CN112442703A - 塔式无膜动态电解槽 - Google Patents

Abstract

本发明——塔式无膜动态电解槽提出了一种无污染、小体积、大功率、高效利用可再生能源对水进行电解，电解出的氢气与氧气自动分开、输出的装置。本发明采用了发明人首创的技术：引导式无隔膜氢·氧气分离与收集技术，符合尖端释放电子原理的——极针阵列电解技术，横向大面积动态供电技术等。大幅度降低了电解槽的内部损耗；与光伏、风电等电源的动态匹配效果极佳；实现了低品质的电能回收并转化成氢能储存或输送。使可再生能源具备了替代传统化石能源的能力。独特简单的结构设计，更容易用无污染的材料大规模制造，它是由夹板组件(7)、标准分离塔(4‑1)、端子分离塔(4‑2)、框架(5‑1)等零部件装配而成。

Description

塔式无膜动态电解槽

本发明——塔式无膜动态电解槽，是一种无污染、小体积、大功率、高效利用可再生能源(光伏、风电等)对水进行电解，并能将电解出的氢气与氧气自动分开，独立输出的装置。

随着人们对生活环境的要求越来越高，对零污染可再生能源的利用尤为迫切。但是由于可再生能源的间歇性、随机性等缺点，目前还没有一种有效的方法和技术，能在零污染的条件下大规模将可再生能源转化、储存和运输，使可再生能源的利用变的十分困难。

传统能源的转化、存储与运输方式是：蓄电池、抽水储能电站、电网输送。

蓄电池的缺点：各种化学液体、固体金属难以回收利用，易污染环境。由于能量的储存密度与体积成正比，因此大规模储存难以实现，且造价昂贵，与化石能源相比没有优势。

抽水储能电站：转化效率低、建造维护成本高、受地形限制，没有大规模应用的可能。

电网输送：对电的质量要求高，要求电压电流十分稳定，对于电网要求范围以外的电能根本无法利用。

氢气是人类最理想的能源，可再生、零污染、能量密度高、储存运输(包括管道输送)技术成熟。可是传统工业制氢，大多使用石油、煤炭、天然气等技术方式，不环保得不偿失。传统电解水制氢技术落后，效率低、体积大、成本高，根本无法大规模生产，替代化石能源更是无从谈起。

一、本发明的目的：

为了解决目前可再生能源——储能能耗高、污染大、体积大、效率低的难题。本发明——塔式无膜动态电解槽：提出了一种无污染、小体积、大功率、高效率，将可再生能源：光伏、风电、水电等，转换为高纯度氢·氧气的装置，目的是要把可再生能源转换为氢能，让不能大规模利用的电能，能以氢气的方式大规模储存，利用传统燃气网络实现大规模可再生能源的能源运输。为可再生能源替代化石能源铺平道路，最终实现零排放零污染的目的。

二、本发明出现的原因：

本人经过对上一项发明——太阳能电解水制氢(氧)装置(专利号：ZL200810172947.5)，在长期使用过程中出现的问题，进行深入研究后发现，它主要还存在以下几个问题：①电解槽的构造不合理、电阻较大、造成电解效率低；②与可再生能源产生的电源的匹配不佳，造成电解效率不高；③整体结构不合理，造成电解槽的内部工作空间利用小；针对这三个问题本发明提出了以下的解决方案。

三、本发明是这样实现的：

在叙述本发明之前首先对说明书附图作如下说明：附图1为集气窗的构造；附图2为标准电极板和端子电极板的构造；附图3为单面电极板的构造；附图4为分离塔的构造；附图5为框架的构造；附图6为夹板的构造；附图7为夹板组件的构造；附图8为本发明的剖视原理图；附图9为局部剖视总装图

下面结合说明书附图1、附图2、…、及附图9来详细叙述本发明的具体结构、装配细节及工作原理：

本发明的构成：它是由集气窗(1-7)、三种电极板[标准电极板(2-6)、端子电极板(2-7)、单面电极板(3-1)]、电极板构成的三种分离塔[标准分离塔(4-1)、端子分离塔(4-2)、单面分离塔(4-3)]、框架(5-1)、夹板(6-1)、夹板组件(见附图7)等零件部构成。

I、集气窗(1-7)的具体结构：

①集气窗(1-7)：是由单个集气罩(1-4)按照收集面(1-1)与夹边(1-6)边线之间的夹角〔导流角(1-8)〕，应在大于零度(0°)小于九十度(90°)的条件下叠加。在集气窗的两侧制有夹边(1-6)，两夹边之间制有均匀分布的加强筋(1-5)构成。四十五度 (45°)为最佳导流角。

