本實用新型涉及海水電解系統(tǒng)，尤其涉及海水電解裝置的氫氣回收與發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

一般所謂電解(electrolysis)，是指將電流通過電解質(zhì)溶液或熔融態(tài)物質(zhì)而在陰極和陽極上引起氧化還原反應(yīng)的過程。電化學(xué)電池在接受外加電壓(即充電過程)時，會發(fā)生電解過程。所有離子化合物都是電解質(zhì)，因為它們?nèi)茉谝后w中時，離子可以自由移動，所以可導(dǎo)電。以下為電解水的例子。

正極(anode)：

2H₂O→O₂+4H⁺+4e^—

負(fù)極(cathode)：

2H₂O+2e^—→H₂+2OH^—

總反應(yīng)式：

2H₂O→2H₂+O₂

在這個反應(yīng)中，陽極發(fā)生放出電子的反應(yīng)(氧化)，陰極發(fā)生取得電子的反應(yīng)(還原)。

火力發(fā)電廠通常用循環(huán)水泵將海水送入循環(huán)水管道，引入鍋爐房、汽機房等設(shè)備將發(fā)電的余熱冷卻，排放至曝氣池后放流入海洋。為避免海洋性的附著物在循環(huán)水管道及設(shè)備上附著生長，造成管路堵塞、降低冷卻效果甚至腐蝕管路，影響機組發(fā)電效率及設(shè)備使用壽命，必須在管道中添加氯以抑制海洋性附著物生長。

通常，為抑制海洋性附著物而加入海水中的藥劑有氯氣及次氯酸鈉，由于氯氣的運輸、儲存管理成本較高，因而采用高安全性、低成本、自動化的電解海水法來制造次氯酸鈉是較佳的方案。

海水電解裝置是火力發(fā)電廠的主要發(fā)電設(shè)備之一，其制造、安裝、運轉(zhuǎn)、維護對電廠機組運轉(zhuǎn)影響很大。

由于海水的平均鹽度約為一千分之三十五(鹽度是指每一千公克海水中溶解物質(zhì)的克數(shù))，也就是說，一公斤的海水中一般含有35克的鹽。電解海水時，主要化學(xué)反應(yīng)如下：

正極2Cl→Cl₂+2e

正極的產(chǎn)物：Cl₂

負(fù)極2H₂O+2e→2OH+H₂

2Na⁺+2OH→2NaOH

負(fù)極的產(chǎn)物：2NaOH+H₂

在電解的同時Cl₂與NaOH發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：

2Cl₂+2NaOH→NaOCl+NaCl+H₂O

其中，NaOCL即為次氯酸鈉，在火力發(fā)電廠用于管道中以抑制海洋性附著物生長。

海水電解設(shè)備通?？煞譃榱笙到y(tǒng)：(1)海水增壓系統(tǒng)、(2)海水過濾系統(tǒng)、(3)海水電解系統(tǒng)、(4)氫氣釋放系統(tǒng)、(5)次氯酸鈉儲存及注入系統(tǒng)、(6)酸洗系統(tǒng)。

海水電解設(shè)備的工作原理是利用海水增壓泵(Seawater Booster Pump)將循環(huán)水管道入口的海水送到過濾系統(tǒng)，先經(jīng)過海水過濾器(Auto/Manual Strainer)過濾去除海水中大于0.5mm以上的雜質(zhì)及海生物等，之后將海水送入海水電解系統(tǒng)(Electrolyzer)從而制造出次氯酸鈉及氫氣，由于氫氣為易燃危險氣體，需要經(jīng)過氫氣釋放系統(tǒng)(Hydrocyclone&Hydrogen Seal Pot)利用離心力原理將氫氣與含次氯酸鈉的海水分離，氫氣經(jīng)過Seal Pot后緩緩釋放至大氣，而含有次氯酸鈉的海水則排入次氯酸鈉儲存槽中儲存，待次氯酸鈉儲存槽中水位到達預(yù)定高度后，啟動次氯酸鈉加藥泵(Dosing System)將海水送到指定加藥位置。另外，海水電解系統(tǒng)因電解伴生的沉淀物(MgOH₂或CaCO₃)沉淀會導(dǎo)致電極板的效率降低，需利用酸洗系統(tǒng)(Acid CleanSystem)注入6％的鹽酸HCl將沉淀物溶解，以維持系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)。

