CN1142324C - 一种电解槽及其燃水器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电解槽，包括电解腔、复合材料电极和压电振荡片。复合材料电极平行置于电解腔内的电解液中。压电振荡片贴在复合材料电极上。电解腔置于电解槽外壳内，其上部设有进液、出气口，下部设有排液口，电解腔与外部电源相连，电解槽外壳与电解腔之间设有散热元件。本发明还设计了用上述电解槽组装成的燃水器，包括电解槽、储气罐、气压限定器和回火阻止阀。本发明设计的电解槽和燃烧器，燃烧后只产生水蒸汽，没有任何有害气体排出，并且在任何需要燃烧加热时通电生成气体，燃烧气体不需储存和运输，能量转换效率高，产气量大，设备体积小，重量轻，便于移动和携带，是一种绿色环保型燃烧加热装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种电解槽及其燃水器，属能源技术领域。
背景技术
人类文明发展到今天，主要依靠碳素或者炭质能源，例如木炭、煤炭、石油和天然气等。在21世纪，人们期望更多地使用氢能源，例如目前热点——燃料电池等。炭质能源的燃烧产生CO和CO2等气体，污染环境，形成温室效应。而氢气燃烧只产生H2O-水，不污染环境。炭质燃料主要浓集浓缩于木炭、煤炭以及石油中，而氢元素主要分布于水中。水中的氢气与氧气的比例为2∶1，从水中提取高浓度的氢气，用作燃料，一直是人们的伟大梦想之一。
尽管人们一直在研究开发从水中制取氢气和氧气的技术和装置，但是至今仍然没有成熟的技术和设备。其主要原因有以下几个方面：1)电解水制取氢气的能量转换效率太低；一般只有40-50％；2)产生气体的安全储存及其容器的密闭性问题没有解决，由于水分解后体积膨胀近1900多倍，大电流电解产生气体体积急剧膨胀，在容器内产生很大压力，容易造成容器密闭失效和泄漏；3)水电解产生的氢气在燃烧时，容易回火并引起输气管道甚至内部容器爆炸；4)由于电解液含有强碱性电解质，腐蚀性很强，容易造成金属电极的电化学腐蚀，电极的寿命短，难于满足一般用户的长期使用；5)一般的装置都比较笨重，单位重量的产气量没有达到人们期望值。很显然，只有同时解决了上述五个关键问题的水分解装置，才能具有使用价值。
影响水溶液电解产生氢气和氧气的能量转换效率的主要因素，是正负电极表面的过电压，直接原因是电极表面形成的气体不能迅速离去，在电极表面形成绝缘性气体层，在一定程度上隔断了电解液与电极表面的直接接触。理论上，施加在电解槽两端所需要的电压Ut，为水电解理论电位Ur、正极过电压Va和负极过电压Vc以及电极电阻的欧姆损耗Ri之和。既：Ut＝Ur+Va+Vi+Ri。有研究结果表明，在大功率高电流密度(2-30A/dm2)的电解槽中，正极与负极的过电压与电解液的欧姆损耗总量，相当于水分解反应实际所需要的能量(R.L.Leray，J.ElectrochemicalSociety，126(1979)P1676)。这就是目前的水电解效率只有50％的低水平的原因。对于人们所需要的高效率电解产生氢气和氧气的中小型装置，降低电极过电压和电解液的欧姆损耗，成为最主要的技术发展趋势。
减少电极的过电压的方法之一，是降低电极周围的电解温度，这可以通过用小电流电解或者降低电极的电流密度来实现，例如这个专利申请CN90217368.5和CN92203868.6所倡议的那样，使电解反应在高电压小电流状态下工作。小电流电解装置只能用于科学实验等用气量小的场合。对于用气量需要比较大的场合，例如工业加热和高温燃烧，小电流型装置将是大而笨重，缺乏经济性。例如专利公开号CN1122615A介绍的电解设备，就是用盐酸或硝酸等酸性溶液为原料，经过变压整流使动力电源转变成高电压小电流密度装置而制备工业氢气，设备系统大而复杂。设备系统成本过高，难于实现。
