專利名稱：一種超旋轉(zhuǎn)離心重力水電解制氫方法及裝置的制作方法
—種超旋轉(zhuǎn)離心重力水電解制氫方法及裝置技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于水電解制氫和氯堿電解制氯技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種強(qiáng)化電解制取氫氣或氯氣的方法。
背景技術(shù)：
水電解制氫，由于其綠色、環(huán)保，到目前仍是世界上氫能生產(chǎn)的主要方法之一。但是，水電解制仍面臨能耗高和生產(chǎn)速度低的問題。在能耗方面，超過30%的電解槽電壓被消耗在與電化學(xué)反應(yīng)過程非直接相關(guān)的因素上；在生產(chǎn)速度方面，電流密度，能耗越高。因此， 目前水電解最核心的問題集中在降低電解能耗上。
水電解的反應(yīng)方程式如下
陽極40H— 02+2Η20+4θ
陰極4H20+4e— 2H2+40H
隨著電解的進(jìn)行，兩極產(chǎn)生的氣體并不能及時從電解體系中迅速排除，這樣就會有大量的氣泡覆蓋在電極表面甚至形成一層氣膜，將極大地降低電極的有效活性面積，從而增加陰極過電位、陽極過電位和電極歐姆電壓降；另外，氣泡在電解液中的分散以及在隔膜表面的吸附也會造成嚴(yán)重的歐姆電壓降，這些現(xiàn)象是造成水電解能耗高的主要原因。目前，人們普遍通過研制高活性的催化電極、改進(jìn)電解槽設(shè)計以及提高電解溫度等方法來改善過電位高、歐姆電壓降大的影響，但這些措施并不能從根本上解決氣泡與電極的有效分離以及氣泡從電解液中快速溢出的技術(shù)瓶頸。
在多相分離過程中，重相即電解液在重力的作用下，沿重力方向運(yùn)動，而輕相即氣泡在浮力的作用下，沿與重力相反的方向運(yùn)動。在超重力場中，相間浮力因子A(Pg)加大， 使得氣泡與電解液以及固相電極和隔膜間具有很高的相間滑移速率，并且電解液中質(zhì)量傳遞過程也得到了極大的強(qiáng)化，從而不僅使氣泡能夠更有效地從電極和隔膜表面分離，并且也有利于氣泡從電解液中溢出。因此，為了強(qiáng)化氣體從電極、隔膜表面以及電解液中的有效分離和溢出，將超重力技術(shù)應(yīng)用到氯堿電解過程中，是水電解節(jié)能的一項重要技術(shù)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種強(qiáng)化水電解制氫的方法。本發(fā)明的方法可極大提高水電解制的電流效率；本發(fā)明提供的旋轉(zhuǎn)離心超重力電解池裝置，可以實現(xiàn)超重力水電解制氫。
本發(fā)明是一種采用旋轉(zhuǎn)電解池產(chǎn)生離心超重力強(qiáng)化水電解解制氫的方法，安裝在轉(zhuǎn)軸上的電解池旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心超重力，旋轉(zhuǎn)電解池電極中心離心超重力范圍是2(Tl000g， 電流密度控制范圍為50(Tl0000A/m2，電解液是水，在陰、陽極間通以直流電，則在陰極上產(chǎn)生112，在陽極上產(chǎn)生02。
一種實現(xiàn)權(quán)利要求I所述強(qiáng)化電解制氫方法的裝置，包括旋轉(zhuǎn)電解池，陰極集氣管和陽極集氣管，多通道磁流體密封滑動導(dǎo)流環(huán)，四極滑動導(dǎo)電環(huán)，液位傳感器和控制儀， 