專利名稱：微波電解水蒸汽制備氫氣的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種利用微波電場電解水蒸汽制備氫的方法及其裝置。
目前國內(nèi)外常用的電解水制取氫氣的方法有電解液法;高溫(900℃)電解水蒸汽法(《新能源》)1986年第9期;王洪昌摘譯自西德《水利》1985年10期第465頁，這些方法存在的缺點(diǎn)是①耗能高，常用的電解液法制取1立方米氫氯耗電3.5～4.3kwh;高溫電解水蒸汽法制取1立方米氫也要耗電2.3～3kwh。
②制氫設(shè)備體積笨重，如產(chǎn)氣量5m3/h的裝置，設(shè)備重達(dá)4噸。
③消耗大、成本高，如電極板用的是鎳金屬，還有化工材料。
④有腐蝕性，設(shè)備復(fù)雜，且污染環(huán)境。
⑤使用900℃高溫電解水蒸汽法，由于氫氣的閃點(diǎn)低，存在一定技術(shù)問題，目前不能推廣使用。
本發(fā)明的目的是提供一種新的制取氫的方法和裝置，該方法效率高、耗能低、不使用電解液而直接用水蒸汽、無污染。該方法所用設(shè)備不消耗有色金屬、消耗低;設(shè)備體積小，重量輕。
本發(fā)明所依據(jù)的原理是微波能使某些化學(xué)反應(yīng)速度大大加快，可使氣體電離形成正負(fù)離子。微波電離氣體產(chǎn)出量取決于微波電場強(qiáng)度，作用時(shí)間，氣體壓強(qiáng)，作用溫度，微波頻率等條件。
本發(fā)明用微波發(fā)生器，發(fā)生的微波，進(jìn)入電解槽，在絕對壓力0.1Mpa～1Mpa，溫度100℃～180℃，微波功率密度0.1/cm3～1.2w/m3微波頻率800兆赫～22200兆赫，最好為900～2500兆赫，直流電場強(qiáng)度200～800V/m的條件下，微波加熱電解槽底部的水，使之汽化，微波將水蒸汽激發(fā)到高能狀態(tài)，通入的直流電場，使水蒸汽進(jìn)行電解，產(chǎn)生氫氣和氧氣。
本發(fā)明的方法所用的裝置為一電解槽，在電解槽內(nèi)有電極板、隔膜、出氣孔。電解槽同時(shí)也作為微波的矩形諧振腔，在電解槽內(nèi)放有與電極板平行的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的金屬屏蔽柵。屏蔽柵與微波諧振腔的連接部位為抗流式小槽結(jié)構(gòu)，小槽結(jié)構(gòu)的深度為波長的1/4，屏蔽柵固定在諧振腔的金屬側(cè)板上;在屏蔽柵與微波諧振腔金屬側(cè)板之間墊有絕緣墊。電極板置于電解槽壁和屏蔽柵蔽間。在電解槽下部有貯水腔和進(jìn)水孔。電解槽蓋上有微波饋能口;在電解槽蓋的下底面附著有絕緣板。
絕緣板為耐溫耐壓的塑料、玻璃或陶瓷。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下的優(yōu)點(diǎn)和效果①電解效率大大提高傳統(tǒng)的水電解法制取1立方米氫氣約耗電3.5～4.3kwh，西德高溫900℃電解水蒸汽制取1立方米氫氣耗電2.3～3kwh，而且采用高溫法有一些技術(shù)問題尚無法解決。本發(fā)明采用100℃～180℃、0.1Mpa～1Mpa的絕對壓力，技術(shù)和設(shè)備材料容易實(shí)現(xiàn)。用微波激勵(lì)水分子，使水分子激勵(lì)到較高能態(tài)，容易電解，取制1立方米氫氣，耗電小于2kwh，比常規(guī)方法提高效率1倍以上。
②無腐蝕性，由于本方法不使用有腐蝕性的電解液，免除了電解液對電解槽的電極板、及其它管道腐蝕作用，故電解裝置可以簡化、節(jié)約耐腐蝕性的有色金屬消耗，延長設(shè)備使用壽命，對環(huán)境也無污染。