减少电极的过电压的最有效的方法，是如何快速除去电极表面不断形成的氢气和氧气的薄层。因为氢气和氧气薄层具有很高的电阻。具有催化效果的电极将能促进电解反应更快速进行，并使气体薄层更快脱离电极。使用新型的具有催化效果的电极材料，无疑将降低电极过电压；另一个除去材料表面气泡的方法，是超声振动。超声振动已经广泛地应用于超声清洗和超声雾化装置中，但是，其被应用于电解槽内电极表面气泡去除的研究，还没有报道。
发明内容
本发明的目的是设计一种高效电解槽及其燃水器，使其能够简便地将自来水转换成可燃性气体并形成高温火焰，通过使用新材料作为电极和使用超声振动降低电解电压，大大提高电解装置的产气量；通过安装气压限定器、回火阻止阀门等装置等，使水电解产生的氢氧混合气体安全燃烧并产生高温加热火焰，满足温室加热、烹调炊事、金属切割焊接、陶瓷玻璃的熔断、局部烧结和重熔愈合修补，以及垃圾焚烧等高温操作的需要。
本发明设计的高效电解槽，包括电解腔、复合材料电极和压电振荡片。复合材料电极.正负极相互间隔地横向平行置于电解腔内的电解液中。压电振荡片贴在复合材料电极上。电解腔置于电解槽外壳内，电解腔的上部设有进液、出气口，下部设有排液口，电解腔与外部电源相连，电解槽外壳与电解腔之间设有散热元件。
上述电解槽中的复合材料电极可以为镍基金属与陶瓷的复合材料。
上述镍基金属与陶瓷的复合材料中，镍基金属为镍-钴-锌合金，其重量百分比为60％-97％，其余为导电氧化物陶瓷。
本发明还设计了用上述电解槽组装成的高效燃水器，包括电解槽、储气罐、气压限定器和回火阻止阀。其中的储气罐与电解槽中电解腔上部的进液、出气口相连接，气压限定器和回火阻止阀与储气罐依次相连。
本发明设计的高效电解槽及其燃水器公开的燃水器，是一种使水的电解产物安全燃烧的装置，在电解槽中安装有新型复合材料电极和电子振荡陶瓷元件，新型电极可以高效率地产生氢气和氧气，电子振荡元件的振荡可以使新生成的氢气和氧气快速脱离电极表面向电解槽上部集中。电解槽外部安装有气压限定器和回火阻止阀门，前者使电解槽内及相连管道的气压保持在安全压力以下，后者使燃烧着的火焰不会返回到电解槽内。在电解槽侧面安装水位显示仪，便于随时监测电解槽的水位和水质变化。燃烧部分主要由喷嘴组成，将喷嘴口喷出的混合气体点燃，可以形成最高达到3000多度的火焰。使用不同结构和形状的喷嘴，可以自由地改变燃烧火焰的形状和长度，以用于温室加热、烹调炊事、金属切割焊接、陶瓷玻璃的熔断、局部烧结和重熔愈合修补，以及高温垃圾的焚烧处理等。这种水电解气体燃烧后只产生水蒸汽，没有任何有害气体排出，并且在任何需要燃烧加热时通电生成气体，燃烧气体不需储存和运输。设备能量转换效率高，产气量大，设备体积小，重量轻，便于移动和携带，是一种绿色环保型燃烧加热装置。
附图说明
图1是本发明设计的高效电解槽的结构示意图。
图2是本发明设计的高效燃水器的结构示意图。
图1和图2中，1是出气、进液口，2是电解腔，3是电解液，4是金属陶瓷复合材料电极，5是压电振荡片，6是散热元件，7是电源，8是排液口，9是电解槽外壳，10是电解槽，11是储气罐，12是气压限定器，13是回火阻止阀门，14是燃烧炉。
具体实施方式
如图1所示，本发明设计的高效电解槽，包括电解腔2、复合材料电极4和压电振荡片5。复合材料电板正负板相互间隔地横向平行置于电解腔内的电解液中。压电振荡片5贴在复合材料电极4上。电解腔2置于电解槽外壳9内，电解腔的上部设有进液、出气口1，下部设有排液口8，电解腔2与外部电源7相连，电解槽外壳9与电解腔2之间设有散热元件6。
上述电解槽中的复合材料电极4可以为镍基金属与陶瓷的复合材料。
本发明还设计了用上述电解槽组装成的高效燃水器，包括电解槽10、储气罐11、气压限定器12和回火阻止阀13。其中的储气罐11与电解槽10中电解腔上部的进液、出气口1相连接，气压限定器12和回火阻止阀13与储气罐11依次相连。
