CN1685083A - 电解工艺及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于产生氢气和氧气的电解设备，该设备包括至少两个或多个管状电极，以及一个隔离体，其中至少一个管状电极为位于至少一个外部电极内的内部电极，该隔离体介于内部和外部电极之间，并与内部和外部电极基本同延。在使用中，该一个或多个电极可以是阳极。在使用中，该一个或多个电极可以是阴极。

Description

电解工艺及设备

技术领域

本发明涉及流体的电解。具体地，本发明涉及一种电解工艺及进行该工艺所用的设备。

背景技术

出于对环境、污染及有限的矿物能源的损耗问题的考虑，可再生的清洁能源受到全球的关注。

由于这些资源(太阳、风等)的间歇性，人们需要寻找一些存储能量的方法。

在初级能源的利用过程中，通过电解产生的氢气已被确认为一种存储能量的可行方法。它也可以作为一种能量载体，其中在能源地(核、矿物或可再生能源)产生氢，并通过电解转化为氢，随后氢被输送至需要能量的地方。氢还可用作使用高效燃料电池的汽车的燃料候选物。

涉及电解的基础科学是众所周知的。商业设备已运行了几十年，但由于将来对于氢的突出的大量需求，现有技术存在下述问题，正如Johansen等人的联合国报告-可再生能源-联合国计划中第929页所描述的：

●改变电解槽的结构和几何形状，以将电解槽电阻减少到原来的三分之一到十分之一，从而减少欧姆电压的损失；

●开发新的、便宜的电催化材料，该材料能将阳极和阴极的过电压的总和减少至约0.3伏或更小；

●开发新的横膈膜材料，该横膈膜材料优于传统的石棉布。

申请人认为需要一种改进的电解槽，和一种通过电解产生气体的方法，该方法具有高电流密度和效率、便宜且简单的结构，并且产生不需要进一步提纯的高纯气体。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于产生氢和氧的电解设备，该设备至少包括：两个或多个管状电极，至少其中之一是一个内部电极，该内部电极位于至少一个外部电极内；以及一个介于内部和外部电极之间、并与内部和外部电极基本同延的隔离体。