③由于微波是被限制在電解槽諧振腔內(nèi)，其下部的水吸收微波能、外部又有蓋壓封，微波不會(huì)泄漏。
④相對而言，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法雖要多加一套微波發(fā)生器，產(chǎn)生微波需消耗一部分能量。目前國內(nèi)的微波爐的磁控管、效率約為50%～70%，壽命兩千小時(shí)。本方法電解水蒸汽所耗電量是微波耗電和電解直流耗電之和，小于其它方法，其總的效率也優(yōu)于其它方法。


圖1為本發(fā)明的方法的方框示意圖;
圖2為本發(fā)明裝置的剖視圖。
圖3為屏蔽柵與微波諧振腔連接部位抗流式小槽結(jié)構(gòu)放大圖。
下面以附圖為實(shí)施例進(jìn)一步說明微波電解水蒸汽制氫方法的原理和過程以及裝置的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
水是極性分子，相對介電常數(shù)ε為76，損耗角正切tgδ為1570，單位體積介質(zhì)以微波場中吸收的功率可由下式計(jì)算Pc＝5/9fE2εtgδ×10-10(瓦/米3)式中，Pc被加熱介質(zhì)單位體積以微波場中吸收的功率E微波電磁場強(qiáng)度;f微波頻率;ε被加熱物質(zhì)的相對介電常數(shù);tgδ被加熱物質(zhì)的損耗角正切;εtgδ介質(zhì)損耗系數(shù)。
水的介質(zhì)損耗系數(shù)(εtgδ)隨著溫度升高而減小，但水蒸汽仍能吸收微波能。根據(jù)量子力學(xué)理論，水分子的電子、原子受到高頻電磁場(微波)的作用力，以及分子之間的相互碰撞，被激發(fā)到較高能級(jí)，再施加直流電場，很容易使水分子分解。
設(shè)直流電場強(qiáng)度為Ed，微波電場強(qiáng)度為Ea則電解槽內(nèi)總的電場強(qiáng)度為E＝Ed+EaE＜介質(zhì)的臨界擊穿電場強(qiáng)度。
如圖1、2所示，首先在微波電解槽1底部的水腔25內(nèi)注入水，接上電源，打開控制器2，啟動(dòng)微波發(fā)生器5，發(fā)出的微波，沿微波導(dǎo)管4進(jìn)入電解槽諧振腔1，使電解槽底部水腔25內(nèi)的水汽化，使水蒸汽飽和?？刂齐娊獠壑C振腔1內(nèi)的溫度在100～180℃，絕對壓力0.01Mpa～1Mpa，微波功率密度0.1w/cm3～1.2w/cm3微波頻率800～22200兆赫，最好為900～2500兆赫，直流電強(qiáng)度200～800V/m的條件，控制器啟動(dòng)可控硅整流器3，水蒸汽進(jìn)行分解。分解出來的氫(氧)通過管道7、8進(jìn)入氫(氧)分離罐9、10，使氫(氧)與其它物質(zhì)分離，然后進(jìn)入氣體冷卻器11、12，使氫(氧)氣體降低到50℃以下，再進(jìn)入氣水分離罐13、14，使含濕量降低，最后進(jìn)入貯罐15、16。
如圖2所示，微波電解水蒸汽制取氫氣的裝置為一電解槽，作為微波矩形諧振腔1，同時(shí)也作為電解水蒸汽的電解槽。在電解槽上部的蓋33上有微波饋能口17，在電解槽下部有貯水腔25和進(jìn)水口24。與電解槽蓋33和貯水腔托盤26為一體的微波諧振腔1的側(cè)板27與電解槽壁19之間墊有密封圈32，用螺釘螺母固定。
在電解槽蓋33的下底面附有耐高溫高壓的絕緣板18，絕緣板18為塑料、玻璃或陶瓷。在諧振腔1內(nèi)有與電解槽壁19平行放置的屏蔽柵28，帶引出線20的電極板30置于電解槽壁19和屏敝柵28之間，并與之平行。電極板30距離屏蔽柵28一般在2～10毫米之間，最好為3～5毫米，在諧振腔1內(nèi)放有相互平行的隔膜29，在電解槽上部的壁上留有出氣孔31。
