專利名稱：一種用于電解水的電解槽裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用電解方法由水生產(chǎn)氫氣和氧氣，或者生產(chǎn)這兩種氣體的混合物，或者生產(chǎn)這兩種分開的氣體，本發(fā)明還涉及對這些氣體的應(yīng)用。本發(fā)明的實施方案特別涉及用于有效地生產(chǎn)這兩種氣體的裝置，以及將這兩種氣體作為熱源，應(yīng)用于原子焊或原子切割，以及應(yīng)用于氣體廢物的處理。
背景技術(shù)：
在存在諸如氫氧化鈉(NaOH)或氫氧化鉀(KOH)等電解質(zhì)的條件下將水電解以釋放氫氣和氧氣(H2、O2)的技術(shù)是眾所周知的。該方法包括在兩個或多個陽極/陰極電極對之間施加一個DC電位差并提供用于打開H-O鍵所需的最低限度的能量(即每摩爾@STP為68.3KCal)。在生產(chǎn)這兩種氣體時，按照O2∶H2等于1∶2的化學(xué)計算比例分別從陽極(+)和陰極(-)上放出氧和氫。
可以參考下列文獻(xiàn)“Modern Electrochemistry Volume 2，JohnO′M.Bockris and Amulya K.N.Reddy，Plenum PublishingCorporation”，“Electro-Chemical Science，J.O′M.Bockris andD.M.Drazic，Taylor and Francis Limited”和“Fuel Cells，TheirElectrochemistry，J.O′M.Bockris and S.Srinivasan，McGraw-Hill Book Company”。
有關(guān)電解方法的實驗工作的討論可以參考“HydrogenEnergy，Part A，Hydrogen Economy Miami Energy Conference，Miami Beach，F(xiàn)lorida，1974，edited by T.Nejat Veziroglu，Plenum Press”。特別相關(guān)的文獻(xiàn)是由J.O′M.Bockris提供，發(fā)表于第371至379頁，由F.C.Jensen和F.H.Schubert提供，發(fā)表于第425至439頁以及由John B.Pangborn和John C.Sharer提供，發(fā)表于第499至508頁上的幾篇論文。
在大規(guī)模生產(chǎn)中，氣體的產(chǎn)生量取決于多個可變因素，包括所用電解液的類型和濃度、陽極/陰極電極對的表面積、電解液的電阻(相當(dāng)于離子電導(dǎo)率，它是一個溫度的函數(shù))、所能達(dá)到的電流密度以及陽極/陰極之間的電位差。所提供的總能量必須是以把水離子拆開以便產(chǎn)生氫氣和氧氣，以及避免構(gòu)成電極的金屬或?qū)щ娦苑墙饘俨牧习l(fā)生滲鍍(氧化/還原)。
還可以參考授予Yull Brown的澳大利亞專利AU 487062，該專利公開了一種用于生產(chǎn)氫和氧的電解槽裝置，根據(jù)需要，該裝置還帶有一種用于防止放出的氣體形成過壓的安全裝置。在Brown的專利中的圖2示出了一個串聯(lián)式的電解裝置，在該裝置的兩個終端(22)之間有多個電極(20a、20b)，通過兩個終端施加一個電壓。電解槽(20)提供氣體的體積流量輸出，如果該氣體輸出不能滿足特定的應(yīng)用，則必須配備更大數(shù)量單獨的電解槽單元，它們都按串聯(lián)方式進(jìn)行電連接。最終結(jié)果導(dǎo)致一種龐大的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)這些現(xiàn)有技術(shù)的裝置，在不使用昂貴和復(fù)雜設(shè)備的情況下還無法提供足夠大的氣體流量(例如數(shù)量級10000升/小時)，而且這些裝置在將電能用于生產(chǎn)氫氣和氧氣時能量轉(zhuǎn)換效率很低。所以，這類裝置的大規(guī)模工業(yè)實施在經(jīng)濟(jì)上是不可行的。
氫氣和氧氣的混合物(或氫氣)被用來作為一種氣體流式燃燒的熱源，例如用于爐中的燃燒。氫可單獨用于原子切割并常常用于原子焊，雖然在Brown的專利中描述的裝置使用氫和氧的混合物來進(jìn)行原子焊接。近來一些工業(yè)實踐的例子表明，在等離子弧中存在的氧可導(dǎo)致鎢電極的嚴(yán)重氧化。
根據(jù)經(jīng)驗，在實現(xiàn)這些應(yīng)用時的一個問題是必須安裝有用于改變主電源電壓的電開關(guān)裝置，以便將電壓轉(zhuǎn)變到適合于電解槽組的水平(即用降壓變壓器實現(xiàn))。這樣形成的整套裝置是低電能效率的和麻煩的，同時，如果需要精確地調(diào)節(jié)電壓與電流(從而要調(diào)節(jié)氣體流量)，則該裝置還將是昂貴的。
將氫氣和氧氣混合成一股單獨的氣體流后進(jìn)行燃燒就可以產(chǎn)生非常高的溫度，通常可達(dá)到約6000℃。氫/氧焊槍通常已知包含一個焊嘴或手柄，它們與一對供氣管相連接，以便分別地供應(yīng)氧和氫。
還有4種其他普通類型的焊接裝置和技術(shù)正在使用，它們是氧炔焰焊接、電弧焊接、MIG(金屬-惰性氣體)/TIG(鎢-惰性氣體)系統(tǒng)以及等離子體切割。
據(jù)估計，在澳大利亞有100,000套氧炔焰裝置正在使用。當(dāng)然，其中有70％主要用于金屬的切割，其余用作金屬薄板的焊接、銅焊銀焊等的熱源。一般說，氧炔焰裝置可以焊接0.5mm至2mm之間的金屬厚度。另外，當(dāng)厚度增至140mm時，雖然仍可以切割，但該鋼材必須含有高百分比的鐵才行。其理由是，鐵和氧可以支持誘發(fā)切割效應(yīng)的氧化過程。乙炔氣可以提供用于引起氧化反應(yīng)的初期溫度，通常為850℃。氧炔焰裝置要求對乙炔和氧氣二者皆采用瓶裝供貨，因此這些氣瓶必須購買或租賃，并接著要進(jìn)行維護(hù)并在使用時重新灌裝。
電弧焊被用于厚度大于1.5mm的金屬的焊接。其操作原理是，在手柄上帶有一個消耗電極，而工件則構(gòu)成另一個電極。在兩個電極之間產(chǎn)生AC或DC的電位差，這樣，當(dāng)手柄接近工件時就引起了電弧放電。該電弧可以用于熔化金屬或?qū)蓧K金屬工件焊接在一起。
MIG系統(tǒng)的操作基于一種連續(xù)的焊絲供應(yīng)系統(tǒng)。在一種已知的裝置中，消耗性焊絲由氬氣(或一種等離子體)保護(hù)，而氬氣常由鋼瓶供應(yīng)。另一方面，TIG系統(tǒng)要求將熔化焊絲通過手持而送入焊槽中。MIG/TIG系統(tǒng)可用來焊接1mm至20mm之間厚度的金屬，通常包括不銹鋼、鋁、低碳鋼等等，關(guān)于等離子體MIG方法，可以參考文獻(xiàn)“TheScience and Practice of Welding，Volume 2，A.C.Davies，Cambridge Uriversity Press”。
等離子體切割是一種將壓縮空氣(主要含氮)引入到DC電弧中的切割方法，因此它能產(chǎn)生非常高的溫度(約15,000℃)，這樣就能將氮核上的電子剝離，從而形成一種高溫等離子體。這種等離子體可用來切割鐵基的和非鐵的材料，例如低碳鋼、不銹鋼、銅、黃銅和鋁。市售的等離子體切割器可以切割厚達(dá)25mm的材料，其優(yōu)點是不要求使用瓶裝氣體而是使用自由的空氣。關(guān)于等離子體切割可以參考文獻(xiàn)“Gas Shielded Arc Welding，N.J.Henthorne and R.W.Chadwick，Newnes Technical Books”。
從上面對現(xiàn)有技術(shù)的討論可以看出，沒有任何一種裝置或系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)所有的焊接和切割功能，并且一般地說，對于任何一種特定的任務(wù)，將從上面討論過的系統(tǒng)中選取其中的一種而不選另一種。這就要求金屬加工者或其他金屬物品的工業(yè)制造者必須購買并維護(hù)多個不同類型的焊接裝置，以便能根據(jù)要求來完成任何一種工作任務(wù)。而購買用于替換的氣瓶所需的費用也是非常高的。
