CN115287680A - 一种利用超声波场的电解水制氢系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用超声波场的电解水制氢系统，包括：电力供应系统、控制系统、超声波发生系统、电解槽系统、冷却循环系统。通过上述方式，本发明一种利用超声波场的电解水制氢系统，一方面通过超声波换能器对超声波发生器产生的特定频率信号进行转化，以形成超声波场并产生空化气泡，实现了电极表面的清洁，提高了电化学反应速率；一方面冷却水槽与电解槽的温度由传感器传至控制系统并进行调节，保证了电解槽内电解水的温度，从而保障电解槽的电解性能；另一方面，电解槽、超声波发生器、冷却循环泵等均由控制系统控制，自动化控制程度高，操作方便，降低了人为调控的风险。
Description
技术领域
本发明涉及电解水制氢技术领域，特别是涉及一种利用超声波场的电解水制氢系统。
背景技术
在“双碳”目标背景下，随着氢能产业发展中长期规划的发布，氢能上升到国家能源战略地位。利用风电及光伏发电电解水制氢，将间歇性可再生能源转化为氢能，可实现多种能源跨地域、跨时间优化配置。但在电解水制氢的过程中，氢气和氧气生成之后会聚集在电极板的附近。而当这些气泡粘附在电极板表面时，就会增加电极板上的阻抗，导致较高的过电位，同时也会减少电极板与电解液的有效接触面积；而当气体聚集在电解液中时，电解液中的气相浓度增加也会影响溶液的电导率。这些问题都会造成电解过程耗电量的增加。
超声波场的存在，形成空化气泡，对电极表面进行清洁，使电极表面的气泡消失，进而增加了电极表面积，从而提升电化学反应速率，增加了氢气产量。因此，超声波场的存在对降低电解水的能耗，提高电能的利用效率，进一步降低制氢成本具有重要的意义。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种利用超声波场的电解水制氢系统，具有可靠性能高、效率高、精准控制等优点，同时在电解水制氢的应用及普及上有着广泛的市场前景。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：
提供一种利用超声波场的电解水制氢系统，包括：电力供应系统、控制系统、超声波发生系统、电解槽系统、冷却循环系统，所述电力供应系统、所述超声波发生系统、所述电解槽系统和所述冷却循环控制系统均与所述控制系统相连接，
所述超声波发生系统包括超声波发生器以及超声波换能器，与所述超声波发生器相连接的所述超声波换能器设置于所述冷却水槽中，以对超声波发生器产生的频率信号进行转化，从而形成超声波场和用于清洁电极的空化气泡，
所述冷却循环系统包括用于存储冷却循环水的冷却水槽、冷却水循环泵、冷却水进水口、冷却水出口、温度传感器，所述电解槽和所述温度传感器设置于所述冷却水槽内，使得电解槽的浸入冷却循环水中，所述冷却水进水口设置于所述冷却水槽的下部，所述冷却水循环泵与所述冷却水进水口相连接，以将冷却水出口排出并冷却后的冷却循环水和/或其他外接设备中的冷却循环水送入冷却水槽中，所述冷却水出口设置于所述冷却水槽的上部，以将冷却水槽中的冷却循环水抽出，从而控制冷却循环水的循环使用。
在本发明一个较佳实施例中，电力供应系统采用了可再生能源发电系统。
在本发明一个较佳实施例中，所述冷却水循环泵与冷却水出口通过循环冷却管道相连接。
在本发明一个较佳实施例中，所述电解槽系统包括电解槽、电极、反应仓、氧气收集口、氢气收集口，用于安装放置电极的两个所述反应仓相对设置于所述电解槽的上部，其中一个所述反应仓的上部设置有一所述氧气收集口，另一个反应仓的上部设置有一所述氢气收集口。
在本发明一个较佳实施例中，所述氧气收集口和所述氢气收集口位于冷却循环水的上方。
在本发明一个较佳实施例中，电解槽中的运行温度为60～80℃。
在本发明一个较佳实施例中，超声波发生器发送的超声波信号大于或等于20kHz。
本发明的有益效果是：一方面通过超声波换能器对超声波发生器产生的特定频率信号进行转化，以形成超声波场并产生空化气泡，实现了电极表面的清洁，提高了电化学反应速率；一方面冷却水槽与电解槽的温度由传感器传至控制系统并进行调节，保证了电解槽内电解水的温度，从而保障电解槽的电解性能；另一方面，电解槽、超声波发生器、冷却循环泵等均由控制系统控制，自动化控制程度高，操作方便，降低了人为调控的风险。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明的一种利用超声波场的电解水制氢系统一较佳实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例包括：
一种利用超声波场的电解水制氢系统，包括电力供应系统1、控制系统2、超声波发生系统、电解槽系统、冷却循环系统。
所述电解槽系统可以采用常用的电解槽结构，主要包括电解槽11、电极12、反应仓、氧气收集口13、氢气收集口14，用于安装放置电极的两个所述反应仓相对设置于所述电解槽的上部，其中，一个所述反应仓的上部设置有一所述氧气收集口，另一个反应仓的上部设置有一所述氢气收集口。
所述超声波发生系统包括超声波发生器5以及超声波换能器6，与所述超声波发生器相连接的所述超声波换能器设置于所述冷却水槽中。
