專利名稱：太陽能水電解制氫(氧)裝置的制作方法
太陽能水電解制氫(氧)裝置 本發(fā)明一太陽能水電解制氫(氧)裝置，是能夠有效利用間歇式能源， 主要是利用太陽能(風(fēng)能和潮汐能)，太陽能經(jīng)光伏電池(風(fēng)能及潮汐能產(chǎn)生的交
流電經(jīng)整流)轉(zhuǎn)換成直流電后，直接用來將"水"電解為二次能源——"氫"的裝置。 隨著我國三十年的改革開放，中國的工、農(nóng)業(yè)發(fā)展都取得了舉世矚目的成就。中國
是一個(gè)人口大國，又是人均資源量相對(duì)貧乏的國家。能源主要以煤和石油(化石能源)為
主，會(huì)造成局域環(huán)境污染，大量二氧化碳排放會(huì)導(dǎo)致全球變暖。自進(jìn)入21世紀(jì)以來，中國進(jìn)
入了工業(yè)化中期發(fā)展階段，對(duì)能源消費(fèi)量急劇增長，凸顯了能源供應(yīng)的安全保障，以及來自
環(huán)境污染的雙重壓力，成為我國長期可持續(xù)發(fā)展所面臨的重大挑戰(zhàn)。 —.本發(fā)明的目的 為了解決上述提出的具體問題，本發(fā)明的目的是要提供一種新的，結(jié)構(gòu)簡單、低 成本，能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；?、家庭化、廉價(jià)高效的制氫裝置(技術(shù))。 二 .現(xiàn)有水電解制氫(氧)技術(shù)所能達(dá)到的技術(shù)效果及其不足，主要存在以下三 個(gè)問題 1.電極的過保和氣問題 i.在水的電解過程中，電極(這里不分陰極和陽極)的表面會(huì)被微小的氣泡(指 氫氧氣)所包裹，我把電解時(shí)的這種現(xiàn)象稱之為——電極的過保和氣。由于工作中的電極 有過保和氣的存在、阻礙了電解質(zhì)溶液中的氫離子在陰極上獲得電子的機(jī)會(huì)，同時(shí)也阻礙 了氧離子在陽極上獲得正電子(空穴)的機(jī)會(huì)，從而影響了水的電解速度，降低了效率，為 了解決這個(gè)問題，現(xiàn)有技術(shù)的做法是采用新的"雷尼鎳合金"作為電極材料，以加快水的電 解速度，提高電解效率。采用新的電極材料，固然可以收到好的效果，其缺點(diǎn)是沒有消減過 保和氣對(duì)電極產(chǎn)生的影響。
ii.增加電極(這里指在兩隔膜之間的同一組電極)數(shù)量，以達(dá)到增大電極表面
積，達(dá)到提高電解效率的目的。由于在水電解時(shí)，電極上會(huì)有連續(xù)不斷的氣泡析出，在浮力
的作用下徐徐上升，大量上升的氣泡，會(huì)對(duì)電解質(zhì)溶液中的氫離子及氧離子的遷移速度造
成影響，這就形成了新的矛盾——電極增加與氣泡增加的矛盾，從而降低了電解速度，影響
了電極的有效利用率。
2.隔膜(質(zhì)子交換膜)問題"質(zhì)子交換膜電解槽"是現(xiàn)有水電解技術(shù)中，最為先進(jìn)的一種，它是利用薄膜"PEM 膜"作為固體電解質(zhì)，其機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性都很好，電解效率高達(dá)94%，這是優(yōu)點(diǎn)，其缺 點(diǎn)是"膜"的價(jià)格昂貴，需要用貴金屬"鉬"作催化劑，在50 100攝氏度，3. 0 5. 0MPa的 壓力下工作。因此成本很高，電解槽的構(gòu)造及制造工藝也復(fù)雜，這是現(xiàn)有水電解技術(shù)不能實(shí) 現(xiàn)規(guī)模化，家庭化制氫的主要原因。 3.增加"電極組"數(shù)量與增加"隔膜"數(shù)量帶來的成本增加問題 由于現(xiàn)有水電解技術(shù)，無一例外地使用了 "隔膜"(包括質(zhì)子交換膜)隨著電集組
數(shù)量的增加，必然導(dǎo)致"隔膜"用量的增加，使得電解槽的結(jié)構(gòu)變的更復(fù)雜，增加電極組與隔
膜的數(shù)量，雖然起到了加快水電解的目的，同時(shí)也大大增加了成本。