本發(fā)明的公開本發(fā)明的第一個優(yōu)選目的是提供這樣一種裝置，其中所用的氫氣和氧氣可以通過一種能夠避免上述的一個或多個缺點的方法來產(chǎn)生。在此意義上說，該電解裝置是緊湊的并能在氣體流量方面提供比現(xiàn)有技術(shù)更高的效率。
本發(fā)明的第二個優(yōu)選目的是提供一種用于為了生產(chǎn)氫氣和氧氣的電解槽的改進(jìn)結(jié)構(gòu)。該電解槽可用于氫/氧焊接或氫等離子體切割。其他應(yīng)用還可涉及一些要求使用可燃燒的燃料源的工業(yè)處理方法，例如焚化爐，以及涉及對難處理廢物的焚燒處理。
本發(fā)明的第三個優(yōu)選目的是提供一種電解槽裝置，這種裝置能夠選擇性地將氫氣和氧氣分別供入或者將它們的混合物一起供入單獨的氣體流中。
本發(fā)明的第四個優(yōu)選目的是提供一種可以滿足使用者所需的所有焊接或切割要求的整體焊接裝置。其優(yōu)點是不需用瓶裝供貨的氫或氧。另外，它也不需要任何瓶裝供貨的其他氣體，例如在MIG/TIG中用作保護(hù)氣體的氬氣。
本發(fā)明的第五個目的是提供一種用于氫/氧焊接或氫等離子體切割噴嘴的逆燃防止器。
因此，本發(fā)明公開了一種用于將水電解以釋放氫氣和氧氣的電解槽裝置，該裝置包括多個以重疊關(guān)系排列的形成陽極的電極，每個陽極包含一塊平板，有一個或多個共用第一導(dǎo)電連接元件穿過該陽極板；以及多個以重疊關(guān)系排列的形成陰極的電極，每個陰極包含一塊平板，有一個或多個共用第二導(dǎo)電連接元件穿過該陰極板；其中，陽極與陰極相互交替地排列。
本發(fā)明還公開了一種用于將水電解以釋放氫氣和氧氣的電解槽裝置，該裝置包括多個由一個或多個第一共用導(dǎo)電元件按電并聯(lián)方式連接起來的形成陽極的電極，這些陽極與多個由一個或多個第二共用導(dǎo)電元件按電并聯(lián)方式連接起來的形成陰極的電極相互交替地排列，這些陽極和陰極構(gòu)成了一個電解槽單元；而多個這種電解槽單元按串聯(lián)方式進(jìn)行電連接。
本發(fā)明還公開了一種用于將水電解以釋放分開的或混合的氫氣和氧氣的電解槽裝置，該裝置包括多個以重疊關(guān)系排列的形成陽極的電極，每個陽極包含一塊平板，有一個或多個第一導(dǎo)電連接元件穿過該陽極板；多個以相互隔開的線性重疊關(guān)系排列用于形成陰極的電極，每個陰極包含一塊平板，有一個或多個共用第二導(dǎo)電連接元件穿過該陰極板；其中，陽極與陰極相互交替地排列；以及多個塊隔膜，每一塊隔膜處于相鄰的陽極與陰極之間，該薄膜允許相鄰的陽極與陰極之間的離子流通過，但是能夠根據(jù)該隔膜兩側(cè)存在的壓力差有選擇地阻止氣體流通過。
本發(fā)明還公開了一種用于釋放氧氣和氫氣的電解槽裝置，該裝置包括多個形成陽極的電極，它們與多個形成陰極的電極相互交替地排列；多個塊處于每一對相鄰陰極與陽極之間的隔膜；以及一種至少能將水供入陽極和陰極之間的設(shè)備，該供料設(shè)備可用來至少控制處于每塊隔膜相反兩側(cè)水之間的壓差，以便能夠把釋放出的氧氣和氫氣選擇性地保持分開狀態(tài)或混合狀態(tài)。
本發(fā)明還公開了一種用于對氣體污染物進(jìn)行熱破壞的燃燒器裝置，該燃燒器包括一個半球形的燃燒室；一個與燃燒室相連接的氫氣和氧氣的供氣裝置，這些氣體經(jīng)由一條曲折的通道后通過多個同軸排列并指向半球形燃燒室中心的噴嘴噴出；以及一個用于供入氣體污染物的入口；其中，氣體污染物與氫氣和氧氣一起燃燒。
本發(fā)明還公開了一種多功能式焊接和切割發(fā)生器，它包括一個能夠產(chǎn)生多頭AC和DC輸出電壓的可控式電源；以及一個與所說電源連接的電解裝置，該電解裝置能夠借助于電源的DC電壓輸出使供入的水電解，有選擇地分別產(chǎn)生氫和氧或產(chǎn)生氫和氧的混合物；所說的氫、氧和混合的氫和氧，以及輸出電壓的電源，都能用來與焊接和/或切割裝置相連接。
本發(fā)明還公開了一種用于使用可燃?xì)怏w的焊嘴的逆燃防止器，該逆燃防止器包含一個處于供可燃?xì)怏w通過的通道中的網(wǎng)狀阻擋層，該網(wǎng)狀柵格具有允許氣體通過而阻止逆燃火焰通過的小孔，從而使逆燃火焰無法通過該阻擋層，因此使逆燃火焰熄滅。
對附圖的簡要說明

圖1a和1b分別以平面圖和側(cè)面圖示出一個單獨的電解槽片；圖2示出一種電解槽片重疊排列的方式；圖3以一種垂直的截面示出一個電解槽組合；圖4是一個垂直的截面圖，它示出本發(fā)明的另一種電解槽組合的一部分電極的排列方式；圖5是一個用來表示圖4中一個電極一部分的透視圖；圖6示意說明圖4中所示電極的一種串聯(lián)排列方式；圖7a和7b示出在另一種實施方案中的一個電解槽組的機(jī)械結(jié)構(gòu)；圖8示出在圖7a和7b中所示的多個電解槽的排列方式；圖9示出在一個電解槽組合中多個電解槽的串聯(lián)電連接布置方式；圖10a和10b示出一個電解槽組合的機(jī)械結(jié)構(gòu)；圖11a和11b示出另一種方案的電解槽片；圖12a和12b示出一個與圖11a和11b的電解槽片相配合的電解槽片；圖13詳細(xì)地示出在圖11a、11b、12a和12b中的電解槽片的小孔和孔洞；圖14示出圖11a、11b、12a和12b中的電解槽片組件的分解疊片式圖；圖15a示出圖14中的氣體分離系統(tǒng)的示意圖；圖15b示出圖15a的一種特殊例子；圖15c示出圖15a的一種等效電路；
圖16示出一個用于圖14和圖15a的電解槽組的分離系統(tǒng)中的氣體收集系統(tǒng)；圖17以截面圖示出一個液體洗滌器和防逆閥；圖18以截面圖示出圖10的一個焊嘴，其中包括一個逆燃防止器；圖19a和19b示出一個用于對污染物進(jìn)行破壞性燃燒的燃燒器；圖20示出一個多功能的焊接和切割設(shè)備的方框圖；以及圖21示出圖20的設(shè)備的一個原理圖。
詳細(xì)描述和最佳實施模式本發(fā)明實施的一種電解槽組件由多個六角形的電解槽片10構(gòu)成，其中的一片以平面圖示于圖1a中而以側(cè)面圖示于圖1b中。每個槽片10都具有3個切口12，各切口交替地排列于槽片10的側(cè)邊。電解槽片10其他側(cè)邊的每一邊都具有一個導(dǎo)電橋或凸緣14。通常由20塊單個的電解槽片10疊排成一個如圖2的側(cè)面圖所示的完整的電解槽16。這些槽片的總數(shù)可以根據(jù)所要求的表面積而變化，因此它也是槽片直徑的一個函數(shù)。
相鄰的單個電解槽片10按一種相反的規(guī)則排列，從而使得相鄰槽片的導(dǎo)電橋12按相反的方向延伸并相對地旋轉(zhuǎn)錯位60°。這種旋轉(zhuǎn)錯位的理由是，相鄰的槽片10具有相反的極性。導(dǎo)電橋14的長度足以通過相鄰槽片10的相應(yīng)切口12而不與該槽片接觸，并按此方式再與下一塊槽片接觸，這樣就在每一塊交替相隔的槽片之間形成了導(dǎo)電通道。按此方法，該完整的電解槽結(jié)構(gòu)16就具有3個正極終端和3個負(fù)極終端，雖然圖2示出只有2個正極終端和1個負(fù)極終端。該電解槽組16被一個絕緣殼體18(以剖開的形式示出)包圍著。在圖1a、1b和圖2中示出的電解槽片10適合于一種并聯(lián)電連接方式排列，每一個相鄰的兩塊電解槽片10形成陽極或陰極。
這種平行重疊的平板狀電解槽片在澳大利亞專利AU 487062中有所描述。其中，具有20塊電解槽片的組件要求每經(jīng)過一塊電解槽片的單個電極所產(chǎn)生的電位差在1.55~2.0V的范圍內(nèi)，以便從含有一種通常為15％氫氧化鈉的電解質(zhì)的水中釋放出氫氣和氧氣。
圖3以一個垂直的截面圖示出7個完整的電解槽組件16，它們按六角形排列并被一個鋼殼20包圍著，從而提供了一種電解槽組合25。該電解槽組件16通過尼龍絕緣襯墊22而與鋼殼20相絕緣。單個電解槽組件16之間的電連接沒有示出，但通常這些電解槽在它們相應(yīng)的正極(+)終端和負(fù)極(-)終端通過母線連接起來，以形成一種串聯(lián)連接。