②、集气罩(1-4)：是由收集面(1-1)与弯钩面(1-3)结合成光滑的曲面构成，它的横向剖切面(1-2)形似鱼钩(或L)状。

iii、集气窗(1-7)的作用：是将各个集气罩下方隐藏的极针电解出的氢气(或氧气)，产生的气泡，在各自集气罩收集面的作用下，引导向上运动形成汇集的气流，为进一步收集创造条件。

II、标准电极板和端子电极板的具体结构：

下面结合说明书附图2来详细叙述标准双面电极板和端子双面电极板的具体结构

i、电极板的分类：根据电极板的外形可分为两种，标准电极板(2-6)和端子电极板(2-7)。端子电极板除了有一个外形突出的接线端子(2-8)，还有接线端子正面与背面制有用于密封的两条对称筋(2-9)。除上述两点与标准双面电极板不同之外，其余结构与标准电极板完全相同。接线端子的主要作用是连接集成开关(集成开关的结构及原理将在下一份申请中叙述)。目的是实现电解槽动态匹配电源，让电解槽可以自动动态调节。

ii、标准电极板的结构：在标准电极板(2-6)两面的肩部以下区域，均用相同的一排(或一列)极针为单位，叠加制成对称的极针阵列(2-4)。其作用是：增加尖端在单位时间内释放电子的数量，扩展电极板的工作表面积，降低电流通过时的电阻，从而达到提高效率的目的。周围所制的绝缘边(2-5)，是电解槽与框架装配时用于密封的工艺边。

iv、极针与电极板：极针是用直径较小的抗腐蚀导电金属制成，极针的表面可以制成螺纹状，也可以制成多棱状，其目的是进一步增大导电面积，提高尖端释放电子的能力，更符合欧姆电阻定理与导体尖端释放电子的工作原理；极针分为左极针(2-3)和右极针(2-2)，它们与电极板成一定夹角，是对称布局在电极板(2-1)的两个面上。极针与电极板之间的夹角应大于零度(0°)，小于九十度(90°)最佳角度为四十五度(45°)。

III、单面电极板(3-1)：

单面电极板的结构(见说明书附图2、附图3、附图6)：单面电极板(3-1)的外形与标准电极板(2-6)的外形完全相同，它只有一面有极针阵列(3-4)，另一面制有与极针阵列位置相对、面积相等、电阻很小的导电层(3-2)。导电层上制有四个导电铜螺柱(3-3)，可供以后安装夹板(6-1)使用。导电层(3-2)的作用是：使通过的电流快速均匀的分布到整个电极板上，绝缘边(3-5)是装配时用于密封的工艺边。

IV、分离塔：

分离塔：是由集气窗和三种电极板组合而成。分离塔的作用是：极针阵列对水进行电解，集气窗对电解后产生的氢(氧)气进行引导分离，进而达到收集与输送的目的。下面结合说明书附图1、附图2、附图3及附图4来详细叙述分离塔的具体结构及装配细节：

分离塔共分为：①标准双面分离塔(4-1)(简称：标准分离塔)、②端子双面分离塔(4-2)(简称：端子分离塔)、③单面分离塔(4-3)三种，它们统称为——分离塔。装配时，只要将集气窗(4-4)扣住极针阵列热熔连结边框即可。集气窗比要覆盖的极针阵列多两层集气罩(1-4)，装配时集气窗多出来的两层，放在极针阵列最下方。这样做的目的，是防止电解槽进水时，引起电解液的翻滚，将电解出的氢(氧)气泡带出集气窗外。电极板上部露出的极针阵列，由于隐藏在电解槽上部的气室内，已被隔板隔离，因此不需要集气窗全部罩住。端子分离塔与单面分离塔，在集气窗的装配方法上与标准分离塔装配方法相同，这里就不在叙述。

V、框架(5-1)：

框架的作用是固定分离塔，利用电解液的水平面、分离塔的电极板、框架的隔板，形成独立的气室。框架和分离塔结合构成了独立的电解室以及气体输出的通道。下面结合说明书附图5来详细叙述框架的具体结构：

