充当氧气导气槽和氧液导液槽。所述电源2为高频直流电源。

在本发明的系统中，其还可包括氢气清洁干燥结构10、氧气清洁干燥结构13；所述氢气清洁干燥结构10与氢气罐9连通，所述氧气清洁干燥结构13与氧气罐11连通；所述氢液分离结构7通过管道与电解槽1连通，所述氧液分离结构8通过管道与电解槽1连通。

在本发明的系统中，其可包括与氧气罐11连接的压力调节结构12，以及，还包括分别与所述氢气罐9连通的氧微量分析仪14、氢气流量检测结构3，该氢气流量检测结构3还与所述控制装置4连接。

参阅图3，如图可见母板18。母板18可采用不锈钢板网结构。

参阅图4，如图可见子板110。子板110可采用不锈钢板网结构。

参阅图5，如图可见隔离膜19。隔离膜19可采用石棉布结构或质子胶换膜。其中，隔离膜19为薄的、导电密度大的隔离膜并且母板18、子板110通过相应隔离膜19均匀配合。

下面对本发明的系统的几大组成部分分别进行具体描述。

一、电解槽部分：

在本实施方式中，可在电极板表面喷涂有活性材料层，该活性材料层使电解析氢、析氧效果更好。电源连接触点15是铜电源连接触点，如端板150可为铁端板，所述电源连接触点15是采用铜镶在铁端板150上的结构。在所述相应端板150、绝缘厚胶板17之间设有大胶圈16，大胶圈16也具有耐强碱密封性强的特点。在所述电极板外套有2层电极板密封胶圈，内层的电极板密封胶圈为平板圈以及外层的电极板密封胶圈为“O”型圈，电极板密封胶圈也具有耐强碱密封性强的特点。在所述电极板上可设有若干孔，如3个或6个孔等等，在每一孔上通过一不锈钢圆条穿过该相应电极板、耐碱胶板111后用亚弧焊连接。所述电极板的面积不小于0.5平方米，如0.5平方米或0.7平方米等，通过充分增加电极板的面积以降低槽内阻，从而也起到降低耗电的功效。

在电解槽1中，电极板耐强碱、耐高温，其析氢效果好。隔离膜19导电强，通过采用在每一电极板的母板18、子板110之间设有隔离膜19并且该隔离膜9与所述母板18、子板110配合的组合结构，故由于母板18、子板110中间不存在连接电阻，让隔离膜19在每组母板18、子板110之间紧接合使整个电解槽处于极小内阻状态从而形成内阻小的连通，从而，故本发明耗电极低。电解水制氢气和氧气原理公式为：2H₂O=2H₂+O_2.。

二、电源部分：

电源2为高频直流电源。本实施方式可采用具有97%效率的高频直流电源做电解槽的工作电源，其远远超出了用交流电可控硅整流出的直流电源，其用电效率高、损耗少，能大大提高整个电解过程中的用电效率。

三、控制部分：

控制装置4可采用CPU作控制芯片等，从而可让整机在工作中能良好的显示工作参数和工作状态，还可以实行远程监控和远程诊断工作，为使用者提供了良好保障。通过采用控制装置4可实现自动控制，可提高整机状态时的参数状态和功能状态，显示也可以做到真正无人置守功能和远程维护功能，提高使用效果。

四、对于冷却部分：

冷却部分包括氢液冷却结构5、氧液冷却结构6，可采用风冷等方式将从电解槽体内流出的氢液和氧液分别进行冷却，然后，再将冷却过的氢液和氧液分别送入氢液分离结构7、氧液分离结构8进行分离。

五、气液分离部分：

气液分离部分包括氢液分离结构7、氧液分离结构。一方面，通过氢液分离结构7分离出液体和氢气，其中，液体回流回电解槽1中继续电解，氢气流入氢气罐9；另一方面，通过氧液分离结构8分离出液体和氧气，其中，液体回流回电解槽1中继续电解，氧气流入氧气罐11中。通过把分离后的液体分别送入氢气罐9和氧气罐11，从而可提高分离出来的氢气和氧气的纯度。

六、清洁干燥部分：

清洁干燥部分包括氢气清洁干燥结构10、氧气清洁干燥结构13。将由氢气罐9出来的氢气进行清洁干燥，将由氧气罐1出来的氧气进行清洁干燥。通过对氢气和氧气进行清洁干燥，从而能够提高氢气、氧气的使用质量。

七、氢气纯度检测部分：

通过安装氧微量分析仪14，其可对氢气中是否含有微量氧进行适时分析，并伴随有报警停机系统，如果氧含量超标立即报警并自动停机。通过安装氢气流量检测结构3并通过控制装置4对其进行实时控制，从而在使用中可根据使用流量对整机工作电流进行调节，达到随时改变产气量、增加系统工作稳定性。

一种电解水制纯氢的方法，其包括步骤如下：

8.1 采用由高频直流电源形成的直流电直接给电解槽1供电并且保证供电的直流电压参数为2.1V～2.5V，如直流电压参数为2.315V、2.305V或2.325V等等而不影响本发明的保护范围，上述电压比传统的析氢电压大大降低；

8.2 在所述电解槽1中，使每一隔离膜19在对应的母板18、子板110之间紧接合以保证母板18、子板110的均匀分布电流，同时，增加母板18、子板110面积使母板18、子板110的工作电流密度都不高于300安/平方米；从而，一方面，母板18、子板110面积增大有利于降低极板工作时的导电密度重而降低电解室析氢电压，降低电解室内阻减少省耗，另一方面，通过降低母板18、子板110工作时的电流密度可降低析氢氧所需的电压以及也可以降低内阻减少省耗；

