一种利用旋流场强化电解效率的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种利用旋流场强化电解水制氢制氧的方法和装置，其中方法包括以下步骤：增压的电解液进入能产生旋流作用的腔室，冲刷第一电极，产生第一气体；第一气体在旋转离心作用下，向所述能产生旋流作用的腔室的中心运动并从此处离开；从所述能产生旋流作用的腔室产生的液体在旋转离心作用下从所述能产生旋流作用的腔室的下部离开，冲刷第二电极，产生第二气体和二次处理液体；第一电极和第二电极中，一个作阴极，一个作阳极。本发明专利技术利用旋流场强化电极表面更新以及制氢制氧气泡分离，提高气泡驱除效率、电极有效活性面积和电流密度，同时提供一种氢气和氧气快速分离的方法，有利于电解水反应器的规模化放大。

【技术实现步骤摘要】
一种利用旋流场强化电解效率的方法和装置
本专利技术涉及一种利用旋流场强化电解效率的方法和装置，采用化工过程强化的手段解决电解水制氢新能源行业的技术难题。
技术介绍
氢能是国家战略性能源，对接国家重大需求，应用十分广泛。电解水产氢是能源科技创新的重要方向，存在绿色、简单、可再生等优点。在可再生能源规模化电解水制氢生产技术路线中，只有碱性电解水制氢实现工业规模化生产，而生产过程的技术难点在于大规模、低能耗、高稳定性，该问题被列入中国科协10大工程难题之一。分析技术难题的原因不难看出，首先，在电极表面产生的气泡，会占据电子传递的有效面积，降低电子通量，其次，气泡的存在延长了电解质离子的通路，导致更大的欧姆损失，降低电能转化为化学能的效率。大规模制备氢气过程中，电流和电势通常较大，气泡导致的能量损失可达30％，如何提高电流密度、降低电解过电势是规模化电解水制氢的工程瓶颈。CN201810130244.X提出了一种新型电解水制氢设备，氧气和氢气的生成腔上侧内壁设置有第二斜面，并与出气管道连通，这是采用重力沉降方法，等待生成的气泡缓慢上浮至指定位置，气泡剥离效率低下。CN201210551371.X提出了一种电解水制氢氧气装置，考虑了电解液的散热问题，设置了散热风道、液位控制、回水控制等，这些都是抑制生产装置波动的手段，无法解决效率难题。CN201811441037.2提出了一种基于液流氧化还原媒介分步电解水制氢的装置和方法，增加了活性介质电解液循环系统，还采用了质子交换膜，只允许氢离子穿过，可以隔离产生的氢气和氧气。但是质子交换膜寿命有限，成本高，并没有很好的解决气泡对电解的抑制问题。CN201110257885.X提出了电解水制氢的装置及其方法，采用了导电材料制成并具有粉末间隙结构，可以降低电解所需的电压。但是该方法是从电解电极材料角度出发，重力场下的气泡剥离问题依然没有解决。
技术实现思路
利用流体剪切作用提高界面更新速率是化工过程强化常用手段，当流体冲刷电极表面时，在不破坏电极材料的条件下，应尽量提高液体流速，以驱除电解出来的微细气泡，提高电极表面更新速率。同时，旋转流场强化微细气泡运动分离也得到了共识，针对电解产生氢气和氧气气泡的旋流分离，尚缺乏利用和开发。在电极表面构建旋流流场，既可以提高气泡驱除效率，提高电极有效活性面积，提高电流密度，降低电解过电势，也可以提供一种氢气和氧气快速分离的方法，有利于电解水反应器的规模化放大，同时，快速和稳速流动的电解液具备了更强的散热性能，有利于电解水规模化制备氢气和氧气。本专利技术解决上述技术问题的第一个技术方案如下：一种利用旋流场强化电解水制氢制氧的方法，包括以下步骤：(1)增压的电解液进入能产生旋流作用的腔室，冲刷第一电极，产生第一气体；(2)第一气体在旋转离心作用下，向所述能产生旋流作用的腔室的中心运动并从此处离开；(3)从所述能产生旋流作用的腔室产生的液体在旋转离心作用下从所述能产生旋流作用的腔室的下部离开，冲刷第二电极，产生第二气体和二次处理液体；第一气体和第二气体中，一个是氢气，一个是氧气。第一电极和第二电极中，一个作阴极，一个作阳极。如果为了得到高纯氢气，那么需要将阴极置于流体上游，阳极置于流体下游。如果为了得到高纯氧气，那么需要将阳极置于流体上游，阴极极置于流体下游。本专利技术进一步设置为，利用旋流场强化电解水制氢制氧的方法包括以下步骤：(1)所述能产生旋流作用的腔室为第一旋流腔室，增压的电解液经过第一旋流腔室进料口进入第一旋流腔室，冲刷第一电极，产生第一气体，切向进料液速为3～30m/s，离心加速度为10～2200倍重力加速度；第一旋流腔室进料口为切向进料口；(2)第一气体在旋转离心作用下，向第一旋流腔室的中心运动并从此处离开，第一气体夹带少量液体；第一旋流腔室的液体雷诺数为；(3)离开第一旋流腔室的液体在旋转离心作用下从第一旋流腔室的下部离开，冲刷第二电极，产生第二气体和二次处理液体，第二气体夹带少量液体。本专利技术进一步设置为，还包括以下步骤：第二气体在旋转离心作用下，向第二旋流腔室的中心运动，并从此处离开。本专利技术进一步设置为，夹带少量液体的第一气体和第二气体分别进入第一气体分液罐和第二气体分液罐，其中的第一气体和第二气体分别从第一气体分液罐和第二气体分液罐的顶部外输。本专利技术进一步设置为，反应过程中积聚的液相均返回第一旋流腔室进料口。需要说明的是，第一旋流腔室的液体压降为0.002～0.12MPa，对3微米以上的电解气泡分离效率为99.9～100％。