一種高效電解槽及其燃水器的製作方法
2023-05-15 13:30:41 2
專利名稱：一種高效電解槽及其燃水器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高效電解槽及其燃水器，屬能源技術領域。
背景技術：
人類文明發展到今天，主要依靠碳素或者炭質能源，例如木炭、煤炭、石油和天然氣等。在21世紀，人們期望更多地使用氫能源，例如目前熱點——燃料電池等。炭質能源的燃燒產生CO和CO2等氣體，汙染環境，形成溫室效應。而氫氣燃燒只產生H2O-水，不汙染環境。炭質燃料主要濃集濃縮於木炭、煤炭以及石油中，而氫元素主要分布於水中。水中的氫氣與氧氣的比例為2∶1，從水中提取高濃度的氫氣，用作燃料，一直是人們的偉大夢想之一。
儘管人們一直在研究開發從水中製取氫氣和氧氣的技術和裝置，但是至今仍然沒有成熟的技術和設備。其主要原因有以下幾個方面1)電解水製取氫氣的能量轉換效率太低；一般只有40-50％；2)產生氣體的安全儲存及其容器的密閉性問題沒有解決，由於水分解後體積膨脹近1900多倍，大電流電解產生氣體體積急劇膨脹，在容器內產生很大壓力，容易造成容器密閉失效和洩漏；3)水電解產生的氫氣在燃燒時，容易回火併引起輸氣管道甚至內部容器爆炸；4)由於電解液含有強鹼性電解質，腐蝕性很強，容易造成金屬電極的電化學腐蝕，電極的壽命短，難於滿足一般用戶的長期使用；5)一般的裝置都比較笨重，單位重量的產氣量沒有達到人們期望值。很顯然，只有同時解決了上述五個關鍵問題的水分解裝置，才能具有使用價值。
影響水溶液電解產生氫氣和氧氣的能量轉換效率的主要因素，是正負電極表面的過電壓，直接原因是電極表面形成的氣體不能迅速離去，在電極表面形成絕緣性氣體層，在一定程度上隔斷了電解液與電極表面的直接接觸。理論上，施加在電解槽兩端所需要的電壓Ut，為水電解理論電位Ur、正極過電壓Va和負極過電壓Vc以及電極電阻的歐姆損耗Ri之和。既Ut＝Ur+Va+Vc+Ri。有研究結果表明，在大功率高電流密度(2-30A/dm2)的電解槽中，正極與負極的過電壓與電解液的歐姆損耗總量，相當於水分解反應實際所需要的能量(R.L.Leray，J.Electrochemical Society，126(1979)P1676)。這就是目前的水電解效率只有50％的低水平的原因。對於人們所需要的高效率電解產生氫氣和氧氣的中小型裝置，降低電極過電壓和電解液的歐姆損耗，成為最主要的技術發展趨勢。
減少電極的過電壓的方法之一，是降低電極周圍的電解溫度，這可以通過用小電流電解或者降低電極的電流密度來實現，例如這個專利申請CN90217368.5和CN92203868.6所倡議的那樣，使電解反應在高電壓小電流狀態下工作。小電流電解裝置只能用於科學實驗等用氣量小的場合。對於用氣量需要比較大的場合，例如工業加熱和高溫燃燒，小電流型裝置將是大而笨重，缺乏經濟性。例如專利公開號CN1122615A介紹的電解設備，就是用鹽酸或硝酸等酸性溶液為原料，經過變壓整流使動力電源轉變成高電壓小電流密度裝置而製備工業氫氣，設備系統大而複雜。設備系統成本過高，難於實現。
減少電極的過電壓的最有效的方法，是如何快速除去電極表面不斷形成的氫氣和氧氣的薄層。因為氫氣和氧氣薄層具有很高的電阻。具有催化效果的電極將能促進電解反應更快速進行，並使氣體薄層更快脫離電極。使用新型的具有催化效果的電極材料，無疑將降低電極過電壓；另一個除去材料表面氣泡的方法，是超聲振動。超聲振動已經廣泛地應用於超聲清洗和超聲霧化裝置中，但是，其被應用於電解槽內電極表面氣泡去除的研究，還沒有報導。
發明內容
