一種電解海水製備氫氣和氧氣的電解設備及其工藝的製作方法

2023-12-03 23:18:31 3

專利名稱：一種電解海水製備氫氣和氧氣的電解設備及其工藝的製作方法
專利說明本發明涉及一種電解海水製備氫氣和氧氣的電解設備，特別涉及一種循環鹼性海 水電解液，產生氫氣和氧氣的設備及其工藝。
背景技術：
起源於上世紀初的傳統電解水制氫技術通過電解鹼性淡水溶液制氫。上世紀70 年代，電解淡水制氫氧技術已經被美國宇航局用於載人宇宙飛船的再生式生命維持系統， 1975年開始研究用於美國海軍的核潛艇供氧裝置，1980年進行了實艇試驗評價。美國聯合 技術公司漢米爾頓標準部於90年代將該技術與潛艇生命維持系統結合起來進行開發和研 究，在同一臺電解槽中即可制出供呼吸用的氧氣，又可清除艇內的二氧化碳。從技術上講， 電解海水制氫技術可兼容電解水制氫(氧)技術，其獨特的優越性在軍事上具有廣大的發 展空間，特別是在潛水艇、船艦等淡水資源極為寶貴、海水資源極為豐富的場所，電解海水 制氫技術比電解淡水制氫技術更具重要的戰略意義。在地球淡水資源日益饋乏、汙染嚴重 且分布不均而海水儲量極為豐富的今天，發展電解海水制氫技術更具有現實性。關於電解海水電解槽的研究多為氯鹼行業的電解槽，陽極主要生產氯氣，產生的 有毒、腐蝕性氯氣汙染環境並腐蝕設備，難以環保清潔生產。另外槽電壓也有待降低以利於 節能，在電解水制氫所消耗的電能中，析氫和析氧過電位大約佔槽壓的1/3，電的成本佔制 氫成本70%以上。目前國內採用清潔高效電解海水制氫氣和氧氣的電解槽裝置研究尚屬空白。所 以，從環保和節能等方面提升傳統電解淡水制氫技術、開發電解海水制氫氣、氧氣技術。研 究電解海水制氫氣和氧氣的電解裝備顯得尤為重要。

發明內容
為了克服電解海水產生的氯氣，本發明提供一種利用豐富的海水做電解液，製取 清潔的氧氣和氫氣，不有毒氣體氯氣的備循環鹼性海水電解液製備氫氣和氧氣的設備和方 法。本發明採用的技術方案是一種循環鹼性海水電解液製備氫氣和氧氣設備，該設 備包括陽極室、陰極室、離子交換膜、氧氣分離器、氫氣分離器和循環電解液系統；其中，所 述陽極室的上端設置陽極電解液出口，底部設置有陽極室電解液入口和陽極接線柱；所述陰極室上端設置陰極電解液出口，底部設置有陰極室電解液入口和陰極接線 柱；所述氧氣分離器上端設置有氧氣出口，下端設置有電解液出口 ；所述氫氣分離器上端設置有氫氣出口，下端設置有電解液出口 ；所述陽極室與所述陰極室設置有所述離子交換膜，所述陽極電解液出口通過管路 與所述氧氣分離器管接，所述陰極電解液出口有通過管路與所述氫氣分離器管接，所述氫 氣分離器的電解液出口通過管路與所述循環電解液系統的一端管接，另一端通過管路所述陽極室電解液入口管接。所述循環電解液系統由耐腐蝕離心泵和閥門構成，用於控制電解液流速，有利於穩定陽極析氧效率及氧氣生產；所述耐腐蝕離心泵和所述閥門設置於所述氫氣分離器與所 述陽極室之間管路上。本發明另一目的是提供上述循環鹼性海水電解液製備氫氣和氧氣設備的製備工 藝具體包括以下步驟首先，在陽極室內置入錳系氧化物陽極，陰極室置入Ni-Fe-S陰極；然後，將溫度為60 90°C，pH為11 14，NaCl質量百分比3 4%的鹼性海水電 解液加入所述陽極室和陰極室，打開離心泵和閥門，接通電源，在電流密度位800 1500A/ m2條件下電解，陽極獲得氧氣，陰極獲得氫氣；最後，所獲得氧氣通過氧氣分離器將氧氣和鹼性海水電解液分離得到清潔的氧 氣；所獲得氫氣通過氫氣分離器將氫氣和鹼性海水電解液分離得到清潔的氫氣，鹼性海水 電解液通過閥門和離心泵循環回所述陽極室。所述猛系氧化物陽極為Mn-Mo-0，Mn-Mo-V-O, Mn-Mo-Fe-0, Mn-Fe-V-O 氧化物本發明的有益效果由於上述技術方案的運用，本發明能夠利用豐富的海水做電 解液，保證了製取清潔的氧氣和氫氣，沒有有毒氣體氯氣，為製備氫氣和氧氣提供一種清 潔、有效、可行的方法。


