CN212077164U - 一种电能补给型电化学反应器 - Google Patents

一种电能补给型电化学反应器 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开一种电能补给型电化学反应器，包括阳极、阴极、电化学反应单元、供电电源、氢气收集装置和氢气发电装置，所述阳极和阴极置于电化学反应单元中，电化学反应单元中还设有将阳极产生的副产气体和阴极产生的氢气隔离的阻隔装置，电化学反应单元的上部设有用于收集阴极产生氢气的第一气体出口，氢气收集装置中的氢气输送至氢气发电装置发电，供电电源和氢气发电装置均向阳极和阴极的电化学反应提供电能。方法为将电解液导入电化学反应单元中，供电电源向阴极和阳极施加电压进行电化学反应，阴极产生氢气通过第一气体出口后收集至氢气收集装置，氢气发电装置利用氢气发电，补给阴极和阳极后续的电化学反应所需电能。

Description

一种电能补给型电化学反应器
技术领域
本实用新型涉及电解制氢的应用技术领域，特别涉及一种电能补给型电化学反应器。
背景技术
电化学反应广泛应用在无机物电解工业(氯碱工业、氯酸盐和高氯酸盐的电合成、锰化合物的电解合成)、有机物电解合成、电催化氧化处理污水、电催化还原处理污水以及电解制氢产能等领域。电化学反应的一个特点就是耗电量大，如何对电化学反应装置进行电能补给是研究者关注的焦点。现在大多数研究者多关注自己单一的研究方向，比如专注于单一的无机物电解合成、专注于单一的有机物电解合成、专注于单一的电催化氧化、专注于单一的电催化还原、专注于单一的电解制氢产能，较少将两个方向结合起来。忽略了可以将在进行无机物电解合成、有机物电解合成、电催化氧化、电催化还原等电化学反应过程中产生的副产物氢气加以综合利用。本实用新型将电化学能源方向的成果应用于其他消耗电能的电化学方向，利用电化学阴极产氢能进行发电，供给电化学装置电能，达到电能补给、降低能耗的作用。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术中电化学反应器能耗高的不足，提供一种电能补给型电化学反应器，该电化学反应器利用电化学装置的自身产能进行能量补给。
本实用新型的技术方案为：一种能量补给型电化学反应器，包括阳极、阴极、容纳电解液的电化学反应单元、供电电源、氢气收集装置和氢气发电装置，所述阳极和阴极置于电化学反应单元中，电化学反应单元中还设有将阳极产生的副产气体和阴极产生的氢气隔离的阻隔装置，电化学反应单元的上部设有用于收集阴极产生氢气的第一气体出口，氢气收集装置中的氢气输送至氢气发电装置发电，供电电源和氢气发电装置均向阳极和阴极的电化学反应提供电能。其中，阻隔装置至少将电化学反应单元电解液的液面以上的部分隔为两部分，氢气发电装置采用氢气发电机，采用这种结构，能够利用电化学反应产生的氢气转换成电能，补充部分电化学反应的电能消耗。
所述阳极通过导线连接供电电源的正极，阴极通过导线连接供电电源的负极，所述阳极和阴极的顶部位于电解液的液面下。采用此结构，能够使阳极和阴极充分反应。
所述阳极通过导线连接氢气发电装置的正极，阴极通过导线连接氢气发电装置的负极。采用这种结构，氢气发电装置利用氢气发电后，也可以向阳极和阴极提供电能进行后续的电化学反应，减少供电电源的电能输出，降低部分能耗。氢气发电装置与阳极和阴极的导线上可设有开关，便于控制。
所述阻隔装置采用离子交换膜，离子交换膜将电化学反应单元分为阳极所在的阳极区和阴极所在的阴极区。采用离子交换膜，能够阻隔阳极区和阴极区的气体混合，选择透过电解液的离子，提高电化学反应的效率。
所述第一气体出口位于阴极区的顶部。采用此结构，便于氢气逸出和聚集到氢气收集装置中。
所述阳极区的顶部设有第二气体出口。根据实际使用时的需要进行处理，例如以氧气为主要成分的阳极区气体有两种使用方法：第一种是阳极区产生的气体用容器收集，待氢气发电机发电时与氢气燃烧使用；第二种方法是从第二气体出口释放到空气中。
所述电化学反应单元的阴极区侧壁还设有电解液入口和电解液出口，所述电解液入口和电解液出口上均设有阀门。采用此结构便于导入和导出电解液。
所述第一气体出口和氢气收集装置之间还设有用于干燥氢气的水分干燥器，水分干燥器与除杂装置连接，除杂装置与氢气收集装置连接。
所述第一气体出口还连接气体冷却器和气液分离装置，气体冷却器和气液分离装置还连接回流管，回流管将氢气中携带的冷却后的电解液重新导入电化学反应单元。其中，气体冷却器和气液分离装置将氢气和氢气中携带的电解液降温，冷却后的电解液回流到阴极区，气体冷却器和气液分离装置与水分干燥器连接。气体冷却器和气液分离装置与水分干燥器连接。水分干燥器与除杂装置连接，除杂装置除去其中少量氧气等杂质。氢气进入氢气收集装置之前经过碱液回收、干燥、除杂，便于收集和发电。水分干燥器采用汽水分离器、烧碱或硅胶或分子筛等具有除去氢气中水分的物质或设备。