本發明的目的是設計一種高效電解槽及其燃水器，使其能夠簡便地將自來水轉換成可燃性氣體並形成高溫火焰，通過使用新材料作為電極和使用超聲振動降低電解電壓，大大提高電解裝置的產氣量；通過安裝氣壓限定器、回火阻止閥門等裝置等，使水電解產生的氫氧混合氣體安全燃燒並產生高溫加熱火焰，滿足溫室加熱、烹調炊事、金屬切割焊接、陶瓷玻璃的熔斷、局部燒結和重熔癒合修補，以及垃圾焚燒等高溫操作的需要。
本發明設計的高效電解槽，包括電解腔、複合材料電極和壓電振蕩片。複合材料電板正負板相互間隔地橫向平行置於電解腔內的電解液中。壓電振蕩片貼在複合材料電極上。電解腔置於電解槽外殼內，電解腔的上部設有進液、出氣口，下部設有排液口，電解腔與外部電源相連，電解槽外殼與電解腔之間設有散熱元件。
上述電解槽中的複合材料電極可以為鎳基金屬與陶瓷的複合材料。
上述鎳基金屬與陶瓷的複合材料中，鎳基金屬為鎳-鈷-鋅合金，其重量百分比為60％-97％，其餘為導電氧化物陶瓷。
本發明還設計了用上述電解槽組裝成的高效燃水器，包括電解槽、儲氣罐、氣壓限定器和回火阻止閥。其中的儲氣罐與電解槽中電解腔上部的進液、出氣口相連接，氣壓限定器和回火阻止閥與儲氣罐依次相連。
本發明設計的高效電解槽及其燃水器公開的燃水器，是一種使水的電解產物安全燃燒的裝置，在電解槽中安裝有新型複合材料電極和電子振蕩陶瓷元件，新型電極可以高效率地產生氫氣和氧氣，電子振蕩元件的振蕩可以使新生成的氫氣和氧氣快速脫離電極表面向電解槽上部集中。電解槽外部安裝有氣壓限定器和回火阻止閥門，前者使電解槽內及相連管道的氣壓保持在安全壓力以下，後者使燃燒著的火焰不會返回到電解槽內。在電解槽側面安裝水位顯示儀，便於隨時監測電解槽的水位和水質變化。燃燒部分主要由噴嘴組成，將噴嘴口噴出的混合氣體點燃，可以形成最高達到3000多度的火焰。使用不同結構和形狀的噴嘴，可以自由地改變燃燒火焰的形狀和長度，以用於溫室加熱、烹調炊事、金屬切割焊接、陶瓷玻璃的熔斷、局部燒結和重熔癒合修補，以及高溫垃圾的焚燒處理等。這種水電解氣體燃燒後只產生水蒸汽，沒有任何有害氣體排出，並且在任何需要燃燒加熱時通電生成氣體，燃燒氣體不需儲存和運輸。設備能量轉換效率高，產氣量大，設備體積小，重量輕，便於移動和攜帶，是一種綠色環保型燃燒加熱裝置。
圖1是本發明設計的高效電解槽的結構示意圖。
圖2是本發明設計的高效燃水器的結構示意圖。
圖1和圖2中，1是出氣、進液口，2是電解腔，3是電解液，4是金屬陶瓷複合材料電極，5是壓電振蕩片，6是散熱元件，7是電源，8是排液口，9是電解槽外殼，10是電解槽，11是儲氣罐，12是氣壓限定器，13是回火阻止閥門，14是燃燒爐。
上述電解槽中的複合材料電極4可以為鎳基金屬與陶瓷的複合材料。
本發明還設計了用上述電解槽組裝成的高效燃水器，包括電解槽10、儲氣罐11、氣壓限定器12和回火阻止閥13。其中的儲氣罐11與電解槽10中電解腔上部的進液、出氣口1相連接，氣壓限定器12和回火阻止閥13與儲氣罐11依次相連。
本發明設計的電解槽中的電極，採用新型的鎳基金屬與陶瓷的複合材料製作而成，既具有金屬的導電性和表面催化性能，又具有陶瓷的耐腐蝕性和長壽命的特長。電解槽中的電極組數目視產氣要求而定。電解槽上貼裝有片式壓電陶瓷振蕩器，可以使電極板表面發生超聲振動，使附著其表面的氫氣和氧氣氣泡迅速脫離電極表面，還可以促進電解槽內電解液的擴散和對流。電解槽中的電解液為水、蒸餾水或水蒸汽，電解質為氫氧化鉀或氫氧化鈉，產生的氣體為氫氣和氧氣的混合氣體，兩者的混合比接近水的原子比。
本發明設計的燃燒器中的氣壓限定器與電解槽的氣體排出口相連，當排出氣體壓力達到限定壓力時，會自動切斷電解槽的動力電源，臨時中止電解反應；當氣體壓力逐漸消耗並降低到最低限定氣壓時，電解槽電源自動接通，電解反應繼續進行。其中的回火阻止閥門，置於電解槽與燃燒器之間，當燃燒器火焰發生回火併進入閥門時，會自動隔斷火苗進入電解槽內部，使火苗立即自動熄滅。