在使用中，一个或多个电极可能是阳极。

在使用中，一个或多个电极可能是阴极。

该隔离物可以位于阳极和阴极之间，使得隔离物和阳极之间、隔离物和阴极之间基本没有间隙。

通过使用，例如一种环氧密封剂，该隔离物的一部分可被结合在与阳极和/或阴极相连的一种支撑结构上。

该电极可用一种有孔的导电材料制成。

该电极可以是电镀的。

该有孔的导电材料可以是一种烧结体，该烧结体具有在其内部和外部之间延伸的流动通道。

该有孔的导电材料可以是一种单层网格。

该有孔的导电材料可以由两层或多层网格制成。

该有孔的导电材料可以是一种三维网格。

该有孔的导电材料可包括一种导电聚合体。该聚合体可被一种导电材料，诸如一种金属包裹。

该有孔的导电材料可包括银、镍、不锈钢或铜。

该阳极和阴极可以是基本同中心的。

多个各种直径的阳极和阴极可以是嵌套的，从而为电解设备体积比提供高的电解表面积。

该阴极和/或阳极可以由一种或多种第一材料，诸如基质制成，并镀有一种第二材料或可导电物质的组合物。

该阳极可以由一种导电金属，诸如不锈钢网格制成。

该阳极可包括两层或多层不锈钢网格。

该阳极可镀有镍。

该阴极可以由一种导电金属，诸如不锈钢网格制成。

该阴极可包括两层或多层不锈钢网格。

该阴极可镀有镍。

在将不锈钢层放置在一起之前或之后，该网格可镀上镍。

一个或多个管状阳极和阴极可以一末端闭合，这样就使得在使用中，在闭合的管状阳极或阴极内形成超压力。

可提供一个或多个与阳极和/或阴极相连的导体。

在一个实施例中，一个管状网格导体处于阳极的外侧，另一个处于阴极的内侧。

在另一个实施例中，导体的形式是附在阳极和/或阴极的一个部分或多个部分上的一个或多个导电片。

该隔离体可包括一层或多层纤维材料。

该隔离体可包括一层或多层可湿性材料。

该隔离体可包括一层或多层可湿性纤维材料。

该隔离体可包括一层或多层含纤维素的组合物。

该含纤维的组合物可以是纸。

该纸可以是滤纸。

该滤纸可以是耐化学品滤纸。

该滤纸可以是中至快速滤纸。

在一个实施例中，该设备可包括：一个管状有孔不锈钢网格阳电极；以及一个管状有孔镀镍不锈钢阴电极，其中该阴极和阳极基本是同中心的，且该阴电极位于阳极内；以及一个介于阳极和阴极之间的隔离体装置，该隔离体装置包括一层或多层纤维材料。

在使用中，该设备可包括一种碱性电解液。

在使用中，该设备可包括一种酸性电解液。

该设备可包括提供和传导电流至电极的装置。

该设备可包括排出气体的装置。

该设备可包括从生成气体中去除水蒸汽的装置。

多个阳极和阴极装置可平行使用。

多个阳极和阴极装置可成套使用。

该阳极和阴极装置以及导体可设置为如下方式：多个这样的装置排列在阳极的管状导体周围，所有的装置都处于共同的电解液中。每个阴极可与其导体相连。

本发明包括一种电解设备的隔离体，该隔离体介于该设备的阳极和阴极之间，所述隔离体包括一层或多层纤维材料。

该纤维性材料可以是可湿性的。

该可湿性的材料可以是含纤维素的组合物。

该含纤维素的组合物可以是纸。

该纸可以是滤纸。

该滤纸可以是耐化学品的滤纸。

该滤纸可以是中至快速滤纸。

本发明包括一种在上述设备中进行的电解工艺。

该工艺可包括：在阳极和阴极间建立位差；以及将阳极和阴极与电解液接触，通过电解，从电解液中释放出气体。

该工艺可包括：将该设备与电解液接触，该电解液含有10％-50％(质量)的电解盐，优选的为20％-35％(质量)。

该电解液可以是氢氧化钾、氢氧化钠或其它的碱性溶液。

该电解液可以是酸性的。

该工艺可以在40-100℃下进行，优选的为60-90℃。

该电极可浸没于电解液中。

该电解液可通过设备的隔离体抽吸。

该电解液可通过隔离体滴入，从而当使循环的流体体积最小化时，维持隔离体充满电解液。

具体实施方式

结合附图和附表，通过非局限性的实施例，对本发明进行描述。

实施例

图1(a)是电极对10的横截面图。

电极对10的电极12、14由不锈钢网格制成。

该镀镍的铜管22用作支撑物和阴极的电导体。它也用于收集氢气。

该管的顶部覆盖有绝缘材料13，从而防止与电解液接触。

圆柱形的塑料塞子18作为支撑物和内部阴极的封口。

该阴极、阳极和隔离体在底端和顶端密封16，从而防止气体的混合。

通过用镀镍铜条将外部阳极与浸入电解液的镀镍铜导体连接，实现到外部阳极的电路连接。

该内部电极12，即氢气阴极，由两层细网格不锈钢组成。铜管22形成电接触。该总长度为130mm，其中100mm浸于电解液中。该内部电极12是在网格上镀有厚度约为200μm的镍。两层中速滤纸20将这个网格包裹，并且末端用环氧物16密封。