微波屏蔽柵28為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，主要作用是把微波限制在諧振腔1內(nèi)，同時(shí)為直流電場提供通路，也使氣體得以通過。
屏蔽柵28與微波諧振腔側(cè)板27的連接部位采用抗流式小槽結(jié)構(gòu)21，小槽結(jié)構(gòu)的深度1等于波長λ的1/4，它是根據(jù)四分之一波長傳輸線的阻抗變換特性原理。根據(jù)傳輸線理論、終端短路線的輸入阻抗由下式表示Zi=jZotg (2πl(wèi))/(λ)式中Zo為傳輸線的特性阻抗。λ為傳輸線的工作波長。l為傳輸段長度。j為表征相位虛數(shù)。
由上式可知，當(dāng)抗流小槽深度l＝1/4波長時(shí)，屏蔽柵與諧振腔壁接觸點(diǎn)的輸入阻抗為Zi = j Z o t g ［2 πλ·λ4］= j Zo t gπ2= ∝]]>在這種情況下壁電流為零，不管此處有無接觸，都沒有電壓降出現(xiàn)，不會(huì)有微波能量泄漏。
將屏蔽柵28用螺釘22或用粘合的方法，固定在支撐板27上，屏敝柵28與諧振腔側(cè)板27之間放置有1～1.5mm厚的耐高溫絕緣板23，因?yàn)樵诋?dāng)屏蔽柵28的外側(cè)施加直流電場后，直流電場一方面穿過屏蔽柵的網(wǎng)孔，作用于整個(gè)微波電解槽內(nèi)，另一方面在金屬網(wǎng)孔的影響下，直流電場推動(dòng)發(fā)生改變，在屏敝柵上或多或少感應(yīng)出電荷。此處若不絕緣，將會(huì)通過諧振腔壁產(chǎn)生環(huán)流，出現(xiàn)電弧放電，打火擊穿現(xiàn)象。因此使屏敝柵與支撐板27絕緣。屏蔽柵上的感應(yīng)電荷以及壁電流只與帶電離子(H+)發(fā)生類似電極的氧化還原反應(yīng)。在這種有微波(高頻電磁場)和直流電場疊加的電解槽內(nèi)，水分子被微波加熱，并激勵(lì)到高能級(jí)。(其作用與高溫900℃提高能級(jí)的作用相似)。處于較高能級(jí)能態(tài)的水分子被直流電場電離，在陰極板上氫離子(H+)得電子制得氫氣，在陽極上氧離子(O-)失電子制得氧氣。
在電化學(xué)反應(yīng)過程中，電解水得到氫和氧其過程包括以下幾個(gè)單元步驟
①液(氣)相傳質(zhì)步驟在電化學(xué)體系中，存在于水溶液中的氫離子都是以水化氫離子(H3o+)的形式存在，而在水分子氣體中，水蒸汽分子被微波電離，以H+、O-的形式存在。在外電場的作用下發(fā)生離子電遷移，同時(shí)克服離子碰撞產(chǎn)生的摩擦阻力，離子之間的相互作用力等到達(dá)電極。
②電化學(xué)反應(yīng)步驟被輸送到電極表面的H3O+和H+離子，在陰極接受電子發(fā)生還原反應(yīng)，在電極表面上生成吸附氫原子式中MH表示金屬電極表面上吸附氫原子。
③隨后轉(zhuǎn)化步驟在電極表面上由兩個(gè)吸附氫原子復(fù)合而生成氫分子，并從電極表面上脫附并逸出在析氫反應(yīng)各單元步驟中，影響反應(yīng)速度的有液(氣)相傳質(zhì)步驟，這一步驟因?yàn)槲⒉馨阉肿友杆匐婋x，形成帶電離子H+、O-，又在電場作用下遷移，不會(huì)成為控制步驟，。根據(jù)電化學(xué)理論，成為控制步驟的有a)電化學(xué)反應(yīng)步驟，相應(yīng)的理論有遲緩放電機(jī)理。b)隨后轉(zhuǎn)化步驟，相應(yīng)的理論有遲緩復(fù)合機(jī)理。
根據(jù)遲緩放電機(jī)理，電化學(xué)反應(yīng)步驟是整個(gè)析氫反應(yīng)過程中的控制步驟，同為在氫離子還原時(shí)首先要克服其與水分子之間的作用力，因此，氫離子與電子結(jié)合的還原反應(yīng)，就需要很高的活化能，離子放電步驟，就成了整個(gè)析氫反應(yīng)過程的控制步驟，而在本方法的析氫過程中，是用微波能將水蒸汽電離，水分子被大量電離，僅有少部分水分子同氫離子一起到達(dá)電極，氫離子與水分子之間的作用力較前小的多，故析氫效率得以很大提高。