本专利技术解决上述技术问题的第二个技术方案如下：一种利用旋流场强化电解水制氢制氧的装置，包括第一旋流腔室，所述第一旋流腔室的一侧设有第一旋流腔室进料口，在所述第一旋流腔室进料口的侧面固定有第一电极，所述第一旋流腔室的中心设有第一旋流腔室气体出口，所述第一旋流腔室气体出口外接第一旋流腔室排气管线；沿着旋流方向，在所述第一旋流腔室的另一侧设有第一旋流腔室出料口，所述第一旋流腔室出料口内侧设有第二电极，或者在所述第一旋流腔室出料口的外侧设有第二电极；所述第一电极和所述第二电极外接有电源。优选地，所述第一旋流腔室的轴向长度为3～300mm，实现液体流量、产气规模的线性放大。本专利技术进一步设置为，所述第一旋流腔室出料口内侧设有第二电极(即单旋流形式)，所述第一旋流腔室出料口连接着第二气体分液罐，所述第一旋流腔室排气管线连接着第一气体分液罐，所述第一气体分液罐的顶部设有第一气体出口，所述第二气体分液罐的顶部设有第二气体出口，所述第一气体分液罐的底部连通所述第二气体分液罐的下部或底部；所述第二气体分液罐的底部通过泵连通所述第一旋流腔室进料口。优选地，在单旋流形式下，所述第一旋流腔室的直径为11～55mm。本专利技术进一步设置为，所述第一旋流腔室出料口连通第二旋流腔室(即双旋流形式)，所述第二旋流腔室包括一侧的第二旋流腔室进料口，所述第二电极设置在所述第二旋流腔室进料口上，所述第二旋流腔室的中心设有第二旋流腔室气体出口，所述第二旋流腔室气体出口外接第二旋流腔室排气管线；沿着旋流方向，在所述第一旋流腔室的另一侧设有第二旋流腔室出料口。进一步地，所述第一旋流腔室出料口连接着第一气体分液罐，所述第二旋流腔室出料口连接着第二气体分液罐，所述第一气体分液罐的顶部设有第一气体出口，所述第二气体分液罐的顶部设有第二气体出口，所述第一气体分液罐的底部连通所述第二气体分液罐的下部或底部；所述第二气体分液罐的底部、所述第二旋流腔室出料口通过泵连通所述第一旋流腔室进料口。优选地，在双旋流形式下，所述第一旋流腔室的直径为5～10mm；第一旋流腔室的直径与第二旋流腔室的直径比为1.35～1.5。在本专利技术中，第一电极和第二电极各自布置在旋流腔室的进料口附近，可以是平行于旋流平面，也可以垂直于旋流平面。电极表面平行于液体进料方向。综上所述，本专利技术具有以下有益效果本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用旋流场强化电解水制氢制氧的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)增压的电解液进入能产生旋流作用的腔室，冲刷第一电极，产生第一气体；/n(2)第一气体在旋转离心作用下，向所述能产生旋流作用的腔室的中心运动并从此处离开；/n(3)从所述能产生旋流作用的腔室产生的液体在旋转离心作用下从所述能产生旋流作用的腔室的下部离开，冲刷第二电极，产生第二气体和二次处理液体；/n第一电极和第二电极中，一个作阴极，一个作阳极。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用旋流场强化电解水制氢制氧的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)增压的电解液进入能产生旋流作用的腔室，冲刷第一电极，产生第一气体；
(2)第一气体在旋转离心作用下，向所述能产生旋流作用的腔室的中心运动并从此处离开；
(3)从所述能产生旋流作用的腔室产生的液体在旋转离心作用下从所述能产生旋流作用的腔室的下部离开，冲刷第二电极，产生第二气体和二次处理液体；
第一电极和第二电极中，一个作阴极，一个作阳极。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)所述能产生旋流作用的腔室为第一旋流腔室，增压的电解液经过第一旋流腔室进料口进入第一旋流腔室，冲刷第一电极，产生第一气体，切向进料液速为3～30m/s，离心加速度为10～2200倍重力加速度；第一旋流腔室进料口为切向进料口；
(2)第一气体在旋转离心作用下，向第一旋流腔室的中心运动并从此处离开，第一气体夹带少量液体；第一旋流腔室的液体雷诺数为4000～30000；
(3)离开第一旋流腔室的液体在旋转离心作用下从第一旋流腔室的下部离开，冲刷第二电极，产生第二气体和二次处理液体，第二气体夹带少量液体。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：第二气体在旋转离心作用下，向第二旋流腔室的中心运动，并从此处离开。


4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，夹带少量液体的第一气体和第二气体分别进入第一气体分液罐和第二气体分液罐，其中的第一气体和第二气体分别从第一气体分液罐和第二气体分液罐的顶部外输。


5.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，反应过程中积聚的液相均返回第一旋流腔室进料口。


6.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，第一旋流腔室的液体压降为0.002～0.12MPa，对3微米以上的电解气泡分离效率为99.9～100％。


7.一种利用旋流场强化电解水制氢制氧的装置，其特征在于，包括第一旋流腔室，所述第一旋流腔室的一侧设有第一旋流腔室进料口，在所述第一旋...

【专利技术属性】
技术研发人员：许萧，陈正军，杨强，孟春晓，阮浩然，李浩然，刘博，龚淳铠，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31