一种用于水电解的直流发电装置及电解系统的制作方法

本发明涉及一种电解装置及系统，属于新能源领域，具体涉及一种用于水电解的直流发电装置及电解系统。

背景技术：

当今世界尚处在以石油、天然气和煤炭为主导能源的化石能源经济时代。这个化石能源经济时代必将结束，一场空前的新能源革命已经开始。取代化石能源经济的新能源经济，或者说后石油时代的新能源经济，将是“氢经济”、“低碳经济”及其核能、太阳能、风能、水能、生物质能、地热等多元化能源现代化利用相辅相成的新能源经济。

氢单质形态通常是由双原子分子组成的氢气，氢气是最轻的气体，在零度和一个大气压下，每升氢气只有0.09克重。相当于同体积空气重量的1/14.5；氢气极易燃烧，是所有物质中闪点最低的(闪点＜-253℃，可以认为无闪点)；氢气点火能量最低，只有0.021mJ(毫焦)＝0.005mcal(毫卡路里)，是汽油点火能量0.30mJ的1/14；氢气在空气中可燃范围最大，体积含量为4％～75％(汽油为1.3％～7.6％)；氢气在空气中燃烧速度最快，为250cm/s(汽油为45cm/s)；氢气的沸点-252.9℃，熔点-259.1℃，接近热力学温度-273℃。氢气与氧气化合成水蒸气的质量热值(低热值)是所有可燃物质中最高的，达到120MJ/kg，是汽油低燃值43.5MJ/kg的2.76倍。氢气和氧气具有许多特殊的性质，作为能源燃料是最理想的清洁能源。

但又存在很多的难解的问题，特别是在储存运输和安全方面，还存在着许多技术障碍。

首先，电解水制氢的成本比较高。在标准状况下制取1kg氢和0.5kg氧的理论电量为2390(Ah)，理论电能消耗W＝I*E＝2390/1000*1.23＝2.95KWh(1.23V为水分解电压)，电解槽实际耗电量和实际分解电压都要比理论值大。实际操作电压，根据电解槽的结构及操作状况，一般为理论分解电压的1.5-2倍。现在电解水制氢设备生产1标立方米氢和0.5标立方米氧的实际电能消耗为5KWh，大于理论值。可见利用电解水制氢的成本比较高，从经济角度考虑与其他燃料相比没有成本优势。

其次，氢气的安全性比较差。由于氢气是一种极易挥发、燃烧、爆炸的物质，不安全因素也是限制其应用的主要问题，实验表明:(1)在空气中氢气的燃烧极限很宽，按体积比氢气含量达到4％～70％就可燃烧，与汽油的燃烧极限1.3％～7.6％相比要宽的多；(2)点燃氢气最小能量只需要0.005mcal，而且氢气燃烧时的火焰没有颜色不易发现；(3)高压氢气和低温液态氢很容易泄露，对储存要求较高。

由此可见，氢能在低成本生产、安全储存运输等技术方面目前还存在诸多问题，但氢能具有突出的优点：一是清洁环保；二是生产原料广泛，可以摆脱对于石化能源的依赖，所以，如何安全高效的制备、储运和应用氢能已成为当今世界急待攻关的难题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对传统水电解氢氧混合气体发生器存在的成本高，安全性低的问题，其目的在于提供了一种气液交换均匀，气体排出容易，能耗降低，安全可靠的用于水电解的直流发电装置及电解系统。本发明的直流发电装置能够产生稳定的直流电，提高电解效率；采用本发明电解装置制备的高热值燃气安全性好，易于存储，热值高，不污染环境。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种用于水电解的直流发电装置，包括：壳体，所述壳体上设置与电机相连的转轴；所述转轴上设置有若干个转子磁铁；相邻两个转子磁铁之间设置若干片定子金属盘；定子金属盘通过绝缘支架固定于壳体内；所述定子金属盘的中心轴和顶端分别连接电源正负极输出端。

优化的，上述的一种用于水电解的直流发电装置，所述转子磁铁为高磁通量磁铁，磁通量为0.5-1.2T之间。

优化的，上述的一种用于水电解的直流发电装置，所述转子磁铁圆盘为导电金属圆盘，至少一片组成。

为了解决上述问题，根据本发明的另一个方面，提供了一种利用上述直流发电装置作为电解电源的水电解系统。

优化的，上述的水电解系统，还包括：水离子电解装置，所述水离子电解装置包括电解装置壳体，该电解装置壳体的至少一侧设置所述直流发电装置；直流发电装置与电解装置壳体内的正负电极板相连；所述正负电极板之间设置有旋转电极板，所述旋转电极板上设置有激振装置。