本發明所公開的燃水器，是電解水氣體的高溫燃燒加熱裝置。針對目前電解水裝置的效率低、設備大而笨重、使用壽命短和使用安全性差的情況，本發明通過採用全新的金屬陶瓷複合材料作為水電解電極，具體地說，是用鎳基合金陶瓷複合電極替代目前常用的鐵基不鏽鋼金屬電極，以大大提高表面催化性能和電極的使用壽命；在電解槽中安裝壓電陶瓷超聲去泡元件，使電極表面的氣體能夠快速脫離並聚合成大氣泡而迅速逸出；在反應槽內安裝的氣壓限壓器，在產生氣體的壓力超過額定氣壓時能夠像電流保險絲那樣自動斷電而臨時暫停電解，保證電解槽、儲氣罐以及氣體輸送管道的安全，當氣壓降至額定氣壓下限時，又能重新接通電源繼續電解；在氣體管道的出氣口附近安裝阻止回火閥門，使得由於不正常操作時產生的管道回火不會蔓延到電解槽內部。
該發明所描述的燃水器，是一種使水溶液高效率電解並安全燃燒電解氣體的裝置，它包括水的電解裝置部分和電解產物——氫氧混合氣體安全燃燒的兩大部分。該裝置主要由電解槽部分、電源控制部分、氣壓限定器、回火阻止閥門、水位顯示儀、氣體輸出管道和燃燒爐等部分組成。電解槽中裝有新型陶瓷金屬複合材料電極、鹼性電解液和超聲振蕩片。其工作過程是，在通電狀態下，水或鹼性電解液在電解槽中被電極電解分別形成氫氣和氧氣，在超聲振蕩作用下，電極表面新生成的氫氣和氧氣快速向電解槽上部移動並聚集，經由回火阻止閥門後，由輸氣管道輸送到燃燒爐的噴嘴，在噴嘴處點燃排出的混合氣體即可燃燒。通過控制氣流量、氣壓和噴嘴形狀，可以控制燃燒火焰的形狀、加熱面積和燃燒溫度，最高溫度可達到3000多度。
本發明具有以下特點1、水解裝置與使用電解氣體的燃燒裝置被連成一體，設備緊湊，例如，每小時產氣量達到1000-2000升的裝置，只有約40×50×70cm大小，重量只有60-90公斤。
2、採用了新型陶瓷金屬複合材料電極，主要為鎳基鈣鈦礦型陶瓷與鎳合金的複合金屬板作電極，增加了電極的表面水解催化效果，又發揮了陶瓷材料的耐酸鹼腐蝕性強的特點，大大增加了電極板的服役使用壽命。目前一般使用的不鏽鋼電極只能使用1年左右，更長的使用時間會導致電極腐蝕穿透而漏電。本發明的陶瓷金屬複合材料電極，使用壽命比不鏽鋼電極提高2倍以上。電解槽中的電極數目可根據產氣要求而定，常用4～8個電極板。
3、在電極板上安貼了超聲振蕩片，它由壓電陶瓷做成。該壓電陶瓷振蕩片為PTZ陶瓷組成，形狀園片狀，園片直徑為φ10-20mm，厚度為1.0-2.65mm，振動頻率為10-100KHz，以10-50KHz為佳。振動功率為10-50W。其工作是產生的超聲振動，在電解槽內產生的壓力可高達到1×104kg/cm2的大壓力(約合數百個大氣壓)，達到吸引和排擠電極表面氣泡的作用，使氫氣和氧氣的氣泡快速脫離電極表面，還能增加電解槽內部的電解液和電解質的對流，大大降低電極板周圍的過電壓。水在80度時電解的理論電壓為1490mV，而在200V-20A的大電流下不鏽鋼電極電解所需要的電壓為2500-3100mV。使用新型電極和安貼超聲振蕩片後，電解所需要的電極過電壓減少了250mV甚至更多，大大降低了電極表面的過電壓損耗和電解質的歐姆損耗，大幅度提高了電解效率，可使電解效率提高到77％。
4、與電解槽、儲氣罐連通的輸氣管與氣壓限定器相連，當電解槽內氣體壓力超過額定氣壓(例如1.8個大氣壓)時，氣壓限定器會自動切斷電源，臨時停止供電，中止產氣；當內部氣壓小於最低限定氣壓(例如1.3個大氣壓)時，氣壓表會自動接通電源，繼續電解反應。
