一种风力电磁感应电解制氢装置的制作方法

本发明涉及一种制氢装置，特别涉及一种风力电磁感应电解制氢的装置。

背景技术：

风能是一种可再生的清洁能源，储量丰富，近年来我国风电发展迅速。但是，由于风能具有间歇性和波动性，风机的输出功率也会随风速而大幅波动，大量的风电接入电网对电网造成很大的影响。另外，由于风电供给和需求协调难度大，电能调度灵活性差，导致风电的年有效利用率比常规发电厂低。为推进风能的大规模应用，解决风能的巨大浪费问题，必须发展新型风能利用技术，将风能转换成电力以外的其他能量形式，以便于存储和利用。

风能制氢是风力发电的一种应用方式，可以在风电无法输入电网或输入电网有盈余时合理消纳风电，提高了风能的利用率。近年来基于我国风电的大幅发展和实际利用率低的现实，风能制氢开始得到发展。

目前风能制氢的方法，一般都是把风力发电机发出的交流电通过整流装置，把交流电整流成直流后，接入电解液槽进行电解制氢，如专利201010538149.7、201510486504.3和201510481776.4。专利201510481776.4的设备拓扑结构如图1所示：

如图1所示，该方法通过风力发电机转换成电能，转换效率低于35％，再通过整流装置转成直流，转换效率约95％。这种风能制氢方法的综合效率低，并且需要风力发电机、整流装置等庞大和造价高的部件。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有风能制氢技术存在的不足，提出一种新的风力电磁感应电解制氢装置。

本发明利用风机的动力直接拖动旋转永磁盘，在电解液槽的电解液中感生出一个感生电压，该感生电压在电解液槽的内外电极上形成直流电压差，利用该电压差即可在电解液中发生电解反应，在正电极上释放出氧气、在负电极上释放出氢气。本发明利用风能直接拖动永磁旋转盘电解电解液制成氢气和氧气，省去了中间能量转换环节，不仅省掉了庞大的发电机和整流装置，还提高了能量的利用率。

本发明风力电磁感应电解制氢装置，主要由风力驱动装置、旋转永磁盘、电解液槽盘、气体收集装置组成。其中，风力驱动装置安装有叶片和和风力传动轴，驱动旋转永磁盘转动；电解液槽盘固定安装在旋转永磁盘上方，并与旋转永磁盘同轴，两者之间留有一定间隙；旋转永磁盘产生旋转磁场,在静止不动的电解液槽盘中产生感应电压；电解液槽盘内外两极通过导线连接形成回路，在两极上发生电解反应，分别产生氢气和氧气；电解反应产生的氢气和氧气分别由气体收集装置收集并存储。

所述的旋转永磁盘由永磁体同极排布成环形，旋转永磁盘水平放置，能够在风力传动轴的拖动下定向旋转。所述的电解液槽盘有多个扇形槽组成，每个扇形槽的金属内壁相连接，作为一个电极，每个扇形槽的金属外壁相连接，作为另一个电极，电极的正负由旋转永磁盘的旋转方向决定。扇形槽除内外电极外的部分由非金属材料制作，扇形槽的内半径与旋转永磁盘永磁体的内半径相等或略大，电解液槽盘上的扇形槽的外半径与旋转永磁盘永磁体的外半径相等或略小。

本发明也可以采用旋转永磁盘与铁轭相组合的设计方案，把与旋转永磁盘同轴并固定在一起的圆盘形铁轭安装于电解液槽的另一侧，提高磁场强度和均匀度，进一步提高电解效率。

本发明还可以采用永磁盘与双铁轭相组合的设计方案，把两个圆盘形铁轭与旋转永磁盘同轴并固定在一起，圆盘形铁轭对称安装于旋转永磁盘的两侧，在旋转永磁盘与铁轭之间布置双电解盘。所述的铁轭也可以用同极性的旋转永磁盘代替，进一步提高磁场强度。

本发明的工作原理和工作过程如下：

旋转永磁盘通过传动轴在风力的拖动下定向旋转，根据法拉第电磁感应定律，旋转的永磁盘产生旋转磁场并在静止不动的电解液槽中产生感应电压，使扇形槽内的离子定向移动，发生电离反应，从而产生氢气和氧气，具体如下：

永磁体的n极垂直向下，旋转永磁盘沿顺时针旋转，则在扇形电解液槽的电解液内产生以旋转轴为由外指向内的感应电场，电解液槽内任意点的感应电场强度e如下式所示：

e＝bωr(1)

式中，b为电解液槽内磁感应强度，ω为磁场旋转的角速度，r为该点到旋转轴的半径。

若旋转磁盘的旋转频率为f，则ω＝2πf

e＝2πfbr(2)

这时电解液槽内壁的正电极电势高，电解液槽外壁负电极电势低。设正电极所在位置半径为r1、负电极所在位置半径为r2，两电极间的电势差为：

若电解液中磁感应强度相同，则：

式中，s为扇形电解液槽的面积,θ为扇形电解液槽的角度。

由式(4)可知，扇形电解液槽两极间的电势差和旋转频率r、磁感应强度b、电解液槽底面积s均成正比。

由式(4)又可得：

水电解门槛电压为u0＝1.23v，考虑电解液的分压，最低电压约在2v左右。

碱性电解液中，在阳极上，电解液中的水分子接受外界电子而生成氢氧根离子，并析出氢气，阳极的放电反应为：

4e+4h2o＝2h2↑+4oh^-(6)

在阴极上，电解液中的oh^-释放电子后而生成水和氧气，其放电反应为：

4oh^-＝2h2o+o2↑+4e(7)

