CN113278991A - 一种利用旋流场强化电解效率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用旋流场强化电解水制氢制氧的方法和装置，其中方法包括以下步骤：增压的电解液进入能产生旋流作用的腔室，冲刷第一电极，产生第一气体；第一气体在旋转离心作用下，向所述能产生旋流作用的腔室的中心运动并从此处离开；从所述能产生旋流作用的腔室产生的液体在旋转离心作用下从所述能产生旋流作用的腔室的下部离开，冲刷第二电极，产生第二气体和二次处理液体；第一电极和第二电极中，一个作阴极，一个作阳极。本发明利用旋流场强化电极表面更新以及制氢制氧气泡分离，提高气泡驱除效率、电极有效活性面积和电流密度，同时提供一种氢气和氧气快速分离的方法，有利于电解水反应器的规模化放大。

Description

一种利用旋流场强化电解效率的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种利用旋流场强化电解效率的方法和装置，采用化工过程强化的手段解决电解水制氢新能源行业的技术难题。

背景技术

氢能是国家战略性能源，对接国家重大需求，应用十分广泛。电解水产氢是能源科技创新的重要方向，存在绿色、简单、可再生等优点。

在可再生能源规模化电解水制氢生产技术路线中，只有碱性电解水制氢实现工业规模化生产，而生产过程的技术难点在于大规模、低能耗、高稳定性，该问题被列入中国科协10大工程难题之一。

分析技术难题的原因不难看出，首先，在电极表面产生的气泡，会占据电子传递的有效面积，降低电子通量，其次，气泡的存在延长了电解质离子的通路，导致更大的欧姆损失，降低电能转化为化学能的效率。大规模制备氢气过程中，电流和电势通常较大，气泡导致的能量损失可达30％，如何提高电流密度、降低电解过电势是规模化电解水制氢的工程瓶颈。

CN201810130244.X提出了一种新型电解水制氢设备，氧气和氢气的生成腔上侧内壁设置有第二斜面，并与出气管道连通，这是采用重力沉降方法，等待生成的气泡缓慢上浮至指定位置，气泡剥离效率低下。

CN201210551371.X提出了一种电解水制氢氧气装置，考虑了电解液的散热问题，设置了散热风道、液位控制、回水控制等，这些都是抑制生产装置波动的手段，无法解决效率难题。

CN201811441037.2提出了一种基于液流氧化还原媒介分步电解水制氢的装置和方法，增加了活性介质电解液循环系统，还采用了质子交换膜，只允许氢离子穿过，可以隔离产生的氢气和氧气。但是质子交换膜寿命有限，成本高，并没有很好的解决气泡对电解的抑制问题。

CN201110257885.X提出了电解水制氢的装置及其方法，采用了导电材料制成并具有粉末间隙结构，可以降低电解所需的电压。但是该方法是从电解电极材料角度出发，重力场下的气泡剥离问题依然没有解决。

发明内容

利用流体剪切作用提高界面更新速率是化工过程强化常用手段，当流体冲刷电极表面时，在不破坏电极材料的条件下，应尽量提高液体流速，以驱除电解出来的微细气泡，提高电极表面更新速率。

同时，旋转流场强化微细气泡运动分离也得到了共识，针对电解产生氢气和氧气气泡的旋流分离，尚缺乏利用和开发。

在电极表面构建旋流流场，既可以提高气泡驱除效率，提高电极有效活性面积，提高电流密度，降低电解过电势，也可以提供一种氢气和氧气快速分离的方法，有利于电解水反应器的规模化放大，同时，快速和稳速流动的电解液具备了更强的散热性能，有利于电解水规模化制备氢气和氧气。

本发明解决上述技术问题的第一个技术方案如下：一种利用旋流场强化电解水制氢制氧的方法，包括以下步骤：

(1)增压的电解液进入能产生旋流作用的腔室，冲刷第一电极，产生第一气体；

(2)第一气体在旋转离心作用下，向所述能产生旋流作用的腔室的中心运动并从此处离开；

(3)从所述能产生旋流作用的腔室产生的液体在旋转离心作用下从所述能产生旋流作用的腔室的下部离开，冲刷第二电极，产生第二气体和二次处理液体；

第一气体和第二气体中，一个是氢气，一个是氧气。第一电极和第二电极中，一个作阴极，一个作阳极。如果为了得到高纯氢气，那么需要将阴极置于流体上游，阳极置于流体下游。如果为了得到高纯氧气，那么需要将阳极置于流体上游，阴极极置于流体下游。

本发明进一步设置为，利用旋流场强化电解水制氢制氧的方法包括以下步骤：

(1)所述能产生旋流作用的腔室为第一旋流腔室，增压的电解液经过第一旋流腔室进料口进入第一旋流腔室，冲刷第一电极，产生第一气体，切向进料液速为3～30m/s，离心加速度为10～2200倍重力加速度；第一旋流腔室进料口为切向进料口；

