CN102677084A

CN102677084A - 一种电解水制氢的方法和装置

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Publication number: CN102677084A
Application number: CN2012101590929A
Authority: CN
Inventors: 贾艳敏; 张俊; 武峥; 郑晨
Original assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Current assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Priority date: 2012-05-22
Filing date: 2012-05-22
Publication date: 2012-09-19

Abstract

本发明公开了一种电解水制氢的方法，压电悬臂梁上的不锈钢板连接低频机械振动，将振动能转化为电能，整流电路向电解槽导电，开始电解水，分别用氢气收集装置以及氧气收集装置进行收集。本发明还公开了一种电解水制氢的装置，包括压电悬臂梁和整流电路，压电悬臂梁连接到整流电路，整流电路连接电解槽，所述压电悬臂梁包括悬臂梁基座、压电材料、涂覆在压电材料上的电极、不锈钢板，不锈钢板和悬臂梁基座相连；所述压电材料在不锈钢板和悬臂梁基座的交接处，上下各一层，每一层的两面都涂覆电极。它与传统的电解水制氢相比，提高了能量转化效率，节约了成本，保证了制得的氢气和氧气的纯度，提高了收集过程的安全性，且没有温室气体排放。

Description

一种电解水制氢的方法和装置

技术领域

本发明涉及氢能制取技术领域，特别涉及一种电解水制氢的方法和装置。

背景技术

氢气是一种高效、清洁、廉价的新型能源，它以水的形式大量存在于地球。氢气的热值极高，是汽油的三倍，而且氢气的燃烧产物是水。在未来全球不可再生能源（煤、石油、天然气等）短缺的情况下，氢气将成为一种重要的新型清洁能源。

世界各国都在大力研究各种制氢方法，比较成熟的方法有太阳能光解制氢法、电解制氢法和矿物燃料制氢法。但是太阳能光解制氢法能量转化效率仅为1-2 %，技术十分复杂；电解制氢法需要消耗大量的电能，生产成本较高；矿物燃料制氢法需要消耗大量的不可再生能源（煤、石油、天然气等），同时会向环境中排放大量的温室气体。因此，这些原因限制了氢气作为一种替代能源的广泛应用。怎样在高效、安全、环保、可持续的条件下，将环境中的其它形式的能量转化为氢能源，一直是人们亟待解决的问题。

在人类生活的环境中存在着大量的低频机械振动能，例如：当汽车在公路上行驶，公路路面会在车轮作用下产生一个低频的振动；喷气式客机在机场起飞和降落过程中，发动机的噪音会使得跑道附近的一些物体产生机械振动；在一些大型购物商场等人流量较多的地区，人们走过路面也会使地面产生一定频率的低频振动；由于涨潮落潮，海面江面会产生一定频率的机械振动；一些树木在受到风吹动的时候，树枝会产生低频的振动。这些低频的机械振动有时会对人们的生产生活产生巨大的干扰。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述制氢方法的缺点，提供一种电解水制氢的方法。

本发明的另一个目的是提供一种电解水制氢的装置。

为实现第一个发明目的，本发明采用的技术方案是：一种电解水制氢的方法，包括压电悬臂梁、整流电路、电解槽、氢气收集装置以及氧气收集装置，其特征在于：所述压电悬臂梁具有一不锈钢板,该不锈钢板连接低频机械振动，通过压电材料将振动能转化为电能，通过与电极相连的导线连接到整流电路的输入电压端，整流电路可以直接将压电悬梁输入的交流电信号转化为直流电信号，并将向电解槽导电，开始电解水，电解时电解槽的阴极产生氢气，电解槽的阳极产生氧气，分别用氢气收集装置以及氧气收集装置进行收集。

进一步的说，所述的压电悬臂梁采用的压电材料的极化方向和振动模式是沿厚度方向极化，上下两面涂覆电极，振动模式为长度伸缩振动模式。

进一步的说，所述的压电悬臂梁采用的压电材料的极化方向和振动模式是沿长度方向极化，上下两面涂覆电极，振动模式为厚度切变振动模式。

为实现第二个发明目的，本发明采用的技术方案是：一种电解水制氢的装置，包括电解槽、氢气收集装置和氧气收集装置，氢气收集装置和氧气收集装置置于电解槽内，其特征在于：所述电解水制氢的装置还包括压电悬臂梁和整流电路，压电悬臂梁通过导线连接到整流电路的电压输入端，整流电路的输出电压连接电解槽，所述压电悬臂梁包括悬臂梁基座、压电材料、涂覆在压电材料上的电极、不锈钢板，所述不锈钢板和悬臂梁基座相连;所述压电材料在不锈钢板和悬臂梁基座的交接处，上下各一层，每一层的两面都涂覆着电极。