現(xiàn)有技術(shù)的海水電解系統(tǒng)，海水流經(jīng)過濾器后進入海水電解槽(Electorlyzer)，經(jīng)由T/R Set(Transformer/Rectifier Set)提供電流使海水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生次氯酸鈉及氫氣。電解槽內(nèi)正負(fù)極板交叉排列，增加正負(fù)極板與海水接觸面積以提高化學(xué)反應(yīng)的效率，如圖1所示。另外，也可提高正負(fù)極的電流以產(chǎn)生更多的次氯酸鈉，如圖2所示。

海水電解所產(chǎn)生的次氯酸鈉及海水流入儲存槽之前需先將伴生的氫氣與海水分離，因為氫氣為易燃氣體，當(dāng)氫氣的濃度在4％～78％時容易因為火花發(fā)生爆炸，而現(xiàn)有技術(shù)所使用的次氯酸鈉儲存槽為密閉容器，為避免氫氣在儲存槽中累積產(chǎn)生高壓造成氣爆之類的安全意外，需利用氣水分離器Hydrocyclone基于離心力原理將海水與氫氣流分離，然后將氫氣送入Hydrogen Seal Pot內(nèi)，部分氫氣會溶入海水之中，部分則排出Seal Pot之外。

一般電廠除了使用Hydroclone與Seal Pot脫氫之外，也有使用開放式儲存槽讓氫氣自然逸散或者加裝風(fēng)扇加速氫氣排到大氣之中的解決方案。

綜上所述，火力發(fā)電廠為了提供所需要的次氯酸鈉，必須設(shè)置海水電解設(shè)備，而在獲得次氯酸鈉的過程中，將電解產(chǎn)生的氫氣藉由Hydroclone與Seal Pot脫氫，或使用開放槽將氫氣排到大氣中。然而，氫氣即便是一種干凈的能源，也不應(yīng)該被大量外溢到大氣層中，不然會破壞臭氧層。目前(2016年)，日本市面上已在售賣使用氫燃料電池驅(qū)動的汽車，因此前述發(fā)電廠在電解海水過程中，將氫氣排放大氣中，顯然是一種能源浪費，也不利于地球環(huán)境保護。此外，在現(xiàn)有技術(shù)中，海水先經(jīng)增壓泵提升水壓，進入過濾系統(tǒng)，然后再進入電解裝置，產(chǎn)生含有氫氣和次氯酸鈉的海水(以下簡稱含氯-氫海水)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目標(biāo)在于提供回收含氯-氫海水中的氫氣的解決方案。

本實用新型提供一種電解海水氫回收與發(fā)電系統(tǒng)，包含：

第一管線，其一端連接到海水電解裝置輸出端，另一端向下延伸進入海中；

第一增壓泵，位于第一管線上并將來自海水電解裝置輸出端的含氯-氫海水泵入海中；

第二管線，具有軟質(zhì)管壁，其左端連接到第一管線的下端；

第三管線，其下端連接到第二管線的右端，另一端往海面上升；

集氣室，其直徑大于第三管線，其底面連接到第三管線的上端，從底面向上約占高度二分之一的內(nèi)部空間容納含氯-氫海水，其上部空間累積排出的氫氣；

第四管線，其一端連接到集氣室頂面，另一端通向渦輪推動葉片，帶動發(fā)電機發(fā)電；

第五管線，匯集推動渦輪葉片后的氫氣；

凝縮室，將來自第五管線的氫氣凝結(jié)回收；

第六管線，一端連接到開設(shè)于集氣室側(cè)壁約二分之一高度處的開口，另一端連接到儲存槽；

第二增壓泵，位于第六管線上并將集氣室中的次氯酸鈉導(dǎo)入儲存槽。

根據(jù)本實用新型電解海水氫回收與發(fā)電系統(tǒng)的一方面，第一管線與第二管線的連接處及第二管線與第三管線的連接處均設(shè)有止瀉環(huán)。