优化的，上述的水电解系统，所述激振装置的固有频率遵循公式：

$f=\frac{0.162h}{L^2}\sqrt{\frac{E}{P}}$

式中：f为激振装置固有频率；h为激振装置厚度mm；L为激振装置长度mm；E为激振装置弹性模量；P为激振装置密度。

优化的，上述的水电解系统，若干个旋转电极板组成电极组，并且相邻旋转电极板间隔1-10mm。

优化的，上述的水电解系统，所述直流发电装置为两个，分别位于电解装置壳体两侧。

优化的，上述的水电解系统，所述电解装置壳体内壁相对两侧分别设置有两个绝缘盘，所述正负电极板分别设置于所述两个绝缘盘上。

优化的，上述的水电解系统，所述电解装置壳体的顶部通过散热管连接气液分离控制罐，所述气液分离控制罐的液体回收出口通过系统管道与电解装置壳体的内部相连；所述气液分离控制罐的气体出口与燃气处理装置相连。

因此，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)电解效率高：能够产生稳定的大电流直流电，提高电解效率。

(2)安全性好：通过激振原理将单分子氢氧气体和水分子经氢键重新组合成新的分子团，燃烧温度在3500摄氏温度以上，并且属于爆缩燃烧，在封闭的空间中相对爆发式燃烧安全稳定；

(3)易于存储：新的分子的在-90℃～-190℃之间的一个温度点同时液化成液体燃料；可以承受200kg/cm³以上压力并长期储存不发生任何性质变化；

(4)更加环保：不含硫S和氮N成分，热值可达11000～51000大卡(Kcal/m³)，相对常规燃料而言，节能和经济性均能节省50％以上，具有清洁环保、热值高、多用途的特点。

附图说明

图1为高热值燃气合成原理图；

图2为高热值燃气制备控制系统；

图3为带有燃气压缩装置的高热值燃气制备系统示意图；

图4为水离子电解装置与压缩燃气装置连接示意图；

图5为带有燃气重整装置的高热值燃气制备系统示意图；

图6为水离子电解装置与燃气重整装置和燃烧装置的连接示意图；

图7为采用两个直流发电装置和水离子电解装置单边组合的示意图；

图8为采用单个直流发电装置和水离子电解装置单边组合的示意图；

图9为水离子电解装置示意图；

图10为水离子电解装置局部示意图；

图11-1为水离子电解装置的旋转电极板主视示意图；

图11-2为水离子电解装置的旋转电极板侧视示意图；

图11-3为水离子电解装置的旋转电极板的激振装置连接示意图；

图12-1为水离子电解装置的正负电极板主视示意图；

图12-2为水离子电解装置的正负电极板侧视示意图；

图13为直流发电装置示意图；

图14-1为直流发电装置的转子磁铁主视示意图；

图14-2为直流发电装置的转子磁铁侧视示意图；

图15-1为直流发电装置的定子金属盘主视示意图；

图15-2为直流发电装置的定子金属盘侧视示意图；

图16为实施例1的色谱分析结果示意图；

图17为实施例1的色谱分析记录。

图中：

直流发电装置1、壳体1-1、转子磁铁1-2、定子金属盘1-3、固定件1-4、绝缘支架1-5；水离子电解装置2、动轴2-1、绝缘盘2-2、电解装置壳体2-3、旋转电极板2-4、激振装置2-4-1、固定螺栓2-4-2、散热管2-5、气液分离控制罐2-6、低压限压表2-7、高压限压表2-8、安全阀2-9、物料添加口2-10、气体出口2-11、电解液2-12、系统管道2-13、风冷叶片扇2-14、系统循环泵2-15、绝缘电板2-16、正负电极板2-17、燃气压缩装置3、压力仪表系统3-1、储存罐3-2；电机4；燃气重整装置5、燃气重整装置罐体5-1、重整液5-2、气液交换层5-3；燃烧装置6。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

一、制备方法

如图1所示，为本发明的制备方法原理图。现有的水电解氢氧混合气体发生器所产生的氢氧气体均为单质气体的混合气体，氢氧单质气体混合存在一定的安全隐患。

本发明的方法在电解水离子化到产生氢氧气体的过程中，将水、氢气、氧气三者的单分子通过分子键合形成一个新的分子团，将活性较高的氢分子束缚在分子团中。因此，新的分子团中氢氧分子比例十分稳定，燃烧时还原成水，属于爆缩燃烧，在封闭的空间中，爆缩燃烧相对爆发式燃烧是十分安全的。