一种电能补给型电化学反应器的使用方法，将电解液导入电化学反应单元中，供电电源向阴极和阳极施加电压进行电化学反应，阴极产生氢气通过第一气体出口后收集至氢气收集装置，氢气发电装置利用氢气发电，补给阴极和阳极后续的电化学反应所需电能。
具体地，将电解液导入电化学反应单元中，供电电源向阴极和阳极施加电压进行电化学反应，阴极产生氢气通过第一气体出口，经过气体冷却器和气液分离装置、水分干燥器、除杂装置后，收集至氢气收集装置，阳极产生的副产气体(如氧气)从第二气体出口排出。当氢气收集装置收集的氢气足够发电时，氢气发电装置利用氢气发电，补给阴极和阳极后续的电化学反应所需的部分电能，达到减少耗能的效果。
本实用新型相对于现有技术，具有以下有益效果：
本电能补给型电化学反应器的阴极区产生氢气，氢气收集装置将阴极区产生的氢气收集起来。当氢气储存到一定数量，氢气发电装置利用氢气为燃料发电，产生的电能供电化学反应器运行，补充供电电源的能耗。离子交换膜能够使电解液中的离子选择性通过，有助于电化学反应的进行。
附图说明
图1为本电能补给型电化学反应器的结构示意图。
其中，图中所示，1为阳极、2为阴极、3为电化学反应单元、4为供电电源、5为氢气收集装置、6为氢气发电装置、7为离子交换膜、8为第二气体出口、9为第一气体出口、10为电解液入口、11为电解液出口、12为水分干燥器、13为开关、14为氢气、15为副产气体、16为除杂装置、17为气体冷却器和气液分离装置、18为回流管。
具体实施方式
下面结合实施例，对本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例
本实施例一种电能补给型电化学反应器，如图1所示，包括阳极1、阴极2、容纳电解液的电化学反应单元3、供电电源4、氢气收集装置5和氢气发电装置6，所述阳极和阴极置于电化学反应单元中，电化学反应单元中还设有将阳极产生的副产气体15(如氧气)和阴极产生的氢气14隔离的阻隔装置，阻隔装置将电化学反应单元分隔为两部分，电化学反应单元阴极室的顶部设有用于收集阴极产生氢气的第一气体出口9，第一气体出口产生的氢气依次经过气体冷却器和气液分离装置17、水分干燥器12和除杂装置16，除杂装置与氢气收集装置连接，氢气收集装置中的氢气输送至氢气发电装置发电，供电电源和氢气发电装置均向阳极和阴极的电化学反应提供电能。氢气发电装置采用氢气发电机，能够利用电化学反应产生的氢气转换成电能，补充部分电化学反应的电能消耗。供电电源采用直流、交流或脉冲电源。气体冷却器和气液分离装置与水分干燥器之间采用管道连接，水分干燥器与除杂装置之间采用管道连接，除杂装置与氢气收集装置之间采用管道连接，氢气收集装置与氢气发电装置之间采用管道连接。
阳极通过导线连接供电电源的正极，阴极通过导线连接供电电源的负极。阳极通过导线连接氢气发电装置的正极，阴极通过导线连接氢气发电装置的负极，氢气发电装置与阳极和阴极的导线上设有开关13。氢气发电装置利用氢气发电后，也可以向阳极和阴极提供电能进行后续的电化学反应，减少供电电源的电能输出，降低部分能耗。为了使阳极和阴极充分进行电化学反应，阳极和阴极的顶部位于电解液的液面下，即阳极和阴极浸没在电解液中。
阻隔装置采用离子交换膜7，离子交换膜将电化学反应单元分为阳极所在的阳极区和阴极所在的阴极区。离子交换膜能够阻隔阳极区和阴极区的气体混合，选择透过电解液的离子，提高电化学反应的效率。第一气体出口位于阴极区的顶部，便于氢气逸出和聚集到氢气收集装置中。
气体冷却器和气液分离装置还连接回流管18的一端，回流管的另一端通向电解液入口，回流管将氢气中携带的冷却后的电解液重新导入电化学反应单元。气体冷却器和气液分离装置将氢气和氢气中携带的电解液降温，冷却后的电解液回流到阴极区。水分干燥器采用汽水分离器或烧碱或硅胶或分子筛等具有除去氢气中水分的物质或设备。
阳极区的顶部还设有第二气体出口8，根据实际使用时的需要，以氧气为主要成分的阳极区气体有2种使用方法：第一种是阳极区产生的气体用容器收集，待氢气发电机发电时与氢气燃烧使用；第二种方法是从第二气体出口释放到空气中。电化学反应单元的阴极区侧壁还设有电解液入口10和电解液出口11，电解液入口和电解液出口上均设有阀门。
