附加高压电源的制氢方法与装置与流程

背景技术：
风能、太阳能等转化为氢能的途径是，首先将风能、太阳能转化为电能，再电解水制氢。有两个重要技术指标：成本与效率。传统技术成本较低，但效率不高。最好结果是，常温常压下每立方米氢气需要4.6度电。新技术是利用双极膜电解水制氢，效率远高于传统技术，但双极膜成本很高，难以推广。鉴于这种现状，本发明公布一项新电解水制氢方案。按本方案，效率同样很高，但成本可显著降低，从而易于推广。

技术实现要素：
本电解水制氢方案是，在电解水装置中附加高压电源。其特征是，这种装置的电解水箱中有电解水部分和附件部分，电解水部分由多个电解单元并联或串联构成，两个电解单元之间有将两者分开的两性(负、正离子都能透过)、或负、或正离子交换膜，每个电解单元的正、负电极的排列方式相同，相邻单元的正、负电极相对；附件部分由电解箱中、安装在电解水部分负极上部的氢气输出管，安装在正极上部的氧气输出管和补水管构成；

有P0、P1、P2三种电源：P0是直流电解电源，其电压V0可调、

0≤V0≤1.7V， (1)

V0一经调好就不再变化；P1是其正极电压为V1、负极电压为(-V1)的直流电源，

0≤V1≤V1max，V1max＞V0， (2)

输出方波或脉冲波(图1)，其占空比、方波或脉冲宽度、电压V1可调；P2是其正极电压为V2、负极电压为(-V2)的直流脉冲电源(图2)，其占空比、脉冲宽度、和电压V2可调，

0≤V2≤V2max，V2max≥V1； (3)

分别与P0的正、负极连通的是电解正极EA和负极EC，EA和EC是有网孔或无网孔、耐酸或碱的导电板；与P1正、负极连通的是表层为绝缘层、有网孔的正极IHA-1与负极IHC-1，或表层为绝缘层、无网孔、形状为平板或细长条的正极IA与负极IC，IHA-1与IHC-1表面可有相同的凸起；V1max低于绝缘层的击穿电压；与P2正、负极连通的分别是表层为绝缘层、有网孔的正极IHA-2与负极IHC-2，IHA-2与IHC-2表面可以有相同的突起，V2max低于其绝缘层的击穿电压；与P2正、负极连通的也可以分别是表层为绝缘层、有网孔的正极IHEA与负极IHEC，在IHEA与IHEC有网孔的平面上垂直地固定一些长度相同的导电细针(图3)，针尖由耐酸或耐碱腐蚀的材料制作，一种选择是针尖用铂制作，针尖以外的部分都有绝缘层，正、负极针尖之间的电压等于或高于水分子的解离电压；这里所说的电解单元是包含连接到P0的一对电解电极EA、EC，且两者距离不大于到其它EA或EC的距离；

第一种电解单元由EC、EA、IHA-1、IHC-1和在EA、EC之间的两性、或负、或正离子交换膜构成；EA被IHA-1对称地包围在其内部，称为HEA电极(图4)，EC被IHC-1对称地包围在其内部，称为HEC电极(图4)，IHA-1和IHC-1之间距离可调，两者之间有离子交换膜；IHA-1和IHC-1的凸起部分一一对应；仅当电解电极之间和电解单元之间都用正离子交换膜时，在EC所在部分可以填充酸性电解液，在HEA所在部分填充水、或含水解离催化剂的水、或碱性电解液；当电解电极之间、或电解单元之间的离子交换膜不是正离子交换膜时，HEC和HEA所在的部分可以填充碱性电解液，或水，或含水解离催化剂的水。

在P1或P2直流高压脉冲波或方波作用下，离子加速运动、碰撞、发光，使得IHC-2和IHA-2之间和电解电极附近的水分子解离，H⁺和OH^-粒子密度增大，从而提高产氢效率。

第二种电解单元由IA、EC、IC、EA、IHA-2、IHC-2与离子交换膜构成；IA被EC绝缘、密闭地封闭在其内部，称为IEC电极，IC被EA绝缘、密闭地封闭在其内部，称为IEA电极；当用负离子交换膜时，该膜紧靠在IHA-2上；当用正离子交换膜时，该膜紧靠在IHC-2上；当用两性离子交换膜时，该膜靠近IHA-2或IHC-2；IHA-2与IHC-2形状与尺度相同、平行安置、凸起部分一一对应；在IHA-2一侧安置IEA或EA，在IHC-2一侧安置IEC或EC；按前述方式，在离子交换膜两侧填充电解液或水；