新的分子团的燃烧温度在3500摄氏温度以上，并且能被液化成液体燃料，可以承受200kg/cm³以上压力，长期储存不发生任何性质变化。

在实施本方法时，电解液可选用KOH，浓度为5％-30％，键合产生的分子团的通式为(H₃O⁺-O₂-OH^--H₂)_n，其中：1≤n≤36。

重整液是包括有碳氢化合物C_xH_2x+2和/或碳氢氧混化合物C_xH_2x+2O的重整液。还可以添加量子碳素添加剂。其中，量子碳素为0.3nm-1.0nm的石墨烯液，量子碳素液的基本参数为：pH为1.8-2.2；电动势ORP为280mv-380mv；电导率为1.2ms/cm-5.0ms/cm；固含量为0.1％-0.8％。

本方法中，用于激振的激振装置固有频率遵循公式：

$f=\frac{0.162h}{L^2}\sqrt{\frac{E}{P}}$

式中：f为激振装置(固有)频率；h为激振装置厚度mm；L为激振装置长度mm；E为激振装置弹性模量；P为激振装置密度；其中，激振频率为10-3000Hz之间调整。

二、制备系统

本发明提供了安全高热值燃气制备系统。具体描述如下。

1、整体结构

如图2-6所示，系统的整体结构包括：直流发电装置1、水离子电解装置2、燃气压缩装置3、燃气重整装置5。

图2是本系统的控制系统。该控制系统是用于时间点、压力、温度、物料供给、压缩燃气参数、燃烧参数等进行数据采集并进行自动化管理。

2、压缩装置

如图3-4所示，本系统电解时激振产生的分子团可以通过压缩装置压缩存储。包括：压力仪表系统3-1、储存罐3-2以及与水离子电解装置2的气体出口2-11相连的气体压缩腔。压缩燃气系统为常规设备，压力范围20.7-24.8Mpa，储存罐3-2为标准气体罐。

3、重整装置

如图5-6所示，在燃烧时，需要对分子团进行重整。将气体经过重整装置罐体5-1后进入燃烧装置6燃烧，该燃烧装置6为常规设备。

可以采用多个重整装置5进行重整。重整装置罐体5-1内设置有重整液5-2和气液交换层5-3。重整液5-2为碳氢化合物。气液交换层5-3为纤维体，例如毛毡、玻璃纤维、异形塑料颗粒；也可以采用钢丝球作为气液交换层5-3。通向重整装置内部的气体经过气液交换层后再被导出。

重整液5-2是包括有碳氢化合物C_xH_2x+2和/或碳氢氧混化合物C_xH_2x+2O的重整液。还可以添加0.1％-1.0％的量子碳素添加剂。其中，量子碳素为0.3nm-1.0nm的石墨烯液，量子碳素液的基本参数为：pH为1.8-2.2；电动势ORP为280mv-380mv；电导率为1.2ms/cm-5.0ms/cm；固含量为0.1％-0.8％。

重整后的气体包括C_xH_2x+2气体，其中,15>x>0。具体包括如下体积组分:

H₂：20％～60％；O₂：10％～30％；C_nH_2n+2(5>n≧1)：15％～30％；C_nH_2n+2(n≧6)：5％～25％。

本发明所采用的技术方案制备的高热值燃气不含硫S和氮N成分，热值可达11000～51000大卡Kcal/m³。

4、电解装置

如图7-8所示，在电解时，本实施例可以采用两个直流发电装置1进行电解，如图7所示；也可以采用单个直流发电装置1进行电解，如图8所示。两者根据工况选用。

水离子电解装置如图9-12所示。水离子电解装置2包括动轴2-1、绝缘盘2-2、壳体2-3、旋转电极板2-4、激振装置2-4-1、散热管2-5至少一组或多组、气液分离控制罐2-6、低压限压表2-7、高压限压表2-8、安全阀2-9、物料添加口2-10、气体出口2-11、电解液2-12、系统管道2-13、风冷叶片扇2-14、系统循环泵2-15、正负电极板2-17。

其中，绝缘盘2-2设置于壳体2-3内部两侧；绝缘盘2-2内侧分别设置正负电极板2-17。旋转电极板2-4通过动轴2-1设置于两块正负电极板2-17之间。

其中，旋转电极板2-4至少为一片，也可以由多片组成电极组，每片间隔1-10mm。每片旋转电极板2-4装置有若干个激振装置2-4-1，该激振装置2-4-1可以通过固定螺栓2-4-2固定在旋转电极板2-4上。