框架(5-1)的外形是一个矩形，内部下边是一个矩形腔(5-2)，上部是用隔板(5-11) 分开的两个独立气室(5-7)、(5-8)，气室的形状与隔板(5-11)形状相同，隔板正面的气室与背面的气室，是以Z轴为中心的对称图形。气室的梯形斜面叫——导流面(5-4)。导流面与两侧相接的面成流线型曲面，目的是让气体流动的更加顺畅。下部的矩形腔 (5-2)，是电解液的离子交换区，矩形腔与上部隔板两侧梯形的气室连通，构成电解时产生气体(氢或氧)向上运动的通道。隔板的正面凹台(5-3)与隔板的背面凹台的形状对称相同，可与电极板的绝缘边紧密结合。框架两面装上电极板后，其上部形成两个独立的气室(5-7)、(5-8)，隔板正面的气室(5-7)通过小孔(5-6)与框架上部右侧的腰形孔 (5-5)相通，形成气体输出通道；隔板背面的气室(5-8)通过小孔(5-9)与框架左边的腰形孔(5-10)相通，形成气体输出的通道。框架上的腰形孔(5-5)、(5-10)，不但是气体输出的通道，也是电解时产生泡沫与气体在重力作用下完成分离的地方。

VI、夹板(6-1)：

夹板构成的具体结构(见附图6、附图3)：

夹板(6-1)上制有两个凹槽，一个大凹槽(6-6)，另一个是大凹槽上制的小凹槽(6-10)。小凹槽上制有过孔(6-2)，小凹槽(6-10)与单面电极板(3-1)上的导电层(3-2)配合，大凹槽与单面电极板背面配合。当单面分离塔的电极板上的导电铜螺柱穿过孔(6-2)时，夹板上所制的两个凹槽，应与单面电极板上所制的导电层之间加胶密封，并用导电性能较好的铜螺母固定。夹板上部左右两侧分别制有腰形凹槽(6-3)、(6-8)，以它们的两个半圆为圆心，分别制有两个与连体双管接头(6-4)、(6-7)，相对应的两组过孔(6-5)、(6-9)，最后将两个连体双管接头分别对准腰形槽(6-3)、(6-8)上的过孔灌胶压实即可。

VII夹板组件(图7)：

夹板组件是固定单面分离塔，对电解槽两端进行密封，使电解槽形成一个整体的重要部件。下面结合说明书附图3、附图4、附图6、附图7来叙述它的具体结构：

夹板组件是由：单面分离塔(4-3)、夹板(6-1)及连体双管头(6-4)(6-7)构成的。夹板上大凹槽(6-6)平面可与单面分离塔(4-3)的电极板(3-1)配合，小凹槽(6-10) 平面与单面电极板上的导电层(3-2)配合，当单面电极板的导电铜螺柱(3-3)穿过过孔 (6-2)时，夹板上所制的两个凹槽平面应与单面电极板及导电层平面紧密贴合，其贴合面用胶填充后将其与夹板用导电性能好的铜螺母固定而成。

VIII、塔式无膜电解槽的总装细节(附图9)：

将三分之二的标准分离塔(9-2)，放入左右两端的夹板组件(9-3)、(9-5)之间，紧靠标准分离塔(9-2)的后边，再放入三分之一的端子分离塔(9-1)，将放好后的分离塔之间用框架(9-4)隔开，这时所有分离塔的电极板都卡在框架的凹台内密封贴合，再将框架与框架之间的结合面紧密贴合，将其熔焊形成一个整体，达到高强度密封的目的。密封好的电解槽，其框架顶部两侧的腰形孔连接在一起，构成了一个腰形通道。设计腰型孔的目的有两个：一是，作为氢气(或氧气)的通道。二是，含有大量泡沫的氢气(或氧气) 进入通道时，在重力的作用下，泡沫会产生自然沉淀形成电解液，从腰形通道下方两侧的管接头排出，实现电解槽内部的泡沫分离。

IX、工作原理：下面结合说明书附图8来详细说明塔式无膜动态电解槽的工作原理：

电流通由过夹板组件的正极单面分离塔→电解液→分离塔→电解液→负极单面分离塔。中间的分离塔(是指：标准分离塔或端子分离塔)在电解液中两面的极针阵列，分别产生氢气和氧气由电极板自然分开。左右夹板组件之间只有一个框架构成的电解槽叫——单室电解槽。每增加一个分离塔(指标准分离塔或端子分离塔)和一个框架——叫做一个标准单位，电解槽就增加一层——即增加两个气室和两个极针阵列，它的固有电压就增加一个标准单位的固有电压，可根据电源电压来决定电解槽所需的叠加层数。两个相邻的分离塔，是以相同的一排(或一列)极针为单位叠加构成极针阵列，包括它们的集气窗位置都一一对应；根据欧姆电阻定律及尖端释放电子的原理知道：引导电流横向大面积导电，对应极针尖端释放电子，能让普通材料制作的电极电阻更小。

