CN114990571A - 电解水装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电解水装置，所述电解水装置包括电解槽、氧纳米气泡发生器、氢纳米气泡发生器、储氧罐和储氢罐，所述电解槽用于盛放电解液且具有阳极室、阴极室和隔膜，所述阳极室内设有阳极电极，所述阴极室内设有阴极电极，所述氧纳米气泡发生器用于向阳极室内供给氧纳米气泡，所述氢纳米气泡发生器用于向阴极室内供给氢纳米气泡。本发明实施例的电解水装置通过向电解槽内通入氢纳米气泡和氧纳米气泡，有效增加了电解水过程中氢气和氧气的成核速率和上浮速度，减少了气泡成核和聚集过程中的能量消耗，从而减少电解过程中电能的损耗、无效热量的产生与耗散，提升电解水所耗电能的综合利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及电解设备技术领域，尤其涉及一种电解水装置。
背景技术
氢能源作为一种清洁能源，其取代化石燃料能够最大限度地减弱二氧化碳温室气体效应。电解水制氢是一种较为方便的制取氢气的方法，在充满电解液的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。
相关技术中，电解水制氢的主要问题是能量转换效率较低，以目前现行主流碱式电解槽技术而言，电解水制氢的总能量转换效率仅约为66％左右。一标方氢气(89.9克)所含热值(以高位热值HHV142MJ/Kg计算)12.77MJ相当于3.55度电能；而电解水生成1标方氢气所耗电能(包括厂用电)平均约5.3度电左右。由于电解槽本身作为一个电阻，在电解通电过程中存在大量发热的现象，一般电解槽在正常工作时其温度保持在90摄氏度左右，所以交流电经直流整流后一方面转换成为氢气的化学能储存下来，其它部分则被多个物理化学过程给耗散掉了，从而导致能量转换效率低。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的实施例提出一种可以有效提升能力转换效率的电解水装置。
本发明实施例的电解水装置包括电解槽、阳极电极、阴极电极、氧纳米气泡发生器、氢纳米气泡发生器、储氧罐和储氢罐，所述电解槽用于盛放电解液且具有阳极室、阴极室和隔膜，所述隔膜设在所述阳极室和所述阴极室之间，所述阳极室内设有阳极电极，所述阴极室内设有阴极电极，所述氧纳米气泡发生器用于向所述阳极室内供给氧纳米气泡，所述氢纳米气泡发生器用于向所述阴极室内供给氢纳米气泡，所述储氧罐与所述阳极室连通，所述储氢罐与所述阴极室连通。
本发明实施例的电解水装置，通过向电解槽内通入氢纳米气泡和氧纳米气泡，有效增加了电解水过程中氢气和氧气的上浮速度，减少了气泡成核和聚集过程中的能量消耗，从而减少电解过程中电能的损耗、无效热量的产生与耗散，提升电解水所耗电能的综合利用效率，实用性强。
在一些实施例中，所述阳极电极和所述阴极电极均为多孔电极，所述氧纳米气泡发生器与所述阳极电极相连，所述氢纳米气泡发生器与所述阴极电极相连。
在一些实施例中，所述氧纳米气泡发生器与所述阳极电极一体形成，所述氢纳米气泡发生器与所述阴极电极一体形成。
在一些实施例中，所述阳极电极和所述阴极电极为贵金属电极、石墨电极、MOC石墨烯电极或合金多孔电极。
在一些实施例中，所述电解水装置还包括：
氧分离器，所述氧分离器的入口与所述阳极室的阳极出液口连通，所述氧分离器的出口与所述氧纳米气泡发生器和所述储氧罐连通；
氢分离器，所述氢分离器的入口与所述阴极室的阳极出液口连通，所述氢分离器的出口与所述氢纳米气泡发生器和所述储氢罐连通。
在一些实施例中，所述氧分离器的出口包括第一排气口、第二排气口和第一排液口，所述第一排气口与所述氧纳米气泡发生器连通，所述第二排气口与所述储氧罐连通，所述第一排液口与所述阳极室的阳极回液口连通。