自動輸液泵、調(diào)速電機(jī)，所述的調(diào)速電機(jī)通過動力傳輸帶帶動主軸和旋轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)；固定在所述的旋轉(zhuǎn)筒里的分布式陰極、陽極和隔膜板的底端開孔，以便補(bǔ)充溶液；所述的自動輸液泵控制電解液液位；所述的陰極集氣管和陽極集氣管，分別將多個陰極產(chǎn)生的H2和陽極產(chǎn)生的O2匯集在一起；所述的四通道磁流體密封滑動導(dǎo)流環(huán)安裝在轉(zhuǎn)軸上，與轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)流環(huán)的二個通道分別與陰極集氣管和陽極集氣管相連，另二個通道與電解池底部直徑方向上兩個電解液出入口相連，用于補(bǔ)充和導(dǎo)出電解液；所述的滑動導(dǎo)電環(huán)安裝在轉(zhuǎn)軸上，與轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)，滑動導(dǎo)電環(huán)的兩個極分別與電解池的陰極和陽極相連，實現(xiàn)電解電流的傳輸， 滑動導(dǎo)電環(huán)的另外兩個極分別連接所述的液位傳感器和控制儀，實現(xiàn)電解液液位高度控制信號的傳輸。
適宜的超重力系數(shù)控制范圍為2(Γ1000，超重力系數(shù)按下式確定G=N2JI2r/ (900g)，式中！■為電極中心到旋轉(zhuǎn)軸中心的距離，即電極的平均旋轉(zhuǎn)半徑，單位為m ;N為電解池的旋轉(zhuǎn)速度，單位為r mirT1 ;g為重力加速度，即9. 8m · s_2 ; 為圓周率,即3. 14。對于確定的電解池，可以通過控制電解池轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)超重力系數(shù)。


圖I為本發(fā)明用于電解水制氫或氯堿電解制備氫氣和氯氣的旋轉(zhuǎn)離心超重力電解池裝置構(gòu)造圖。
其中，旋轉(zhuǎn)筒I、陽極2、陰極3、隔膜板4、電解液5、陰極導(dǎo)線6、陽極導(dǎo)線7、陰極集氣管8、陽極集氣管9、電解液導(dǎo)入管10、電解液導(dǎo)出管11、四通道磁流體密封滑動導(dǎo)流環(huán) 12、四極滑動導(dǎo)電環(huán)13、液位傳感器14、自動輸液泵15、抽液泵16、電解液儲槽17、主軸18、 軸承19、動力傳送帶20、調(diào)速電機(jī)21、轉(zhuǎn)速測定儀22、直流穩(wěn)壓電源23。
圖2為上述電解水制氫或氯堿電解制備氫氣和氯氣的旋轉(zhuǎn)離心超重力電解池裝置的俯視示意圖。
具體實施步驟
結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施作詳細(xì)描述
I)首選確定電極中心超重力系數(shù)大小，如G=500，然后根據(jù)圓筒形電解池半徑計算出電解池轉(zhuǎn)速，如N = 800r/min ;高定電解電流密度,如di=0. 7A/cm2,根據(jù)陰極面積大小計算總電流大小，如Si=5000A ；
2)啟動電機(jī)馬達(dá)，調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速，同時測量主軸轉(zhuǎn)速，使其達(dá)到預(yù)定值，如N=800r/ min ；
3)開啟自動輸液泵，注入電解液，注入電解液的數(shù)量由液位傳感器自動控制，一般應(yīng)控制液位深度為電解槽深度的2/3左右為宜；
4)接通電解電源，電解開始，H2和O2就會自動從導(dǎo)氣管分別輸出；
5)電解結(jié)束時，先關(guān)閉電解電源，再關(guān)閉自動輸液大泵，然后開啟抽液泵將電解槽內(nèi)電解液排出。
上述方法不限于水電解制氫，也可用于氯堿電解。如將電解液為改為NaCl水溶液，陰極和陽極產(chǎn)物分別氫氣和氯氣，并副產(chǎn)NaOH溶液。通過控制抽液泵的流速，可連續(xù)排出NaOH溶液，NaOH溶液濃度也可由抽液速度調(diào)控。
實施例I
設(shè)計了一個內(nèi)腔尺寸為外徑500mm、內(nèi)徑350mm、高120mm的小型旋轉(zhuǎn)離心超重力電解池，按圖I所示，交替布置了 10塊陰極板、10塊陽極板、10塊隔膜板，每塊陰極板或陽極板的單面有效電極面積為IIOxlOOmm2.