根據(jù)遲緩復(fù)合論，在析氫反應(yīng)過程中電極表面吸附了大量的氫原子，例如，在Ni電極上，切斷陰極電流，只有經(jīng)過一段時(shí)間以后，其電位才能恢復(fù)到平衡電位的數(shù)值。本方法采用微波能激勵(lì)，電極通過屏蔽柵把電場能作用于整個(gè)電解槽內(nèi)，同時(shí)，屏蔽柵上被直流電場所感應(yīng)存在電荷。另外，屏蔽柵作為微波諧振腔的一部分，其上面流動(dòng)著高頻感應(yīng)的壁電流。高頻感應(yīng)電流是不斷變化的，它同屏蔽柵上的直流電場感應(yīng)電荷疊加在一起，使屏蔽柵到電極表面這一窄小空間的電場作用力產(chǎn)生波動(dòng)，即在電極表面產(chǎn)生一種電場力振動(dòng)，它可以使電極表面上吸附的氫原子振動(dòng)脫落、加快還原反應(yīng)，提高反應(yīng)速變。
同時(shí)，在同樣的電流密度下，溫度高時(shí)，析氫電位下降。而在相同的過電位條件下，溫度高時(shí)，反應(yīng)速變則加快。在發(fā)明的方法和裝置采用電解水蒸汽、溫度高，有利于提高電解效率。
權(quán)利要求
1.一種微波電解水蒸汽制備氫氣的方法，包括用電磁場電解水分子制備氫氣和氧氣，其特征在于由微波發(fā)生器5發(fā)生的微波，進(jìn)入電解槽諧振腔1，在溫度100～180℃，絕對壓力0.1Mpa～1Mpa，微波功率密度0.1w/cm3～1.2w/cm3，微波頻率800兆赫～22200兆赫，直流電強(qiáng)度200v/m～800v/m的條件下，微波加熱電解槽底部的水，使之汽化，將水蒸汽分子電解，生成氫氣和氧氣。
2.如權(quán)利要求1所述的微波電解水蒸汽制備氫氣的方法，其特征在于所述的微波頻率最好為900～2500兆赫。
3.一種用于權(quán)利要求1所述微波電解水蒸汽制備氫氣方法的裝置，包括隔膜29，電極板30，出氣孔31，其特征在于在電解槽1(諧振腔)內(nèi)放有與電極板30平行的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的金屬屏蔽柵28;屏蔽柵28與微波諧振腔1的連接部位為抗流式小槽結(jié)構(gòu)21;小槽結(jié)構(gòu)21的深度l等于波長(λ)的1/4。屏蔽柵28與微波諧振腔1的金屬側(cè)板27之間墊有絕緣墊32;電極板30置于電解槽壁19和屏蔽柵28之間，在電解槽下部有貯水腔25和進(jìn)水孔24，電解槽蓋23上有微波饋能口17，在電解槽蓋17的下底面附著有絕緣板18。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于電極板30與屏蔽柵28之間的距離為2～10mm，最好為3～5mm。
5.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述的絕緣板18為耐溫耐壓的塑料、玻璃或陶瓷。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微波電解水蒸汽制備氫氣的方法和裝置，它由微波發(fā)生器和電解槽組成。由微波發(fā)生器發(fā)出的微波從電解槽的饋能口進(jìn)入電解槽，加熱其底部的水，使其汽化，在絕對壓力0.1MPa～1MPa，溫度100～180℃，微波功率密度0.1W/cm
文檔編號(hào)C25B1/04GK1072465SQ92110190
公開日1993年5月26日 申請日期1992年8月29日 優(yōu)先權(quán)日1992年8月29日
發(fā)明者鄭靜雨 申請人:鄭靜雨