在某些情況下，電解槽組件16實行并聯(lián)連接。實際的電連接方式將取決于每一個電解槽組件16所包含的單個電解槽片10的數(shù)目、電源電壓以及可由該電源供給的電流強(qiáng)度。
在電解反應(yīng)中由于釋放氫氣和氧氣，因而要消耗水。1升水可以產(chǎn)生1860標(biāo)準(zhǔn)升的混合氧和氫，它們的體積比例如上所述。在所示的裝置中，所需的水通過入口24連續(xù)地供入。
尼龍殼體18與相鄰電解槽裝置保持距離的好處是能將釋放出的氣體引導(dǎo)向上并通過處于電解槽組合25頂部的氣體出口26而將其收集。當(dāng)釋放出的氣體在從出口26進(jìn)入與其連接的，其截面積比電解槽組合的截面積小得多的管道系統(tǒng)(未示出)時，由于其體積按照1∶1860的比例變化，使釋放氣體本身產(chǎn)生了壓力。
圖4是一個立剖視圖，它示出了根據(jù)另一種實施方案的電解槽的機(jī)械結(jié)構(gòu)。基本的電解槽單元30由各占一半的一對指狀組合型電極32、34構(gòu)成，這一對電極的排列方式很象兩個交叉插入地排列的梳子。每一個電極由一個導(dǎo)電的脊骨36、38形成，它們通常由樹脂粘合的碳材料、低碳鋼或?qū)щ娋酆衔飿?gòu)成，從脊骨上伸出11個指形板40、42，它們也由碳、鋼或?qū)щ娋酆衔飿?gòu)成。
圖5是一個電極32的一個透視圖32，其中的脊骨36與指形板42呈矩形。該電極不必是所示的形狀，它可以呈其他多個種形狀，現(xiàn)在將描述其中的一個例子。對所有這類結(jié)構(gòu)的共同要求是，所有的板塊必須互相平行并且與一個通常垂直于這些板塊的共用元件相交。
每一對電極32、34相互交錯地排列，以使得它們相應(yīng)最外的板塊40a、42a在每一個電極32、34的總長度約一半的位置處相互錯開。相應(yīng)于中間點的板塊由參考數(shù)字40b和42b作為標(biāo)記。
圖6以一種簡單形式示出交錯排列的方式。每一個第6板塊處于相應(yīng)兩個相反的鄰近電極的第1和第11塊板所形成的空隙處。
現(xiàn)在再看圖4，其中示出兩個完整的電解槽單元30和兩個與其相連接的電解槽單元的一部分。電解槽單元的總數(shù)目由DC電源的電壓決定，因為對于電解過程來說，必須引入一個最低的陽極/陰極電壓，而每一個相鄰的電解槽單元都按照平行排列的電極板40、42的串聯(lián)連接方式進(jìn)行連接。在電解過程中，電解槽30浸沒于水和電解液中，而DC電壓則施加于兩塊最端頭的電極板40c、42c上，該電壓引起元素的離子流(其中的一部分以虛線箭頭表示)在相鄰的兩塊電極板40、42之間流動，而總的電流流動方式則是沿著相應(yīng)的脊骨36、38和電極板40、42流動(以實線箭頭表示)。在每一塊中心板上實現(xiàn)不同的電流途徑。例如，DC電流從電極板42a的一側(cè)流出，通過電解液，接著通過中心電極板40b，然后再次通過電解液流向下一塊端部電極板42a。這一過程引起凈的正電荷在中心電極板40b的一側(cè)積累，而在其另一側(cè)則積累凈的負(fù)電荷。
離子流的流動伴隨著發(fā)生水分子的離解，從而導(dǎo)致在陽極板和陰極板的表面上分別地生成氧氣和氫氣。所說陰極板表面就是離子流朝向其流動的表面，而陽極板表面則是背向離子流的表面。
施加于最端頭兩塊極板40c上的電壓被相等地分配于電解槽單元30構(gòu)件之間，所施加電壓的分壓分別作用于最端部電極板和中心點電極板40a與40b、40b與42a之間。
所能達(dá)到的電流密度是有限的，其中的一個原因是受電解液電阻的影響。相鄰電極板40、42之間的間隙越小，則電阻越小。電極32、34指狀組合型的性質(zhì)意味著，每單位體積內(nèi)可達(dá)到最大的表面積，而在所有的情況下電極板之間都達(dá)到最小的間隔。在此情況下，電解液的電阻值保持最小，因此用于產(chǎn)生氫氣和氧氣的電能轉(zhuǎn)換效率就大于現(xiàn)有技術(shù)的效率。
借助于所示的特定的排列方式，就不需要將每一個單獨的電解槽單元30與相鄰的一個電解槽單元相互分離開。離子流自然地會沿著最小電阻的通道流動，因此可以避免在兩個電解槽裝置30之間的短路，也就是較大電阻的另一條通道。因此，大量的電解槽就可以按縱向延伸的形式排列，并且可以直接地連接到電源整流裝置上，這樣就不需要象現(xiàn)有技術(shù)那樣通過母線來對多個電解槽單元逐一進(jìn)行電連接。
每一個獨立的電解槽單元30都應(yīng)符合于為了有效地電解水所要求的電壓、電極板表面積等的操作規(guī)范，因此，它們的操作實際上與相鄰的電解槽單元30無關(guān)。
通過實驗確定，為了達(dá)到每kWh生產(chǎn)出約340～300l/h的氣體流量所需的工藝條件如下溫度范圍90℃至50℃，施加于一個電解槽單元30(即跨越一個完整電極32或34的一半)的DC電壓在1.47～1.56V的范圍內(nèi)，最小(并是最佳)陽極電流密度為0.034A/cm2。發(fā)現(xiàn)了相應(yīng)于最佳氣體流量的最小電極板表面積的這一事實意味著可以將所需占用的總體積保持在最小限度。根據(jù)具體的例子，在將240Vrms總電壓整流后額定地可獲得平均215V的DC電壓，因此，為了將電解裝置直接與整流器連接(也就是不需使用降壓變壓器)，要求使用總數(shù)約為140個電解槽單元。這樣的特別有利之處是不需要變壓設(shè)備，從而具有設(shè)備費用低、工藝簡單和避免損失的優(yōu)點。
圖7a示出根據(jù)另一種實施方案的一種電解槽單元50的局部剖面?zhèn)纫晥D。該電解槽單元50類似于圖4所示的結(jié)構(gòu)，所不同的只是用于連接的穿桿元件的數(shù)目和形狀以及電極板的形狀有所差異。
圖7b示出該電解槽單元50的一個端部視圖，具體說是最端部的極板52c的視圖。電極板52、54呈六角形。每塊電極板52、54具有6根從其中穿過的棒狀連接穿桿56、58，每一根穿桿都靠近六角形的每一個角頂?shù)奈恢谩Ｒ唤M相互交替的穿桿56代表一個共用的正極導(dǎo)體，而另一組相互交替的穿桿58代表負(fù)極導(dǎo)體。每一塊相鄰的電極板52、54或者與正極導(dǎo)體連接，或者與負(fù)極導(dǎo)體連接。在相鄰電極板52、54之間安裝有隔離襯套60，以便進(jìn)行電絕緣以及提供一個允許水和電解液循環(huán)的間隙。每一根穿桿導(dǎo)體56、58通常是通過螺母或緊壓配合的方式連接到相應(yīng)電極板52、54上。使用三根共用穿桿導(dǎo)體56、58來連接每塊電極板52、54的理由是要在電極板52、54的整個表面積上達(dá)到均勻的電流分布。
從圖7b可以看出，正極穿桿導(dǎo)體56從該裝置的一端向外延伸，以便與另一個電解槽裝置進(jìn)行串聯(lián)連接，正如三根負(fù)極穿桿導(dǎo)體58從另一端向外延伸的情況一樣。所有穿桿導(dǎo)體未連接的端部都被一塊不導(dǎo)電的端蓋62掩蓋著。
圖8示出一種由3個電解槽單元50按串聯(lián)(縱向排列)電連接的方式，特別是示出了穿桿導(dǎo)體56、58穿過的情況。電解槽單元50被封閉在一個通常由PVC制成的絕緣管64內(nèi)，該絕緣管具有一個開口以便與電極板52、54周圍的水連通，以及讓產(chǎn)生的氣體排出。
圖9示出一種由多個電解槽單元50進(jìn)行串聯(lián)電連接的情況，這些電解槽直接與一臺AC/DC整流器66(例如一種簡單的二極管橋式整流器)的DC輸出端相連接而不需要降壓變壓器。
圖10a示出一種含7個電解槽組件(由字母A~G標(biāo)記)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的端部視圖，每一個組件含有3個串聯(lián)連接的電解槽單元50(如圖8所示)，它們共同構(gòu)成一個總電解槽裝置70。電解槽組件50處于一個鋼筒72內(nèi)，該鋼筒內(nèi)含有為了產(chǎn)生氫氣和氧氣所需的水和電解液。由3個電解槽單元50組成的每一個組件(A~G)皆在其一端通過第一組鋼連接片74連接起來，而在其另一端則通過第二組鋼連接片76(未示出)連接起來，在每兩組之間相互錯開地排列。雖然圖10a中只示出了第一連接片74，但在圖10b中卻同時清楚地示出了兩組連接片74、76，該圖10b是組件A~G在“拆開”狀態(tài)下的側(cè)視圖。