外部电极14，即氧气阳极，由两层细网格不锈钢组成。该阳极14不镀镍。电极14的底部用塑料塞子18密封。该阳极连有一种电接触(未示出)。

该电极对浸于电解液中。该电解液通过多孔渗水的隔离体经液体扩散进入内部管道。所产生的气体被阻止通过该隔离体。

塑料管道22提供支撑。

除雾器40的结构如图1(b)所示。

该除雾器40由直径为22mm，长为30cm的镀镍铜管组成。该管的下半区42包括环绕塑料棒46的导流网格不锈钢44的卷层，该塑料棒46的直径为10mm。该卷状物紧贴地装配在管道内，并吸收(trap)所有的氢氧化钾飞沫，浓缩大部分的水蒸汽。上半部48填满黄铜卷边，用于吸收剩余的水蒸汽，并将气体冷却至室温。通过正常的对流和辐射冷却，将热量释放至空气中。

通过使用下述设备对上述电极进行测试。

所使用的一种反应器包括一个直径为10cm、高为40cm的透明塑料容器。

将一种氢氧化钾溶液(25％m/m)置于该容器中。通过提供外部热量，使在每个实验中的该电解液都保持恒定的温度。该电极对(如上所述)浸于电解液中。

将所产生的气体通过反应器顶部上的除雾器40。这些除雾器40在高温下吸收氢氧化钾的飞沫和水蒸汽，并在室温下释放冷却的干燥气体。

完成了一系列试验，图2所示为所测数据和流体密度(J-V)的曲线。

79℃的电解液产生的气体的纯度高于99.9％，不需要进一步地提纯。

Claims (61)

1.一种用于产生氢气和氧气的电解设备，该设备至少包括：

两个或多个管状电极，至少其中一个是内部电极，该内部电极处于至少一个外部电极内；以及

一个隔离体，该隔离体介于内部和外部电极之间，并与内部和外部电极基本同延。

2.根据权利要求1所述的电解设备，其中，在使用中，该一个或多个电极为阳极。

3.根据权利要求1所述的电解设备，其中，在使用中，该一个或多个电极为阴极。

4.根据上述权利要求中的任一项所述的电解设备，其中该隔离体位于阳极和阴极之间，从而使得隔离体与阳极之间、隔离体与阴极之间基本没有间隙。

5.根据上述权利要求中的任一项所述的电解设备，其中该隔离体的一部分与支撑结构相连，该支撑结构与阳极和/或阴极相连。

6.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，其中该电极用有孔的导电材料制成。

7.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，其中该电极镀有一种导电材料。

8.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，其中该有孔的导电材料为烧结体，该烧结体具有在其内部和外部延伸的流动通道。

9.根据权利要求6或7所述的设备，其中该有孔的导电材料是一种单层网格。

10.根据权利要求6或7所述的设备，其中该有孔的导电材料包括两层或多层网格。

11.根据权利要求6或7所述的设备，其中该有孔的导电材料为一种三维的网格。

12.根据权利要求6-11中的任一项所述的设备，其中该有孔的导电材料包括一种导电的聚合物。

13.根据权利要求12所述的设备，其中该导电的聚合物覆有一种导电材料。

14.根据权利要求6-13中的任一项所述的设备，其中该有孔的导电材料包括银、镍、不锈钢和铜中的一种或多种。

15.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，其中该阳极和阴极是基本同中心的。

16.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，其中具有各种直径的多个阳极和阴极是嵌套的，从而为电解设备体积比提供高的电解表面积。

17.根据权利要求2和4-16中的任一项所述的设备，其中该阳极包括一层或多层不锈钢网格。

18根据权利要求2和4-17中的任一项所述的设备，其中该阳极是镀镍的。

19.根据权利要求3和4-16中的任一项所述的设备，其中该阴极由一层或多层不锈钢网格制成。

20.根据权利要求2、4-16和19中的任一项所述的设备，其中该阴极是镀镍的。

21.根据权利要求18或20所述的设备，其中该网格在将不锈钢层至于一起的之前或之后镀镍。

22.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，其中一个或多个管状阳极和阴极在一末端关闭，使得在使用中，在闭合的管状电极内形成超压力。