阳极和阴极合起来的总反应式为：

2h2o＝2h2↑+o2↑(8)

本发明通过风力直接拖动旋转磁盘转动，在电极槽的阳极上获得氢气，在阴极上获得氧气，通过气体收集装置分别收集与存储两种气体。

本发明除用于电解水制氢外，也可以用于其他电解电镀，例如电解电镀铜和铝等。以电解镀铜为例，本发明的阳极采用铜材，阴极换为镀铜件，可以实现工件的镀铜处理。

附图说明

图1专利201510481776.4的设备拓扑结构；

图2风力电磁感应电解制氢原理图，图中，13叶片，14永磁电解装置；

图3旋转永磁盘，图中，1永磁体，2旋转盘，3风力传动轴；

图4电解液槽盘，其中图4a为3电解液槽盘三维视图，图4b为电解液槽盘剖视图，图中，4扇形槽，5负电极，6正电极，7电解液；

图5风力电磁感应电解制氢装置结构图，其中图5a风力电磁感应电解制氢装置三维视图，图5b风力电磁感应电解制氢装置剖视图，图中，8旋转永磁盘，9电解液槽盘，10底座，11氢气收集装置，12氧气收集装置；

图6铁轭匀场实施例，图中，15铁轭；

图7铁轭匀场双电解盘实施例。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图2所示，本发明利用风能直接拖动旋转永磁盘8，并在其上电解液槽盘9的电解液7中感生出感生电压，该感生电压在扇形槽4的正电极6和负电极5上形成直流电压差，利用该电压差进行水分子的电解，在正电极6上释放出氢气、在负电极5上释放出氧气。

本发明主要由风力驱动装置、旋转永磁盘8、电解液槽盘9、氢气收集装置11、氧气收集装置12等组成。其中，风力驱动装置装有叶片13和风力传动轴3，驱动旋转永磁盘8，使其转动；电解液槽盘9安装在旋转永磁盘上方保持静止不动，并与旋转永磁盘8同轴，两者之间留有3-5mm的间隙。旋转永磁盘8产生旋转磁场，在静止不动的电解液槽中产生感应电压；电解液槽盘9内外两极：负电极5和正电极6，通过导线连接形成回路，在两极：负电极5和正电极6上发生电解反应，分别产生氧气和氢气；电解反应产生的氢气和氧气分别由氢气收集装置11和氧气收集装置12收集并存储，如图5a和图5b所示。

如图3所示，所述的旋转永磁盘8由永磁体1同极排布成环形，旋转永磁盘8水平放置，能够在风力传动轴3的拖动下定向旋转。所述的电解液槽盘9由多个扇形槽4组成，每个扇形槽4的金属内壁连接在一起作为正电极6，每个扇形槽4的金属外壁连接在一起作为负电极5。扇形槽4除正电极6和负电极5外的部分由非金属材料制作。电解液槽盘9上的扇形槽4的内半径与旋转永磁盘永磁体1的内半径相等或略大，电解液槽盘9上的扇形槽4的外半径与旋转永磁盘永磁体1的外半径相等或略小。

旋转永磁盘8通过传动轴3在风力的拖动下定向旋转。根据法拉第电磁感应定律，永磁体1极性与旋转永磁盘8的旋转方向组合，使扇形槽4内的电流流向正电极6，具体如下：

永磁体1的n极垂直向下，旋转永磁盘8沿顺时针旋转，则在扇形槽4的电解液7内产生以旋转轴为中心由外指向内的感应电场e，感应电场e满足所述的式(2)。正电极6电势高，负电极5电势低，正电极6位置的半径记为r1，负电极5位置半径记为r2，正电极6、负电极5间的电压与旋转永磁盘8的旋转频率满足所述的式(4)。

如果正电极6位置的半径r1、旋转永磁盘8的旋转频率f已知，则可以根据式(5)获得负电极5位置半径r2。

这样，风力通过叶片13和风力传动轴3拖动旋转永磁盘8旋转，在电解液槽盘9的正电极6、负电极5间通过电磁感应产生直流电压，只要这个电压高于1.23v，根据所述的式6-式8，就会在正电极6上放出氧气、负电极5上放出氢气。通过氢气收集装置11、氧气收集装置12，分别收集和储存氢气和氧气。

本发明也可以采用如图6所示的旋转永磁盘8与铁轭15相组合的实施方式，在电解液槽盘9的上方安装铁轭15，铁轭15与旋转永磁盘8同轴并固定连接，提高电解液7中的磁场强度和均匀度，进一步提高电解效率。

本发明还可以采用图7所示的旋转永磁盘8与双铁轭15相组合，把两个圆盘形铁轭15与旋转永磁盘8同轴并固定在一起，圆盘形铁轭15对称安装于旋转永磁盘8的两侧，在旋转永磁盘8与铁轭15之间布置两个电解液槽盘9。所述的铁轭也可以用同极性的旋转永磁盘8替代。

本发明的实施例1，旋转永磁盘8在电解液7中的磁场b为1t，旋转永磁盘8的旋转频率f为1转/s，正电极位置半径r1为0.05m，为满足电解电压u在1.5-5v之间，则r2＝0.69m到1.26m之间。

提高旋转永磁盘8的旋转频率f，则可以减小扇形槽4的尺寸。本发明的实施例2，旋转永磁盘8在电解液7中的磁场b为1t，r1为0.05m、r2＝0.5m，电解电压u在1.5-5v之间，旋转永磁盘8的旋转频率f根据式(9)计算得到，f＝1.93—6.43转/s：