(2)第一气体在旋转离心作用下，向第一旋流腔室的中心运动并从此处离开，第一气体夹带少量液体；第一旋流腔室的液体雷诺数为；

(3)离开第一旋流腔室的液体在旋转离心作用下从第一旋流腔室的下部离开，冲刷第二电极，产生第二气体和二次处理液体，第二气体夹带少量液体。

本发明进一步设置为，还包括以下步骤：第二气体在旋转离心作用下，向第二旋流腔室的中心运动，并从此处离开。

本发明进一步设置为，夹带少量液体的第一气体和第二气体分别进入第一气体分液罐和第二气体分液罐，其中的第一气体和第二气体分别从第一气体分液罐和第二气体分液罐的顶部外输。

本发明进一步设置为，反应过程中积聚的液相均返回第一旋流腔室进料口。

需要说明的是，第一旋流腔室的液体压降为0.002～0.12MPa，对3微米以上的电解气泡分离效率为99.9～100％。

本发明解决上述技术问题的第二个技术方案如下：一种利用旋流场强化电解水制氢制氧的装置，包括第一旋流腔室，所述第一旋流腔室的一侧设有第一旋流腔室进料口，在所述第一旋流腔室进料口的侧面固定有第一电极，所述第一旋流腔室的中心设有第一旋流腔室气体出口，所述第一旋流腔室气体出口外接第一旋流腔室排气管线；沿着旋流方向，在所述第一旋流腔室的另一侧设有第一旋流腔室出料口，所述第一旋流腔室出料口内侧设有第二电极，或者在所述第一旋流腔室出料口的外侧设有第二电极；所述第一电极和所述第二电极外接有电源。

优选地，所述第一旋流腔室的轴向长度为3～300mm，实现液体流量、产气规模的线性放大。

本发明进一步设置为，所述第一旋流腔室出料口内侧设有第二电极(即单旋流形式)，所述第一旋流腔室出料口连接着第二气体分液罐，所述第一旋流腔室排气管线连接着第一气体分液罐，所述第一气体分液罐的顶部设有第一气体出口，所述第二气体分液罐的顶部设有第二气体出口，所述第一气体分液罐的底部连通所述第二气体分液罐的下部或底部；所述第二气体分液罐的底部通过泵连通所述第一旋流腔室进料口。

优选地，在单旋流形式下，所述第一旋流腔室的直径为11～55mm。

本发明进一步设置为，所述第一旋流腔室出料口连通第二旋流腔室(即双旋流形式)，所述第二旋流腔室包括一侧的第二旋流腔室进料口，所述第二电极设置在所述第二旋流腔室进料口上，所述第二旋流腔室的中心设有第二旋流腔室气体出口，所述第二旋流腔室气体出口外接第二旋流腔室排气管线；沿着旋流方向，在所述第一旋流腔室的另一侧设有第二旋流腔室出料口。

进一步地，所述第一旋流腔室出料口连接着第一气体分液罐，所述第二旋流腔室出料口连接着第二气体分液罐，所述第一气体分液罐的顶部设有第一气体出口，所述第二气体分液罐的顶部设有第二气体出口，所述第一气体分液罐的底部连通所述第二气体分液罐的下部或底部；所述第二气体分液罐的底部、所述第二旋流腔室出料口通过泵连通所述第一旋流腔室进料口。

优选地，在双旋流形式下，所述第一旋流腔室的直径为5～10mm；第一旋流腔室的直径与第二旋流腔室的直径比为1.35～1.5。

在本发明中，第一电极和第二电极各自布置在旋流腔室的进料口附近，可以是平行于旋流平面，也可以垂直于旋流平面。电极表面平行于液体进料方向。

综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明利用旋流场强化电极表面更新以及制氢制氧气泡分离，提高气泡驱除效率、电极有效活性面积和电流密度，同时提供一种氢气和氧气快速分离的方法，有利于电解水反应器的规模化放大。其中，电极活性面积指的是电极与电解液的接触面积，覆盖在电极表面的气泡区域是电极无法接触电解液的区域，无法发生电解反应，快速脱除覆盖在电极表面的气泡，让电极表面气泡不再覆盖。