三.本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的有益效果 1.在本發(fā)明的水電解槽(以下簡稱電解槽)的外側(cè)，裝置電磁振動(dòng)器產(chǎn)生的有益 效果 由于在本發(fā)明電解槽外側(cè)部的臺(tái)階上裝置了一個(gè)電磁振動(dòng)器，該振動(dòng)器產(chǎn)生的 振動(dòng)波一路經(jīng)電解槽傳遞給電極、直達(dá)極針；另一路透過電解槽、經(jīng)電解質(zhì)溶液傳遞給極 針。由于振動(dòng)波在固體物質(zhì)和液體物質(zhì)中、傳播速度的差異，能促使極針上析出的微小氣泡 迅速脫離，在浮力的作用下迅速形成上升的氣泡流。因此，較好地消減了電極的過保和氣， 對(duì)選擇電極材料有了更寬范的余地，降低了電極材料成本，提高了電極的有效利用率，收到 了好的效果。
2、用開放式塔形電解、分離、收集法產(chǎn)生的有益效果 由于本人發(fā)明了一種新的水電解、分離和收集的方法，取名為——開放式塔形電 解，分離、收集法。因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)和形狀與"塔"相似，固得此名[作為一種方法以下簡稱"塔式 法"，作為一個(gè)單獨(dú)部件出現(xiàn)時(shí)則稱為~"塔"(見附圖3)]。本塔式法與現(xiàn)有技術(shù)相比，所 具有的顯著特點(diǎn)是在連續(xù)的水電解過程中，氫氣和氧氣的分離與收集可以一次完成，各個(gè) 塔、各電極、以及各極針、能夠獨(dú)立、協(xié)調(diào)地工作，各"塔"中的每一層電極在析出氣體(指氫 氣或氧氣)時(shí)，經(jīng)每一層上的集氣罩收集、由下層至上層逐漸匯聚成上升的氣泡流、最終由 頂部的集流罩收集。 一個(gè)"塔"(或同一組的塔)只能與電源的一個(gè)極(負(fù)電極或正電極) 連接，也就是說一個(gè)"塔"(或同一組的塔)只能產(chǎn)生一種氣體(氫氣或氧氣)，由于"塔"在 電解槽內(nèi)的安裝分為二組，使"塔"實(shí)現(xiàn)了氫氣與氧氣的自然分離、互不干擾、單獨(dú)收集的效 果。經(jīng)二組"塔"上的集流罩分別收集到的氣體，一組經(jīng)排氣管(20)自動(dòng)送入集氣瓶(14) 進(jìn)行收集；另一組經(jīng)排氣管(21)自動(dòng)送入集氣瓶(17)進(jìn)行收集。在整個(gè)水電解、分離、收 集過程中，不使用"隔膜"，因此氫離子和氧離子在電解質(zhì)溶液中的遷移更加迅速，也不在使 用貴金屬"鉑"作催化劑，只是在常溫、常壓下進(jìn)行，因此本發(fā)明的結(jié)構(gòu)更為簡單，制造起來 更容易，使用、維修也就更方便。在不影響效率的前提下、大大降低了成本，為規(guī)?；⒓彝?化的廉價(jià)制氫提供了 一個(gè)有力的技術(shù)支撐。
四.本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 下面結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、工作原理及實(shí)現(xiàn)的過程。


圖1是本發(fā)明中電磁振動(dòng)器的剖視圖。 圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)(軸側(cè))圖。 圖3是本發(fā)明中的部件"塔"的結(jié)構(gòu)(軸側(cè))圖。 圖4是本發(fā)明的電源原理圖。 1.下面結(jié)合附圖1及附圖2來詳細(xì)說明電磁振動(dòng)器的結(jié)構(gòu)、工作原理及實(shí)現(xiàn)的過 程 本發(fā)明的電解槽(26)通過焊接固定在基座(30)上，其內(nèi)部制有防腐塑料層(28)， 其外側(cè)制有一個(gè)供安裝電磁振動(dòng)器(見附圖1)用的臺(tái)階(33)，振動(dòng)器通過其外殼(4)與底 板(1)連接后、固定在臺(tái)階(33)上。當(dāng)給振動(dòng)器的線圈(6)供給脈沖電流時(shí)，線圈(6)產(chǎn) 生的脈沖磁力，通過導(dǎo)磁體(5)及導(dǎo)磁環(huán)(3)導(dǎo)入中央部位，吸引安裝在支架(7)上的擊錘