在圖10a中示出的PVC管64將相鄰的組件絕緣，以免在彼此之間發(fā)生“短路”效應(yīng)。該電解槽裝置70是非常緊湊的，在相同氣體體積流量的條件下相比，其實際體積只有現(xiàn)有技術(shù)的Brown裝置的三分之一，而且設(shè)備的總質(zhì)量也有相似的降低。電解過程所需的水通過處于圓筒72底部的入口78供入，而產(chǎn)生的氣體則通過處于圓筒頂部的出口80從圓筒72排出。
DC電源跨越所有電解槽進(jìn)行電連接，其連接方式是一端接到小電解槽A的中心終端82，而另一端則接到小電解槽G頂側(cè)的中心終端84。
圖11a和12a以端部視圖示出第一和第二類型電極板90、98的另一種實施方案。圖11b和圖12b是沿著圖中所示的相應(yīng)中心線的局部截面圖。其中使用了相同的參考數(shù)字。電極板90、98可以具有陽極(+)或陰極(-)的功能，這一點將可清楚看出。每塊電極板皆含有一個電極盤92，其中開有六角形的孔96。該電極盤92由鋼或樹脂粘結(jié)的碳或?qū)щ姷木酆衔锊牧现瞥?。該電極盤92被一個圓形的邊框或套筒94包著。通孔96的功能是要將電極盤92的表面積增至最大并將其重量減至最小，使重量的減小值大于實心結(jié)構(gòu)的45％。
舉例來說，對于一個直徑為280mm的電極盤，其厚度必須為1mm以便讓電流密度(其范圍從90A/2,650cm2至100A/2,940cm2陽極或陰極)達(dá)到最優(yōu)。如果電極板的直徑增加，相應(yīng)地使表面積增加，則必須增加電極板的厚度以便保持為了達(dá)到所需電流密度的均勻?qū)щ娦浴?br> 在一種厚度為1mm的電極盤上的六角形通孔在平面之間具有2mm的距離并且與相鄰?fù)字g的距離為1mm，以便保持與打孔之前相同的總表面積，并使電流密度達(dá)到最優(yōu)化。六角通孔之間的距離為1mm(平面對平面)是必要的，因為更小的距離導(dǎo)致熱量(阻力)損失，而更大的距離則增加了電極板的總重量。
套筒94由PVC材料構(gòu)成并包含多個等距離隔開的軸向孔洞100、102。這些孔洞在重疊排列的電解槽片90、98之間起著連接桿通道的作用，而電解槽片90、98又分別地為陽極和陰極起共用導(dǎo)體的作用，其作用與圖7a和7b所示裝置的性質(zhì)很相似。另外有兩個頂部的孔洞104、106，它們分別地構(gòu)成用于供氧氣和氫氣向外排出的通道。還有兩個處于套筒9 4底部的孔洞108、110，它們分別作為供水和電解液進(jìn)入電解槽片90、98的入口。
圖13示出在圖11a中所示的電解槽片90一部分的放大圖。孔洞104通過內(nèi)部通道112而與套筒94內(nèi)的六角形小孔96相連通。在相似的地方還有其他的孔洞106以及水/電解液的供料孔洞108、110。
如果放出的氫和氧要保持分開的狀態(tài)(也就是不作為混合物生成)，則必須在這些氣體生成時就把它們分開。現(xiàn)有技術(shù)是用一塊隔膜來達(dá)到這一目的，用該隔膜來擋住氣體的通路并有效地將水/電解液隔開在該隔膜的兩側(cè)。這樣，離子的通過由于該隔膜材料的離子傳導(dǎo)性質(zhì)(即一種水-隔膜-水通道)而變得容易。其結(jié)果導(dǎo)致，隨著離子的阻力增加，電解的效率降低?，F(xiàn)有技術(shù)的專利No.487062描述了另一種裝置(參見該專利的圖6)，該裝置利用磁力來將氣體分開。
圖14示出一種打開的由4塊電解槽片組成的組合裝置，其中相互交替地組合了兩塊(陽極)電解槽片90和兩塊(陰極)電解槽片98。該電解槽片的組合裝置的兩端圖解示意一個單獨的電解槽裝置125。夾在兩塊相鄰電解槽片90、98之間的是一塊PTFE隔膜116。雖然在圖14中沒有示出，但該電解槽單元包括兩條將氫氣和氧氣分開的通道，這兩條通道分別經(jīng)過孔洞106、104而通過該電解槽片組合裝置。按類似的方式，用于供應(yīng)水/電解液的通道分別通過電解槽片90、98底部的孔洞108、110。
雖然僅僅示出了一對陽極/陰極電解槽片，但是每個電解槽單元125的這種電解槽片的數(shù)目可以大大地增加。
也沒有示出，用于將普通的電解槽片交替地電連接的連接導(dǎo)電桿。在一塊電解槽片上，與旁邊一塊電解槽片上的較小直徑的孔洞相靠近處，設(shè)有一個較大直徑的孔洞，其理由是，當(dāng)連接導(dǎo)桿通過大直徑孔洞時不發(fā)生電接觸(即，用PVC管絕緣)，而只有通過相互交替的(共同的)電解槽片時才產(chǎn)生電接觸。
在圖14中所示的電解槽單元125是一個解剖圖。當(dāng)完全裝好時，所有的元件皆組裝得十分緊湊。使用下列兩種粘合劑中的任一種即可達(dá)到機(jī)械的緊固作用，這兩種粘合劑是(a)“PUR-FECT LOK”(TM)34-9002，它是一種以Methylene Bispheny/Dirsocynate(MDI)為主要成分的聚氨酯反應(yīng)熱熔性(Urethane Reactive Hot Melt)粘合劑，以及(b)“MY-T-BOND”(TM)，這是一種以PVC溶劑為基料的粘合劑。這兩種粘合劑都耐氫氧化鈉(在電解液中的濃度為20％)的腐蝕。在此情況下，水/電解液只能留在被電解槽片套筒94所限定的區(qū)域內(nèi)。因此，作為水/電解液入口的唯一通道是底部通道118、122，而作為氣體出口的唯一通道是頂部通道112、120。在一個由本發(fā)明人制造和試驗的系統(tǒng)中，電解槽片90、98的厚度為1mm(其邊緣為2mm，因為它是PVC套筒94)，直徑為336mm。該電解槽單元125被一塊絕緣的PVC隔離盤114將其與下一個電解槽分隔開。在一個完整的電解槽組合的首尾兩端也各有一塊隔離盤114。
如果不需要控制分離放出的氣體，則不用安裝PTFE隔膜116。
所說PTFE隔膜116是一種含纖維的隔膜并且有0.2~1.0μm的空隙。一種適用的類型為由Tokyo Roshi International Inc(Advantec)供應(yīng)的Catalygue Code J隔膜。水/電解液充滿這些空隙，而離子流僅僅通過水流動——離子流通過PTFE材料本身對此沒有貢獻(xiàn)。這將導(dǎo)致降低離子流的阻力。該PTFE材料還具有“氣泡點”，這是一個壓力的函數(shù)，因為只要通過控制PTFE隔膜兩側(cè)的相對壓力，就可以使氣體“強(qiáng)制地”通過空隙而形成一種混合物，或者與此相反，使它們保持分離的狀態(tài)。這種裝置的其他優(yōu)點是較低的制造費用、提高的操作效率以及較高的抗故障性。
圖15a示出由3個串聯(lián)連接的電解槽單元125按直線形式排列的解剖示意圖。為了清楚起見，只示出6個連接桿126～131。連接桿126～131分別地通過組合裝置中的不同電解槽片90、98上的軸孔102、100。在各個連接桿的暴露端示出了其極性，DC電源按所示極性與之連接。連接桿126～131沒有延伸至三個電解槽組125的總長度。這種表示方式類似于圖7a和圖8所示的裝置。DC電源總電壓的三分之一跨越過每一對陽極/陰極電解槽片90、98。
另外還示出了分別用于氫和氧的氣體導(dǎo)管132、133，它們分別地通過電解槽片90、98上的孔洞104、106。同樣地還示出，水/電解液導(dǎo)管134、135則通過供水孔洞108、110。
圖15b具體地示出如何改變施加于中間部位的電解槽組125相對的電位差。也就是，電極板90a起陰極的作用(即相對地較負(fù))以產(chǎn)生氫，而電極板98a則起陽極的作用(即相對地較正)以產(chǎn)生氧。對于每一種交替排列的電解槽單元皆是這種情況。在圖15b中示出的箭頭指出電子和離子流的流動的方向。圖15c是一個代表圖15b的等效電路，其中的電阻元件代表相鄰陽極/陰極板之間的離子電阻。因此可以看出，該電解槽單元按串聯(lián)連接。
因為電解槽片90a和98a的功能發(fā)生變化，在每塊電解槽片上放出的氣體也伴隨發(fā)生變化，因此應(yīng)將相應(yīng)的通道112連接到相反的氣體管道132、133上。具體地說，這一點可以簡單地通過將電解槽片90、98反轉(zhuǎn)過來即可。
