本發(fā)明涉及一種電解裝置及系統(tǒng)，屬于新能源領(lǐng)域，具體涉及一種用于水電解的直流發(fā)電裝置及電解系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

當(dāng)今世界尚處在以石油、天然氣和煤炭為主導(dǎo)能源的化石能源經(jīng)濟時代。這個化石能源經(jīng)濟時代必將結(jié)束，一場空前的新能源革命已經(jīng)開始。取代化石能源經(jīng)濟的新能源經(jīng)濟，或者說后石油時代的新能源經(jīng)濟，將是“氫經(jīng)濟”、“低碳經(jīng)濟”及其核能、太陽能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)岬榷嘣茉船F(xiàn)代化利用相輔相成的新能源經(jīng)濟。

氫單質(zhì)形態(tài)通常是由雙原子分子組成的氫氣，氫氣是最輕的氣體，在零度和一個大氣壓下，每升氫氣只有0.09克重。相當(dāng)于同體積空氣重量的1/14.5；氫氣極易燃燒，是所有物質(zhì)中閃點最低的(閃點＜-253℃，可以認為無閃點)；氫氣點火能量最低，只有0.021mJ(毫焦)＝0.005mcal(毫卡路里)，是汽油點火能量0.30mJ的1/14；氫氣在空氣中可燃范圍最大，體積含量為4％～75％(汽油為1.3％～7.6％)；氫氣在空氣中燃燒速度最快，為250cm/s(汽油為45cm/s)；氫氣的沸點-252.9℃，熔點-259.1℃，接近熱力學(xué)溫度-273℃。氫氣與氧氣化合成水蒸氣的質(zhì)量熱值(低熱值)是所有可燃物質(zhì)中最高的，達到120MJ/kg，是汽油低燃值43.5MJ/kg的2.76倍。氫氣和氧氣具有許多特殊的性質(zhì)，作為能源燃料是最理想的清潔能源。

但又存在很多的難解的問題，特別是在儲存運輸和安全方面，還存在著許多技術(shù)障礙。

首先，電解水制氫的成本比較高。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下制取1kg氫和0.5kg氧的理論電量為2390(Ah)，理論電能消耗W＝I*E＝2390/1000*1.23＝2.95KWh(1.23V為水分解電壓)，電解槽實際耗電量和實際分解電壓都要比理論值大。實際操作電壓，根據(jù)電解槽的結(jié)構(gòu)及操作狀況，一般為理論分解電壓的1.5-2倍?，F(xiàn)在電解水制氫設(shè)備生產(chǎn)1標(biāo)立方米氫和0.5標(biāo)立方米氧的實際電能消耗為5KWh，大于理論值。可見利用電解水制氫的成本比較高，從經(jīng)濟角度考慮與其他燃料相比沒有成本優(yōu)勢。

其次，氫氣的安全性比較差。由于氫氣是一種極易揮發(fā)、燃燒、爆炸的物質(zhì)，不安全因素也是限制其應(yīng)用的主要問題，實驗表明:(1)在空氣中氫氣的燃燒極限很寬，按體積比氫氣含量達到4％～70％就可燃燒，與汽油的燃燒極限1.3％～7.6％相比要寬的多；(2)點燃氫氣最小能量只需要0.005mcal，而且氫氣燃燒時的火焰沒有顏色不易發(fā)現(xiàn)；(3)高壓氫氣和低溫液態(tài)氫很容易泄露，對儲存要求較高。

由此可見，氫能在低成本生產(chǎn)、安全儲存運輸?shù)燃夹g(shù)方面目前還存在諸多問題，但氫能具有突出的優(yōu)點：一是清潔環(huán)保；二是生產(chǎn)原料廣泛，可以擺脫對于石化能源的依賴，所以，如何安全高效的制備、儲運和應(yīng)用氫能已成為當(dāng)今世界急待攻關(guān)的難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對傳統(tǒng)水電解氫氧混合氣體發(fā)生器存在的成本高，安全性低的問題，其目的在于提供了一種氣液交換均勻，氣體排出容易，能耗降低，安全可靠的用于水電解的直流發(fā)電裝置及電解系統(tǒng)。本發(fā)明的直流發(fā)電裝置能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的直流電，提高電解效率；采用本發(fā)明電解裝置制備的高熱值燃氣安全性好，易于存儲，熱值高，不污染環(huán)境。