圖1為本發明的電解鹼性海水製備氧氣和氫氣的設備的結構示意圖。圖中1 :陰極室電解液入口、2 陰極接線柱、3 =Ni-Fe-S陰極、4 陰極室、5 陰極室電解 液出口、6 離子交換膜、7 氫氣出口、8 氫氣分離器、9 氫氣分離器電解液出口、10 耐腐蝕 離心泵、11 陽極室電解液入口、12 陽極接線柱、13 錳系氧化物陽極、14 陽極室、15 陽極 室電解液出口、16 氧氣出口、17 氧氣分離器、18 氧氣分離器電解液出口、19 :閥門。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步說明。圖1所示為本發明的電解鹼性海水製備氧氣和氫氣的設備的結構示意圖。如圖 1所示，本發明一種電解鹼性海水製備氧氣和氫氣的設備，該設備包括陰極室4、離子交換 膜6、氫氣分離器8、耐腐蝕離心泵10、陽極室14、氧氣分離器17和閥門19。其中，陰極室4與陽極室14之間設置有離子交換膜6，陰極室4上端設有陰極室 電解液出口 5，底部設有陰極室電解液入口 1和陰極接線柱2，陰極室電解液出口 5通過管 道與氫氣分離器8管接，氫氣分離器8上端設有氫氣出口 7，下端設有氫氣分離器電解液出 口 9，氫氣分離器電解液出口 9通過管道與陽極室14的陽極室電解液入口 11管接，管道上 依次設置有閥門19和耐腐蝕離心泵10 ；陽極室14上端設有陽極室電解液出口 15，底部設 有陽極室電解液入口 11和陽極接線柱12，陽極室電解液出口 15通過管道與氧氣氣分離器 17管接，氧氣氣分離器17上端設有氧氣出口 16，下端設有氧氣分離器電解液出口 18。實施例1
首先，陽極室採用Mn-Mo-O氧化物陽極，陰極室用Ni-Fe-S合金陰極，然後，將溫度為60°C，pH為11，NaCl質量百分比為3%的鹼性海水電解液加入所 述陽極室和陰極室，打開離心泵和閥門，接通電源，在電流密度為800A/m2條件下電解，陽極 材料析氧效率100%，陽極獲得清潔氧氣，陰極獲得氫氣，同時，陰極室的鹼性海水電解液循 環到陽極室。實施例2
首先，陽極室置入Mn-Mo-Fe-O氧化物陽極，陰極室置入Ni-Fe-S合金陰極，然後，將溫度為70°C，pH為12，NaCl質量百分比3. 5%的鹼性海水電解液加入所 述陽極室和陰極室，打開離心泵和閥門，接通電源，在電流密度為1000A/m2條件下電解，陽 極材料析氧效率100%，陽極獲得清潔氧氣，陰極獲得氫氣，同時，陰極室的鹼性海水電解液 循環到陽極室。實施例3首先，陽極室置入Mn-Fe-V-O氧化物陽極，陰極室採用Ni-Fe-S合金陰極；然後，將溫度為80°C，pH為13，NaCl質量百分比為4%的鹼性海水電解液加入所 述陽極室和陰極室，打開離心泵和閥門，接通電源，在電流密度為1200A/m2條件下電解，陽 極材料析氧效率100%，陽極獲得清潔氧氣，陰極獲得氫氣，同時，陰極室的鹼性海水電解液 循環到陽極室。電解IOOOh後Mn-Fe-V-O氧化物陽極的析氧效率仍然100%。實施例4首先，陽極室置入Mn-Mo-V-O氧化物陽極，陰極室採用Ni-Fe-S合金陰極；然後，將溫度為90°C，pH為14，NaCl質量百分比為3. 