圖16示出連接到氣體收集裝置上的圖15a的3個電解槽單元125。該電解槽單元125處于一個大槽140內(nèi)，其中充入的水/電解液達(dá)到示出的水平面h。隨著電解過程的進(jìn)行，水逐漸被消耗，并通過入口152進(jìn)行補(bǔ)充。該水/電解液的水平面h可以通過觀察玻璃154看出。在正常的操作中，產(chǎn)生氫和氧的不同氣體流，它們從電解槽單元125排出并進(jìn)入上升柱142、144。也就是，電解液作用于PTFE隔膜116兩側(cè)的壓力是相等的，因此兩種氣體不能混合。
上升柱142、144也被水/電解液充滿，隨著電解液在電極板上被消耗，一邊通過水/電解液通道134、135進(jìn)行循環(huán)的方式向其中補(bǔ)充電解液。這種循環(huán)作用是由于釋放氣體的夾帶作用和導(dǎo)管和柱子的循環(huán)吸入性質(zhì)所引起的。
在大槽140的上部形成兩個分別用于收集氧氣和氫氣的洗滌塔156、158。氣體向上分別通過柱子142、144并通過處于插入擋板146位置點的開口排出。所說氣體從柱子142、144排出的位置點處于水平面h的下游，這樣就能起一種穩(wěn)定任何湍流和沉降夾帶電解液的作用。位于水平面h上方的擋板146起洗滌任何夾帶電解液的氣體的作用，然后被洗滌過的氣體分別由氣體出口柱子148、150排出并進(jìn)入貯氣罐中。在貯槽140內(nèi)的水平面h可以用如浮動開關(guān)等任何一種方便的裝置來調(diào)節(jié)，而補(bǔ)充的水通過入口管152供入。
釋放出的氣體借助于密度不同而一直從水/電解液中分離出來。由于相應(yīng)的擋板組的相對高度以及由于氣體與水/電解液之間的密度差異，因此釋放出的氫氣與氧氣不可能混合。存在于大槽140中水的全部體積應(yīng)能將電解槽片保持在浸沒狀態(tài)并且還能起一種吸收任何可能產(chǎn)生的內(nèi)部爆鳴沖擊的作用。
當(dāng)需要氣體混合物的情況下，首先分別將處于氧氣出口管道132和處于水/電解液入口134內(nèi)的兩個節(jié)流閥136、137關(guān)閥。對氧氣出口通道的關(guān)閥迫使入口的水/電解液通過一個單向止逆閥139和泵138旁路進(jìn)入口管道134。在大槽140內(nèi)的水/電解液受到由于其自身的深度(體積)所產(chǎn)生的壓力的作用，以及泵138的工作，使陽極電解槽片90、98a一側(cè)的水/電解液的壓力增高，使其壓力高于隔膜116另一側(cè)的水/電解液的壓力。這種壓力差足以引起氧氣透過隔膜，這樣，混合的氧和氫就通過氣體出口管道133和柱子144而向外排出。由于沒有向被泵138供入的水/電解液提供返回的通道，因此電解槽片90、98a周圍的壓力將進(jìn)一步升高，并進(jìn)到這樣一個壓力值，這時的壓力差足以使水/電解液也能透過隔膜116。通常，為了允許氣體通過，需要1.5~10psi范圍的壓力差，而對水/電解液的通過則需要10～40psi范圍的壓力差。
雖然只示出了三個電解槽單元125，但是很清楚，按串聯(lián)連接的任何數(shù)目的電解槽單元皆可以實現(xiàn)。
圖17示出單向止逆閥和洗滌單元160的另一種實施方案，該裝置用于洗滌放出的氣體，然后才將其提供使用。該洗滌單元160中灌裝有水，水面高度通常約為該單元總高度的一半。該水面高度由一個浮動開關(guān)162來調(diào)節(jié)。通過入口164將水供入。還安裝有一個觀察柱子166，它起一種對水平面進(jìn)行目測觀察的作用。
來自貯氣罐的氫氣和/或氧氣，在壓力的作用下通過一根在其底部具有開口170的入口管168而進(jìn)入。該氣體向下通過入口管168進(jìn)入，從開口170處向外排出，并通過內(nèi)柱172的內(nèi)部向上冒泡，該內(nèi)柱172也充有供入的水，這樣就起到了一種用于除去氫氧化鈉電解液的洗滌作用。然后該氣體再進(jìn)入一個向下的管子174并從它的開口端排出，然后再通過處于外室176中的水層以接受進(jìn)一步的洗滌，然后在壓力的作用下貯存于水面上方的空間，以便能將來自出口178的提供氣體應(yīng)用。
來自出口178并供往焊嘴(未示出)的氫氧混合氣體，由于電解的結(jié)果而符合正確的化學(xué)計算比例，這樣就能保證在燃燒時產(chǎn)生一種中性的火焰。從而使得燃燒過程僅僅產(chǎn)生熱和水蒸氣。
如果氣體在生產(chǎn)時是分開的，那么就需用兩個止逆閥洗滌器160，然后將這兩種氣體在一個混合室中進(jìn)行混合，這樣也能產(chǎn)生一種符合正確化學(xué)計算比例的混合物。
在發(fā)生爆燃的情況下，該爆燃?xì)鈴暮缸焯幏祷氐匠隹?78，這時它將被裝置160內(nèi)部的水所急冷，并通過置換外室176和內(nèi)柱172兩處的水而使其爆燃能量被吸收，同時這種置換作用也切斷了通往管子168的入口氣體流。由此可見，爆燃?xì)獠豢赡苓M(jìn)一步朝向產(chǎn)生氣體的電解槽組擴(kuò)展。因此，在洗滌裝置160內(nèi)的水同時起氣體洗滌器和止逆閥的兩重作用。
圖18示出一個噴嘴180的詳細(xì)剖面圖。氫氣和氧氣沿著入口管182進(jìn)入，通過一個針形閥184并由此進(jìn)入膨脹室186。膨脹室186包括一個逆燃控制裝置，該裝置含有一個圓筒形的逆燃防止器188，它通常由一種5μm的不銹鋼絲網(wǎng)構(gòu)成。在正常的操作中，氣體流經(jīng)逆燃防止器188并由此到達(dá)出口或噴嘴190，氣體在此處燃燒，或者當(dāng)要產(chǎn)生等離子體時，氣體在此處離子化。
在發(fā)生逆燃的情況下，逆燃防止器188不允許火焰進(jìn)一步往后面擴(kuò)展，因為該火焰實際上無法通過5μm這樣小的小孔。與此相結(jié)合的是一種由制造逆燃防止器188的材料所產(chǎn)生的吸熱效應(yīng)，這種材料能使火焰的能量消散，從而有助于將火焰熄滅。
當(dāng)把通過電解產(chǎn)生的氫和/或氧應(yīng)用于焊接或切割時，根據(jù)生產(chǎn)氣體的能力可使火焰溫度達(dá)到約6000℃。這樣就不要求用鋼瓶貯存氣體。另外，當(dāng)使用高純氣體來焊接時，還可以將火焰變得很細(xì)，從而能夠熔化陶瓷類物質(zhì)。
所有下列材料都可以焊接碳鋼、鑄鐵、不銹鋼、鋁、黃銅、銀焊料、銅和陶瓷。由于能夠在生產(chǎn)純氫，并在隨后通過一種DC電弧而產(chǎn)生一種氫等離子流(H2→H1)，因此下列的鐵質(zhì)和非鐵質(zhì)材料都可以很容易地切割碳鋼、不銹鋼、鋁、黃銅和銅。
本發(fā)明的實施方案可以提供大流量的氫氣連續(xù)供氣源。這樣就能很好地解決需要消耗大量氫氣的各種用途。這類方法應(yīng)用的一個例子是由Australian CSIRO′s Division of Manufacturing Technology研究出的Plascon(TM)廢物銷毀方法。關(guān)于Plascon方法的一種概述可以參見CSIRO雜志“Ecos，Volume 68，Winter 1991”。
由上述裝置生產(chǎn)的氫氣和氧氣的一種應(yīng)用是用于廢物的熱破壞，并且無需消耗大氣中的氧。這種方法要求根據(jù)需要來供應(yīng)氫氣和氧氣。上述的裝置可以大規(guī)模地生產(chǎn)出所需流量的氣體，從而能在工業(yè)規(guī)模上燒掉廢氣。
圖19a和19b示出一種用于破壞這類氣體污染排放物的燃燒器的結(jié)構(gòu)。圖19a示出燃燒器200的截面圖。圖19b示出的是沿中線剖開的截面路。該燃燒器200具有一個半球形的燃燒室202。所說的排放物可以包括一種含烴類物質(zhì)的煙氣混合物和其他作為工業(yè)廢物的揮發(fā)性污染物，將上述排放物通過一條入口通道206而噴入燃燒室中。有兩個由氫和氧按化學(xué)計算比2∶1的比例組成的混合氣源，其中一個通入燃燒室202上部的1/4空間，另一個則通入其下部的1/4空間。這兩種氣體通過兩個徑向相反地處于燃燒器200兩側(cè)的氣體入口208供入。氫、氧和排放污物在燃燒室202內(nèi)形成的混合物通過一種火花塞210之類的裝置點火并在不低于4000℃的溫度下燃燒，這樣就能提供足夠的能量來使所有污染物的分子分解成無害的化合物，然后可以將其直接排放入大氣中。燃燒過程不需要消耗大氣中的氧。借助于燃燒室202的“聚焦”效應(yīng)可使污染物達(dá)到完全的燃燒，該燃燒室還能進(jìn)一步改善氣體流的混合狀況。