旋转电极板2-4在电解液2-12中以一定角速度旋转，并在正负电极板2-17的电极电源DC+和DC-的作用下，产生水电解氢氧气体。

旋转电极板2-4在旋转中带动激振装置2-4-1产生激振，激振装置固有频率遵循公式：

$f=\frac{0.162h}{L^2}\sqrt{\frac{E}{P}}$

式中：f为激振装置固有频率；h为激振装置厚度mm；L为激振装置长度mm；E为激振装置弹性模量GPa；P激振装置密度g/cm³；激振频率为10-3000Hz之间调整。激振装置上的正负极所产生的电解氢氧气体在激振频率的作用下，产生的单分子氢氧气体和水分子，通过氢键重新组合成新的分子团。本发明中的激振装置2-4-1可以为激振片。

新的分子团和电解液经过散热管2-5到达气液分离控制罐2-6进行气液分离，分离后的气体通过出口2-11输出，低压限压表2-7和高压限压表2-8负责保持压力在0.01-1.0Mpa之间运行，物料添加口2-10负责添加补充液和添加剂，安全阀2-9控制在1.5-2.0Mpa，管道2-13为系统自动循环管道，根据温控等工况条件可开启循环泵2-15。

5、发电装置

直流发电装置如图13-15所示，其包括：壳体1-1、转子磁铁1-2、定子金属盘1-3、固定件1-4、绝缘体支架1-5、电机4。金属盘顶端引导线联接为DC-、金属盘中心轴引导性联接为DC+组成。转子磁铁圆盘1-2为导电金属圆盘，金属可以是铜及铜合金或者是导电金属，至少一片或多片组成；转子磁铁1-2为高磁通量磁铁，磁通量为0.5-1.2T特斯拉之间，两片之间至少夹有一片或多片定子金属盘1-3组成。

调频电机4提供一定转速的动能，由直流发电装置1转换为额定的直流电解电源供给水离子电解装置2。

6、实施效果

本发明所采用的技术方案制备的高热值燃气属于爆缩燃烧，在封闭的空间中爆缩燃烧相对爆发式燃烧十分安全，具有的安全稳定的性质优于其它燃气性质；新的分子团在一个温度点同时液化成液体燃料；燃烧温度在3500摄氏温度以上；可以承受200kg/cm³以上压力并长期储存不发生任何性质变化。

本发明所采用的技术方案所制备的高热值燃气和其它常规燃料比较如下：

表1-重整气体与不同燃料的热值以及二氧化碳排放量比较

下面能过几个实施例对本发明的有益效果进行验证。

实施例1

水的电离子：电离出的H₃O⁺+HO^-质子水合物和氢氧根离子的混合物质与烃烷结合重整。

电解液2-12选用KOH浓度为5％-30％，选用15％。重整液2-21选用包括C1-C5醇烷的混合物。

按本实施例1中方法制备的碳氢结构体分子气体成分进行检测和分析，其色谱分析结果如图16所示；色谱分析记录如图17所示。检测和分析结果显示，气体由多种碳氢结构组成，热值＞12000Kcal/m³。

实施例2

水的电离子：电离出的H₃O⁺+HO^-质子水合物和氢氧根离子的混合物质与烃烷结合重整。

电解液2-12选用KOH浓度为5％-30％，选用20％。重整液2-21为碳氢化合物，选用C3-C8烷烃混合物。

重整前后碳氢结构体分子气体成分如下表所示。从表中可以看出同样，多组份的碳氢结构体热值＞30000Kcal/m3。

表2-重整前后碳氢结构体分子气体成分分析表

实施例3

水的电离子：电离出的H₃O⁺+HO^-质子水合物和氢氧根离子的混合物质与烃烷结合重整。

电解液2-12选用KOH浓度为5％-30％，选用30％。重整液2-21为碳氢化合物，选用C5-C12醇烷混合物。多组份的碳氢结构体热值＞50000Kcal/m³。

实例表明，本发明的安全高热值燃气为清洁能源，和现有的任何常规燃料比较都有十分优秀的节能减排效果。从燃烧实绩可知，相对常规燃料而言，节能和经济性均能节省50％以上；有效控制NOX、SOX、CO2等有害气体的排放，燃烧排放均能减排60％以上。本发明不限于上述举例，可适用于燃烧领域所有应用。如，常规商用燃烧；高压燃料储罐；液化储运等等。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。