一种电能补给型电化学反应器的使用方法，将电解液导入电化学反应单元中，供电电源向阴极和阳极施加电压进行电化学反应，阴极产生氢气通过第一气体出口经气体冷却器和气液分离装置、水分干燥器除水和除杂装置后收集至氢气收集装置，阳极产生的副产物气体(如氧气)从第二气体出口排出到副产物气体收集装置中待用或直接释放到空气中，当氢气收集装置收集的氢气足够发电时，氢气发电装置利用氢气发电，补给阴极和阳极后续的电化学反应所需的部分电能，达到减少耗能的效果。
本电能补给型电化学反应器可应用于无机物的电解工业，利用阴极区产生的氢气发电，补足由于电解制备烧碱、氯酸盐、高氯酸盐、锰化合物等而需要的能耗。本电能补给型电化学反应器可应用于电化学有机合成，利用阴极区产生的氢气发电，补足由于电化学合成而需要的能耗。本能量补给型电化学反应器可应用于电催化氧化降解有机污染物，利用阴极区产生的氢气发电，补足由于电催化氧化而需要的能耗。本能量补给型电化学反应器可应用于电催化还原降解有机污染物，利用阴极区产生的氢气发电，补足由于电催化还原而需要的能耗。
目前商用电解槽法，制备1m3 H2能耗水平约为4.5-5.5kwh。将阳极室电催化氧化降解有机污染物和阴极室产氢结合在一个电化学反应器。阳极室是含有200mL全氟辛酸的电解液，Ti/SnO2-Sb2O5-Bi2O3作为阳极；阴极室含有一定质量浓度的碱性电解液，质量浓度在0和100％之间，Ni合金镀层作为阴极。当供电电源施加平均槽压10.43V，电流为0.25A，电催化氧化3h后，全氟辛酸的去除率为89.8％，降解中间产物有C3F7COO-、C4F9COO-、C5F11COO-和C6F13COO-，能耗为39.11kwh/m3。在阳极室电催化氧化有机污染物的同时，阴极室产氢。当平均能耗为5kwh时，产生1m3 H2，则当阳极室消耗39.11kwh时，阴极室产生氢气39.11/5＝7.822m3。H2在标准状态下的燃烧热为-285.8kJ/mol，1m3 H2产生的热能为(1000L/22.4L/mol)×285.8kJ/mol＝12758.93kJ，即氢气发电机可提供理论发电量3.54kwh。则7.822m3 H2可以提供理论发电量为7.822m3×3.54kwh/m3＝27.69kwh电量。则可节省直流稳压电源(27.69kwh/39.11kwh)×100％＝70.80％的能耗。可见，运用电催化氧化系统阴极自身产能，可极大降低电催化氧化处理有机污染物的能耗。
如上所述，便可较好地实现本实用新型，上述实施例仅为本实用新型的较佳实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围；即凡依本实用新型内容所作的均等变化与修饰，都为本实用新型权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (9)

1.一种电能补给型电化学反应器，其特征在于，包括阳极、阴极、容纳电解液的电化学反应单元、供电电源、氢气收集装置和氢气发电装置，所述阳极和阴极置于电化学反应单元中，电化学反应单元中还设有将阳极产生的副产气体和阴极产生的氢气隔离的阻隔装置，电化学反应单元的上部设有用于收集阴极产生氢气的第一气体出口，氢气收集装置中的氢气输送至氢气发电装置发电，供电电源和氢气发电装置均向阳极和阴极的电化学反应提供电能。
2.根据权利要求1所述一种电能补给型电化学反应器，其特征在于，所述阳极通过导线连接供电电源的正极，阴极通过导线连接供电电源的负极，所述阳极和阴极的顶部位于电解液的液面下。
3.根据权利要求1所述一种电能补给型电化学反应器，其特征在于，所述阳极通过导线连接氢气发电装置的正极，阴极通过导线连接氢气发电装置的负极。
4.根据权利要求1所述一种电能补给型电化学反应器，其特征在于，所述阻隔装置采用离子交换膜，离子交换膜将电化学反应单元分为阳极所在的阳极区和阴极所在的阴极区。
5.根据权利要求4所述一种电能补给型电化学反应器，其特征在于，所述第一气体出口位于阴极区的顶部。
6.根据权利要求4所述一种电能补给型电化学反应器，其特征在于，阳极区的顶部设有第二气体出口。
7.根据权利要求4所述一种电能补给型电化学反应器，其特征在于，所述电化学反应单元的阴极区侧壁还设有电解液入口和电解液出口，所述电解液入口和电解液出口上均设有阀门。
8.根据权利要求1所述一种电能补给型电化学反应器，其特征在于，所述第一气体出口和氢气收集装置之间还设有用于干燥氢气的水分干燥器，水分干燥器与除杂装置连接，除杂装置与氢气收集装置连接。
9.根据权利要求1所述一种电能补给型电化学反应器，其特征在于，所述第一气体出口还连接气体冷却器和气液分离装置，气体冷却器和气液分离装置还连接回流管，回流管将氢气中携带的冷却后的电解液重新导入电化学反应单元。
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