5、在輸氣管中間還安裝有回火阻止閥門。當發生燃燒著的火焰向輸氣管道內部蔓延時，回火阻止裝置會立即堵塞回氣通路，隔斷火焰，使其不會進入電解槽內部。當火焰正在工作加熱時，如果發生突然停電事故，電解槽內氣壓會逐漸降低，如果降低到1個大氣壓左右，操作人員又沒能及時熄滅火焰，則火焰可能萎縮進入輸氣管道而發生回火現象，這是，回火阻止閥門就會發揮作用，保證設備安全。
6、電解槽的側面連通一個透明的水位顯示儀，可以從設備外部直接觀察到電解槽內水位的降低和水質的蛻變。如果水位降低到設定下限，就發出警報提醒補充水源，如果觀察到水質渾濁，則需要更換電解液或者清洗電解槽，以保證電解槽的原料(水及電解質)的數量和質量。
本發明的功效在於，利用相對小型輕便的裝置，能夠將水電解產生的混合氣體安全燃燒應用於高溫加熱。設備為50-100公斤，單位重量的產氣量為15-30L/kg。消耗物質為水或者蒸餾水，每小時消耗1-2升水，每升水電解產生約1900升混合燃燒氣體，每小時可以產生熱量高達4000-6000千卡，適用於快速加熱和局部加熱。整體設備的電能轉換效率高達77％以上。這種設備可用於溫室加熱、烹調炊事、金屬切割焊接、陶瓷玻璃的熔斷、局部燒結和重熔癒合修補，以及高溫垃圾的焚燒處理等。燃燒加熱溫度可達3000多度，是一種綠色環保型燃燒加熱裝置。
下面結合附圖和實施例，對本發明裝置的工作原理和過程進行說明。
這種裝置適合於燃氣量(或產氣量)為每小時0.1-10立方米的水電解氣體發生器和燃燒器。其輸入功率為1KW-100KW範圍。該裝置使用普通交流電源即可正常工作。附圖1為電解槽結構示意圖，附圖2是燃水器工作原理簡圖。
實施例1以產氣量為1500升/小時的燃水器為例，說明該發明裝置的工作過程和性能。在5升水或蒸餾水中加入30％重量百分比的氫氧化鉀，充分攪拌溶解後，注入到該燃水器裝置的倒Y型注水口中；密封注水口後，接通220V的電源，將電流表逐漸加大到10A-15A(安培)，水在電解槽中被電解產生氫氣和氧氣，燃水器儀錶板上的氣壓表緩慢上升，指針超過0.03Mpa(此時產氣氣壓為1.3個大氣壓)時，在燃燒爐上點火。火焰噴嘴直徑為0.6mm，火焰細而直，火焰長度可達10-30cm，火焰溫度可達2000-3000℃，可用於切割金屬和熔化玻璃。
實施例2用實施例1的設備和操作順序，將噴嘴口(燃燒口)的出氣口直徑換為更小的噴嘴，例如0.3mm的噴嘴，產氣速度大於排氣速度，氣壓表指針持續上升，當上升到預先設定的0.08Mpa(此時產氣氣壓約為1.8個大氣壓)時，電源自動被切斷，電流表指針回落到零。噴嘴口火焰繼續燃燒，內部氣體繼續排出而使內部氣壓降低，指針逐漸回落。當氣壓表指針回落到設定的0.03Mpa下限時，電源又自動接通，電流表指針回復到10A或15A，氣壓表再逐漸回升。氣壓限定器起到了限定電解槽內氣壓和連動電源開關的作用，保證了電解槽及其相連的輸氣管道氣壓在安全範圍內。
實施例3以產氣量為2000升/小時的燃水器為例，按照實施例1操作順序，使燃水器穩定持續工作時間超過10小時後，水位計的指示球降低到接近於水位下限。這時，暫時停機，放盡輸氣管道中的剩餘氣體後，打開後置的倒Y字型注水口，補充4升左右的水或者蒸餾水。封蓋後，又可以繼續使用。
實施例4以實施例3的裝置和操作順序，以自來水作為水源，斷續向電解槽補充消耗掉的水分。3個月後，透明水位計中的水質出現渾濁甚至紅色鐵鏽懸浮物。這時，放出剩餘的電解液，注入稀酸清洗電解槽一次，然後注入清水衝洗一次後，再按照實施例3的步驟重新注入新鮮的電解液和加入電解質，可繼續正常使用。用這種方法，可以保持電極板的清潔，除去電極板表面的絕緣薄層，恢復(refresh)電極電解效率，增加電極的使用壽命。
