CN102978656B - 一种实现旋转离心重力水电解制氢方法的装置 - Google Patents

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Abstract

一种强化水电解制氢的方法及其装置，也可用于强化氯碱电解生产氢气和氯气，具有节能、生产效率高的优点。属于氢能和氯碱化工的技术领域。本方法采用旋转离心超重力来强化电化学反应和电解产物气/液分离，可显著降低电解池槽电压，提高电解电流密度，从而提高电解电效率和生产速率。超重力电解装置主要组成部件包括：旋转电解池，阴/阳极集气管，多通道磁流体密封滑动导流环，多极滑动导电环，液位传感器和控制仪，自动输液泵、调速电机等。通过控制旋转电解池的转速来改变超重力大小，超重力越大，电解电效和生产速率越高。

Description

一种实现旋转离心重力水电解制氢方法的装置
技术领域
本发明属于水电解制氢和氯碱电解制氯技术领域，特别是涉及一种强化电解制取氢气或氯气的方法。
背景技术
水电解制氢，由于其绿色、环保，到目前仍是世界上氢能生产的主要方法之一。但是，水电解制仍面临能耗高和生产速度低的问题。在能耗方面，超过30％的电解槽电压被消耗在与电化学反应过程非直接相关的因素上；在生产速度方面，电流密度，能耗越高。因此，目前水电解最核心的问题集中在降低电解能耗上。
水电解的反应方程式如下：
阳极：4OH-→O2+2H2O+4e
阴极：4H2O+4e→2H2+4OH-
随着电解的进行，两极产生的气体并不能及时从电解体系中迅速排除，这样就会有大量的气泡覆盖在电极表面甚至形成一层气膜，将极大地降低电极的有效活性面积，从而增加阴极过电位、阳极过电位和电极欧姆电压降；另外，气泡在电解液中的分散以及在隔膜表面的吸附也会造成严重的欧姆电压降，这些现象是造成水电解能耗高的主要原因。目前，人们普遍通过研制高活性的催化电极、改进电解槽设计以及提高电解温度等方法来改善过电位高、欧姆电压降大的影响，但这些措施并不能从根本上解决气泡与电极的有效分离以及气泡从电解液中快速溢出的技术瓶颈。
在多相分离过程中，重相即电解液在重力的作用下，沿重力方向运动，而轻相即气泡在浮力的作用下，沿与重力相反的方向运动。在超重力场中，相间浮力因子△(ρg)加大，使得气泡与电解液以及固相电极和隔膜间具有很高的相间滑移速率，并且电解液中质量传递过程也得到了极大的强化，从而不仅使气泡能够更有效地从电极和隔膜表面分离，并且也有利于气泡从电解液中溢出。因此，为了强化气体从电极、隔膜表面以及电解液中的有效分离和溢出，将超重力技术应用到氯碱电解过程中，是水电解节能的一项重要技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种强化水电解制氢的方法。本发明的方法可极大提高水电解制的电流效率；本发明提供的旋转离心超重力电解池装置，可以实现超重力水电解制氢。
本发明是一种采用旋转电解池产生离心超重力强化水电解解制氢的方法，安装在转轴上的电解池旋转产生离心超重力，旋转电解池电极中心离心超重力范围是20～1000g，电流密度控制范围为500～10000A/m2,电解液是水，在阴、阳极间通以直流电，则在阴极上产生H2，在阳极上产生O2。
一种实现权利要求1所述强化电解制氢方法的装置，包括旋转电解池，阴极集气管和阳极集气管，多通道磁流体密封滑动导流环，四极滑动导电环，液位传感器和控制仪，自动输液泵、调速电机，所述的调速电机通过动力传输带带动主轴和旋转筒旋转；固定在所述的旋转筒里的分布式阴极、阳极和隔膜板的底端开孔，以便补充溶液；所述的自动输液泵控制电解液液位；所述的阴极集气管和阳极集气管，分别将多个阴极产生的H2和阳极产生的O2汇集在一起；所述的四通道磁流体密封滑动导流环安装在转轴上，与转轴同步旋转，导流环的二个通道分别与阴极集气管和阳极集气管相连，另二个通道与电解池底部直径方向上两个电解液出入口相连，用于补充和导出电解液；所述的滑动导电环安装在转轴上，与转轴同步旋转，滑动导电环的两个极分别与电解池的阴极和阳极相连，实现电解电流的传输，滑动导电环的另外两个极分别连接所述的液位传感器和控制仪，实现电解液液位高度控制信号的传输。
适宜的超重力系数控制范围为20～1000，超重力系数按下式确定：G＝N2π2r/(900g)，式中r为电极中心到旋转轴中心的距离，即电极的平均旋转半径，单位为m；N为电解池的旋转速度，单位为r·min-1；g为重力加速度，即9.8m·s-2；π为圆周率，即3.14。对于确定的电解池，可以通过控制电解池转速来调节超重力系数。
附图说明
图1为本发明用于电解水制氢或氯碱电解制备氢气和氯气的旋转离心超重力电解池装置构造图。
其中，旋转筒1、阳极2、阴极3、隔膜板4、电解液5、阴极导线6、阳极导线7、阴极集气管8、阳极集气管9、电解液导入管10、电解液导出管11、四通道磁流体密封滑动导流环12、四极滑动导电环13、液位传感器14、自动输液泵15、抽液泵16、电解液储槽17、主轴18、轴承19、动力传送带20、调速电机21、转速测定仪22、直流稳压电源23。
图2为上述电解水制氢或氯碱电解制备氢气和氯气的旋转离心超重力电解池装置的俯视示意图。
具体实施步骤
结合附图对本发明的实施作详细描述：
1)首选确定电极中心超重力系数大小，如G＝500，然后根据圆筒形电解池半径计算出电解池转速，如N＝800r/min；高定电解电流密度，如di＝0.7A/cm2，根据阴极面积大小计算总电流大小，如Si＝5000A；
2)启动电机马达，调节马达转速，同时测量主轴转速，使其达到预定值，如N＝800r/min；
3)开启自动输液泵，注入电解液，注入电解液的数量由液位传感器自动控制，一般应控制液位深度为电解槽深度的2/3左右为宜；
4)接通电解电源，电解开始，H2和O2就会自动从导气管分别输出；
5)电解结束时，先关闭电解电源，再关闭自动输液大泵，然后开启抽液泵将电解槽内电解液排出。
上述方法不限于水电解制氢，也可用于氯碱电解。如将电解液为改为NaCl水溶液，阴极和阳极产物分别氢气和氯气，并副产NaOH溶液。通过控制抽液泵的流速，可连续排出NaOH溶液，NaOH溶液浓度也可由抽液速度调控。
实施例1
设计了一个内腔尺寸为外径500mm、内径350mm、高120mm的小型旋转离心超重力电解池，按图1所示，交替布置了10块阴极板、10块阳极板、10块隔膜板，每块阴极板或阳极板的单面有效电极面积为110x100mm2。
设定电极中心超重力系数为500和电流流密度为0.5A，计算得到转速为1410r/min、总电流为1100A；并设定液位控制高度为110mm，以浓度为10％的NaOH为电解液。按照上述实施步骤操作，当达到稳定运行时，直流电源输出电压为2.5V，即电解槽压为2.5V，串联在氢气导出管的电子流量计流量为7.5L/min。
实施例2
在实施例1中，只改变超重力系数，当转速控制为500r/min时，即超重力系数约为63，当达到稳定运行时，直流电源输出电压增大为2.76V；当转速控制为2500r/min时，即超重力系数约为1572，当达到稳定运行时，直流电源输出电压减小为2.13V。说明超重力系数越大，槽电压越低，节能效果越好。
实施例3
在实施例1中，将直流电源由恒电流控制模式改为恒电压控制模式，控制输出电压为2.4V，转速控制为1410r/min时，即超重力系数约为500，当达到稳定运行时，氢气流量为7.2L/min，总电流值为1050A；同样控制输出电压为2.4V，将转速提高到3000r/min，即超重力系数约为2260，当达到稳定运行时，氢气流量为7.9L/min，总电流值为1160A。说明超重力系数越大，电解生产效率越高。
实施例4
在实施例1中，将电解液改为浓度为15％的NaCl水溶液，并启动抽液泵，以维持电解槽内溶液浓度一定，控制抽液泵流量为10L/min，在电解池转速为2000r/min时进行恒电压电解，控制电源输出电压为3.0V，达到稳定阴极氢气流量为9.5L/min；阳极氯气流量9.2L/min；其他条件不变，将电解池转速减小为1000r/min,达到稳定阴极氢气流量为9.1L/min；阳极氯气流量8.8L/min；说明该技术也可用于强化氯碱电解生产氢气和氯气。