进一步的说，所述的压电悬臂梁采用数个压电材料串联或并联构成。

进一步的说，所述的压电悬臂梁采用的压电材料选自PZT压电陶瓷片和PMN-PT单晶中的一种或两种。

进一步的说，所述的压电悬臂梁也可以在悬梁末端粘接一个小质量块。

进一步的说，所述电解槽，其电极采用钢、铂金和白金中的一种耐腐蚀金属材料。

在外界环境的机械振动力作用下，压电悬臂梁振动弯曲导致压电陶瓷产生形变。由于压电效应，压电悬臂梁会输出一个交流电信号。交流电信号经过整流电路后成为直流电信号，将输出直流电信号的正负极连接到电解槽。当输出电压达到电解液的实际电解电压时，水将分解为氢气和氧气，产生的氢气和氧气通过气体收集装置进行收集。

向电解槽中加入一定浓度的电解液，当悬梁在外力作用下发生振动时，压电悬臂梁将机械振动能转化为电能，转化的电能将水电解分离成氢气和氧气。

该方法能量转化效率的计算：

表1

	PZT-5	PMN-PT
			K１３ (%)	0.36	0.95
K１５ (%)	0.68	0.97
			K３３ (%)	0.70	0.92
Kｔ (%)	0.47	0.60

表1为几种不同压电材料的机电耦合系数

注: 表中的参数只代表这种材料的这个参数的一个平均值。

机械能转化为电能的效率由压电材料的机电耦合系数决定，采用沿厚度方向极化的压电材料制作压电悬臂梁，在制氢过程中能量转化效率为：

Figure 2012101590929100002DEST_PATH_IMAGE001

注：公式1 中的K３１也就是K１３，都代表同一种振动模式的机电耦合系数；

Figure 2012101590929100002DEST_PATH_IMAGE002

代表效率；代表电压理论值；

Figure 2012101590929100002DEST_PATH_IMAGE004

代表电压实际值。

采用沿长度方向极化的压电材料制作压电悬臂梁，在制氢过程中能量转化效率为：

Figure 2012101590929100002DEST_PATH_IMAGE005

注：公式2 中的K15代表机电耦合系数；

代表效率；

代表电压理论值；

代表电压实际值。

此方法与传统制氢方法相比具有如下优势：

（1）采用了压电材料发电电解制氢，比传统的太阳能电解水制氢相比能量转化效率有大幅度提高；

（2）该方法制氢不消耗外部电能，在提高效率的同时，节约了制氢的成本；

（3）采用氢气、氧气独立收集，保证了制得的氢气和氧气的纯度，提高了提收集过程的安全性；

（4）不使用任何燃料，没有温室气体排放。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细的描述。

图1为电解水制氢系统结构图；

图2为整流电路２连接图；

图3由两片压电材料串联连接的长度伸缩振动模式压电悬臂梁；

图4由两片压电材料并联连接的长度伸缩振动模式压电悬臂梁；

图5由两片压电材料串联连接的厚度切变振动模式压电悬臂梁；

图6由两片压电材料并联连接的厚度切变振动模式压电悬臂梁；

图７为K１３、K１５、K３３和Kｔ的坐标系。

具体实施方式

如附图所示，电解水制氢装置，包括压电悬臂梁１、整流电路２、电解槽３、氢气收集装置４、氧气收集装置５，所述压电悬臂梁，包括悬臂梁基座１１、涂覆在压电材料上的电极１２、压电材料１３、不锈钢板１４，箭头方向为压电材料的极化方向。

本实施例采用两块PZT-5压电陶瓷，尺寸为30×15×0.3 mm³，压电陶瓷的极化方向和电极涂覆方式如图3所示。采用弹性较好的不锈钢片，尺寸为180×20×0.3 mm³ 作为悬梁。按照相反极化方向，用导电银胶将两片压电陶瓷片粘接在不锈钢悬梁（180×20×0.3 mm³）根部的上下两面，陶瓷片的边缘采用502胶水粘接固定。从上下两片压电陶瓷片未与悬梁粘接的一面分别引出一根导线。将引出的两根导线按照图1所示连接到微型整流电路。

整流电路按照图2中所示的连接方式连接，电路芯片型号为LTC3588-1。整流电路输出端的正极和负极分别如图1所示连接到电解槽中。LTC3588-1的各引脚功能如下：

PZ1、PZ2：连接压电材料输入的交流电信号；

SW：用于控制电路中降压斩波模块的开关；

CAP：用于控制、驱动降压斩波模块PMOS管，参照VIN针脚输出的电信号进行控制；

VIN：对输入电压进行整流；

VIN2：用于控制、驱动降压斩波模块PMOS管；

VOUT：用于电路控制输出电压的监测针脚；

GND：用于接地；

D1、D0：用于控制整流后的输出电压，通过设计电路使得两个针脚处于不同的高电位或者低电位，从而输出不同的电压。

如图3--6所示，所述的压电悬臂梁采用数个压电悬臂梁串联或并联构成，所采用的压电材料的极化方向和振动模式可以是沿厚度方向极化，上下两面涂覆电极，振动模式为长度伸缩振动模式，也可以是沿长度方向极化，上下两面涂覆电极，振动模式为厚度切变振动模式。