5%的鹼性海水電解液加入 所述陽極室和陰極室，打開離心泵和閥門，接通電源，在電流密度為1400A/m2條件下電解， 陽極材料析氧效率100%，陽極獲得清潔氧氣，陰極獲得氫氣，同時，陰極室的鹼性海水電解 液循環到陽極室。實施例5首先，陽極室置入Mn-Fe-V-O氧化物陽極，陰極室Ni-Fe-S合金陰極；然後，將溫 度為85°C，pH為13，NaCl質量百分比為3%的鹼性海水電解液加入所述陽極室和陰極室， 關閉離心泵和閥門，接通電源，在電流密度為1500A/m2條件下電解，10分鐘後槽電壓急劇上 升，氧化物陽極的析氧效率僅有58%，同時有大量氯氣產生，繼續電解IOmin後氧化物陽極 大面積脫落。
權利要求
一種循環鹼性海水電解液製備氫氣和氧氣設備，其特徵在於，該設備包括陽極室(14)、陰極室(4)、離子交換膜(6)、氧氣分離器(17)、氫氣分離器(8)和循環電解液系統；其中，所述陽極室(14)的上端設置陽極電解液出口(15)，底部設置有陽極室電解液入口(11)和陽極接線柱(12)；所述陰極室(4)上端設置陰極電解液出口(5)，底部設置有陰極室電解液入口(1)和陰極接線柱(2)；所述氧氣分離器(17)上端設置有氧氣出口(16)，下端設置有電解液出口(18)；所述氫氣分離器(8)上端設置有氫氣出口(7)，下端設置有電解液出口(9)；所述陽極室(14)與所述陰極室(4)之間設置有所述離子交換膜(6)，所述陽極電解液出口(15)通過管路與所述氧氣分離器(17)管接，所述陰極電解液出口(5)有通過管路與所述氫氣分離器(8)管接，所述氫氣分離器(8)的電解液出口(9)通過管路與所述循環電解液系統的一端管接，另一端通過管路所述陽極室電解液入口(11)管接。
2.根據權利要求1所述的循環鹼性海水電解液製備氫氣和氧氣設備，其特徵在於，所 述循環電解液系統由耐腐蝕離心泵(10)和閥門(19)構成，用於控制電解液流速，有利於穩 定陽極析氧效率及氧氣生產；所述耐腐蝕離心泵(10)和所述閥門(19)設置於所述氫氣分 離器(8)與所述陽極室(14)之間管路上。
3.根據權利要求1所述的循環鹼性海水電解液製備氫氣和氧氣設備的製備工藝，其特 徵在於，首先，在陽極室內置入錳系氧化物陽極，陰極室置入Ni-Fe-S陰極；然後，將溫度為60 90°C，pH為11 14，NaCl質量百分比3 4%的鹼性海水電解 液加入所述陽極室和陰極室，打開離心泵和閥門，接通電源，在電流密度800 1500A/m2條 件下電解，陽極獲得氧氣，陰極獲得氫氣；最後，所獲得氧氣通過氧氣分離器將氧氣和鹼性海水電解液分離得到清潔的氧氣；所 獲得氫氣通過氫氣分離器將氫氣和鹼性海水電解液分離得到清潔的氫氣，鹼性海水電解液 通過閥門和離心泵循環回所述陽極室。
4.根據權利要求3所述的循環鹼性海水電解液製備氫氣和氧氣設備的製備工藝，其特 徵在於，所述錳系氧化物陽極為Mn-Mo-0，Mn-Mo-V-O, Mn-Mo-Fe-O或Mn-Fe-V-O氧化物。
全文摘要
本發明涉及一種電解海水製備氫氣和氧氣的電解設備及其工藝，特別涉及一種循環鹼性海水電解液，產生氫氣和氧氣的設備，該設備包括陽極室、陰極室、離子交換膜、氧氣分離器、氫氣分離器和循環電解液系統組成；本發明通過循環電解液系統、氧氣分離器、氫氣分離器裝置確保陽極室錳系氧化物陽極100％析氧效率及電解海水壽命，抑制有毒氯氣；採用上述電解鹼性海水設備，陽極室產生清潔氧氣，陰極室產生氫氣。
文檔編號C25B1/10GK101956206SQ201010293440
公開日2011年1月26日 申請日期2010年9月27日 優先權日2010年9月27日
發明者俞宏英, 孫冬柏, 孟惠民, 宋利君 申請人:北京科技大學