為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于水電解的直流發(fā)電裝置，包括：殼體，所述殼體上設(shè)置與電機相連的轉(zhuǎn)軸；所述轉(zhuǎn)軸上設(shè)置有若干個轉(zhuǎn)子磁鐵；相鄰兩個轉(zhuǎn)子磁鐵之間設(shè)置若干片定子金屬盤；定子金屬盤通過絕緣支架固定于殼體內(nèi)；所述定子金屬盤的中心軸和頂端分別連接電源正負極輸出端。

優(yōu)化的，上述的一種用于水電解的直流發(fā)電裝置，所述轉(zhuǎn)子磁鐵為高磁通量磁鐵，磁通量為0.5-1.2T之間。

優(yōu)化的，上述的一種用于水電解的直流發(fā)電裝置，所述轉(zhuǎn)子磁鐵圓盤為導(dǎo)電金屬圓盤，至少一片組成。

為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種利用上述直流發(fā)電裝置作為電解電源的水電解系統(tǒng)。

優(yōu)化的，上述的水電解系統(tǒng)，還包括：水離子電解裝置，所述水離子電解裝置包括電解裝置殼體，該電解裝置殼體的至少一側(cè)設(shè)置所述直流發(fā)電裝置；直流發(fā)電裝置與電解裝置殼體內(nèi)的正負電極板相連；所述正負電極板之間設(shè)置有旋轉(zhuǎn)電極板，所述旋轉(zhuǎn)電極板上設(shè)置有激振裝置。

優(yōu)化的，上述的水電解系統(tǒng)，所述激振裝置的固有頻率遵循公式：

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

式中：f為激振裝置固有頻率；h為激振裝置厚度mm；L為激振裝置長度mm；E為激振裝置彈性模量；P為激振裝置密度。

優(yōu)化的，上述的水電解系統(tǒng)，若干個旋轉(zhuǎn)電極板組成電極組，并且相鄰旋轉(zhuǎn)電極板間隔1-10mm。

優(yōu)化的，上述的水電解系統(tǒng)，所述直流發(fā)電裝置為兩個，分別位于電解裝置殼體兩側(cè)。

優(yōu)化的，上述的水電解系統(tǒng)，所述電解裝置殼體內(nèi)壁相對兩側(cè)分別設(shè)置有兩個絕緣盤，所述正負電極板分別設(shè)置于所述兩個絕緣盤上。

優(yōu)化的，上述的水電解系統(tǒng)，所述電解裝置殼體的頂部通過散熱管連接氣液分離控制罐，所述氣液分離控制罐的液體回收出口通過系統(tǒng)管道與電解裝置殼體的內(nèi)部相連；所述氣液分離控制罐的氣體出口與燃氣處理裝置相連。

因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

(1)電解效率高：能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的大電流直流電，提高電解效率。

(2)安全性好：通過激振原理將單分子氫氧氣體和水分子經(jīng)氫鍵重新組合成新的分子團，燃燒溫度在3500攝氏溫度以上，并且屬于爆縮燃燒，在封閉的空間中相對爆發(fā)式燃燒安全穩(wěn)定；

(3)易于存儲：新的分子的在-90℃～-190℃之間的一個溫度點同時液化成液體燃料；可以承受200kg/cm³以上壓力并長期儲存不發(fā)生任何性質(zhì)變化；

(4)更加環(huán)保：不含硫S和氮N成分，熱值可達11000～51000大卡(Kcal/m³)，相對常規(guī)燃料而言，節(jié)能和經(jīng)濟性均能節(jié)省50％以上，具有清潔環(huán)保、熱值高、多用途的特點。