附图说明

图1为旋流腔室轴向长度(L)示意图；

图2为单旋流形式的电解水产气装置；

图3为双旋流形式的电解水产气装置；

图4为气泡在双旋流形式中的运动分离状态示意图；

图5为气泡在单个旋流场中的运动分离状态(高速摄像拍摄)；

图6为双旋流电极布置方案二；

图7为双旋流电极布置方案三。

其中，1-第一旋流腔室排气管线；2-第一旋流腔室气体出口；3-电源一端；4-第一旋流腔室；5-第一电极；6-第一旋流腔室进料口；7-增压泵；8-第二电极；9-第二旋流腔室进料口；10-第二旋流腔室；11-第二旋流腔室出料口；12-第二旋流腔室排气管线；13-第二气体分液罐；14-第一气体分液罐；15-第一气体；16-第二气体；17-第一旋流腔室出料口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种利用旋流场强化电解水制氢制氧的装置，包括第一旋流腔室，第一旋流腔室的一侧设有第一旋流腔室进料口，在第一旋流腔室进料口的侧面固定有第一电极，第一旋流腔室的中心设有第一旋流腔室气体出口，第一旋流腔室气体出口外接第一旋流腔室排气管线。沿着旋流方向，在第一旋流腔室的另一侧设有第一旋流腔室出料口，第一旋流腔室出料口内侧设有第二电极，或者在第一旋流腔室出料口的外侧设有第二电极。第一电极和第二电极外接有电源。优选地，参见图1，第一旋流腔室的轴向长度为3～300mm。

实施例2

单旋流形式(参见图2)：在实施例1的基础上，第一旋流腔室出料口内侧设有第二电极，第一旋流腔室出料口连接着第二气体分液罐，第一旋流腔室排气管线连接着第一气体分液罐，第一气体分液罐的顶部设有第一气体出口，第二气体分液罐的顶部设有第二气体出口，第一气体分液罐的底部连通第二气体分液罐的下部或底部。第二气体分液罐的底部通过泵连通第一旋流腔室进料口。其中，第一旋流腔室的直径为11～55mm。

实施例3

双旋流形式(参见图3)：在实施例1的基础上，第一旋流腔室出料口连通第二旋流腔室，第二旋流腔室包括一侧的第二旋流腔室进料口，第二电极设置在第二旋流腔室进料口上，第二旋流腔室的中心设有第二旋流腔室气体出口，第二旋流腔室气体出口外接第二旋流腔室排气管线。沿着旋流方向，在第一旋流腔室的另一侧设有第二旋流腔室出料口。

第一旋流腔室出料口连接着第一气体分液罐，第二旋流腔室出料口连接着第二气体分液罐，第一气体分液罐的顶部设有第一气体出口，第二气体分液罐的顶部设有第二气体出口，第一气体分液罐的底部连通第二气体分液罐的下部或底部。第二气体分液罐的底部、第二旋流腔室出料口通过泵连通第一旋流腔室进料口。

其中，第一旋流腔室的直径为5～10mm。第一旋流腔室的直径与第二旋流腔室的直径比为1.35～1.5。

双旋流形式中，气泡的运动分离状态参见图4。气泡在单个旋流场中的运动分离状态参见图5，可以很清晰地看到气泡的运动路径，气泡快速向旋流腔室中心运动，并得到分离。

对于本发明中的电极的形状和面积是可调可变的，以上述的实施例2和实施例3为例，参见图6和图7，左侧和右侧的阴影区域分别代表左右侧的电极。在左侧阴影区域产生的气泡，可以进入中心排气孔。第右侧阴影区域产生的气泡，从流道右下方的第一旋流腔室出料口或第二旋流腔室出料口排出。相比于图3的双旋流电极布置方案一，图6和图7的电极面积更大，产生的电流更大，气流量更大。而图7的电极距离比图6的电极距离小，能减少欧姆损失，电阻变小。

实施例4(探讨电压的影响)

在旋流气泡研究的基础上，搭建了双旋流电解水实验装置，采用1mol/L的氢氧化钠水溶液作为电解质，切向进料液速都是5.5m/s，溶液温度为15摄氏度，Pt金属作为阳极和阴极，设置阴极在上游，分别在电压3～5V，测量了电流数值。设置了对照实验，按照相同电极距离，在电解液容器内布置了同样尺寸的电极。

测试结果见表1，以“S”为实验组，“D”为对照组。

由表1可见，相比于容器内静止的电解液(表1中的对照组均为静止电解液)工况，旋流电解对应的电流数值提高了很多(S1比D1提高100％，S2比D2提高38.5％，S3比D3提高23.8％，S4比D4提高33.3％，S5比D5提高31.6％)。而且氢气和氧气气泡从两个通道分别获取，提高了电解产生的气相纯度。

实施例5(探讨第一旋流腔室进料口的切向进料液速的影响)

保持实施例4的前提条件均不变，选定S1组的电压(3V)作为实验值，仅改变第一旋流腔室进料口的切向进料液速，再进行测试对比。

测试结果见表2，以“S”为实验组，“D”为对照组。

由表2可见，电流提高比例随着液体流速的增大而增大，说明旋流场提高了电流密度。而且切向进料液速为3～30m/s时，氢气和氧气的纯度较高，本实施例仅以3～5.5m/s作为示例进行验证说明。

