[发明专利]一种利用旋流场强化电解效率的方法和装置

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

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。

本发明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；