在一些实施例中，所述氢分离器的出口包括第三排气口、第四排气口和第二排液口，所述第三排气口与所述氢纳米气泡发生器连通，所述第四排气口与所述储氢罐连通，所述第二排液口与所述阴极室的阴极回液口连通。
在一些实施例中，所述电解水装置还包括：
阳极电解液存储槽，所述阳极电解液存储槽与所述阳极室的阳极补液口连通；
阴极电解液存储槽，所述阴极电解液存储槽与所述阴极室的阴极补液口连通。
在一些实施例中，所述电解液为碱性电解液。
在一些实施例中，所述电解水装置还包括稳压电源，所述稳压电源的正极与所述阳极电极相连，所述稳压电源的负极与所述阴极电极相连。
附图说明
图1是本发明实施例的电解水装置的示意图。
附图标记：
1、电解槽；11、阳极室；111、阳极出液口；112、阳极回液口；12、阴极室；121、阴极出液口；122、阴极回液口；13、隔膜；14、阳极电极；15、阴极电极；
2、氧纳米气泡发生器；
3、氢纳米气泡发生器；
4、储氢罐；
5、氧分离器；51、第一排气口；52、第二排气口；53、第一排液口；
6、氢分离器；61、第三排气口；62、第四排气口；63、第二排液口；
7、阳极电解液存储槽；
8、阴极电解液存储槽；
9、储氧罐。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图描述本发明实施例的电解水装置。
如图1所示，本发明实施例的电解水装置包括电解槽1、氧纳米气泡发生器2、氢纳米气泡发生器3、储氧罐9和储氢罐4，其中电解槽1是电解水制氢装置的主要结构，氧纳米气泡发生器2用于产生氧纳米气泡，氢纳米气泡发生装置用于产生氢纳米气泡，储氧罐9与阳极室11连通以收集和储存电解水装置产生的氧气，储氢罐4与阴极室12连通以收集和储存电解水装置产生的氢气。
电解水制氢是一种较为方便的制取氢气的方法。在充满电解液的电解槽1中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。由于纯水的电离度很小、导电能力低，属于典型的弱电解质，所以一般在电解槽1中加入碱性或酸性电解质以增加溶液的导电能力，使水能够更快速地电解成为氢气和氧气。
纳米气泡是存在于液体中直径小于200纳米的微型气泡，纳米气泡可以是存在于任何种类的液体中的任何种类的气体。例如氢纳米气泡和氧纳米气泡，对于水中的纳米气泡，大量微气泡存在于水中使水呈现奶白色，俗称“牛奶水”，由于气泡尺度非常小、比一粒盐小约2500倍，纳米气泡呈现出多种独特的物理及化学性质。根据斯托克斯定律，气泡在水中的上升速度与气泡直径的平方成正比，所以纳米气泡的上升速度非常慢，其数量级大致为每天上升毫米量级。另外由于纳米气泡表面带负电(zeta电位)，它们在水中能够保持很长时间的稳定性；而宏观气泡的尺寸大，在水中会迅速上升并在水面上破裂。由于纳米气泡的特殊物理化学特征，其在液体里保持稳定的周期可以达到6个月，这个特征为该技术的许多商业应用提供支撑。不同气体的纳米气泡发生器为成熟的现有技术，对其具体结构不再赘述。
电解水制氢的过程中，相当一部分的能量是用于氢气和氧气的气泡成核和聚集的过程，本发明实施例的电解水装置，结合微纳米气泡的诸多物化特征，利用氢纳米气泡发生器3在电解槽1的阴极室12的阴极电极15附近添加氢纳米气泡，利用氧纳米气泡发生器2在阳极室11的阳极电极14附近同步添加氧纳米气泡。由于氢纳米气泡和氧纳米气泡的存在，氢气与氧气将以各自的纳米气泡为核快速发生聚集；当气泡聚集到一定程度时便开始上浮，上浮的途中将持续吸纳更多的气体聚集，直至浮出液面以便收集纯化。纳米气泡作为原始气核，它们的加入直接省却了气体成核的过程，使得电解产生气体形成上浮气泡的过程更快速、所需要的能量更少，而其中过程更快速本身也意味着电解槽1发热量的减少，从而提升整个电解系统的能量转换效率。