实施例6(探讨第一旋流腔室的液体雷诺数的影响)

保持实施例4的前提条件均不变，选定S1组的电压作为实验值，仅改变第一旋流腔室的液体雷诺数，再进行测试对比。

测试结果见表3，以“S”为实验组，“D”为对照组。

	S1	D6
			液体雷诺数	9900	50000
电流(mA)	4	5
			第一旋流腔室压降(MPa)	0.1	0.8
氢气纯度	100％	90％
			氧气纯度	99.99％	50％

由表3可见，理论上不能无限制提高旋流速度，因为过大的旋流速度会导致气泡的破碎，导致气泡无法完全分离，旋流腔室的液体雷诺数应低于30000，4000～30000以内较佳。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则以内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围以内。

Claims (13)

1.一种利用旋流场强化电解水制氢制氧的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)增压的电解液进入能产生旋流作用的腔室，冲刷第一电极，产生第一气体；

(2)第一气体在旋转离心作用下，向所述能产生旋流作用的腔室的中心运动并从此处离开；

(3)从所述能产生旋流作用的腔室产生的液体在旋转离心作用下从所述能产生旋流作用的腔室的下部离开，冲刷第二电极，产生第二气体和二次处理液体；

第一电极和第二电极中，一个作阴极，一个作阳极。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)所述能产生旋流作用的腔室为第一旋流腔室，增压的电解液经过第一旋流腔室进料口进入第一旋流腔室，冲刷第一电极，产生第一气体，切向进料液速为3～30m/s，离心加速度为10～2200倍重力加速度；第一旋流腔室进料口为切向进料口；

(2)第一气体在旋转离心作用下，向第一旋流腔室的中心运动并从此处离开，第一气体夹带少量液体；第一旋流腔室的液体雷诺数为4000～30000；

(3)离开第一旋流腔室的液体在旋转离心作用下从第一旋流腔室的下部离开，冲刷第二电极，产生第二气体和二次处理液体，第二气体夹带少量液体。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：第二气体在旋转离心作用下，向第二旋流腔室的中心运动，并从此处离开。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，夹带少量液体的第一气体和第二气体分别进入第一气体分液罐和第二气体分液罐，其中的第一气体和第二气体分别从第一气体分液罐和第二气体分液罐的顶部外输。

5.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，反应过程中积聚的液相均返回第一旋流腔室进料口。

6.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，第一旋流腔室的液体压降为0.002～0.12MPa，对3微米以上的电解气泡分离效率为99.9～100％。

7.一种利用旋流场强化电解水制氢制氧的装置，其特征在于，包括第一旋流腔室，所述第一旋流腔室的一侧设有第一旋流腔室进料口，在所述第一旋流腔室进料口的侧面固定有第一电极，所述第一旋流腔室的中心设有第一旋流腔室气体出口，所述第一旋流腔室气体出口外接第一旋流腔室排气管线；沿着旋流方向，在所述第一旋流腔室的另一侧设有第一旋流腔室出料口，所述第一旋流腔室出料口内侧设有第二电极，或者在所述第一旋流腔室出料口的外侧设有第二电极；所述第一电极和所述第二电极外接有电源。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一旋流腔室的轴向长度为3～300mm。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一旋流腔室出料口内侧设有第二电极，所述第一旋流腔室出料口连接着第二气体分液罐，所述第一旋流腔室排气管线连接着第一气体分液罐，所述第一气体分液罐的顶部设有第一气体出口，所述第二气体分液罐的顶部设有第二气体出口，所述第一气体分液罐的底部连通所述第二气体分液罐的下部或底部；所述第二气体分液罐的底部通过泵连通所述第一旋流腔室进料口。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第一旋流腔室的直径为11～55mm。

11.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一旋流腔室出料口连通第二旋流腔室，所述第二旋流腔室包括一侧的第二旋流腔室进料口，所述第二电极设置在所述第二旋流腔室进料口上，所述第二旋流腔室的中心设有第二旋流腔室气体出口，所述第二旋流腔室气体出口外接第二旋流腔室排气管线；沿着旋流方向，在所述第一旋流腔室的另一侧设有第二旋流腔室出料口。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述第一旋流腔室出料口连接着第一气体分液罐，所述第二旋流腔室出料口连接着第二气体分液罐，所述第一气体分液罐的顶部设有第一气体出口，所述第二气体分液罐的顶部设有第二气体出口，所述第一气体分液罐的底部连通所述第二气体分液罐的下部或底部；所述第二气体分液罐的底部、所述第二旋流腔室出料口通过泵连通所述第一旋流腔室进料口。

13.根据权利要求11或12所述的装置，其特征在于，所述第一旋流腔室的直径为5～10mm；第一旋流腔室的直径与第二旋流腔室的直径比为1.35～1.5。

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