TWI669419B - 電解裝置 - Google Patents

Abstract

一種電解裝置，其包括殼體、電解盤以及旋轉件。殼體具有相對的第一表面和第二表面。電解盤設置於殼體中，且電解盤包括旋轉盤、工作電極以及對電極。工作電極和對電極分別設置於旋轉盤上，且工作電極與對電極相互分離。旋轉件樞設於旋轉盤上，使得電解盤能夠在殼體中旋轉。

Description

電解裝置

本發明是有關於一種電解裝置，且特別是有關於一種超重力（high gravity system）電解裝置。

隨著全球環保意識抬頭，再生能源的使用與製程逐漸受到重視，如何採用對環境友善的方式並有效地生產再生能源，已成為目前研發人員關注的重要課題之一。舉例來說，氫是極佳的能量攜帶者亦是化學工業裡不可或缺的反應物，但地球上主要的氫是以其穩定的完全氧化狀態（例如H ₂O）存在，為了符合對環境友善的生產方式，以電解水的方式來產氫。

在電解水的系統中，電阻主要受到固態電極上的電化學反應阻力（electrochemical reaction resistance）和質傳相關阻力（mass transport related resistance）影響，其中屬於物理性的質傳阻力包含了氣泡產物覆蓋電極表面造成的電極表面積減少（即氣泡效應）以及電解液中的懸浮氣泡對物質/離子的傳輸阻力。研究顯示，在高電流密度的電解系統中，電解水的主要電阻和能耗來自於如上所述的氣泡效應和電解液中物質/離子的傳輸阻力。隨著電流密度遞增，物理性的質傳阻力所造成的能耗可高達總能量需求的55%。

因此，如何降低質傳阻力所造成的能耗，以提高電解效率，已成為目前研發人員積極研究的課題之一。

本發明提供一種電解裝置，其可改善質傳阻力所造成的能耗，以提高電解效率。

本發明提供一種電解裝置，其包括殼體、電解盤以及旋轉件。殼體具有相對的第一表面和第二表面。電解盤設置於殼體中，且電解盤包括旋轉盤、工作電極以及對電極。工作電極和對電極分別設置於旋轉盤上，且工作電極與對電極相互分離。旋轉件樞設於旋轉盤上，使得電解盤能夠在殼體中旋轉。

依照本發明的一實施例所述，在上述電解裝置中，殼體包括進料口和出料口，其中進料口和出料口分別設置於第一表面和第二表面上，且電解盤設置於進料口與出料口之間。

依照本發明的一實施例所述，在上述電解裝置中，旋轉件穿過殼體的第二表面。

依照本發明的一實施例所述，在上述電解裝置中，更包括驅動裝置，其中驅動裝置與旋轉件連接且設置在殼體之鄰近第二表面的一側。

依照本發明的一實施例所述，在上述電解裝置中，殼體包括氣體收集口，其中氣體收集口設置在第一表面上並與進料口相互分離。

依照本發明的一實施例所述，在上述電解裝置中，述旋轉盤具有盲孔，且電解裝置更包括設置於此盲孔中的參考電極。

依照本發明的一實施例所述，在上述電解裝置中，參考電極穿設於所述進料口中。

依照本發明的一實施例所述，在上述電解裝置中，電解盤具有旋轉軸心，且旋轉軸心穿過盲孔中心和旋轉件中心。

依照本發明的一實施例所述，在上述電解裝置中，電解盤的轉速大於0 rpm且小於等於3000 rpm。

依照本發明的一實施例所述，在上述電解裝置中，待電解之溶液從進料口流入殼體的流量為F，且0.1 L/min≦F≦10 L/min。

基於上述，在本發明所提出之電解裝置中，工作電極和對電極分別設置於旋轉盤上，且旋轉件樞設於旋轉盤上，使得電解盤能夠在殼體中旋轉。如此一來，可藉由旋轉電解盤來移除工作電極和對電極表面所產生的氣泡，以改善質傳阻力所造成的能耗，進而提高電解效率。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

以下將參照本實施例之圖式以更全面地闡述本發明。然而，本發明亦可以各種不同的形式體現，而不應限於本文中所述之實施例。圖式中的層與區域的厚度會為了清楚起見而放大。相同或相似之參考號碼表示相同或相似之元件，以下段落將不再一一贅述。另外，實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。

圖1為本發明一實施例的電解裝置的剖面示意圖。圖2為本發明一實施例的電解盤的俯視示意圖。圖3為不同轉速下能耗與電流密度的關係圖。

請同時參照圖1和圖2，電解裝置100包括殼體H、電解盤EP和旋轉件R。在本實施例中，電解裝置100可用來產生氫氣和氧氣，例如待電解之溶液可為水、硫酸水溶液或其他適合之溶液，但本發明不以此為限。在其他實施例中，電解裝置100也可用來產生其他氣體。在一些實施例中，電解裝置100可選擇性地包括支撐件SP，以將殼體H支撐於基底S上。