根據(jù)本實用新型的另一方面，提供一種海面上平臺，其上布置上述電解海水氫回收與發(fā)電系統(tǒng)。

在本實用新型的電解海水氫回收與發(fā)電系統(tǒng)中，第一管線下端、第二管線及第三管線下端均位于海水中適當(dāng)深度，該處的海水壓力比海平面來得大。大約從海平面每下降10公尺，海水壓力提升1大氣壓。因此，若在海平面下1000公尺深度處，則海水壓力大約為100大氣壓。此時，經(jīng)由第一管線中的增壓泵將海水電解裝置產(chǎn)出的含氯-氫海水送入第二管線，因其為軟質(zhì)材料制作，故承受100大氣壓力，同樣讓通過的含氯-氫海水承受100大氣壓力。從而將其中氫的壓力由海平面的1大氣壓提升到100大氣壓。而當(dāng)?shù)诙芫€中的含氯-氫海水通過第三管線上升至海平面時，含氯-氫海水的壓力從100大氣壓減至1大氣壓。一般而言，1000公尺深度的海水與海平面的海水溫度約相差20～25℃。根據(jù)PV＝nRT的氣體公式，當(dāng)含氯-氫海水從第二管線經(jīng)過第三管線上升至海平面的集氣室時，由于壓力約降低100倍及溫度上升約20倍，氫的體積約增為2000倍。從而使在集氣室中排出的氫氣壓力大增，其壓力足以通過第四管線推動渦輪發(fā)電機發(fā)電。其后的氫氣經(jīng)由第五管線進入凝縮室加以回收貯存。連接在集氣室側(cè)壁約二分之一高度處開口上的第六管線將次氯酸鈉藉增壓泵送入儲存槽。

本實用新型所提出的技術(shù)方案，不僅維持海水電解裝置生產(chǎn)次氯酸鈉的功能，而且可以解決因海水電解裝置引起氫氣外溢到大氣中而造成資源浪費以及破壞地球臭氧層等問題。

附圖簡要說明

圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)海水電解槽的構(gòu)造。

圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)海水電解槽次氯酸鈉產(chǎn)量與直流負(fù)載之間的關(guān)系。

圖3為本實用新型電解海水氫回收與發(fā)電系統(tǒng)的示意圖。

圖4為本實用新型電解海水氫回收與發(fā)電系統(tǒng)實施例的透視圖。

圖5為本實用新型電解海水氫回收與發(fā)電系統(tǒng)實施例的俯視圖。

圖6為本實用新型電解海水氫回收與發(fā)電系統(tǒng)實施例的透視圖。

圖7為本實用新型電解海水氫回收與發(fā)電系統(tǒng)實施例去除工作平臺后的局部放大圖。

圖8為本實用新型電解海水氫回收與發(fā)電系統(tǒng)實施例去除工作平臺后的局部放大圖。

附圖標(biāo)記說明

1 第一管線

2 第二管線

3 第三管線

4 第四管線

5 第五管線

6 第六管線

C 集氣室

E 電解海水裝置

F 工作平臺

H 凝縮室

S 儲存槽

T 渦輪

G 發(fā)電機

P1、P2、P3、P4 增壓泵

R1、R2 止瀉環(huán)

具體實施方式

圖3示出了本實用新型電解海水氫回收與發(fā)電系統(tǒng)的示意圖。一般使用的電解海水裝置在圖3中用E表示，其前端有一增壓泵P1，用于抽取過濾后的海水送入電極板管道間進行電解化學(xué)反應(yīng)，電解后的包含次氯酸鈉與氫的海水(含氯-氫海水)經(jīng)由增壓泵P2泵入從海平面垂直向下深入海中的第一管線1。由于海水中的壓力會隨著深度增加而增加，通常深度每增加100公尺，海水壓力會增加約1大氣壓。因此，在電解海水裝置E的輸出端的第一管路1上必須加設(shè)增壓泵P2才可能將含氯-氫海水送入深海中。