本发明设计的电解槽中的电极，采用新型的镍基金属与陶瓷的复合材料制作而成，既具有金属的导电性和表面催化性能，又具有陶瓷的耐腐蚀性和长寿命的特长。电解槽中的电极组数目视产气要求而定。电解槽上贴装有片式压电陶瓷振荡器，可以使电极板表面发生超声振动，使附着其表面的氢气和氧气气泡迅速脱离电极表面，还可以促进电解槽内电解液的扩散和对流。电解槽中的电解液为水、蒸馏水或水蒸汽，电解质为氢氧化钾或氢氧化钠，产生的气体为氢气和氧气的混合气体，两者的混合比接近水的原子比。
本发明设计的燃烧器中的气压限定器与电解槽的气体排出口相连，当排出气体压力达到限定压力时，会自动切断电解槽的动力电源，临时中止电解反应；当气体压力逐渐消耗并降低到最低限定气压时，电解槽电源自动接通，电解反应继续进行。其中的回火阻止阀门，置于电解槽与燃烧器之间，当燃烧器火焰发生回火并进入阀门时，会自动隔断火苗进入电解槽内部，使火苗立即自动熄灭。
本发明所公开的燃水器，是电解水气体的高温燃烧加热装置。针对目前电解水装置的效率低、设备大而笨重、使用寿命短和使用安全性差的情况，本发明通过采用全新的金属陶瓷复合材料作为水电解电极，具体地说，是用镍基合金陶瓷复合电极替代目前常用的铁基不锈钢金属电极，以大大提高表面催化性能和电极的使用寿命；在电解槽中安装压电陶瓷超声去泡元件，使电极表面的气体能够快速脱离并聚合成大气泡而迅速逸出；在反应槽内安装的气压限压器，在产生气体的压力超过额定气压时能够像电流保险丝那样自动断电而临时暂停电解，保证电解槽、储气罐以及气体输送管道的安全，当气压降至额定气压下限时，又能重新接通电源继续电解；在气体管道的出气口附近安装阻止回火阀门，使得由于不正常操作时产生的管道回火不会蔓延到电解槽内部。
该发明所描述的燃水器，是一种使水溶液高效率电解并安全燃烧电解气体的装置，它包括水的电解装置部分和电解产物——氢氧混合气体安全燃烧的两大部分。该装置主要由电解槽部分、电源控制部分、气压限定器、回火阻止阀门、水位显示仪、气体输出管道和燃烧炉等部分组成。电解槽中装有新型陶瓷金属复合材料电极、碱性电解液和超声振荡片。其工作过程是，在通电状态下，水或碱性电解液在电解槽中被电极电解分别形成氢气和氧气，在超声振荡作用下，电极表面新生成的氢气和氧气快速向电解槽上部移动并聚集，经由回火阻止阀门后，由输气管道输送到燃烧炉的喷嘴，在喷嘴处点燃排出的混合气体即可燃烧。通过控制气流量、气压和喷嘴形状，可以控制燃烧火焰的形状、加热面积和燃烧温度，最高温度可达到3000多度。
本发明具有以下特点：
1、水解装置与使用电解气体的燃烧装置被连成一体，设备紧凑，例如，每小时产气量达到1000-2000升的装置，只有约40×50×70cm大小，重量只有60-90公斤。
2、采用了新型陶瓷金属复合材料电极，主要为镍基钙钛矿型陶瓷与镍合金的复合金属板作电极，增加了电极的表面水解催化效果，又发挥了陶瓷材料的耐酸碱腐蚀性强的特点，大大增加了电极板的服役使用寿命。目前一般使用的不锈钢电极只能使用1年左右，更长的使用时间会导致电极腐蚀穿透而漏电。本发明的陶瓷金属复合材料电极，使用寿命比不锈钢电极提高2倍以上。电解槽中的电极数目可根据产气要求而定，常用4～8个电极板。
3、在电极板上安贴了超声振荡片，它由压电陶瓷做成。该压电陶瓷振荡片为PTZ陶瓷组成，形状园片状，园片直径为φ10-20mm，厚度为1.0-2.65mm，振动频率为10-100KHz，以10-50KHz为佳。振动功率为10-50W。其工作是产生的超声振动，在电解槽内产生的压力可高达到1×104kg/cm2的大压力(约合数百个大气压)，达到吸引和排挤电极表面气泡的作用，使氢气和氧气的气泡快速脱离电极表面，还能增加电解槽内部的电解液和电解质的对流，大大降低电极板周围的过电压。水在80度时电解的理论电压为1490mV，而在200V-20A的大电流下不锈钢电极电解所需要的电压为2500-3100mV。使用新型电极和安贴超声振荡片后，电解所需要的电极过电压减少了250mV甚至更多，大大降低了电极表面的过电压损耗和电解质的欧姆损耗，大幅度提高了电解效率，可使电解效率提高到77％。