图3为由两片压电材料串联连接的长度伸缩振动模式压电悬臂梁，箭头方向为压电材料的极化方向。图中悬臂梁基座１１、涂覆在压电材料上的电极１２、压电材料１３、不锈钢板１４。

图4为由两片压电材料并联连接的长度伸缩振动模式压电悬臂梁，箭头方向为压电材料的极化方向。图中悬臂梁基座１１、涂覆在压电材料上的电极１２、压电材料１３、不锈钢板１４。

图5为由两片压电材料串联连接的厚度切变振动模式压电悬臂梁，箭头方向为压电材料的极化方向。图中悬臂梁基座１１、涂覆在压电材料上的电极１２、压电材料１３、不锈钢板１４。

图6为由两片压电材料并联连接的厚度切变振动模式压电悬臂梁，箭头方向为压电材料的极化方向。图中悬臂梁基座１１、涂覆在压电材料上的电极１２、压电材料１３、不锈钢板１４。

如图７所示，压电材料１３置于直角坐标系中定义Ｚ轴为１方向（厚度方向），Ｘ轴为２方向（宽度方向），Ｙ轴为３方向（长度方向）, Ｚ轴和Ｙ轴矢量相加的方向的Ｖ方向为５方向；K１３的振动模式是：压电材料在Ｙ轴3方向产生形变，在Ｚ轴1方向输出电荷，电极面涂在材料的上下两面；K１５的振动模式是：压电材料在Ｖ方向（５方向）上发生形变，在Ｚ轴（１方向）输出电荷，电极面涂在材料的上下两面。

K３３的振动模式是：建立右手坐标系，定义Ｚ轴为3方向（厚度方向），Ｘ轴为１方向（宽度方向），Ｙ轴为２方向（长度方向）；在Ｚ轴（3方向）上发生形变，也在Ｚ轴（3方向）输出电荷，电极面涂在材料的上下两面；Kｔ基本与K３３定义相似，但是Kｔ所指的压电材料１３一般都是圆片，K３３一般用于方片长条片形状的压电材料１３。

本实施例采用沿厚度方向极化的压电材料PZT-5压电陶瓷制作压电悬臂梁，在制氢过程中能量转化效率为：

Figure 2012101590929100002DEST_PATH_IMAGE006

采用沿长度方向极化的压电材料PZT-5压电陶瓷制作压电悬臂梁，在制氢过程中能量转化效率为：

Figure 2012101590929100002DEST_PATH_IMAGE007

Claims

1.一种电解水制氢的方法，包括压电悬臂梁、整流电路、电解槽、氢气收集装置以及氧气收集装置，其特征在于：所述压电悬臂梁具有一不锈钢板,该不锈钢板连接低频机械振动，通过压电材料将振动能转化为电能，通过与电极相连的导线连接到整流电路的输入电压端，整流电路可以直接将压电悬梁输入的交流电信号转化为直流电信号，并将向电解槽导电，开始电解水，电解时电解槽的阴极产生氢气，电解槽的阳极产生氧气，分别用氢气收集装置以及氧气收集装置进行收集。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的压电悬臂梁采用的压电材料的极化方向和振动模式是沿厚度方向极化，上下两面涂覆电极，振动模式为长度伸缩振动模式。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的压电悬臂梁采用的压电材料的极化方向和振动模式是沿长度方向极化，上下两面涂覆电极，振动模式为厚度切变振动模式。

4.一种电解水制氢的装置，包括电解槽、氢气收集装置和氧气收集装置，氢气收集装置和氧气收集装置置于电解槽内,其特征在于：所述电解水制氢的装置还包括压电悬臂梁和整流电路，压电悬臂梁通过导线连接到整流电路的电压输入端,整流电路的输出电压连接电解槽,所述压电悬臂梁包括悬臂梁基座、压电材料、涂覆在压电材料上的电极、不锈钢板,所述不锈钢板和悬臂梁基座相连;所述压电材料在不锈钢板和悬臂梁基座的交接处,上下各一层,每一层的两面都涂覆着电极。

5.如权利要求4所述的压电悬臂梁，其特征在于:所述的压电悬臂梁采用数个压电材料串联或并联构成。

6.如权利要求4或5所述的压电悬臂梁，其特征在于:所述的压电悬臂梁采用的压电材料选自PZT压电陶瓷片和PMN-PT单晶中的一种或两种。

7.如权利要求4或5所述的压电悬臂梁，其特征在于:所述的压电悬臂梁在悬梁末端粘接一个小质量块。

8.如权利要求6所述的压电悬臂梁，其特征在于:所述的压电悬臂梁在悬梁末端粘接一个小质量块。

9.如权利要求4所述的电解槽，其特征在于: 所述电解槽，其电极采用钢、铂金和白金中的一种耐腐蚀金属材料。