第二管線2的管壁用軟質(zhì)材料制成，且約略呈水平懸掛狀態(tài)，具有左右兩端。第一管線1的下端連接到第二管線2的左端，第二管線2的右端連接到第三管線3的下端。在第一管線1與第二管線2的連接處設(shè)有止瀉環(huán)R1，在第二管線2與第三管線3的連接處設(shè)有止瀉環(huán)R2，防止管線內(nèi)外發(fā)生泄漏。

第三管線3從深海處垂直向上連接到集氣室C的底面。第二管線2的軟質(zhì)管壁因承受深處海水的壓力，所以原來呈現(xiàn)塌陷狀態(tài)，待增壓泵P2啟動后克服海水壓力便能將含氯-氫海水泵入第一管線1、流經(jīng)第二管線2以及第三管線3，上升至集氣室C。

集氣室C的直徑比第三管線3的直徑大，集氣室C的高度可讓海水平面約在其高度一半之處。換言之，在集氣室C內(nèi)，含氯-氫海水大約占據(jù)下部一半空間，上部的大約一半空間則為從含氯-氫海水中排出的氫氣。在此空間中的氫氣，根據(jù)氣體公式PV＝nRT，假設(shè)第二管線2約在海平面下1000公尺處，壓力約為海平面的100倍，則當(dāng)含氯-氫海水上升至集氣室C時，感受的壓力減小100倍。又依據(jù)一般海洋實測資料，位于1000公尺深度的第二管線2處的海水溫度和集氣室C海平面的海水溫度之間相差約20～25℃。從而可得知在集氣室C氫的體積V將增加為第二管線2處氫體積的2000倍。

在壓力與溫度的雙重效應(yīng)影響下，從含氯-氫海水中排出到集氣室C上半部空間的氫氣量大增。該氫氣通過第四管線4可以驅(qū)動渦輪T，并帶動發(fā)電機G發(fā)電。第四管線4上設(shè)置有流量控制器，用于控制驅(qū)動渦輪T的氫氣的送氣時間和壓力。推動渦輪后的氫氣經(jīng)由第五管線5導(dǎo)入凝縮室H收集儲存。有關(guān)氫氣的凝縮儲存可運用本領(lǐng)域技術(shù)人員眾所周知的現(xiàn)有技術(shù)。

另外，自集氣室C約在含氯-氫海水平面處的二分之一高度側(cè)壁處的開口連接第六管線6，通過增加泵P3將次氯酸鈉導(dǎo)入儲存槽S。其后進行次氯酸鈉的一般應(yīng)用流程。

圖4示出了本實用新型電解海水氫回收與發(fā)電系統(tǒng)實施例的一透視圖。圖5示出了本實用新型電解海水氫回收與發(fā)電系統(tǒng)實施例的俯視圖。圖6示出了本實用新型電解海水氫回收與發(fā)電系統(tǒng)實施例的另一透視圖。由圖4、圖5、圖6可知，為實施本實用新型，首先選擇一個具有適當(dāng)深度海水且離沿岸不遠的地點。例如，臺灣四面環(huán)海，在臺灣海峽這一邊平均深度約為200公尺，澎湖附近則深度可達600公尺。臺灣東部靠太平洋，東南離岸約1公里處，海水深度即可達1000公尺?？稍谠撎幒Ｉ霞茉O(shè)一個工作平臺F。海上的工作平臺F，可利用例如海上鉆油平臺既有技術(shù)來架構(gòu)。另外也可以用大型駁船取代。工作平臺F通常具有錨固構(gòu)造，因?qū)僖阎夹g(shù)，為簡化起見，在圖4、圖5、圖6中僅繪出浮在海面上的平臺F本身。

在平臺F上首先可以看到一般的海水電解裝置E，其利用在管線上的增壓泵P1，從海中抽取經(jīng)過濾后的海水進入電解槽。電解后輸出的海水經(jīng)過增壓泵P2泵入第一管線1。第一管線1垂直向下延伸至適當(dāng)深度的海水中。前述適當(dāng)深度優(yōu)選為1000公尺。第一管線1的下端連接由軟性材質(zhì)制造的第二管線2的左端。第二管線2的右端連接第三管線3的下端，第三管線3垂直向海面上延伸，直到集氣室C的底面。集氣室C大約一半高度在海中，一半在海面上。在此，集氣室C繪成上下兩端呈半球狀的圓筒形狀，其直徑大于第三管線3的直徑。然而，圓筒形狀僅是集氣室C的一個可能的實施例，其也可采用其他形狀，例如圓球狀、橄欖球狀、立方形狀等。