附圖說明

圖1為高熱值燃氣合成原理圖；

圖2為高熱值燃氣制備控制系統(tǒng)；

圖3為帶有燃氣壓縮裝置的高熱值燃氣制備系統(tǒng)示意圖；

圖4為水離子電解裝置與壓縮燃氣裝置連接示意圖；

圖5為帶有燃氣重整裝置的高熱值燃氣制備系統(tǒng)示意圖；

圖6為水離子電解裝置與燃氣重整裝置和燃燒裝置的連接示意圖；

圖7為采用兩個直流發(fā)電裝置和水離子電解裝置單邊組合的示意圖；

圖8為采用單個直流發(fā)電裝置和水離子電解裝置單邊組合的示意圖；

圖9為水離子電解裝置示意圖；

圖10為水離子電解裝置局部示意圖；

圖11-1為水離子電解裝置的旋轉(zhuǎn)電極板主視示意圖；

圖11-2為水離子電解裝置的旋轉(zhuǎn)電極板側(cè)視示意圖；

圖11-3為水離子電解裝置的旋轉(zhuǎn)電極板的激振裝置連接示意圖；

圖12-1為水離子電解裝置的正負電極板主視示意圖；

圖12-2為水離子電解裝置的正負電極板側(cè)視示意圖；

圖13為直流發(fā)電裝置示意圖；

圖14-1為直流發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)子磁鐵主視示意圖；

圖14-2為直流發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)子磁鐵側(cè)視示意圖；

圖15-1為直流發(fā)電裝置的定子金屬盤主視示意圖；

圖15-2為直流發(fā)電裝置的定子金屬盤側(cè)視示意圖；

圖16為實施例1的色譜分析結(jié)果示意圖；

圖17為實施例1的色譜分析記錄。

圖中：

直流發(fā)電裝置1、殼體1-1、轉(zhuǎn)子磁鐵1-2、定子金屬盤1-3、固定件1-4、絕緣支架1-5；水離子電解裝置2、動軸2-1、絕緣盤2-2、電解裝置殼體2-3、旋轉(zhuǎn)電極板2-4、激振裝置2-4-1、固定螺栓2-4-2、散熱管2-5、氣液分離控制罐2-6、低壓限壓表2-7、高壓限壓表2-8、安全閥2-9、物料添加口2-10、氣體出口2-11、電解液2-12、系統(tǒng)管道2-13、風(fēng)冷葉片扇2-14、系統(tǒng)循環(huán)泵2-15、絕緣電板2-16、正負電極板2-17、燃氣壓縮裝置3、壓力儀表系統(tǒng)3-1、儲存罐3-2；電機4；燃氣重整裝置5、燃氣重整裝置罐體5-1、重整液5-2、氣液交換層5-3；燃燒裝置6。

具體實施方式

下面通過實施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步具體的說明。

一、制備方法

如圖1所示，為本發(fā)明的制備方法原理圖。現(xiàn)有的水電解氫氧混合氣體發(fā)生器所產(chǎn)生的氫氧氣體均為單質(zhì)氣體的混合氣體，氫氧單質(zhì)氣體混合存在一定的安全隱患。

本發(fā)明的方法在電解水離子化到產(chǎn)生氫氧氣體的過程中，將水、氫氣、氧氣三者的單分子通過分子鍵合形成一個新的分子團，將活性較高的氫分子束縛在分子團中。因此，新的分子團中氫氧分子比例十分穩(wěn)定，燃燒時還原成水，屬于爆縮燃燒，在封閉的空間中，爆縮燃燒相對爆發(fā)式燃燒是十分安全的。

新的分子團的燃燒溫度在3500攝氏溫度以上，并且能被液化成液體燃料，可以承受200kg/cm³以上壓力，長期儲存不發(fā)生任何性質(zhì)變化。

在實施本方法時，電解液可選用KOH，濃度為5％-30％，鍵合產(chǎn)生的分子團的通式為(H₃O⁺-O₂-OH^--H₂)_n，其中：1≤n≤36。

重整液是包括有碳氫化合物C_xH_2x+2和/或碳氫氧混化合物C_xH_2x+2O的重整液。還可以添加量子碳素添加劑。其中，量子碳素為0.3nm-1.0nm的石墨烯液，量子碳素液的基本參數(shù)為：pH為1.8-2.2；電動勢ORP為280mv-380mv；電導(dǎo)率為1.2ms/cm-5.0ms/cm；固含量為0.1％-0.8％。

本方法中，用于激振的激振裝置固有頻率遵循公式：

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

式中：f為激振裝置(固有)頻率；h為激振裝置厚度mm；L為激振裝置長度mm；E為激振裝置彈性模量；P為激振裝置密度；其中，激振頻率為10-3000Hz之間調(diào)整。

二、制備系統(tǒng)

本發(fā)明提供了安全高熱值燃氣制備系統(tǒng)。具體描述如下。

1、整體結(jié)構(gòu)

如圖2-6所示，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)包括：直流發(fā)電裝置1、水離子電解裝置2、燃氣壓縮裝置3、燃氣重整裝置5。

圖2是本系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)是用于時間點、壓力、溫度、物料供給、壓縮燃氣參數(shù)、燃燒參數(shù)等進行數(shù)據(jù)采集并進行自動化管理。