4、与电解槽、储气罐连通的输气管与气压限定器相连，当电解槽内气体压力超过额定气压(例如1.8个大气压)时，气压限定器会自动切断电源，临时停止供电，中止产气；当内部气压小于最低限定气压(例如1.3个大气压)时，气压表会自动接通电源，继续电解反应。
5、在输气管中间还安装有回火阻止阀门。当发生燃烧着的火焰向输气管道内部蔓延时，回火阻止装置会立即堵塞回气通路，隔断火焰，使其不会进入电解槽内部。当火焰正在工作加热时，如果发生突然停电事故，电解槽内气压会逐渐降低，如果降低到1个大气压左右，操作人员又没能及时熄灭火焰，则火焰可能萎缩进入输气管道而发生回火现象，这是，回火阻止阀门就会发挥作用，保证设备安全。
6、电解槽的侧面连通一个透明的水位显示仪，可以从设备外部直接观察到电解槽内水位的降低和水质的蜕变。如果水位降低到设定下限，就发出警报提醒补充水源，如果观察到水质浑浊，则需要更换电解液或者清洗电解槽，以保证电解槽的原料(水及电解质)的数量和质量。
本发明的功效在于，利用相对小型轻便的装置，能够将水电解产生的混合气体安全燃烧应用于高温加热。设备为50-100公斤，单位重量的产气量为15-30L/kg。消耗物质为水或者蒸馏水，每小时消耗1-2升水，每升水电解产生约1900升混合燃烧气体，每小时可以产生热量高达4000-6000千卡，适用于快速加热和局部加热。整体设备的电能转换效率高达77％以上。这种设备可用于温室加热、烹调炊事、金属切割焊接、陶瓷玻璃的熔断、局部烧结和重熔愈合修补，以及高温垃圾的焚烧处理等。燃烧加热温度可达3000多度，是一种绿色环保型燃烧加热装置。
下面结合附图和实施例，对本发明装置的工作原理和过程进行说明。
这种装置适合于燃气量(或产气量)为每小时0.1-10立方米的水电解气体发生器和燃烧器。其输入功率为1KW-100KW范围。该装置使用普通交流电源即可正常工作。附图1为电解槽结构示意图，附图2是燃水器工作原理简图。
实施例1：以产气量为1500升/小时的燃水器为例，说明该发明装置的工作过程和性能。在5升水或蒸馏水中加入30％重量百分比的氢氧化钾，充分搅拌溶解后，注入到该燃水器装置的倒Y型注水口中；密封注水口后，接通220V的电源，将电流表逐渐加大到10A-15A(安培)，水在电解槽中被电解产生氢气和氧气，燃水器仪表板上的气压表缓慢上升，指针超过0.03Mpa(此时产气气压为1.3个大气压)时，在燃烧炉上点火。火焰喷嘴直径为0.6mm，火焰细而直，火焰长度可达10-30cm，火焰温度可达2000-3000℃，可用于切割金属和熔化玻璃。
实施例2：用实施例1的设备和操作顺序，将喷嘴口(燃烧口)的出气口直径换为更小的喷嘴，例如0.3mm的喷嘴，产气速度大于排气速度，气压表指针持续上升，当上升到预先设定的0.08Mpa(此时产气气压约为1.8个大气压)时，电源自动被切断，电流表指针回落到零。喷嘴口火焰继续燃烧，内部气体继续排出而使内部气压降低，指针逐渐回落。当气压表指针回落到设定的0.03Mpa下限时，电源又自动接通，电流表指针回复到10A或15A，气压表再逐渐回升。气压限定器起到了限定电解槽内气压和连动电源开关的作用，保证了电解槽及其相连的输气管道气压在安全范围内。
实施例3：以产气量为2000升/小时的燃水器为例，按照实施例1操作顺序，使燃水器稳定持续工作时间超过10小时后，水位计的指示球降低到接近于水位下限。这时，暂时停机，放尽输气管道中的剩余气体后，打开后置的倒Y字型注水口，补充4升左右的水或者蒸馏水。封盖后，又可以继续使用。