本发明实施例的电解水装置，通过向电解槽1内通入氢纳米气泡和氧纳米气泡，有效增加了电解水过程中氢气和氧气的上浮速度，减少了气泡成核和聚集过程中的能量消耗，从而减少电解过程中电能的损耗、无效热量的产生与耗散，提升电解水所耗电能的综合利用效率，实用性强。
需要说明的是，电解槽1为二室结构，电解槽1具有阳极室11、阴极室112和隔膜13，隔膜13设在阳极室11和阴极室12之间，阳极室11内设有阳极电解，阴极室12内设有阴极电极15，且阳极室11和阴极室12内均设有电解液。本发明实施例的电解水装置仅针对二室结构的电解槽1进行描述，当然，电解槽1也可以为三室结构或者一室结构，三室结构的电解槽1包括阳极室11、中间室和阴极室12，相邻的室之间设有隔膜13，一室的电解槽1不具有隔膜13，仅在电解槽1内设有电极。
在一些实施例中，阳极电极14和阴极电极15均为多孔电极，氧纳米气泡发生器2与阳极电极14相连，氢纳米气泡发生器3与阴极电极15相连，换言之，阳极电极14和和阴极电极15上均设有多个孔，并且阳极电极14上的孔与氧纳米气泡发生器2连通，阴极电极15上的孔与氢纳米气泡发生器3连通，氧纳米气泡发生器2产生的氧纳米气泡直接通过阳极电极14进入到阳极室11内，氢纳米气泡发生器3产生的氢纳米气泡直接通过阴极电极15进入到阴极室12内，由此，氧纳米气泡和氢纳米气泡可以直接地进入到电解槽1内，提高电解效率。
在一些实施例中，氧纳米气泡发生器2与阳极电极14一体形成，氢纳米气泡发生器3与阴极电极15一体形成，即，将纳米气泡发生器和电极集成设计为一体化的多孔介质。
如此设置，则可以直接向阳极电极14和阴极电极15中通入高压氢气或者氧气饱和溶液，溶液通过多孔介质后，随着压力的降低，氢气或者氧气逐渐以纳米气泡的形式析出，从而帮助形成氢气或者氧气泡，进而提升整个电解系统的能量转换效率。
电极的材料可以为多种，可选地，阳极电极14和阴极电极15为贵金属电极、石墨电极、MOC石墨烯电极或高性能合金多孔电极。
在一些实施例中，电解水装置还包括氧分离器5和氢分离器6，阳极室11设有阳极出液口111，阳极出液口111与氧分离器5的输入端连通，氧分离器5的输出端与氧纳米气泡发生器2和储氧罐9连通，阴极室12设有阳极出液口111，阴极出液口121与氢分离器6输入端与连通，氢分离器6的输出端与氢纳米气泡发生器3连通。
氧分离器5用于将阳极室11产生的氧进行气液分离，氢分离器6用于将阴极室12产生的氢进行气液分离，氧分离器5分离出的氧气和氢分离器6分离出的氢气可直接供给氢纳米气泡发生器3和氧纳米气泡发生器2，无需额外设置气源，使得电解水装置的整体结构更加简单，并且有利于节约能源。
具体地，氧分离器5的输出端包括第一排气口51、第二排气口52和第一排液口53，第一排气口51用于排出氧气，第一排液口53用于排出电解液，第一排气口51与氧纳米气泡发生器2连通，阳极室11还设有阳极回液口112，第一排液口53与阳极回液口112连通，电解液回到电解槽1内重复利用。需要说明的是，氧纳米气泡发生器2所需的氧气少于电解水装置产生的氧气，多余的氧气通过第二排气口52进入到储氧罐9内进行收集利用。
氢分离器6的输出端包括第三排气口61、第四排气口62和第二排液口63，第三排气口61和第四排气口62均用于排出氢气，第二排液口63用于排出电解液，电解水装置产生的氢气一部分通过第三排气口61进入氢纳米气泡发生器3内利用，另一部分通过第四排气口62进入到储氢罐4内储存，阴极室12还设有阴极回液口122，第二排液口63与阴极回液口122连通，电解液回到电解槽1内重复利用。