用熱電偶212來測量包圍著燃燒室202的硅纖維耐熱絕緣材料214內(nèi)部的溫度。附加于燃燒器200外面的殼體216通常由不銹鋼制成。
從圖19b可以清楚地看出，該燃燒器的結(jié)構(gòu)由7排(只示出4排)同軸排列的噴嘴組212組成。這些噴嘴222皆指向處于燃燒室202中心204處的共同交點。冷卻水從入口218供入并從出口220排出，其作用是將噴嘴222的溫度維持在低于300℃。當(dāng)高于300℃時，氫氧氣體容易發(fā)生“逆燃”。
在氫氧氣體從入口208到達(dá)噴嘴222的流通途徑中要經(jīng)歷4次90°(最低限度)的修正性改變。這樣做的目的是要在發(fā)生逆燃的情況下減緩氫氧焰的直線沖力，并由此促使火焰自身熄滅。由于氫氣的燃燒速度達(dá)到3,600m/s，所以這樣做是特別有利的。
圖20以方框圖形式示出一種多功能式切割與焊接設(shè)備230。該設(shè)備接受來自一臺AC/DC整流器232的DC電源。AC電源可用來接到AC電弧焊接裝置234上，而經(jīng)整流的DC輸出電壓則用于接到DC電弧焊接或切割裝置236上。DC輸出電壓同時還施加于電解槽單元238上，在此情況下用于產(chǎn)生分離的氫氣和氧氣。氫氣和氧氣二者皆供應(yīng)到一臺氫氧氣焊裝置240。氫(和氧用于第二個噴射流)被用來與一臺等離子體切割裝置242相連接。氫氣通過一個DC電弧以產(chǎn)生等離子體流，而在第二個噴射流，氧被引入等離子體流中以產(chǎn)生一種氧化性等離子切割效應(yīng)，這種效應(yīng)可以提高切割效率。按照該方法，切割的厚度可以達(dá)到150mm。應(yīng)該說明，將氧引入鎢電極的下游可以避免電極發(fā)生任何的氧化作用。
氫氣還被單獨導(dǎo)向一臺MIG/TIG裝置244，以等離子體形式的氫來取代常規(guī)的惰性氣體。AC或DC電源也需要用來產(chǎn)生等離子體。
整流器232可以是任何一種常規(guī)的設(shè)計，它通常具有一個多抽頭的變壓器以便選擇適合的整流DC電壓。電解槽單元238可以是上述的任一種方案，并包括洗滌器和止逆閥裝置。所述的各種切割和焊接裝置234、236、240、242、244也都是常規(guī)的。
因此多功能式設(shè)備230向使用者提供了更大的靈活性，以便能夠根據(jù)切割或焊接的要求從一臺設(shè)備上選擇特定的功能。很明顯，包含有用于焊接/切割的任何單獨或組合設(shè)備的設(shè)備皆屬于本發(fā)明的構(gòu)思。
圖21更詳細(xì)地示出了該多功能式設(shè)備230。如上所述，電解裝置238可以分開地產(chǎn)生氣體的氫和氧，也可以產(chǎn)生作為氣體混合物的氫和氧。
電源裝置232包含一個多抽頭變壓器246。降低了的電壓用一臺橋式整流器247來整流。然后使輸出的直流電壓以其終端248通過一個接觸開關(guān)249而與含有30個電解槽單元的電解槽組238相連接，該接觸開關(guān)249由一個壓力開關(guān)250驅(qū)動，而該壓力開關(guān)250依次地又由一個壓力傳感器251驅(qū)動，該傳感器能夠傳感電解槽組238內(nèi)的氣體壓力。這樣，接觸開關(guān)249被用來變換連接到電解槽組238上的電源以便建立操作壓力。該接觸開關(guān)249根據(jù)所用氣體的要求來操作。
這樣，氣體可以根據(jù)要求來產(chǎn)生，通常在任何一段時間內(nèi)生產(chǎn)總量為15升的氣體，這15升氣體中含有10升氫和5升氧。
這些氣體來源于電解槽組238的洗滌塔156、158。作為一種封閉回路系統(tǒng)，每個塔中的壓力將與其他塔的壓力相互補(bǔ)償，從而將所需氣體的產(chǎn)量維持恒定。但是，如果由于過多地使用其中的一種氣體而導(dǎo)致水平面過高，則在相應(yīng)塔156、158中相應(yīng)的浮動開關(guān)254、255就會關(guān)掉相應(yīng)的電磁閥256、257，從而不讓氣體流通過。
浮動開關(guān)254、255根據(jù)一個從變壓器246抽頭分接出的AC電源來驅(qū)動電磁開關(guān)256、257。其他位于止逆閥和洗滌裝置160以及加壓泵138處的浮動開關(guān)也與AC電源258相連接。
還安裝有用于維持洗滌塔156、158中背壓的兩個氣體流調(diào)節(jié)器261、262，以便使該系統(tǒng)經(jīng)常維持所需的壓力，即使在該系統(tǒng)被關(guān)閉和/或其中的氣體通過氣體出口、止逆閥/洗滌裝置160的氣體出口263、264或被焊嘴265消耗掉的情況下亦是如此。
用于獲得氣體混合物的另一種方法是，與在電解槽組238中分別產(chǎn)生氫、氧兩種氣體的情況相反，一旦氫氣和氧氣通過了止逆閥和洗滌裝置160，一個選擇閥266就會允許這兩種氣體混合并使其通過焊嘴265，在此處，氣體被點火并燃燒，以用于氫/氧焊的目的。
如果氫氣和氧氣是分開生成并需要用于氫等離子體切割器242和/或氫等離子體MIG/TIG焊接器244，則選擇閥門266就不允許這兩種氣體混合。
電源裝置232是一種多抽頭變壓器246的常規(guī)結(jié)構(gòu)，它包括一個感應(yīng)器線圈267和一個范圍選擇開關(guān)268，它允許對所需的輸出電壓進(jìn)行選擇。產(chǎn)生的第二AC電壓也可以由整流器247整流，以產(chǎn)生一種DC電壓輸出。所有這些輸出電壓都通過一個極性選擇開關(guān)269，該選擇開關(guān)允許使用者在AC或DC輸出之間作出選擇并對DC輸出選擇適合的極性。
雖然示出了來自電源裝置232的輸出248與電解槽組238相連接，但是該電源也可以與諸如圖20中所示其他形式的焊接與切割裝置相連接。
另一個輸出271為氫等離子罩MIG/TIG焊接244和氫等離子氧化切割應(yīng)用242提供所需的DC電源。另外，AC輸出272和DC輸出273可以提供為了產(chǎn)生用于MIG和TIG方法的電弧所需的電流。
對于電解槽組238和電弧裝置234、263來說，要求使用20～60V范圍內(nèi)的電壓，而對于MIG/TIG焊接裝置244的操作來說，通常需要30～60V(AC或DC)的輸出電壓。等離子切割和等離子罩所需的等離子體由等離子體裝置242提供，它通常需要供應(yīng)120V的DC電壓。
權(quán)利要求
1.一種用于電解設(shè)備的電解槽裝置，該裝置包括多個以平行疊層關(guān)系排列，形成陽極的電極，每個陽極電極含有一塊平板，有一個或多個導(dǎo)電的第一互連元件從其中通過并與其電連接；以及多個以平行疊層關(guān)系排列，形成陰極的電極，每個陰極電極含有一塊平板，有一個或多個導(dǎo)電的第二互連元件從其中通過并與其電連接；以及其中所說的陽極與陰極交替地排列，并且第一互連元件和第二互連元件都從陰極和陽極通過，但第一互連元件不與陰極電連接，第二互連元件不與陽極電連接。
2.如權(quán)利要求1所述的電解槽裝置，其中的一組疊層陽極電極形成一個陽極電解槽組件，以及一組疊層陰極電極形成一個陰極電解槽組件，從而每個陽極電解槽組件僅僅在其長度的一部分與一個相應(yīng)的陰極電解槽組件相互交替地排列。
3.如權(quán)利要求2所述的電解槽裝置，其中，對于每一個電解槽組件，相應(yīng)的第一或第二互連元件僅僅延伸過相應(yīng)電解槽組件的長度。
4.如權(quán)利要求1所述的電解槽裝置，其中每個電極皆為六角形，第一互連元件在靠近每一個交替的角頂處延伸通過一個電極，而第二互連元件在其它交替的角頂處延伸通過一個電極。
5.如權(quán)利要求1至3任一項所述的電解槽裝置，其中每個電極具有一個帶孔的中心部分和一個外邊框部分，外邊框部分具有孔洞，供第一和第二互連元件從中穿過。
6.如權(quán)利要求5所述的電解槽裝置，其中的電極為圓形。
7.一種電解槽組合裝置，包含有如權(quán)利要求2所述的多個交替排列的陽極和陰極電解槽組件，該電解槽組合裝置按串聯(lián)連接，而一個或多個按串聯(lián)連接的電解槽組件相互并聯(lián)連接。