電解盤EP可設置於殼體H中，且殼體H可具有相對的第一表面S1和第二表面S2。殼體H的材料可為玻璃、塑膠或其他適合之材料。舉例來說，當待電解之溶液為酸性，可採用耐酸性較佳的材料（例如玻璃）；當待電解之溶液為鹼性，可採用耐鹼性較佳的材料（例如塑膠）。

在一些實施例中，殼體H可包括進料口Lin和出料口Lout，其中進料口Lin和出料口Lout可分別設置於第一表面S1和第二表面S2上，且電解盤EP設置於進料口Lin與出料口Lout之間。如此一來，從進料口Lin進入殼體H之溶液可良好地與電解盤EP上的電極接觸，之後再藉由出料口Lout將溶液排出殼體H。也就是說，上述進料口Lin和出料口Lout的配置方式可提高電解效率。在本實施例中，電解裝置100為連續式電解裝置，待電解之溶液從進料口Lin流入殼體H的流量為F，且0.1 L/min≦F≦10 L/min。

在一些實施例中，殼體H可更包括氣體收集口Gout，以收集電解反應所產生的氣體。舉例來說，就電解水而言，電解盤EP上的陽極和陰極可分別產生氧氣和氫氣，此兩種氣體可經由氣體收集口Gout收集至其他容器中。在本實施例中，氣體收集口Gout可設置在第一表面S1上並與進料口Lin相互分離。換句話說，氣體收集口Gout和進料口Lin可設置在殼體H的同一側。

在一些實施例中，殼體H可更包括進料管P，其中進料管P可穿設於殼體H的第一表面S1，而進料口Lin可設置於進料管P的側壁。在本實施例中，如圖1所示，進料管P可分為兩個部分，進料管P的其中一個部分可位於殼體H內；而進料管P的另一個部分可位於第一表面S1上，其中進料口Lin可設置於另一個部分的進料管P的側壁上。

電解盤EP可包括旋轉盤RP、工作電極（working electrode）WE和對電極（counter electrode）CE。旋轉盤RP的材料可為不導電材料，例如塑膠或玻璃。工作電極WE的材料可為導電材料，例如金屬、類金屬、金屬氧化物、金屬硫化物或其組合。在本實施例中，工作電極WE的材料可為碳（C）、金（Au）、鉑（Pt）或鈀（Pd），以具有較佳的化學穩定性，但本發明不以此為限。對電極CE的材料可為導電材料，例如金屬、類金屬、金屬氧化物、金屬硫化物或其組合。在本實施例中，對電極CE的材料可為碳（C）、金（Au）、鉑（Pt）或鈀（Pd），以具有較佳的化學穩定性，但本發明不以此為限。在一些實施例中，工作電極WE和對電極CE可分別設置於旋轉盤RP上，且工作電極WE和對電極CE可相互分離。應注意的是，本實施例是以相對設置的1個矩形工作電極WE和1個矩形對電極CE為例進行說明，但本發明不以此為限。在其他實施例中，工作電極WE和對電極CE的數量、形狀或排列方式可依據設計進行調整。

旋轉件R可樞設於旋轉盤RP上，使得電解盤EP能夠在殼體H中旋轉。如此一來，可藉由旋轉電解盤RP來移除工作電極WE和對電極CE表面所產生的氣泡，以改善質傳阻力所造成的能耗（降低氣泡效應所造成的能耗），進而提高電解效率。應注意的是，質傳阻力所造成的能耗主要來自於氣泡效應和電解液質傳（例如電解液中之物質和離子傳輸的阻力），並且隨著電流密度的增加，氣泡效應更是主要的能耗來源。也就是說，改善氣泡效應所造成的能耗不僅可提高電解效率，更可使電解裝置100適於應用在工業級規模的高電流密度（大於10 kA/m ²），而不侷限於實驗室規模的低電流密度（約2 kA/m ²）。

除此之外，旋轉的電解盤EP還能夠對流動於其表面之溶液產生向外（徑向）剪應力（shear stress），使得經電解反應之溶液可從電極表面移除並補充新的待電解之溶液，以改善反應物的質傳速率，如此可更進一步地提高電解效率。

請參照圖3，在低轉速的條件下，於實驗室規模的低電流密度（約2 kA/m ²）狀態，可節省電解所需能量約96%；而隨著轉速增加（亦即離心力增加）至中轉速至高轉速的情況下，在工業級規模的高電流密度（約10 kA/m ²）狀態，亦可節省電解所需能量約90%以上。上述電解所需能量的節省程度是經由下式1計算： [式1]

在式1中，P _saving表示電解所需能量的節省程度；P _E-higee和P _STNR分別表示電解盤EP於旋轉狀態下和靜止狀態下，電解產生相同含量之產物所需的能量。

請繼續參照圖1和圖2，旋轉件R可藉由穿過殼體H的第二表面S2來樞設於旋轉盤RP上。換句話說，旋轉件R與進料口Lin可設置在殼體H的相對側。旋轉件R例如是轉軸，但不以此為限。在本實施例中，電解盤EP的轉速可大於0 rpm且小於等於3000 rpm，若以離心力來表示的話，電解盤EP的離心力可大於等於1 g且小於等於260 g。