23.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，其中一个或多个导体与电极相连。

24.根据权利要求23所述的设备，其中一个管状网格导体处于外部电极的外部，另一个处于内部电极的内部。

25.根据权利要求23所述的设备，其中导体的形式为一个或多个导电条，该导电条连接于电极的一部分或多部分上。

26.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，其中该隔离体包括一层或多层纤维材料。

27.根据权利要求26所述的设备，其中该隔离体包括一层或多层可湿性的材料。

28.根据权利要求27所述的设备，其中该隔离体包括一层或多层可湿性的纤维材料。

29.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其中该隔离体包括一层或多层含纤维的组合物。

30.根据权利要求29所述的设备，其中该含纤维的组合物是纸。

31.根据权利要求30所述的设备，其中该纸是滤纸。

32.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，包括：

一个管状不锈钢网格阳电极；以及

一个管状镀镍不锈钢网格阴电极，其中该阴极和阳极是基本同中心的，且该阴极位于阳极内。

33.根据权利要求32所述的设备，包括一个介于阳极和阴极之间的隔离体装置，该装置包括一层或多层纤维材料。

34.根据权利要求33所述的设备，其中该纤维材料是可湿性的纤维材料。

35.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，该设备在使用中包括一种碱性电解液。

36.根据权利要求1-34中的任一项所述的设备，该设备在使用中包括一种酸性电解液。

37.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，包括向电极提供和传导电流的装置。

38.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，包括排出气体的装置。

39.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，包括去除所产生气体中的水蒸汽的装置。

40.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，其中多个电极装置可平行使用。

41.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，其中多个电极装置可成套使用。

42.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，其中多个电极装置排列在管状导体周围的同一电解液中，该管状导体与作为阳极的每个电极相连。

43.根据权利要求42所述的设备，其中每个阴极与其导体相连。

44.一种用于电解设备的隔离体，该隔离体介于设备的阳极和阴极之间，所述隔离体包括一层或多层纤维材料。

45.根据权利要求44所述的隔离体，其中该纤维材料是可湿性的。

46.根据权利要求44或45所述的隔离体，其中该可湿性的材料是含纤维的组合物。

47.根据权利要求44-46中的任一项所述的隔离体，其中该含纤维的组合物是纸。

48.根据权利要求47所述的隔离体，其中该纸是滤纸。

49.根据权利要求48所述的隔离体，其中该滤纸是耐化学品的滤纸。

50.根据权利要求48或49所述的隔离体，其中该滤纸是中到快速滤纸。

51.一种在权利要求4-43中的任一项所述设备中进行的电解工艺。

52.根据权利要求51所述的工艺，包括：

在阳极和阴极间建立位差；以及

将阳极和阴极与电解液接触，通过电解，由电解液中释放出气体。

53.根据权利要求52或51所述的工艺，包括将该设备与电解液接触，该电解液含有10％-50％(质量)的电解盐。

54.根据权利要求52或51所述的工艺，包括将该设备与电解液接触，该电解液含有20％-35％(质量)的电解盐。

55.根据权利要求52-54中的任一项所述的工艺，其中该电解液是氢氧化钾、氢氧化钠或其它的碱性溶液。

56.根据权利要求52-54中的任一项所述的工艺，其中该电解液是酸性的。

57.根据权利要求51-56中的任一项所述的工艺，该工艺在40℃-100℃的温度下进行。

58.根据权利要求51-56中的任一项所述的工艺，该工艺在60℃-90℃的温度下进行。

59.根据权利要求52-58中的任一项所述的工艺，其中该电极浸没于电解液中。

60.根据权利要求52-58中的任一项所述的工艺，其中该电解液通过设备的隔离体抽吸。

61.根据权利要求52-58中的任一项所述的工艺，其中该电解液通过隔离体滴入，从而当循环的流体体积最小化时，维持隔离体充满电解液。