4(2)，在彈簧(8)及脈沖磁力的作用下，作往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，敲擊固定在臺(tái)階(33)上的底板(1)， 發(fā)出振動(dòng)波。經(jīng)電解槽分兩路傳遞給極針(29)，用來消減電極過飽和氣對(duì)電解時(shí)產(chǎn)生的影 響。 2.下面結(jié)合附圖2來說明本發(fā)明的給水與排水系統(tǒng) 自來水首先通過進(jìn)水管(9)、擴(kuò)散器(10)進(jìn)入除氣瓶(11)內(nèi)，通過調(diào)節(jié)除氣瓶上 方裝置的、其內(nèi)部制有孔、孔與外部排氣孔(12)相通的圓柱體上的手柄(13)，除去自來水 中夾帶的空氣。瓶內(nèi)液面的高度應(yīng)是擴(kuò)散器高度的三分之二，空氣與水可自然分離。槽內(nèi) 的液面高度通過玻璃管(32)進(jìn)行觀察。靜止下來的水，通過過水管(37)、經(jīng)三通(35)、進(jìn) 水法蘭(34)、由電解槽(26)的底部進(jìn)入槽內(nèi)，為電解槽提供連續(xù)的水源。排水由三通(35) 的另一端經(jīng)排水閥(36)排出，排水的目的是用來清理電解槽內(nèi)的污垢。
3、氫氣和氧氣的分離與收集過程 在闡述氫氣和氧氣的分離與收集之前，首先要結(jié)合說明書附圖2及圖3來詳細(xì)闡 述"塔"的結(jié)構(gòu)、形狀及工作原理 本發(fā)明中的"塔"主要是由集氣罩(27)、梳狀電極(以下簡稱電極)(46)相間疊加 經(jīng)墊圈(40)限位后，通過螺桿(49)、螺母(48)緊固在集流罩(25)[或(23)]的下方而成。 "塔"是本發(fā)明的核心部件，工作時(shí)電源通過導(dǎo)線(31)與從集流罩頂部伸出的螺桿(49)連 接，給電解槽內(nèi)裝置的"塔"提供分解電壓及分解電流。
i.集流罩 集流罩(25) (23)的上部為不等腰的"四棱錐形"，四棱錐形兩端不對(duì)稱的兩個(gè)錐 形斜面上、分別制有兩個(gè)供裝配螺桿(49)用的孔，頂部制有法蘭(24)[或(22)]，下部為長 方體(42)。"四棱錐形"與長方體結(jié)合部的外側(cè)制有矩形法蘭(41)，其作用是與電解槽連 接，密封固定用。集流罩是一個(gè)空腔殼體，空腔與頂部法蘭的中心孔相通。集流罩的作用是 通過螺桿(49)、螺母(48)及限位墊圈(40)來固定集氣罩(27)和電極(46)，其目的是收集 來自下方的氣泡流。 ii.集氣罩與梳狀電極(以下簡稱電極) 集氣罩(27)與梳狀電極(46)的形狀相同，成四棱錐形，開口向下，底部制有排氣 孔(39) (43) (44)，在排氣孔(39) (43)與中間排氣孔(44)之間分別制有兩個(gè)螺桿裝配孔。電 極(46)底部所制的排氣孔(38) (45)、中間排氣孔(47)及螺桿裝配孔、其尺寸大小應(yīng)與集氣 罩底部的排氣孔及中間排氣孔、螺桿裝配孔對(duì)應(yīng)一致，集氣罩是用耐酸堿的塑料薄膜制成， 其作用是收集隱藏在它下面電極(46)析出的微小氣泡。由于電極的形狀與集氣罩的形狀 相同，四周制成針狀[以下稱極針(29)]、目的是為了提高電解效率。電極的高度小于集氣 罩的高度，能夠隱藏在集氣罩內(nèi)。集氣罩與電極相間疊加，經(jīng)墊圈(40)限位(使集氣罩與 電極有一定的間隙)后，通過螺桿(49)、螺母(48)等零件緊固在集流罩的下方，夠成一個(gè)獨(dú) 立的部件——塔(見附圖3)。由于在每個(gè)電極上面都裝置了單獨(dú)的集氣罩，因此、每個(gè)電極 在析出氣泡時(shí)、能夠?qū)崿F(xiàn)單獨(dú)收集，也就闡明了集流罩(指上部)、集氣罩、以及電極，為什 么要制成"四棱錐形"的原因。為了實(shí)現(xiàn)氣體的收集，集氣罩的"A"面和"B"面與它們各自 的對(duì)應(yīng)面所成的錐度應(yīng)控制在"大于零度"，小于"一百八十度"的范圍內(nèi)，最佳錐度為六十 度至一百二十度，才能發(fā)揮出最好的分離與收集效果。 4.下面結(jié)合附圖2來詳細(xì)說明各"塔"收集到的氣體、是如何進(jìn)行輸送與儲(chǔ)存