所述冷却循环系统包括用于存储冷却循环水4的冷却水槽3、冷却水循环泵7、冷却水进水口8、冷却水出口9、温度传感器10，所述电解槽和所述温度传感器设置于所述冷却水槽内，使得电解槽的直接浸入冷却循环水中，所述冷却水进水口设置于所述冷却水槽的下部，所述冷却水循环泵与所述冷却水进水口相连接，以通过冷却水进水口将冷却循环水送入冷却水槽中，所述冷却水出口设置于所述冷却水槽的上部，以将冷却水槽中的冷却循环水抽出，从而控制冷却循环水的循环使用。
即在冷却操作时，所述冷却循环水4由冷却水循环泵7经过冷却水进水口8进入冷却水槽3，由冷却水出口9流出冷却水槽3，冷却水循环泵进口与冷却水出口和/或外界循环水连接，冷却水槽3内的温度传感器10、冷却水循环泵7均与控制系统2连接。当冷却水槽中的冷却循环水温度（或电解槽运行温度）低于60℃，循环泵停止运行，等待系统升温；当冷却水槽中的冷却循环水温度（或电解槽运行温度）逐渐升温至80℃，循环泵启动，由冷却循环水带走多余热量，保证电解槽在稳定的最佳运行温度（60～80℃）下运行，从而保障电解槽的电解性能。
所述超声波发生系统、所述电解槽系统和所述冷却循环控制系统均与所述控制系统相连接，用于接受和传递反馈信号，使得电解槽、超声波发生器、冷却循环泵等均由控制系统控制，自动化控制程度高，操作方便，降低了人为调控的风险。
在实际操作中，为方便对电解水制氢过程环节进行评价、评测，控制系统通过程序设定，适时向超声波发生器发送启停信号，另外控制系统对电解槽的温度进行监控，并通过控制循环泵进行温度调整，有利于系统的稳定运行，提高电解槽效率。
所述控制系统与所述电力供应系统相连接，以获得能源供应。
进一步优选的，电力供应系统采用了可再生能源发电系统。
一种利用超声波场的电解水制氢系统的工作原理包括：控制系统依据电解槽运行的伏安特性曲线进行分析，并将分析结果反馈至超声波发生器，以控制超声波发生器发送20kHz～几百kHz不等的特定频率的超声波信号；利用放置在冷却水槽3中的超声波换能器6对超声波发生器产生的特定频率信号进行转化，形成了超声波场，并以冷却循环水4为介质传至电解槽11，超声波场的存在在电解槽11内形成空化气泡，对电极12表面进行清洁，使电极表面的气泡消失，进而增加了电极表面积，从而提升电化学反应速率，进而维持和平衡电解槽的稳定运行；生成的气体分别从氧气收集口13、氢气收集口14排出，经过气液分离装置收集并储存。
本发明一种利用超声波场的电解水制氢系统的有益效果是：
（1）在电化学反应过程中引入超声，利用超声的空化作用清洗电极表面，保持电极活性，利用超声的空化利用超声的空化作用及其脱气作用驱除电极表面的微小气泡，提高电极表面实际表面积，增大反应速度；
（2）利用超声的空化作用及其随后的微射流作用强化电化学反应中的传质过程，提高反应速度，降低槽电压，节约能耗；
（3）利用温度传感器实时反馈温度，能够精准换热，进而控制电解槽温度。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种利用超声波场的电解水制氢系统，其特征在于，包括：电力供应系统、控制系统、超声波发生系统、电解槽系统、冷却循环系统，所述电力供应系统、所述超声波发生系统、所述电解槽系统和所述冷却循环控制系统均与所述控制系统相连接，
所述超声波发生系统包括超声波发生器以及超声波换能器，与所述超声波发生器相连接的所述超声波换能器设置于所述冷却水槽中，以对超声波发生器产生的频率信号进行转化，从而形成超声波场和用于清洁电极的空化气泡，
所述冷却循环系统包括用于存储冷却循环水的冷却水槽、冷却水循环泵、冷却水进水口、冷却水出口、温度传感器，所述电解槽和所述温度传感器设置于所述冷却水槽内，使得电解槽的浸入冷却循环水中，所述冷却水进水口设置于所述冷却水槽的下部，所述冷却水循环泵与所述冷却水进水口相连接，以将冷却水出口排出并冷却后的冷却循环水和/或其他外接设备中的冷却循环水送入冷却水槽中，所述冷却水出口设置于所述冷却水槽的上部，以将冷却水槽中的冷却循环水抽出，从而控制冷却循环水的循环使用。
2.根据权利要求1所述的一种利用超声波场的电解水制氢系统，其特征在于，电力供应系统采用了可再生能源发电系统。
3.根据权利要求1所述的一种利用超声波场的电解水制氢系统，其特征在于，所述冷却水循环泵与冷却水出口通过循环冷却管道相连接。
4.根据权利要求1所述的一种利用超声波场的电解水制氢系统，其特征在于，所述电解槽系统包括电解槽、电极、反应仓、氧气收集口、氢气收集口，用于安装放置电极的两个所述反应仓相对设置于所述电解槽的上部，其中一个所述反应仓的上部设置有一所述氧气收集口，另一个反应仓的上部设置有一所述氢气收集口。
5.根据权利要求4所述的一种利用超声波场的电解水制氢系统，其特征在于，所述氧气收集口和所述氢气收集口位于冷却循环水的上方。
6.根据权利要求1所述的一种利用超声波场的电解水制氢系统，其特征在于，电解槽中的运行温度为60～80℃。
7.根据权利要求1所述的一种利用超声波场的电解水制氢系统，其特征在于，超声波发生器发送的超声波信号大于或等于20kHz。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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