2、壓縮裝置

如圖3-4所示，本系統(tǒng)電解時激振產(chǎn)生的分子團可以通過壓縮裝置壓縮存儲。包括：壓力儀表系統(tǒng)3-1、儲存罐3-2以及與水離子電解裝置2的氣體出口2-11相連的氣體壓縮腔。壓縮燃氣系統(tǒng)為常規(guī)設(shè)備，壓力范圍20.7-24.8Mpa，儲存罐3-2為標(biāo)準(zhǔn)氣體罐。

3、重整裝置

如圖5-6所示，在燃燒時，需要對分子團進行重整。將氣體經(jīng)過重整裝置罐體5-1后進入燃燒裝置6燃燒，該燃燒裝置6為常規(guī)設(shè)備。

可以采用多個重整裝置5進行重整。重整裝置罐體5-1內(nèi)設(shè)置有重整液5-2和氣液交換層5-3。重整液5-2為碳氫化合物。氣液交換層5-3為纖維體，例如毛氈、玻璃纖維、異形塑料顆粒；也可以采用鋼絲球作為氣液交換層5-3。通向重整裝置內(nèi)部的氣體經(jīng)過氣液交換層后再被導(dǎo)出。

重整液5-2是包括有碳氫化合物C_xH_2x+2和/或碳氫氧混化合物C_xH_2x+2O的重整液。還可以添加0.1％-1.0％的量子碳素添加劑。其中，量子碳素為0.3nm-1.0nm的石墨烯液，量子碳素液的基本參數(shù)為：pH為1.8-2.2；電動勢ORP為280mv-380mv；電導(dǎo)率為1.2ms/cm-5.0ms/cm；固含量為0.1％-0.8％。

重整后的氣體包括C_xH_2x+2氣體，其中,15>x>0。具體包括如下體積組分:

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

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案制備的高熱值燃氣不含硫S和氮N成分，熱值可達11000～51000大卡Kcal/m³。

4、電解裝置

如圖7-8所示，在電解時，本實施例可以采用兩個直流發(fā)電裝置1進行電解，如圖7所示；也可以采用單個直流發(fā)電裝置1進行電解，如圖8所示。兩者根據(jù)工況選用。

水離子電解裝置如圖9-12所示。水離子電解裝置2包括動軸2-1、絕緣盤2-2、殼體2-3、旋轉(zhuǎn)電極板2-4、激振裝置2-4-1、散熱管2-5至少一組或多組、氣液分離控制罐2-6、低壓限壓表2-7、高壓限壓表2-8、安全閥2-9、物料添加口2-10、氣體出口2-11、電解液2-12、系統(tǒng)管道2-13、風(fēng)冷葉片扇2-14、系統(tǒng)循環(huán)泵2-15、正負電極板2-17。

其中，絕緣盤2-2設(shè)置于殼體2-3內(nèi)部兩側(cè)；絕緣盤2-2內(nèi)側(cè)分別設(shè)置正負電極板2-17。旋轉(zhuǎn)電極板2-4通過動軸2-1設(shè)置于兩塊正負電極板2-17之間。

其中，旋轉(zhuǎn)電極板2-4至少為一片，也可以由多片組成電極組，每片間隔1-10mm。每片旋轉(zhuǎn)電極板2-4裝置有若干個激振裝置2-4-1，該激振裝置2-4-1可以通過固定螺栓2-4-2固定在旋轉(zhuǎn)電極板2-4上。

旋轉(zhuǎn)電極板2-4在電解液2-12中以一定角速度旋轉(zhuǎn)，并在正負電極板2-17的電極電源DC+和DC-的作用下，產(chǎn)生水電解氫氧氣體。

旋轉(zhuǎn)電極板2-4在旋轉(zhuǎn)中帶動激振裝置2-4-1產(chǎn)生激振，激振裝置固有頻率遵循公式：

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

式中：f為激振裝置固有頻率；h為激振裝置厚度mm；L為激振裝置長度mm；E為激振裝置彈性模量GPa；P激振裝置密度g/cm³；激振頻率為10-3000Hz之間調(diào)整。激振裝置上的正負極所產(chǎn)生的電解氫氧氣體在激振頻率的作用下，產(chǎn)生的單分子氫氧氣體和水分子，通過氫鍵重新組合成新的分子團。本發(fā)明中的激振裝置2-4-1可以為激振片。