在一些实施例中，电解水装置还包括阳极电解液存储槽7和阴极电解液存储槽8，阳极电解液存储槽7内存储有阳极电解液，阴极电解液存储槽8内存储有阴极电解液，阳极室11还设有阳极补液口，阳极电解液存储槽7与阳极补液口连通，从而对阳极电解液进行补充，阴极室12还设有阴极补液口，阴极电解液存储槽8与阴极补液口连通，从而对阴极电解液进行补充。
优选地，本发明实施例的电解水装置电解液为碱性电解液。电解水制氢为在充满电解液的电解槽1中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。生产过程中为提高水的离子导电率以及减少电解水制氢过程中其他杂离子的干扰，一般其电解液可采用碱液(如KOH、NaOH溶液)。碱性液体电解水技术是以KOH、NaOH水溶液作为电解质，采用石棉布等作为隔膜13，在直流电的作用下将水电解生成氢气和氧气
在一些实施例中，电解水装置还包括稳压电源，稳压电源用于给电解槽1提供电能，稳压电源的正极与阳极电极14相连，稳压电源的负极与阴极电极15相连。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种电解水装置，其特征在于，包括：
电解槽，所述电解槽用于盛放电解液且具有阳极室、阴极室和隔膜，所述隔膜设在所述阳极室和所述阴极室之间，所述阳极室内设有阳极电极，所述阴极室内设有阴极电极；
氧纳米气泡发生器，所述氧纳米气泡发生器用于向所述阳极室内供给氧纳米气泡；
氢纳米气泡发生器，所述氢纳米气泡发生器用于向所述阴极室内供给氢纳米气泡；
储氧罐，所述储氧罐与所述阳极室连通；
储氢罐，所述储氢罐与所述阴极室连通。
2.根据权利要求1所述的电解水装置，其特征在于，所述阳极电极和所述阴极电极均为多孔电极，所述氧纳米气泡发生器与所述阳极电极相连，所述氢纳米气泡发生器与所述阴极电极相连。
3.根据权利要求2所述的电解水装置，其特征在于，所述氧纳米气泡发生器与所述阳极电极一体形成，所述氢纳米气泡发生器与所述阴极电极一体形成。
4.根据权利要求1所述的电解水装置，其特征在于，所述阳极电极和所述阴极电极为贵金属电极、石墨电极、MOC石墨烯电极或合金多孔电极。
5.根据权利要求1所述的电解水装置，其特征在于，还包括：
氧分离器，所述氧分离器的入口与所述阳极室的阳极出液口连通，所述氧分离器的出口与所述氧纳米气泡发生器和所述储氧罐连通；
氢分离器，所述氢分离器的入口与所述阴极室的阳极出液口连通，所述氢分离器的出口与所述氢纳米气泡发生器和所述储氢罐连通。
6.根据权利要求5所述的电解水装置，其特征在于，所述氧分离器的出口包括第一排气口、第二排气口和第一排液口，所述第一排气口与所述氧纳米气泡发生器连通，所述第二排气口与所述储氧罐连通，所述第一排液口与所述阳极室的阳极回液口连通。
7.根据权利要求5所述的电解水装置，其特征在于，所述氢分离器的出口包括第三排气口、第四排气口和第二排液口，所述第三排气口与所述氢纳米气泡发生器连通，所述第四排气口与所述储氢罐连通，所述第二排液口与所述阴极室的阴极回液口连通。
8.根据权利要求1所述的电解水装置，其特征在于，还包括：
阳极电解液存储槽，所述阳极电解液存储槽与所述阳极室的阳极补液口连通；
阴极电解液存储槽，所述阴极电解液存储槽与所述阴极室的阴极补液口连通。
9.根据权利要求1所述的电解水装置，其特征在于，所述电解液为碱性电解液。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的电解水装置，其特征在于，还包括稳压电源，所述稳压电源的正极与所述阳极电极相连，所述稳压电源的负极与所述阴极电极相连。
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