設(shè)定電極中心超重力系數(shù)為500和電流流密度為O. 5A，計算得到轉(zhuǎn)速為1410r/ min、總電流為1100A ;并設(shè)定液位控制高度為110mm，以濃度為10%的NaOH為電解液。按照上述實施步驟操作，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時，直流電源輸出電壓為2. 5V，即電解槽壓為2. 5V，串聯(lián)在氫氣導(dǎo)出管的電子流量計流量為7. 5L/min。
實施例2
在實施例I中，只改變超重力系數(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)速控制為500r/min時，即超重力系數(shù)約為63，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時，直流電源輸出電壓增大為2. 76V ;當(dāng)轉(zhuǎn)速控制為2500r/min時，即超重力系數(shù)約為1572，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時，直流電源輸出電壓減小為2. 13V。說明超重力系數(shù)越大，槽電壓越低，節(jié)能效果越好。
實施例3
在實施例I中，將直流電源由恒電流控制模式改為恒電壓控制模式，控制輸出電壓為2. 4V，轉(zhuǎn)速控制為1410r/min時，即超重力系數(shù)約為500，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時，氫氣流量為7. 2L/min,總電流值為1050A ；同樣控制輸出電壓為2. 4V，將轉(zhuǎn)速提高到3000r/min，即超重力系數(shù)約為2260，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時，氫氣流量為7. 9L/min，總電流值為1160A。說明超重力系數(shù)越大，電解生產(chǎn)效率越高。
實施例4
在實施例I中，將電解液改為濃度為15%的NaCl水溶液，并啟動抽液泵，以維持電解槽內(nèi)溶液濃度一定，控制抽液泵流量為10L/min，在電解池轉(zhuǎn)速為2000r/min時進(jìn)行恒電壓電解，控制電源輸出電壓為3. 0V，達(dá)到穩(wěn)定陰極氫氣流量為9. 5L/min ;陽極氯氣流量9. 2L/min;其他條件不變，將電解池轉(zhuǎn)速減小為1000r/min，達(dá)到穩(wěn)定陰極氫氣流量為 9. lL/min ;陽極氯氣流量8. 8L/min ;說明該技術(shù)也可用于強(qiáng)化氯堿電解生產(chǎn)氫氣和氯氣。
權(quán)利要求
1.一種超旋轉(zhuǎn)離心重力水電解制氫方法，其特征在于，安裝在轉(zhuǎn)軸上的電解池旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心超重力，旋轉(zhuǎn)電解池電極中心離心超重力范圍是2(Tl000g，電流密度控制范圍為500 10000 A/m2,電解液是水，在陰、陽極間通以直流電，則在陰極上產(chǎn)生H2，在陽極上產(chǎn)生O2。
2.一種實現(xiàn)權(quán)利要求I所述一種超旋轉(zhuǎn)離心重力水電解制氫方法的裝置，其特征在于，包括旋轉(zhuǎn)電解池，陰極集氣管和陽極集氣管，多通道磁流體密封滑動導(dǎo)流環(huán)，四極滑動導(dǎo)電環(huán)，液位傳感器和控制儀，自動輸液泵、調(diào)速電機(jī)，所述的調(diào)速電機(jī)通過動力傳輸帶帶動主軸和旋轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)；固定在所述的旋轉(zhuǎn)筒里的分布式陰極、陽極和隔膜板的底端開孔，以便補(bǔ)充溶液；所述的自動輸液泵控制電解液液位；所述的陰極集氣管和陽極集氣管，分別將多個陰極產(chǎn)生的H2和陽極產(chǎn)生的O2匯集在一起；所述的四通道磁流體密封滑動導(dǎo)流環(huán)安裝在轉(zhuǎn)軸上，與轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)流環(huán)的二個通道分別與陰極集氣管和陽極集氣管相連，另二個通道與電解池底部直徑方向上兩個電解液出入口相連，用于補(bǔ)充和導(dǎo)出電解液；所述的滑動導(dǎo)電環(huán)安裝在轉(zhuǎn)軸上，與轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)，滑動導(dǎo)電環(huán)的兩個極分別與電解池的陰極和陽極相連，實現(xiàn)電解電流的傳輸，滑動導(dǎo)電環(huán)的另外兩個極分別連接所述的液位傳感器和控制儀，實現(xiàn)電解液液位高度控制信號的傳輸。
全文摘要
一種強(qiáng)化水電解制氫的方法及其裝置，也可用于強(qiáng)化氯堿電解生產(chǎn)氫氣和氯氣，具有節(jié)能、生產(chǎn)效率高的優(yōu)點。屬于氫能和氯堿化工的技術(shù)領(lǐng)域。本方法采用旋轉(zhuǎn)離心超重力來強(qiáng)化電化學(xué)反應(yīng)和電解產(chǎn)物氣/液分離，可顯著降低電解池槽電壓，提高電解電流密度，從而提高電解電效率和生產(chǎn)速率。超重力電解裝置主要組成部件包括旋轉(zhuǎn)電解池，陰/陽極集氣管，多通道磁流體密封滑動導(dǎo)流環(huán)，多極滑動導(dǎo)電環(huán)，液位傳感器和控制儀，自動輸液泵、調(diào)速電機(jī)等。通過控制旋轉(zhuǎn)電解池的轉(zhuǎn)速來改變超重力大小，超重力越大，電解電效和生產(chǎn)速率越高。
文檔編號C25B1/46GK102978656SQ20121051865
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月16日
發(fā)明者郭越玖 申請人:郭越玖