电解槽工作时，加入的电解液必须淹没隔板超过至少三分之一虚线(5)的安全位置，以免电解液过少，起不到隔离与密封作用，造成氢氧气混合发生危险。下面以右边正极左边负极的接线方式来说明塔式无膜动态电解槽的工作原理。也可根据需要，颠倒正负极接线方式，使排气方式颠倒。

氢气收集、输出的工作方式——处于电解面同一方向的极针阵列，电解水产生的氢气经过各自极针阵列上的集气窗，由它的集气罩层层收集，分别进入各自独立的气室(1)，并行输出，进入腰形通道(3)，进行内部泡沫沉淀分离。分离后的气体由腰形通道(3)两端的双连管接头上的上接头输出，沉淀电解液从下接头输出。

氧气收集、输出的工作方式——处于电解面同一方向的极针阵列，电解水产生的氧气经过各自极针阵列上的集气窗，由它的集气罩层层收集，分别进入各自独立的气室(2)，并行输出，进入腰形通道(4)，进行内部泡沫沉淀分离。分离后的气体由腰形通道(4)两端的双连管接头上的上接头输出，沉淀电解液从下接头输出。

Claims (9)

1.本发明——塔式无膜动态电解槽提出了一种无污染、小体积、大功率、高效率的电解水制氢·氧装置，能把光伏、风电等可再生能源高效地转化为氢能，进行储存或输送，为可再生能源替代传统化石能源铺平了道路。本发明结构设计紧凑，使用常见无污染的材料，巧妙运用了物质的自然运动规律，形成了发明人首创的：塔式引导无隔膜氢·氧气分离与收集技术；符合尖端释放电子原理的——极针阵列电解技术；横向大面积动态供电技术等。解决了传统电解技术效率低、体积大、成本高，根本无法大规模生产等问题，使可再生能源具备了替代传统化石能源的能力。本发明是由：1.集气罩；2.集气罩叠加后构成的——集气窗；3.三种大面积极针阵列导电的电极板(标准电极板，单面电极板、端子电极板)；4.三种电极板与集气窗构成的——分离塔(标准分离塔、单面分离塔、端子分离塔)；5.框架；6.夹板；7.单面分离塔、夹板及连体双管接头构成的——夹板组件；8.由上述所有零部件组合装配而成的——塔式无膜动态电解槽。

2.根据权利要求1的要求所述的——集气罩(见说明书附图1)：是由收集面(1-1)与弯钩面(1-3)结合成光滑的曲面，它的横向剖切面(1-2)形似鱼钩(或L)状，收集面(1-1)与夹边(1-6)边线之间的夹角角度为0°-90°角度内(45°为集气罩收集面的最佳角度)，极针释放电子电解产生的气泡，在浮力作用下会沿集气罩的收集面，按要求的轨迹运动，达到氢·氧气收集的目的。

3.根据权利要求1的要求所述的——集气窗(1-7)(见说明书附图1)：集气罩按照收集面与夹边(1-6)之间的夹角(1-8)0°-90°角度(45°最佳角度)为——导流角进行叠加，在叠加后的集气罩两端分别制有夹边(1-6)，两夹边之间再制有均匀分布的加强筋构成。集气窗的作用是使电极板包括极针阵列电解产生的氢气(或氧气)，在集气罩收集面的作用下达到汇聚的目的。

4.根据权利要求1的要求所述的——三种大面积导电电极板(见说明书附图2及附图3)：标准电极板(2-6)的两面制有形状相同、面积相等的极针阵列与绝缘边(2-5)；单面电极板(3-1)，只有一面制有位置、面积、形状与标准电极板相同的极针阵列(3-4)，另一面制有与极针阵列面积相等的导电层(3-2)，导电层上制有起导电与固定作用的铜螺柱(3-3)；端子电极板(2-7)，只是把标准电极板的外形制成向外凸出的接线端子(2-8)。三种电极板都制有大量极针，其目的是：增加尖端释放电子数量，增加导电面积、提高导电能力、减小电阻(欧姆电阻定律)、降低热损耗(焦耳楞次定律)，达到实现提高效率的目的。

5.根据权利要求1的要求所述的——分离塔(见说明书附图4)〔标准分离塔(4-1)、单面分离塔(4-3)、端子分离塔(4-2)〕：三种分离塔上的，集气窗、极针阵列，位置应当相同一致。集气窗比要覆盖的极针阵列多两层集气罩(1-4)，装配时集气窗多出来的两层集气罩，放在极针阵列最下方。这样做的目的，是防止电解槽进水时，引起电解液的翻滚，将电解出的氢(氧)气泡带出集气窗外。