8.如權(quán)利要求7所述的電解槽組合裝置，其中，在每個串聯(lián)連接中有相同數(shù)目的電解槽組件，而所說的并聯(lián)連接是由所說串聯(lián)連接的電解槽組件通過密集封裝陣列形成，以及在每一個電解槽組件的每一端還含有至少一個互連電橋，該電橋以其兩端分別將每一個電解槽組件的陽極與另一個電解槽組件的陰極連接在一起。
9.一種電解槽組合裝置，包含如權(quán)利要求1所述的多個電解槽裝置，這些電解槽裝置按照直線排列并相互串聯(lián)連接。
10.如權(quán)利要求9所述的電解槽組合裝置，其中的連接元件為桿，以及第一陽極桿從每一個電解槽裝置的一端連續(xù)延伸，從而形成相鄰電解槽裝置的第一陽極，而第二陰極桿從每一個電解槽裝置的另一端連續(xù)延伸，從而在相反的方向形成相鄰電解槽裝置的第二陰極桿。
11.如權(quán)利要求10所述的電解槽組合裝置，其中的電解槽組合裝置按緊密組合陣列排列，并在每個電解槽組合裝置的一端或兩端通過導(dǎo)電橋連接。
12.一種用于電解水以釋放氫氣和氧氣的電解槽裝置，包括多個按平行重疊關(guān)系排列的形成陽極的電極，每個陽極電極包含一塊平板，有一個或多個導(dǎo)電第一互連元件從該平板穿過并與其電連接；以及多個以平行重疊關(guān)系排列的形成陰極的電極，每個電極包含一塊平板，有一個或多個導(dǎo)電第二互連元件從該平板穿過并與其電連接；以及其中的陽極與陰極交替排列，每個電極在其電極的邊緣上具有多個交替排列的凸緣和切口，從而在交替排列的電極裝置中，一個凸緣通過相鄰電極的一個切口而僅僅與下一個相鄰電極相連接。
13.一種電解系統(tǒng)，包括如在前任一項權(quán)利要求所述的電解槽裝置或電解槽組合裝置；一個大槽，其中至少含有水，并且所說電解槽裝置或電解槽組合裝置浸沒在水中；以及DC電壓供電裝置，其正極和負(fù)極分別通過第一和第二互連元件之一接到陽極和陰極上，從而從陽極和陰極上分別釋放氧氣和氫氣。
14.如權(quán)利要求13所述的電解系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包含用于將氫氣和氧氣作為一種氣體混合物收集的管道裝置，以及一種讓被收集的氣體從其中通過的氣體洗滌裝置，所說氣體洗滌裝置至少具有兩條分開的通道，混合氣體被強(qiáng)制地從這些通道通過并被至少一種洗滌液分離。
15.如權(quán)利要求14所述的電解系統(tǒng)，其中所說的洗滌裝置包括一個大槽，該大槽含有到達(dá)該大槽一部分高度的洗滌液以及處于該大槽中的至少兩個垂直排列的柱子，第一柱子的頂端用于接受混合氣體而其底端則向洗滌液開放，第二柱子的頂端向被接受的第一洗滌氣開放而其底端則向洗滌液開放，該第二洗滌氣通過出口裝置排出。
16.如權(quán)利要求14或15所述的電解系統(tǒng)，該系統(tǒng)還含有一個節(jié)流閥裝置，所說被收集的氣體從其中通過，從而對大槽中的水產(chǎn)生一種背壓。
17.一種用于電解水，以便有選擇地釋放分開的氫氣和氧氣或者混合的氫氣和氧氣的電解槽裝置，該裝置包括多個按平行重疊關(guān)系排列的形成陽極的電極，每個電極包含一塊平板，有一個或多個導(dǎo)電第一互連元件從該平板穿過并與其電連接；以及多個以平行重疊關(guān)系排列的形成陰極的電極，每個電極包含一塊平板，有一個或多個導(dǎo)電第二互連元件從該平板穿過并與其電連接；以及進(jìn)一步包括多個隔膜，每個隔膜處于相鄰的陽極與陰極之間，該隔膜允許相鄰兩個電極之間的離子流通過，但是根據(jù)通過該隔膜的可控壓力差而有選擇地阻止氣體流通過。
18.如權(quán)利要求17所述的電解槽裝置，其中在陽極周圍的空間提供水，以及在陰極周圍的空間提供水，相鄰的陽極與陰極之間的空間被一個所說的隔膜分隔開，其中的一股所說的水可以被有選擇地加壓，以使得每塊隔膜兩側(cè)存在壓力差，從而允許電解過程中被陽極或陰極釋放的氣體流通過該隔膜。
19.如權(quán)利要求18所述的電解槽裝置，其中的一股加壓的水通過泵加壓。
20.如權(quán)利要求19所述的電解槽裝置，其中每一個供應(yīng)水的裝置具有與包圍著陽極和陰極的一個大槽相連接的一個入口和一個出口，其中的泵裝置處于陽極或陰極的入口中。
21.如權(quán)利要求20所述的電解槽裝置，該裝置還含有節(jié)流裝置，所說的釋放氣體通過該節(jié)流裝置，從而對處于大槽中的水產(chǎn)生背壓。
22.如權(quán)利要求20所述的電解槽裝置，該裝置還包含DC電壓供電裝置，其正極與第一互連元件連接，其負(fù)極與第二互連元件連接。
23.如權(quán)利要求20所述的電解槽裝置，其中每個出口還與一個用作釋放氣體通道的提升管相連接，從而每一個提升管的出口都處于至少是部分地浸沒于水中的擋板處，從而洗滌所釋放的氣體。
24.如權(quán)利要求23所述的電解槽裝置，還包含用于貯存所釋放氣體的氣體貯存裝置。
25.如權(quán)利要求22所述的電解槽裝置，其中第一互連元件和第二互連元件都穿過陰極和陽極，但是第一互連元件不與陰極連接，第二互連元件不與陽極連接。
26.如權(quán)利要求25所述的電解槽裝置，其中每個電極都具有一個帶孔的中間部分以及外邊框部分，該外邊框部分具有孔洞，供第一和第二互連元件從中穿過。
27.如權(quán)利要求26所述的電解槽裝置，其中的隔膜僅在該電極的所說中心部分延伸。
28.如權(quán)利要求20所述的電解系統(tǒng)，還包含用于將氫氣和氧氣作為一種氣體混合物或作為獨立的氣體收集的管道，以及可讓混合氣體通過的一個氣體洗滌裝置，或者讓氫氣和氧氣分別通過的兩個氣體洗滌裝置，每一個所說的氣體洗滌裝置都具有至少兩條獨立的通道，所說混合氣體被強(qiáng)制地通過該通道以便被至少一個洗滌液體分離。
29.如權(quán)利要求28所述的電解系統(tǒng)，其中所說的洗滌裝置包括一個大槽，該大槽含有到達(dá)該大槽一部分高度的洗滌液以及處于該大槽中的至少兩個垂直排列的柱子，第一柱子的頂端用于接受混合氣體而其底端則向洗滌液開放，第二柱子的頂端向被接受的第一洗滌氣開放而其底端則向洗滌液開放，該第二洗滌氣通過出口裝置排出。
30.如權(quán)利要求17至29中任一項所述的電解槽裝置，其中所說隔膜的材料為PTFE。
31.一種用于電解水，以選擇性地釋放分開的氫氣和氧氣或混合的氫氣和氧氣的電解槽裝置，該裝置含有多個交替排列的陽極和陰極以及多個隔膜，每塊隔膜處在相鄰陽極和電極之間，該隔膜允許相鄰陽極和陰極之間的離子流通過，但是根據(jù)氣體流，有選擇地阻止氣體通過。
32.一種用于電解水，選擇性地釋放分開的氫氣和氧氣或混合的氫氣和氧氣的方法，該方法包括如下步驟將一塊隔膜安裝在電解槽中每一個陰極和相鄰的陽極之間，以將該電極相互隔開，該隔膜在電解過程中的所有時間內(nèi)都允許離子通過；以及控制處于該隔膜兩側(cè)水的相對壓力，以便有選擇地允許或阻止釋放的氣體通過該隔膜。
33.一種燃燒氫氣的等離子體爐和一種電解水以釋放分開的氫氣和氧氣的電解槽裝置的組合設(shè)備，釋放的氫氣被供入等離子體爐中。
34.如權(quán)利要求33所述的組合設(shè)備，其中所說電解槽裝置含有多個交替排列的陽極和陰極以及多個隔膜，每塊隔膜處于相鄰的陽極和陰極之間，該隔膜允許相鄰陽極和陰極之間的離子流通過，但阻止氣體流通過。
35.如權(quán)利要求33所述的組合設(shè)備，其中所說電解槽裝置包括多個按平行重疊關(guān)系排列的形成陽極的電極，每個陽極電極包含一塊平板，有一個或多個導(dǎo)電第一互連接元件從該平板穿過并與其電氣互連接；以及多個以平行重疊關(guān)系排列的形成陰極的電極，每個陰極電極包含一塊平板，有一個或多個導(dǎo)電第二互連接元件從該平板穿過并與其電氣互連接；其中，陽極和陰極交替地排列；以及多塊隔膜，每塊隔膜處于相鄰的陽極與陰極之間，該隔膜允許相鄰電極之間的離子流通過，但是阻止氣體流通過。
36.一種向燃?xì)涞入x子體爐供應(yīng)燃料的方法，包括下列步驟用電解槽裝置電解水以釋放氫氣和氧氣；在所說電解槽裝置內(nèi)用隔膜將釋放的氣體隔開；以及將單獨的氫氣供入等離子體爐中。