Claims (1)

1.一种实现旋转离心重力水电解制氢方法的装置，所述旋转离心重力水电解制氢方法为安装在转轴上的电解池旋转产生离心超重力，旋转电解池电极中心离心超重力范围是20～1000g，电流密度控制范围为500～10000A/m2,电解液是水，在阴、阳极间通以直流电，则在阴极上产生H2，在阳极上产生O2，其特征在于，包括旋转电解池，阴极集气管和阳极集气管，四通道磁流体密封滑动导流环，四极滑动导电环，液位传感器和控制仪，自动输液泵、调速电机，所述的调速电机通过动力传输带带动主轴和旋转筒旋转；固定在所述的旋转筒里的分布式阴极、阳极和隔膜板的底端开孔，以便补充溶液；所述的自动输液泵控制电解液液位；所述的阴极集气管和阳极集气管，分别将多个阴极产生的H2和阳极产生的O2汇集在一起；所述的四通道磁流体密封滑动导流环安装在转轴上，与转轴同步旋转，导流环的二个通道分别与阴极集气管和阳极集气管相连，另二个通道与电解池底部直径方向上两个电解液出入口相连，用于补充和导出电解液；所述的滑动导电环安装在转轴上，与转轴同步旋转，滑动导电环的两个极分别与电解池的阴极和阳极相连，实现电解电流的传输，滑动导电环的另外两个极分别连接所述的液位传感器和控制仪，实现电解液液位高度控制信号的传输。
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