6.根据权利要求1的要求所述的——框架(见明书附图5)：框架(5-1)的外形是一个矩形，内部下方是一个矩形腔小室(5-2)，上部是用隔板(5-11)分开的两个独立气室(5-7)、(5-8)，气室的形状与隔板(5-11)的形状相同，是近似的梯形，隔板正面的气室与背面的气室，是以Z轴为中心的对称图形。气室的梯形斜面叫——导流面(5-4)，导流面与两侧相接的面成流线型曲面，目的是让上升的气体流动更加顺畅。下部的矩形腔小室(5-2)，是电解室的离子交换区，矩形腔与上部隔板两侧梯形气室连通，构成气体(氢或氧)向上运动的通道，隔板正面的凹台(5-3)与隔板背面凹台的形状对称且相同，供安装固定电极板用，当电极板的边框与框架凹台熔接，框架的上部就形成了两个独立的气室(5-7)、(5-8)，隔板正面的气室(5-7)通过小孔(5-6)与框架上部右侧的腰形孔(5-5)相通，构成泡沫气体的输出通道；隔板背面的气室(5-8)通过小孔(5-9)与框架左边的腰形孔(5-10)相通，构成泡沫气体的另一个输出通道。

7.根据权利要求1的要求所述的——夹板(6-1)(见说明书附图6)：夹板的一面制有两个凹槽，一个大凹槽(6-6)，另一个是制在大凹槽平面上的小凹槽(6-10)，小凹槽平面上制有过孔(6-2)，它们供装配单面电极板使用；夹板顶部的左右两侧制有腰形凹槽(6-3)、(6-8)，左右两个腰形凹槽内，都制有两个以腰形孔的半圆为圆心制作的两个过孔(6-5)、(6-9)，可供安装连体双管接头(6-4)、(6-7)使用。

8.根据权利要求1的要求所述的——夹板组件(附图7)：是由单面分离塔(4-3)、夹板(6-1)及连体双管接头(6-4)、(6-7)构成，夹板大凹槽平面可与单面分离塔(4-3)电极板的背面配合，小凹槽平面与单面电极板背面的导电层(3-2)配合，当单面电极板背面的导电铜螺柱(3-3)穿过过孔(6-2)时，夹板上所制的两个凹槽平面应与单面电极板及导电层平面紧密贴合，其贴合面用胶填充后，将其与夹板用导电性能好的铜螺母固定。输入电源的电流就能均匀分布在电极上。

9.根据权利要求1的要求所述的——塔式无膜动态电解槽的(见说明书附图8)工作原理——电流通过夹板组件的正极单面分离塔-电解液-分离塔-电解液-负极单面分离塔形成回路。电解液中间的分离塔(是指：标准分离塔和端子分离塔)两面的极针阵列，分别产生氢气和氧气由电极板自然分开。左右夹板组件之间只有一个框架构成的电解槽叫——单室电解槽。每增加一个分离塔(指：标准分离塔或者端子分离塔)和一个框架——叫做一个标准单位，电解槽就增加一层——即增加两个气室和两个极针阵列。它的固有电压就增加一个标准单位的固有电压，可根据电源电压来决定电解槽所需的叠加层数。两个相邻的分离塔，均用相同的一排(或一列)极针为单位叠加构成极针阵列，包括它们的集气窗位置都一一对应；根据欧姆电阻定律及尖端释放电子的原理知道：引导电流横向大面积通过电解槽内，相邻分离塔上对应的极针释放电子，实现让普通材料制作的电极电阻减小的目的。

电解槽工作时，加入的电解液必须淹没隔板超过至少三分之一虚线(5)的安全位置，以免电解液过少，起不到隔离与密封作用，造成氢氧气混合发生危险。下面以右边正极左边负极的接线方式见(附图8)，来说明氢(氧)气的运动路线：(也可根据需要，颠倒正负极接线方式，使排气方式颠倒)

氢气收集与输出的工作方式——处于电解面同一方向的极针阵列，电解水产生的氢气经过各自极针阵列上的集气窗，由它的集气罩层层收集，分别进入各自独立的气室(1)，并行输出，进入腰形通道(3)，进行内部泡沫沉淀分离。分离后的气体由腰形通道(3)两端的双连管接头上的上接头输出，沉淀电解液从下接头输出。

氧气收集与输出的工作方式——处于电解面同一方向的极针阵列，电解水产生的氧气经过各自极针阵列上的集气窗，由它的集气罩层层收集，分别进入各自独立的气室(2)，并行输出，进入腰形通道(4)，进行内部泡沫沉淀分离。分离后的气体由腰形通道(4)两端的双连管接头上的上接头输出，沉淀电解液从下接头输出。

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