IHA-2和IHC-2的孔可以微小，使得氢气和氧气分子不能透过，这时，可以不用离子交换膜；

电源P1和P2同时分别向IHA-1及IHC-1、和IHA-2及IHC-2上施加电压和撤出电压，即V1、V2同时为零，同时达到各自的极大值；

填充电解液后，调到适当的电压，连通电路，就分别在在电解电极的正、负极产生氧气和氢气。

第三种电解单元由IEC和IEA、或EC和EA、或HEA和HEC、IHA-1和IHC-1、IHEA、IHEC与离子交换膜构成；当用负离子交换膜时，该膜紧靠在IHEA上；当用正离子交换膜时，该膜紧靠在IHEC上；当用两性离子交换膜时，该膜靠近IHEA或IHEC；IHEA和IHEC形状与尺度相同、平行放置、针尖一一对应、距离可调；正、负极针尖之间放电导致水分子的解离；IHA-1和EA形状与尺度相同、并紧靠在一起，称为HA-1电极，IHC-1和EC形状与尺度相同、并紧靠在一起，称为HC-1电极；在IHEA一侧安置IEA、或EA、或HEA、或HA-1，在IHC-2一侧安置IEC、或EC、或HEC、或HC-1；按前述方式，在离子交换膜两侧填充电解液或水。

第四种电解单元由IEC和IEA、或HEA和HEC、HA-1和HC-1，和双极膜构成；在双极膜的正离子交换膜一侧安置IEC、或HEC、或HC-1；在双极膜的负离子交换膜一侧安置IEA、或HEA、或HA-1；在双极膜中渗入水或含有水解离催化剂的水；其它区间，按前述方式填充电解液或水。由于P1的作用，双极膜产生的正、负离子更多、更快地到达EC、EA，产生氢气、氧气。

这种附加有高压电源的制氢方法与装置，可以不用电源P0，直接将热能转化为氢能；前述各种电解单元中，连接电极EA与EC的电源P0可用导线代替；由于离子交换膜和P1、P2的作用，EA处的电解液中负离子积聚，EC处的电解液中正离子积聚，因此EA处产生氧气，EC处产生氢气。这样，减少了电源P0和产生单位氢气的电能，但产生氢气的速度慢。

这种附加有高压电源的制氢方法与装置，也可以不用电源P0、P1、P2，直接将热能转化为氢能；这种装置电解水部分由负或正离子交换膜、和以导线连接耐酸或碱的导电片A与C构成；离子交换膜将电解箱分割为两个区间，A与C分别安置在两个区间；

当用负离子交换膜时，A所在区间填充碱性电解液，C所在区间填充水或含有水解离催化剂的水；OH^-离子透过负离子交换膜到达C所在的区间；这样，C所在区间积聚负离子，A所在的区间积聚正离子，从而导线上有电流通过，A所在的区间产生氢气，C所在区间产生氧气；当用正离子交换膜时，C所在区间填充酸性电解液，A所在区间填充水或含有水解离催化剂的水；H⁺离子透过正离子交换膜到达A所在的区间；这样，A所在区间积聚正离子，C所在的区间积聚负离子，从而导线上有电流通过，A所在的区间产生氢气，C所在区间产生酸根有关的气体或氧气，将酸根有关的气体重新溶解于水中形成酸溶液；电解液和水的温度高于室温，在电解液沸点以下，温度高，产氢气多。这种方式设备简单、成本低，充分利用热能，但产生氢气的速度慢。

在这种附加有高压电源的制氢方法与装置中，可以用温差发电片组与电源P0并联或串联，或代替电源P0，或代替连接电极A、C或HEA、HEC的导线；温差发电片的热端贴在电解箱的外部或另外的热源上，冷端用水或气体冷却。这种方式可使太阳能和低温热能得到充分利用。

P1、P2产生方波或脉冲除了用方波或脉冲发生器外，也可用时间继电器。当用时间继电器连接P1时，一种选择方式是，与IHA-1连接的时间继电器上的两个触点之一与P1的正极连通，另一个触点和零线、或EA、或EC连通，与IHC-1连接的时间继电器上的两个触点之一与P1的负极连通，另一个触点和零线、或EC、或EA连通；当用时间继电器连接P2时，一种选择方式是，与IHA-2连接的时间继电器上的两个触点分别与P2的正极和零线连通，与IHC-2连接的时间继电器上的两个触点分别与P2的负极和零线连通。

前文所述水解离催化剂的一种选择是100℃时不挥发、酸根不变化、溶于水、分子量大的有机酸、或有机酸盐，一种选择是酒石酸、醋酸、草酸或酒石酸钾；这种酸的水溶液也可以用作电解液。

这种附加高压电源的制氢方法与装置，电解箱的上面与侧面可用真空保温玻璃制作，阳光直接入射或经过反光镜入射到电解箱中。

附图说明 图1是电源P1加到有绝缘层、有网孔的正极IHA-1与负极IHC-1上的方波示意图。

图2是电源P2加到有绝缘层、有网孔的正极IHA-2与负极IHC-2上的脉冲波示意图，也是电源P1加到有绝缘层、有网孔的正极IHA-1与负极IHC-1上的脉冲波示意图。