集氣室C上部空間的高壓氫氣經(jīng)由第四管線4推動渦輪T帶動發(fā)電機G發(fā)電。如圖4、圖5、圖6中所示，由發(fā)電機G產(chǎn)生的電可經(jīng)由電纜線并聯(lián)至沿岸陸上發(fā)電廠電網(wǎng)。推動渦輪之后的氫氣經(jīng)由第五管線5進入凝縮室H，進行氫氣的收集儲存。有關(guān)氫氣的凝縮技術(shù)可采用已知技術(shù)。

在集氣室C海平面處因氫氣大量排出，飽含次氯酸鈉的海水，于集氣室C側(cè)壁約剛好在海平面之下處連接第六管線6，通過增壓泵P3將次氯酸鈉流泵入儲存槽S。其后可供一般發(fā)電廠清洗管路使用所需。圖4、圖5、圖6中可見到有管路，經(jīng)由增壓泵P4將儲存槽S中的次氯酸鈉流輸往沿岸發(fā)電廠的次氯酸鈉儲存槽。

圖7示出了本實用新型電解海水氫回收與發(fā)電系統(tǒng)實施例在去除工作平臺后的局部放大圖。圖8示出了本實用新型電解海水氫回收與發(fā)電系統(tǒng)實施例去除工作平臺后的另一局部放大圖。通過圖7、圖8與圖3對照，可以更清楚了解本實用新型的管路及部件的連接關(guān)系，從而有利于產(chǎn)業(yè)實施。另外，在實施時，亦可根據(jù)實際條件進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

次氯酸鈉與氫氣的產(chǎn)量，可以通過提升電解槽電極板的面積或電流負(fù)載來提高，這是已知技術(shù)。另外，若將圖4、圖5、圖6所示設(shè)置于工作平臺上的電解海水氫回收與發(fā)電系統(tǒng)作為一個單元架構(gòu)，則增加單元的數(shù)目也可增加次氯酸鈉與氫氣的產(chǎn)量。

本實用新型電解海水氫回收與發(fā)電系統(tǒng)所需的電力，優(yōu)選由風(fēng)力或太陽能電池提供。風(fēng)力或太陽能電池發(fā)電裝置必要時也可裝設(shè)在工作平臺上。

綜上所述，本實用新型的電解海水氫回收與發(fā)電系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：第一，將海水電解裝置所產(chǎn)生的氫氣回收，提供氫氣車的氫燃料電池等所需能源。第二、將海水電解裝置所產(chǎn)生的氫氣回收，可避免氫氣散逸到地球大氣中，破壞臭氧層，對降低地球暖化、提升人類健康有貢獻。第三、在氫氣回收之前，利用高壓氫氣發(fā)電，除部分供所需輸入電力使用之外，也可饋入一般電網(wǎng)。第四、正常供應(yīng)火力發(fā)電廠清洗管路所需的次氯酸鈉。第五、不必使用一般電解海水系統(tǒng)所需的脫氫裝置，節(jié)省該部分的資材與能源。

此外，采用本實用新型的電解海水氫回收與發(fā)電系統(tǒng)，除了火力發(fā)電廠所需的次氯酸鈉供應(yīng)無缺外，尚有貯集氫氣、發(fā)電、環(huán)保、節(jié)能等好處，具有產(chǎn)業(yè)利用價值。而且，本實用新型應(yīng)用范圍不僅限于火力發(fā)電廠，只要具有引入海水冷卻管路的設(shè)施，例如核能電廠等，均可運用本實用新型電解海水氫回收與發(fā)電系統(tǒng)來創(chuàng)造附加價值。

以上依據(jù)附圖進行的說明，意在讓本領(lǐng)域技術(shù)人員了解本實用新型的內(nèi)容并可據(jù)其實施，而非用來限制本實用新型的范圍。在本申請的技術(shù)思想下所作的簡單修改、變化，均在本實用新型保護范圍之內(nèi)。