新的分子團和電解液經(jīng)過散熱管2-5到達氣液分離控制罐2-6進行氣液分離，分離后的氣體通過出口2-11輸出，低壓限壓表2-7和高壓限壓表2-8負責(zé)保持壓力在0.01-1.0Mpa之間運行，物料添加口2-10負責(zé)添加補充液和添加劑，安全閥2-9控制在1.5-2.0Mpa，管道2-13為系統(tǒng)自動循環(huán)管道，根據(jù)溫控等工況條件可開啟循環(huán)泵2-15。

5、發(fā)電裝置

直流發(fā)電裝置如圖13-15所示，其包括：殼體1-1、轉(zhuǎn)子磁鐵1-2、定子金屬盤1-3、固定件1-4、絕緣體支架1-5、電機4。金屬盤頂端引導(dǎo)線聯(lián)接為DC-、金屬盤中心軸引導(dǎo)性聯(lián)接為DC+組成。轉(zhuǎn)子磁鐵圓盤1-2為導(dǎo)電金屬圓盤，金屬可以是銅及銅合金或者是導(dǎo)電金屬，至少一片或多片組成；轉(zhuǎn)子磁鐵1-2為高磁通量磁鐵，磁通量為0.5-1.2T特斯拉之間，兩片之間至少夾有一片或多片定子金屬盤1-3組成。

調(diào)頻電機4提供一定轉(zhuǎn)速的動能，由直流發(fā)電裝置1轉(zhuǎn)換為額定的直流電解電源供給水離子電解裝置2。

6、實施效果

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案制備的高熱值燃氣屬于爆縮燃燒，在封閉的空間中爆縮燃燒相對爆發(fā)式燃燒十分安全，具有的安全穩(wěn)定的性質(zhì)優(yōu)于其它燃氣性質(zhì)；新的分子團在一個溫度點同時液化成液體燃料；燃燒溫度在3500攝氏溫度以上；可以承受200kg/cm³以上壓力并長期儲存不發(fā)生任何性質(zhì)變化。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案所制備的高熱值燃氣和其它常規(guī)燃料比較如下：

表1-重整氣體與不同燃料的熱值以及二氧化碳排放量比較

下面能過幾個實施例對本發(fā)明的有益效果進行驗證。

實施例1

水的電離子：電離出的H₃O⁺+HO^-質(zhì)子水合物和氫氧根離子的混合物質(zhì)與烴烷結(jié)合重整。

電解液2-12選用KOH濃度為5％-30％，選用15％。重整液2-21選用包括C1-C5醇烷的混合物。

按本實施例1中方法制備的碳氫結(jié)構(gòu)體分子氣體成分進行檢測和分析，其色譜分析結(jié)果如圖16所示；色譜分析記錄如圖17所示。檢測和分析結(jié)果顯示，氣體由多種碳氫結(jié)構(gòu)組成，熱值＞12000Kcal/m³。

實施例2

水的電離子：電離出的H₃O⁺+HO^-質(zhì)子水合物和氫氧根離子的混合物質(zhì)與烴烷結(jié)合重整。

電解液2-12選用KOH濃度為5％-30％，選用20％。重整液2-21為碳氫化合物，選用C3-C8烷烴混合物。

重整前后碳氫結(jié)構(gòu)體分子氣體成分如下表所示。從表中可以看出同樣，多組份的碳氫結(jié)構(gòu)體熱值＞30000Kcal/m3。

表2-重整前后碳氫結(jié)構(gòu)體分子氣體成分分析表

實施例3

水的電離子：電離出的H₃O⁺+HO^-質(zhì)子水合物和氫氧根離子的混合物質(zhì)與烴烷結(jié)合重整。

電解液2-12選用KOH濃度為5％-30％，選用30％。重整液2-21為碳氫化合物，選用C5-C12醇烷混合物。多組份的碳氫結(jié)構(gòu)體熱值＞50000Kcal/m³。

實例表明，本發(fā)明的安全高熱值燃氣為清潔能源，和現(xiàn)有的任何常規(guī)燃料比較都有十分優(yōu)秀的節(jié)能減排效果。從燃燒實績可知，相對常規(guī)燃料而言，節(jié)能和經(jīng)濟性均能節(jié)省50％以上；有效控制NOX、SOX、CO2等有害氣體的排放，燃燒排放均能減排60％以上。本發(fā)明不限于上述舉例，可適用于燃燒領(lǐng)域所有應(yīng)用。如，常規(guī)商用燃燒；高壓燃料儲罐；液化儲運等等。

以上的實施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變形和改進，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書確定的保護范圍內(nèi)。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。