图3是电极HEA结构示意图。图中，1是电解电极EA，2是有绝缘层、有网孔的IHA-1，IHA-1对称包围在EA外部；3是EA的网孔；HEC结构与HEA相同。

图4是电极IHEA结构示意图。图中，4是有绝缘层、有网孔的导电板，5是这个导电板上的网孔，6是导电细针；IHEC的结构与IHEA相同。

图5是填充有硫酸水溶液、含水解离催化剂的水、和氢氧化钾水溶液的电解制氢装置示意图。图中，7、9、11是电极HEA；8和10是电极HEC；12是第一个电解单元中的负离子交换膜，紧靠第一个正极HEA；13是第一、第二电解单元之间的负离子交换膜，紧靠第二个正极HEA；14是第二个电解单元中的正离子交换膜，紧靠第二个负极HEC；15是第二个电解单元和边界正电极HEA之间的正离子交换膜；填充的电解液或水如图所示。

图6是填充含水解离催化剂的水氢氧化钾水溶液的电解制氢装置示意图。图中，16和18是正极HEA，17和19是负极HEC；20、21、22是在HEA HEC之间的负离子交换膜。

具体实施方式 实施例1.如图5所示，电解箱容积为10×10×1.58cm³，在其内部、平行于截面为10×10cm²的侧面固定截面都是10×10cm²的3片正离子交换膜、3片负离子交换膜、3个HEA、3个HEC电极。这里HEA和HEC电极具体结构是，其中的IHA-1与IHC-1是表面涂有耐压500V绝缘漆、厚为0.2mm、均匀分布2500个直径为2mm圆孔的铜板，EA和EC厚为1mm、均匀分布2500个直径为1mm圆孔的钛板，EA钛板表面有铱钽涂层，EC钛板表面镣铱涂层。HEA由两个这样的IHA-1对称地夹在中间构成，HEC由两个这样的IHC-1对称地夹在中间构成。

第一个HEA电极距离左端面0.5mm，第一个电极间的负离子交换膜紧靠在第一个HEA上，第一个HEC和第一个HEA距离为0.3mm；第一个电解单元之间的负离子交换膜距第一个HEC电极1.5mm，紧靠在第二个HEA电极上第二个电极间的离子交换膜是正离子交换膜，距离第二个HEA电极1mm，紧靠在第二个HEC上；第二个电解单元之间的离子交换膜是正离子交换膜，距离第二个HEC 1.5mm；第三个HEA电极距离第二个电解单元之间的离子交换膜1.5mm，距离右端面0.5mm。总长15.8mm。第一个HEA和左端面之间、第一个电解单元之间的负离子交换膜和第二个电极间的正离子交换膜之间、第二个电解单元之间的正离子交换膜和右端面之间填充含水解离催化剂的水；第一个电极间的负离子交换膜和第一个电解单元之间的负离子交换膜之间填充10％的KOH水溶液；第二个电极间的正离子交换膜和第二个电解单元之间的正离子交换膜之间填充10％的H2SO4水溶液；水及电解液温度为50℃。

各个EA、各个EC并联，EA、EC之间电压为0.6V。各个IHA-1、各个HEC并联，IHA-1、HEC上电压如图1所示，Vmax＝150V，占空比为1/3，周期为1.5s。

通电后，EA、EC之间电流平均值(正比于氢气产量)为4200mA，远高于没有附加电压时的电流。

实施例2.如图6所示，电解箱内容积为10×10×1.47cm³。与实施例1类似，在其内部、平行于截面为10×10cm²的侧面固定3片两性离子交换膜、2个HEA、2个HEC电极。这里所用电极与实施例1完全相同。

第一个HEA电极距离左端面0.5mm，第一个两性离子交换膜距第一个HEA电极1mm，第一个HEC距第一个两性离子交换膜1mm，第二个两性离子交换膜距第一个HEC电极1mm，第二个HEA电极距第二个两性离子交换膜1mm，第二个HEC距第二个两性离子交换膜1mm，第三个两性离子交换膜距第二个HEC电极1mm，第二个HEC距第三个两性离子交换膜1mm，距右端面0.5mm。

左端面和第一个两性离子交换膜之间、以及第二、第三个两性离子交换膜之间填充含水解离催化剂的水，第一、第二个两性离子交换膜之间、以及第三个两性离子交换膜和右端面之间填充30％浓度的KOH水溶液，水及KOH水溶液温度为70℃。

两个EA并联、个EC并联，EA、EC之间电压为0.6V。两个IHA-1并联、两个HEC-1并联，IHA-1、HEC-1上电压如图1所示，Vmax＝150V，占空比为1/3，周期为1.5s。

通电后，EA、EC之间电流平均值为3600mA，远高于没有附加电压时的电流。

实施例3装置如图6所示，尺度与实施例2相同，把其中的两性交换膜换为负离子交换膜，再将连接EA、EC的电源P1用一根导线代替。水及KOH水溶液温度为70℃。两个IHA-1并联、两个HEC-1并联，IHA-1、HEC-1上电压如图1所示，Vmax＝150V，占空比为1/3，周期为1.5s这时电流为2300mA。

实施例4热能转化为氢能的装置示意图与图6相同。装置与实施例3相近，只是将HEA和HEC用耐碱腐蚀的导电片A和C代替。电解液的填充方式也与实施例3相同。水及KOH水溶液温度为80℃。两个A电极并联、两个C电极并联，再将A、C连接，或只将左端的A电极与右端的C电极用导线连通。这时电流仍存在，为530mA。这样的装置十分简洁，造价大幅度降低。