37.一種燃燒氣體的爐和一種用于電解水以釋放混合的氫氣和氧氣或分開的氫氣和氧氣的電解槽裝置的組合設(shè)備。
38.如權(quán)利要求37所述的組合設(shè)備，其中所說用于釋放氫氧混合氣體的電解槽裝置包含多個交替排列的陽極和陰極。
39.如權(quán)利要求37所述的組合設(shè)備，其中所說用于釋放氫氧混合氣體的電解槽裝置包括多個按平行重疊關(guān)系排列的形成陽極的電極，每個電極包含一塊平板，有一個或多個導(dǎo)電第一互連接元件從該平板穿過并與其電連接；以及多個以平行重疊關(guān)系排列的形成陰極的電極，每個電極包含一塊平板，有一個或多個導(dǎo)電第二互連接元件從該平板穿過并與其電連接；以及其中的陽極與陰極交替地排列，第一互連接元件和第二互連接元件皆從陽極電極和陰極電極穿過，但第一互連元件不與陰極電連接，第二互連元件不與陽極電連接。
40.如權(quán)利要求37所述的組合設(shè)備，其中所說用于釋放分開的氫氣和氧氣的電解槽裝置包含多個交替排列的陽極和陰極以及多個隔膜，每塊隔膜處于相鄰的陽極與陰極之間，該隔膜允許相鄰陽極與陰極之間的離子流通過，但阻止氣體流通過。
41.如權(quán)利要求37所述的組合設(shè)備，其中所說用于釋放氫氧混合氣或單獨的氫、氧氣體的電解槽裝置包括多個按平行重疊關(guān)系排列的形成陽極的電極，每個電極包含一塊平板，有一個或多個導(dǎo)電第一互連接元件從該平板穿過并與其電氣互連接；以及多個以平行重疊關(guān)系排列的形成陰極的電極，每個電極包含一塊平板，有一個或多個導(dǎo)電第二互連接元件從該平板穿過并與其電氣互連接；以及其中的陽極與陰極交替地排列；以及多個塊隔膜，每塊隔膜處于相鄰的陽極與陰極之間，該隔膜允許相鄰電極之間的離子流通過，但根據(jù)通過該隔膜的壓力差，有選擇地阻止氣體流通過。
42.一種用于向燃?xì)鉅t供應(yīng)燃料的方法，包含下列步驟用電解槽裝置電解水，以釋放氫氧混合氣或分開的氫氣和氧氣；以及向所說的爐中供應(yīng)混合氣或分開的氣體。
43.一種如權(quán)利要求42所述的方法，還包含在所說電解槽裝置內(nèi)選擇性地分離氫氣和氧氣的步驟，該步驟是在電解時，調(diào)節(jié)在所說電解槽裝置的相鄰陽極和陰極分隔開的隔膜兩側(cè)水的相對壓力。
44.一種用于對氣態(tài)污染物進(jìn)行熱破壞的燃燒裝置，該燃燒裝置包括一個半球形的燃燒室；一個與所說燃燒室連通的氫氣與氧氣的供氣源，氣體通過一條曲折的通道，由多個同軸排列并指向該半球形燃燒室中心的噴嘴噴出；以及一個用于供入氣態(tài)污染物的入口；以及在其中，氣態(tài)污染物與氫氣和氧氣一起燃燒。
45.如權(quán)利要求44所述的燃燒裝置，它還包含一個用于將燃燒室內(nèi)的氫氣、氧氣和氣態(tài)污染物點燃的點火裝置。
46.如權(quán)利要求45所述的燃燒裝置，其中所說用于供應(yīng)氫氣和氧氣的曲折通道含有至少4個折角，每個折角至少為90°。
47.一種用于焊接和切割的多模式電氣體發(fā)生器，它包括一個可控地產(chǎn)生多個AC和DC電壓輸出的電源；以及一個與該電源連接的電解單元，該電解單元能借助于電源的DC電壓輸出而將水電解，并能選擇在電解水時分別地產(chǎn)生氫和氧或者氫、氧混合氣；所說的氫、氧以及混合的氫和氧，與輸出電壓的電源一起，可用來與焊接和切割設(shè)備相連接。
48.如權(quán)利要求47所述的多模式焊接與切割發(fā)生器，其中的電解單元包括多個以疊層關(guān)系并行排列的形成陽極的電極，每個陽極含有一塊平板，有一個或多個第一導(dǎo)電互連元件從該平板穿過并與其電氣互連；多個以疊層關(guān)系并行排列的形成陰極的電極，每個陰極含有一塊平板，有一個或多個第二導(dǎo)電互連元件從該平板穿過；以及其中的陽極和陰極交替地排列；以及多個隔膜，每塊隔膜處于相鄰的陽極和陰極之間，該隔膜允許相鄰陽極和陰極之間通過的離子流，但能根據(jù)通過該隔膜的可控壓力差有選擇地阻止氣體通過。
49.如權(quán)利要求48所述的多模式焊接與切割發(fā)生器，其中至少一股水供入到每個陽極周圍的空間，以及至少一股水供入到每個陰極周圍的空間，在鄰相陽極和陰極之間的空間被一塊所說的隔膜分隔開，以及其中多股水之一被有選擇地加壓，從而使得在電解時由于每塊隔膜兩側(cè)所存在的壓力差允許陽極或陰極釋放的氣體流通過該隔膜。
50.如權(quán)利要求49所述的多模式發(fā)生器，它還包含用于洗滌氫、氧氣體或氫氧混合氣的裝置。
51.如權(quán)利要求49所述的多模式發(fā)生器，其中的氫、氧氣體被連接到氣焊裝置和等離子體切割裝置，以及其中的氫氣被連接到用于金屬-惰性氣體或鎢-惰性氣體等離子體切割和焊接的一種或多種裝置中的任一種裝置，所說的DC電壓輸出被連接到用于等離子體切割和金屬-惰性氣體或鎢-惰性氣體等離子體切割或焊接的一種或多種裝置中的任一種裝置，所說的AC電壓輸出被連接到用于金屬-惰性氣體或鎢-惰性氣體等離子體切割或焊接裝置兩種裝置中的一種或兩種。
52.一種具有第一氫噴射和第二氧噴射的氧化性等離子切割設(shè)備與一種用于電解水以釋放用于供應(yīng)切割設(shè)備的分開的氫、氧氣體的電解槽裝置的組合設(shè)備。
53.如權(quán)利要求52所述的組合設(shè)備，它還包含用于提供一電弧以產(chǎn)生第一噴射氫的等離子體的DC電壓輸出裝置。
54.如權(quán)利要求49所述的組合設(shè)備，其中所說的電解槽裝置包含多個交替排列的陽極和陰極以及多個隔膜，每塊隔膜處于相鄰的陽極和陰極之間，該隔膜允許相鄰陽極與陰極之間的離子流通過，但有選擇地阻止氣體流通過。
55.一種用于使用可燃?xì)怏w的焊嘴的逆燃防止器，該防止器包含一個處于可燃?xì)怏w流動通道中的網(wǎng)狀阻擋層，該阻擋層所具有的小孔的孔徑允許氣體自由通過，并通過使逆燃火焰不能通過該阻擋層而阻止該逆燃火焰通過，從而使其熄滅。
56.一種用于至少作為氫氣源的電解氣體發(fā)生器以及用于燃燒所說至少氫氣的裝置的氣體止逆閥，其中所說至少氫氣通過處于通往所說燃燒裝置的線路上的所說止逆閥的入口和出口，所說止逆閥還包含一個大槽，該大槽內(nèi)裝有滅火液體和一種管道裝置，該管道以其一端與所說入口連通并與其另一端向所說滅火液體開放，從而逆燃火焰迫使所說滅火液體通過所說的管道裝置，從而消除了至少是通往入口的氫氣來源。
57.如權(quán)利要求56所述的氣體止逆閥，其中所說管道裝置包含一個或多個豎管，該豎管形成一條至少對氫氣和滅火液體是曲折的通道。
58.如權(quán)利要求26所述的電解槽裝置，其中的每個電極的總表面積等于前、后兩個表面上無小孔部分的面積以及構(gòu)成穿過該電極厚度的小孔孔壁的面積之和，該總表面積的大小基本上等于無小孔的電極所具有的前、后兩個表面之和。
59.如權(quán)利要求58所述的電解槽裝置，其中，兩個小孔的邊緣之間的距離基本上等于電極的厚度，而一個小孔的尺寸基本上等于電極厚度的2倍。
60.如權(quán)利要求58或59所述的電解槽裝置，其中，所能達(dá)到的電流密度基本上與無小孔電極的電流密度相同。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電解水以釋放氫、氧的電解槽裝置。電解槽單元(125)具有重疊排列的區(qū)段圓盤(114)、第一種形式的陽極電解槽片(90)、第二種形式的陰極電解槽片(98)和隔膜(116)。導(dǎo)電連接桿(126－131)通過電解槽片(90、98)的孔洞(100、102)進(jìn)行選擇性電連接。水和電解液從入口(108、110)供入以浸沒電解槽片(90、98)。隔膜(116)防止相鄰陰極和陽極(98、98)釋放的氫、氧混合，同時允許離子流通過。通過選擇性調(diào)節(jié)在隔膜(116)兩側(cè)的水/電解液的壓差，使釋放的氣體混合物能夠通過。釋放的氣體從出口(104、106)排出。
文檔編號F23C5/00GK1683595SQ200510059218
公開日2005年10月19日 申請日期1994年9月6日 優(yōu)先權(quán)日1993年9月6日
發(fā)明者S·R·施皮羅斯 申請人:氫技術(shù)有限公司