由于"塔"在電解槽內(nèi)是獨(dú)立工作的，所以它的安裝具有方向性，塔與塔之間采用 正_反_正_反相間的安裝格式，"塔"在電解槽內(nèi)的安裝共分二組，處于同一組"塔"的方 向一致、收集的氣體相同(至于哪一組"塔"是收集氫氣或氧氣、是由它與電源的接法來決 定)，由"塔"頂層集流罩(23) (25)，排氣口上的法蘭(22) (24)來判別它們的正反方向。第 一組"塔"收集到的氣體、通過集流罩(23)、與法蘭(22)連接的排氣管(20)、經(jīng)法蘭(18)自 動(dòng)送入集氣瓶(14)內(nèi)進(jìn)行暫時(shí)存放；第二組"塔"收集到的氣體，則是通過集流罩(25)、與 法蘭(24)連接的排氣管(21)、經(jīng)法蘭(19)自動(dòng)送入集氣瓶(17)內(nèi)進(jìn)行暫時(shí)存放，對(duì)暫時(shí) 存放在集氣瓶(14) (17)內(nèi)的氣體，可以通過各自的閥門(15)、 (16)輸出，以便大量儲(chǔ)存和 使用。 5.下面結(jié)合附圖4來說明電源的工作原理 電源是水電解制氫的關(guān)鍵所在，廉價(jià)的制氫，必然要依賴廉價(jià)的電能供應(yīng)。太陽 能光伏發(fā)電(PV)技術(shù)，則是最好的電能提供者。太陽能是一種清潔的可再生能源，對(duì)于人 類來說，是取之不盡、用之不竭的，其主要缺點(diǎn)是一是它的能量密度低；二是它的能量隨 時(shí)間和天氣呈現(xiàn)不穩(wěn)定性和不連續(xù)性。這兩個(gè)缺點(diǎn)、限制了人類對(duì)太陽能的大規(guī)模開發(fā)利 用。而水電解制氫，正好解決了這兩個(gè)問題，它能有效的利用，由于時(shí)間和天氣變化，呈現(xiàn)的 不穩(wěn)定和不連續(xù)的能量，以二次能源"氫"的方式儲(chǔ)存起來，做到了積少成多，集中使用的目 的。 由太陽能電池陣列(PV)為本發(fā)明提供電能供應(yīng)，經(jīng)光伏電池轉(zhuǎn)換后的直流電流， 首先通過開關(guān)(K)、導(dǎo)線(31)為本發(fā)明的電解槽直接提供分解電壓Upv及分解電流Ipv; — 路經(jīng)電阻(R》限流后，為電源指示燈提供電流；另一路經(jīng)電阻(R2)限流后、經(jīng)繼電器(J)轉(zhuǎn) 換成脈沖電流后，用來控制電磁振動(dòng)器，發(fā)出振動(dòng)波。 五.下面結(jié)合說明書附圖1、2、3及附圖4來詳細(xì)說明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)及裝配細(xì) 節(jié) 本發(fā)明——太陽能水電解制氫(氧)裝置，是由底板(D、擊錘(2)、導(dǎo)磁環(huán)(3)、導(dǎo) 磁體(5)、電感線圈(6)、外殼(4)支架(7)以及裝置在擊錘上的彈簧(8)、構(gòu)成的振動(dòng)器； 與基座(30)焊接在一起的、內(nèi)部制有防腐塑料層(28)的電解槽(26);進(jìn)水管(9)、擴(kuò)散器 (10)、除氣瓶(11)、過水管(37)、三通(35)、進(jìn)水法蘭(34)及排水閥(36)等零件構(gòu)成的給 排水系統(tǒng)；電解槽內(nèi)裝置的、由集流罩(23) (25)、集氣罩(27)、電極(46)、墊圈(40)等零件 構(gòu)成的"塔"；與集流罩上的法蘭(22) (24)分別連接的排氣管(20) (21)、法蘭(18) (19)、集 氣瓶(14) (17)及排氣閥(15) (16)等零件構(gòu)成的、氣體的收集與輸送系統(tǒng)；導(dǎo)線(31)以及 電源等零部件裝配而成。
權(quán)利要求