实施例4：以实施例3的装置和操作顺序，以自来水作为水源，断续向电解槽补充消耗掉的水分。3个月后，透明水位计中的水质出现浑浊甚至红色铁锈悬浮物。这时，放出剩余的电解液，注入稀酸清洗电解槽一次，然后注入清水冲洗一次后，再按照实施例3的步骤重新注入新鲜的电解液和加入电解质，可继续正常使用。用这种方法，可以保持电极板的清洁，除去电极板表面的绝缘薄层，恢复(refresh)电极电解效率，增加电极的使用寿命。
实施例5：以产气量为1000L/小时的装置为例，按照实施例1的顺序，点燃喷嘴喷出的混合气体。通过操作旋钮快速将工作电流降低到零，中止产气，电解槽内压力下降，喷嘴火焰变小。当气压降低到1.1个大气压附近时，火焰突然消失，并伴随氢气燃烧特有的爆鸣声，并能观察到回火阻止阀门的振动。这说明回火阻止阀门对回火有响应。再按照实施例1的步骤重新启动产气装置，并在喷嘴出气口点火，火焰正常燃烧，包括气压表在内的机器各个部位工作正常。这说明回火阻止阀门发挥了作用。如果由于操作失误，或者突然停电导致含有氢气的混合气体燃烧火焰回火，回火阻止阀门都能阻止高温火焰进入电解槽，达到保护设备和人员安全的目的。
实施例6：对比实验。以实施例3的装置实验，测试其产气量、功率、能量转换效率以及电极使用使命等性能参数。输入功率为220V-20A，体积为40×50×70cm，重量80公斤。
对比例1：用实施例6的同样装置，置换使用常用的不锈钢金属材料作电解电极的电解槽，测试同样参数。这些实验结果列于表1。
对比例2：用实施例6的同样装置，拆除电解槽上粘贴的压电陶瓷振荡片，测试同样参数。这些实验结果列于表1。
表1：发明燃水器的主要使用性能对比
| 序号 | 对比项目 | 实施6 | 对比例1 | 对比例2 |
| 1. | 设备外形尺寸 | 40×50×70cm | 40×50×70cm | 40×50×70cm |
| 2. | 设备输入功率 | 3.2KW | 3.2KW | 3.2KW |
| 3. | 每小时产气量 | 1600-2000L/H | 1000-1200L/H | 1200-1500L/H |
| 4. | 能量转换效率 | 65-77％ | 45-55％ | 55-64％ |
| 5. | 电极使用寿命 | 2.0年以上 | 0.6-1.0年 | 2.0年以上 |
从上面的对比中，可看出使用本发明的金属陶瓷复合材料电极能够非常显著地提高能量转换效率，即使不使用压电振荡片，其能量转换效率也比不锈钢电极高出10％-15％。
必须阐明，虽然上面已经通过实施例解释了本发明的内容，然而所有这些实施例和相关的改进方案及变化方案，对于本领域的技术人员来说都是容易做到的，并且可以认为，这些方案都将落入本发明的大范围和限定范围之内。
Claims (2)
1、一种电解槽，其特征在于该电解槽包括电解腔、复合材料电极和压电振荡片：所述的复合材料电极正负极相互间隔地横向平行置于电解腔内的电解液中；所述的压电振荡片贴在复合材料电极上；所述的电解腔置于电解槽外壳内，电解腔的上部设有进液、出气口，下部设有排液口，电解腔与外部电源相连，电解槽外壳与电解腔之间设有散热元件，其中所述的复合材料电极为镍基金属与陶瓷的复合材料，所述的镍基金属为镍-钴-锌合金，其重量百分比为60％-97％，其余为导电氧化物陶瓷。
2、一种高效燃水器，其特征在于该燃水器包括电解槽、储气罐、气压限定器和回火阻止阀，所述的电解槽包括电解腔、复合材料电极和压电振荡片，复合材料电极正负极相互间隔地横向平行置于电解腔内的电解液中，压电振荡片贴在复合材料电极上；所述的电解腔置于电解槽外壳内，电解腔的上部设有进液、出气口，下部设有排液口，电解腔与外部电源相连；所述的储气罐与电解腔上部的进液、出气口相连接，气压限定器和回火阻止阀与储气罐依次相连。
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