實施例5以產氣量為1000L/小時的裝置為例，按照實施例1的順序，點燃噴嘴噴出的混合氣體。通過操作旋鈕快速將工作電流降低到零，中止產氣，電解槽內壓力下降，噴嘴火焰變小。當氣壓降低到1.1個大氣壓附近時，火焰突然消失，並伴隨氫氣燃燒特有的爆鳴聲，並能觀察到回火阻止閥門的振動。這說明回火阻止閥門對回火有響應。再按照實施例1的步驟重新啟動產氣裝置，並在噴嘴出氣口點火，火焰正常燃燒，包括氣壓表在內的機器各個部位工作正常。這說明回火阻止閥門發揮了作用。如果由於操作失誤，或者突然停電導致含有氫氣的混合氣體燃燒火焰回火，回火阻止閥門都能阻止高溫火焰進入電解槽，達到保護設備和人員安全的目的。
實施例6對比實驗。以實施例3的裝置實驗，測試其產氣量、功率、能量轉換效率以及電極使用使命等性能參數。輸入功率為220V-20A，體積為40×50×70cm，重量80公斤。
對比例1用實施例6的同樣裝置，置換使用常用的不鏽鋼金屬材料作電解電極的電解槽，測試同樣參數。這些實驗結果列於表1。
對比例2用實施例6的同樣裝置，拆除電解槽上粘貼的壓電陶瓷振蕩片，測試同樣參數。這些實驗結果列於表1。
表1發明燃水器的主要使用性能對比
從上面的對比中，可看出使用本發明的金屬陶瓷複合材料電極能夠非常顯著地提高能量轉換效率，即使不使用壓電振蕩片，其能量轉換效率也比不鏽鋼電極高出10％-15％。
必須闡明，雖然上面已經通過實施例解釋了本發明的內容，然而所有這些實施例和相關的改進方案及變化方案，對於本領域的技術人員來說都是容易做到的，並且可以認為，這些方案都將落入本發明的大範圍和限定範圍之內。
權利要求
1.一種高效電解槽，其特徵在於該電解槽包括電解腔、複合材料電極和壓電振蕩片；所述的複合材料電板正負板相互間隔地橫向平行置於電解腔內的電解液中；所述的壓電振蕩片貼在複合材料電極上；所述的電解腔置於電解槽外殼內，電解腔的上部設有進液、出氣口，下部設有排液口，電解腔與外部電源相連，電解槽外殼與電解腔之間設有散熱元件。
2.如權利要求1所述的電解槽，其特徵在於其中所述的複合材料電極為鎳基金屬與陶瓷的複合材料。
3.如權利要求2所述的電解槽，其特徵在於其中所述的複合材料電極為與陶瓷的複合材料，其中的鎳基金屬為鎳-鈷-鋅合金，其重量百分比為60％-97％，其餘為導電氧化物陶瓷。
4.一種高效燃水器，其特徵在於該燃水器包括電解槽、儲氣罐、氣壓限定器和回火阻止閥，所述的電解槽包括電解腔、複合材料電極和壓電振蕩片，複合材料電板正負板相互間隔地橫向平行置於電解腔內的電解液中，壓電振蕩片貼在複合材料電極上；所述的電解腔置於電解槽外殼內，電解腔的上部設有進液、出氣口，下部設有排液口，電解腔與外部電源相連；所述的儲氣罐與電解腔上部的進液、出氣口相連接，氣壓限定器和回火阻止閥與儲氣罐依次相連。
全文摘要
本發明涉及一種高效電解槽,包括電解腔、複合材料電極和壓電振蕩片。複合材料電板平行置於電解腔內的電解液中。壓電振蕩片貼在複合材料電極上。電解腔置於電解槽外殼內,其上部設有進液、出氣口,下部設有排液口,電解腔與外部電源相連,電解槽外殼與電解腔之間設有散熱元件。本發明還設計了用上述電解槽組裝成的高效燃水器,包括電解槽、儲氣罐、氣壓限定器和回火阻止閥。本發明設計的電解槽和燃燒器,燃燒後只產生水蒸汽,沒有任何有害氣體排出,並且在任何需要燃燒加熱時通電生成氣體,燃燒氣體不需儲存和運輸,能量轉換效率高,產氣量大,設備體積小,重量輕,便於移動和攜帶,是一種綠色環保型燃燒加熱裝置。
文檔編號C25B11/06GK1363726SQ01144510
公開日2002年8月14日 申請日期2001年12月18日 優先權日2001年12月18日
發明者李建保, 孫格靚, 黃勇, 加藤安昭 申請人:清華大學, 日本Jcg株式會社