8.3 采用控制装置4对电解槽1进行实时控制并产生氢液和氧液；

8.4 对上述氢液和氧液进行冷却后，使氢液、氧液分离出氢气、氧气、液体并对氢气回收利用，即氢液分离出氢气、液体，氧液分离出氧气、液体。

在本发明的方法中，可在所述母板18、子板110上喷涂活性材料；可使所述液体回流给电解槽1继续进行电解利用，以及，对所获得的氢气先进行清洁干燥后再回收利用。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域的技术人员可以在所附权利要求的范围之内作出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电解水制纯氢的系统，其包括电解槽（1）、电源（2）、控制装置（4）、氢液冷却结构（5）、氧液冷却结构（6）、氢液分离结构（7）、氧液分离结构（8）、氢气罐（9）、氧气罐（11），所述电解槽（1）分别与电源（2）、控制装置（4）连接，以及，所述控制装置（4）经氢液冷却结构（5）后与氢液分离结构（7）连通，所述电解槽（1）经氧液冷却结构（6）后与氧液分离结构（8）连通，以及，所述氢液分离结构（7）与氢气罐（9）连通，所述氧液分离结构（8）与氧气罐（11）连通；其特征在于：在所述电解槽（1）中，其包括至少两个耐碱胶板（111），在所述耐碱胶板（111）两侧都开有导流槽（115），在每一耐碱胶板（111）两侧各设有一块电极板，在位于两外侧的耐碱胶板（111）的外侧的电极板上各紧靠有一块绝缘厚胶板（17），在上述两绝缘厚胶板（17）外侧都设有一块端板（150），在所述端板（150）上设有电源连接触点（15），上述的两端板（150）以及该两端板（150）之间的带电极板的耐碱胶板（111）、绝缘厚胶板（17）通过拉杆（140）、螺母紧固形成一完整的整体槽；在相邻的耐碱胶板（111）之间形成一个电解室（130），所述电解室（130）由上述的相邻耐碱胶板（111）的各自相对应一侧的导流槽（115）、一母板（18）、一子板（110）、一隔离膜（19）组成，上述的其中一块耐碱胶板（111）的相应电极板作为母板（18）以及上述的另一块耐碱胶板（111）的相应电极板作为子板（110），所述隔离膜（19）设在母板（18）、子板（110）之间；在每一电解室（130）中，所述的母板（18）、子板（110）之一成为阴电极板以及剩下的母板（18）、子板（110）中的另一板成为阳电极板，以及，相应耐碱胶板（111）的导流槽（115）与所述的阴电极板配合充当氢气导气槽和氢液导液槽和另一耐碱胶板（111）的对应导流槽（115）与所述的阳电极板配合充当氧气导气槽和氧液导液槽；所述电源（2）为高频直流电源。

2.根据权利要求1所述的电解水制纯氢的系统，其特征在于：在所述电极板表面喷涂有活性材料层。

3.根据权利要求1所述的电解水制纯氢的系统，其特征在于：所述电源连接触点（15）是铜电源连接触点。

4.根据权利要求1所述的电解水制纯氢的系统，其特征在于：在所述相应端板（150）、绝缘厚胶板（17）之间设有大胶圈（16）；在所述电极板外套有2层电极板密封胶圈，内层的电极板密封胶圈为平板圈以及外层的电极板密封胶圈为“O”型圈。

5.根据权利要求1所述的电解水制纯氢的系统，其特征在于：所述电极板的面积不小于0.5平方米；所述隔离膜（19）为薄的、导电密度大的隔离膜并且母板（18）、子板（110）通过相应隔离膜（19）均匀配合。

6.根据权利要求1所述的电解水制纯氢的系统，其特征在于：其还包括氢气清洁干燥结构（10）、氧气清洁干燥结构（13）；所述氢气清洁干燥结构（10）与氢气罐（9）连通，所述氧气清洁干燥结构（13）与氧气罐（11）连通；所述氢液分离结构（7）通过管道与电解槽（1）连通，所述氧液分离结构（8）通过管道与电解槽（1）连通。

7.根据权利要求1所述的电解水制纯氢的系统，其特征在于：其包括与氧气罐（11）连接的压力调节结构（12），以及，还包括分别与所述氢气罐（9）连通的氧微量分析仪（14）、氢气流量检测结构（3），该氢气流量检测结构（3）还与所述控制装置（4）连接。

8.一种采用权利要求1所述的系统的电解水制纯氢的方法，其特征在于，其包括步骤如下：

8.1 采用由高频直流电源形成的直流电直接给电解槽（1）供电并且保证供电的直流电压参数为2.1V～2.5V；

8.2 在所述电解槽（1）中，使每一隔离膜（19）在对应的母板（18）、子板（110）之间紧接合以保证母板（18）、子板（110）的均匀分布电流，同时，增加母板（18）、子板（110）面积使母板（18）、子板（110）的工作电流密度都不高于300安/平方米；

8.3 采用控制装置（4）对电解槽（1）进行实时控制并产生氢液和氧液；

8.4 对上述氢液和氧液进行冷却后，使氢液、氧液分离出氢气、氧气、液体并对氢气回收利用。

9.根据权利要求8所述的一种电解水制纯氢的方法，其特征在于：

在步骤8.1中，所述的直流电压参数为2.315V、2.305V或2.325V。

10.根据权利要求8所述的一种电解水制纯氢的方法，其特征在于：

在步骤8.2中，在所述母板（18）、子板（110）上喷涂活性材料；

在步骤8.4中，使所述液体回流给电解槽继续进行电解利用，以及，对所获得的氢气先进行清洁干燥后再回收利用。

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