在一些實施例中，旋轉件R可包括驅動裝置DE以驅動旋轉件R，其中驅動裝置DE與旋轉件R連接且設置在殼體H之鄰近第二表面S2的一側。也就是說，驅動裝置DE與進料口Lin可設置在殼體H的相對側。在一些實施例中，驅動裝置DE更可包括轉速控制器（未繪示），以控制旋轉件R的轉速。另外，驅動裝置DE還可包括其他適合之元件，例如馬達、皮帶或電路器，但本發明不以此為限。

在一些實施例中，電解裝置100可選擇性地包括參考電極RE，如此可藉由參考電極RE具有穩定電位的特性來穩定施加於工作電極WE之電位。在一些實施例中，可採用銀/氯化銀（Ag/AgCl）電極或飽和甘汞電極（SCE）來作為參考電極RE，但本發明不以此為限。在一些實施例中，參考電極ER可設置於工作電極WE和對電極CE之間，如此可避免工作電極WE和對電極CE之間的阻抗所導致的電位壓降。在一些實施例中，參考電極RE可貼近於旋轉盤RP的上表面，但本發明不以此為限。在另一些實施例中，旋轉盤RP可具有盲孔OP，且參考電極RE可設置於此盲孔OP中。

在本實施例中，電解盤EP可具有旋轉軸心RA，且旋轉軸心RA可穿過盲孔OP中心和旋轉件R中心。如此一來，在參考電極RE設置於盲孔OP中的情況下，參考電極RE和工作電極WE之間的距離不會因為電解盤EP的旋轉而改變（亦即工作電極WE繞著參考電極RE旋轉），進而提供更穩定的相對電位作為參考。應注意的是，上文所提到之盲孔OP是指未貫穿電解盤EP的孔。

在一些實施例中，參考電極RE更可選擇性地穿設於設有進料口Lin之進料管P中。如此一來，殼體H可不需增設用來放置參考電極RE的開孔，以避免電解反應所產生的氣體從上述開孔周圍（例如密封處）洩漏，進而提升產量。

綜上所述，在上述實施例的電解裝置中，藉由樞設於旋轉盤上之旋轉件，使得包括工作電極和對電極的電解盤能夠在殼體中旋轉，如此可藉由旋轉電解盤來移除工作電極和對電極表面所產生的氣泡，以改善質傳阻力所造成的能耗，進而提高電解效率。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧電解裝置

H‧‧‧殼體

SP‧‧‧支撐件

S‧‧‧基底

EP‧‧‧電解盤

R‧‧‧旋轉件

S1‧‧‧第一表面

S2‧‧‧第二表面

Lin‧‧‧進料口

Lout‧‧‧出料口

Gout‧‧‧氣體收集口

P‧‧‧進料管

RP‧‧‧旋轉盤

WE‧‧‧工作電極

CE‧‧‧對電極

RE‧‧‧參考電極

OP‧‧‧盲孔

RA‧‧‧旋轉中心

DE‧‧‧驅動裝置

圖1為本發明一實施例的電解裝置的剖面示意圖。 圖2為本發明一實施例的電解盤的俯視示意圖。 圖3為不同轉速下能耗與電流密度的關係圖。

Claims (10)

1. 一種電解裝置，包括： 殼體，具有相對的第一表面和第二表面； 電解盤，設置於所述殼體中，且所述電解盤包括： 旋轉盤； 工作電極，設置於所述旋轉盤上；以及 對電極，設置於所述旋轉盤上且與所述工作電極相互分離；以及 旋轉件，樞設於所述旋轉盤上，使得所述電解盤能夠在所述殼體中旋轉。
2. 如申請專利範圍第1項所述的電解裝置，其中所述殼體包括進料口和出料口，所述進料口和所述出料口分別設置於所述第一表面和所述第二表面上，且所述電解盤設置於所述進料口與所述出料口之間。
3. 如申請專利範圍第2項所述的電解裝置，其中所述旋轉件穿過所述殼體的所述第二表面。
4. 如申請專利範圍第3項所述的電解裝置，更包括： 驅動裝置，與所述旋轉件連接且設置在所述殼體之鄰近所述第二表面的一側。
5. 如申請專利範圍第2項所述的電解裝置，其中所述殼體包括氣體收集口，設置在所述第一表面上並與所述進料口相互分離。
6. 如申請專利範圍第2項所述的電解裝置，其中所述旋轉盤具有盲孔，且所述電解裝置更包括： 參考電極，設置於所述盲孔中。
7. 如申請專利範圍第6項所述的電解裝置，其中所述參考電極穿設於所述進料口中。
8. 如申請專利範圍第6項所述的電解裝置，其中所述電解盤具有旋轉軸心，所述旋轉軸心穿過所述盲孔中心和所述旋轉件中心。
9. 如申請專利範圍第1項所述的電解裝置，其中所述電解盤的轉速大於0 rpm且小於等於3000 rpm。
10. 如申請專利範圍第1項所述的電解裝置，其中待電解之溶液從所述進料口流入所述殼體的流量為F，且0.1 L/min≦F≦10 L/min。