太陽能水電解制氫(氧)裝置，是一種能直接將水電解為二次能源“氫”的裝置、它是通過電解槽內(nèi)裝置的“塔”來完成水的電解、氫氣和氧氣的分離與收集，其特征是梳狀電極、集氣罩、由下到上的順序循環(huán)疊加、之間用墊圈隔開后，通過螺桿、用螺母緊固在集流罩的下方構(gòu)成的“塔”。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的"塔"的特征應(yīng)有集流罩，其特征是集流罩開口向下、上部成 四棱錐形、下部是一個(gè)長方體，四棱錐形與長方體結(jié)合部的外側(cè)制有矩形法蘭、四棱錐形兩 端不對(duì)稱的錐形斜面上、分別制有兩個(gè)供裝配螺桿用的孔，其底部平面外側(cè)制有與輸氣管 連接用的法蘭。法蘭中央有孔、其孔與集流罩的內(nèi)腔相通。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的"塔"的特征應(yīng)有用塑料薄膜制成的集氣罩，其特征是集氣 罩開口向下，其底部平面兩端及中間部位制有排氣孔，兩端的排氣孔與中間部位的排氣孔 之間分別制有二個(gè)螺桿裝配孔。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的"塔"的特征還應(yīng)有梳狀電極，其特征是梳狀電極是一個(gè)開 口向下的四棱錐形，其四周的錐形平面制成針狀(齒狀)——即極針，底部平面的兩端及中 間部位制有排氣孔，兩端的排氣孔與中間部位的排氣孔之間分別制有二個(gè)螺桿裝配孔。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的集流罩、權(quán)利要求3所述的集氣罩以及權(quán)利要求4所述的梳 狀電極，它們有著共同的特征，其特征是它們的二個(gè)螺桿裝配孔的尺寸大小對(duì)應(yīng)相等，二 孔的中心距(離)對(duì)應(yīng)相等。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的集氣罩及權(quán)利要求4所述的梳狀電極，除了它們的底部都制有二個(gè)螺桿裝配孔的特征之外，還有另外一個(gè)共同的特征，其特征是它們底部平面兩端的 排氣孔及中間部位所制的排氣孔、孔的位置對(duì)應(yīng)一致，尺寸大小對(duì)應(yīng)相等。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的集氣罩及權(quán)利要求4所述的梳狀電極還有一個(gè)共同的特征，其特征是集氣罩與梳狀電極的形狀應(yīng)相同成四棱錐形，它們以各自的對(duì)應(yīng)(稱)面所成的錐度分別對(duì)應(yīng)相等，其錐度應(yīng)大于零度，小于一百八十度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的"塔"的特征，其特征是"塔"中的梳狀電極應(yīng)裝配在集流罩 的下面、之間用墊圈隔開，梳狀電極的高度應(yīng)小于集氣罩的高度，能隱藏在集氣罩內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明——太陽能水電解制氫(氧)裝置；是一種能把具有間歇式的太陽能，通過光伏電池轉(zhuǎn)換成直流電后，直接將水電解為二次能源氫的裝置。它是由進(jìn)水管(9)、除氣瓶(11)、三通(35)排水閥(36)等零件構(gòu)成的給水與排水系統(tǒng)；與基座(30)焊接在一起的電解槽(26)；電解槽外側(cè)臺(tái)階(33)上裝置的電磁振動(dòng)器；電解槽內(nèi)部裝置的、由集流罩(23)(25)、集氣罩(27)、四周制有極針(29)的電極等零件構(gòu)成的在電解過程中起分離與收集作用的“塔”；由排氣管(20)(21)、集氣瓶(14)(17)、排氣閥(15)(16)等零件構(gòu)成的氣體的輸送與儲(chǔ)存系統(tǒng)以及電源等零部件裝配而成。
文檔編號(hào)C25B1/04GK101724853SQ20081017294
公開日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2008年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月24日
發(fā)明者梁尚安 申請(qǐng)人:梁尚安