CN101469432A

CN101469432A - 电解气体发生装置

Info

Publication number: CN101469432A
Application number: CNA2008101858122A
Authority: CN
Inventors: 佐藤利五郎; 佐藤寿彦; 高山伸雄
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2008-12-15
Publication date: 2009-07-01
Also published as: US20090166191A1; JP2009174043A; JP3171236U

Abstract

本发明提供了一种电解气体发生装置，其通过对氢氧化钾电解液中的水进行电解，可以高效地产生大量的电解气体，并将该电解气体与电解液气液分离而产生电解气体。电解槽的底部侧设置有电解液导入口，顶部侧设置有排出口，用来排出电解液与电解气体混合物，电解槽上还设置有阳极板、阴极板和电解液旋转流动机构，电解液旋转流动机构使碱性电解液从阳极板向阴极板的方向旋转流动，在该电解槽(10)内进行水的电解。从电解槽上端排出的电解气体和电解液的混合物在电解气体－电解液分离槽内(20)被气液分离，电离气体被排到外部，电解液循环机构(40)使电解液循环到电解槽侧，继续进行电解反应。

Description

电解气体发生装置

技术领域

本发明涉及一种电解气体发生装置，利用该装置电解氢氧化钾电解液中的水，可以产生大量的电解气体，并从电解气体和电解液的混合物中分离出电解气体。

背景技术

众所周知，在碱性的氢氧化钾(KOH)水溶液中，水分子(H₂O)电离产生氢氧根离子OH^-和氢离子H⁺。这里，由于氢氧根离子OH^-从负极(阴极)侧向正极(阳极)侧移动，所以被称为阴离子，而氢离子H⁺则相反地从正极(阳极)侧向负极(阴极)侧移动，所以被称为阳离子。该氢离子与水分子H₂O结合成“水合氢离子(H₃O⁺)”。这就意味着，在水分子与氢离子混合的环境下(也就是电解槽的内部)存在很多以共价键结合的“水合氢离子(H₃O⁺)”。作为阴离子的氢氧根离子OH^-和水合氢离子(H₃O⁺)可以是由电解槽内的碱性电解液的水解反应获得。

现有技术中存在各种电解气体发生装置，利用该装置电解水来产生被称为氢-氧气的电解气体，以达到将该电解气体作为燃料加以利用的目的。另外，现有技术中公开了很多与电解水相关的各种装置。专利文件1所示的电解水生成装置，分别是在电解槽11的阳极室13内配置阳极13a，在阴极室14内配置阴极14a，两电极室中间设置有将二者分隔开的隔膜(离子交换膜)12。在上述装置中，水流到阳极室13内，并使食盐水溶液或盐酸水溶液留在阴极室14。因此，留在阴极室14内的水溶液中作为有效成分的离子透过隔膜12流入阳极室13与氢离子反应，生成例如可以作为杀菌水使用的酸性水，专利文件1的目的以及装置构造与本发明不同。

另外，专利文件2的电解气体发生装置，是在阴极·阳极的两电极2、2之间设有重叠的离子交换膜3和紧密接触材4，对电解槽内的水溶液进行电解分离。通过电解，阳极室侧的出口9a侧产生氧气，阴极侧的出口9b产生氢气。在这样的结构中，与离子交换膜3的阴极侧紧密接触的接触材4具有良好的导电性，其通过在碳素纤维、镀镍毛织物等织布·垫子等表面喷镀上一层金形成，这样可以高效地产生气体。这样，可以在二者完全分离的状态得到氢气和氧气，与专利文件1相同，专利文件2的目的以及结构与本发明也不同。另外，在专利文件3和专利文件4中也公开了利用电解水获得氢气·氧气混合气体(布朗气体)的发生装置。虽然可以利用上述各装置产生的氢气·氧气，并将产生的混合气体与燃料适当的组合燃烧来获得较大的燃烧热。与上述各专利文件相同，专利文件3和专利文件4的目的以及装置结构与本发明也不同。

【专利文件1】日本发明专利公开公报特开2001-321770

【专利文件2】日本发明专利公开公报特开平11-209887

【专利文件3】日本发明专利公开公报特开2002-155387

【专利文件4】日本发明专利公开公报特开2004-204347

发明内容

因此，本发明目的在于提供一种电解气体发生装置，其通过对氢氧化钾电解液中的水进行电解，可以高效地产生大量的电解气体，并将该电解气体与电解液气液分离而获得电解气体。

技术方案1所述的发明是一种如图1所示的电解气体发生装置，其具有电解槽、电解气体-电解液分离槽和电解液循环机构，该电解槽具有电解液导入口、排出口、阳极板、阴极板和电解液旋转流动机构，其中，电解液导入口设置在电解槽的底部侧，排出口设置在电解槽的顶部侧，用来排出电解液与电解气体混合物，阳极板设置在该电解槽内部的底部侧，阴极板设置在电解槽内部的顶部侧，电解液旋转流动机构不与其他部分电连接，用来使碱性电解液从阳极板向阴极板的方向一边旋转一边流动；从电解槽上端的排出口排出的电解气体和电解液的混合物被排入到电解气体-电解液分离槽，对其中的电解气体和电解液进行气液分离，分离获得的气体被排到外部，电解液被残留在分离槽内；电解液循环机构使分离槽内的电解液循环到电解槽一侧。

技术方案2所述的电解气体发生装置中，如图2、3所示，设置在电解槽内的阳极和阴极之间的电解液旋转流动机构由规定片数的金属板组成，每片金属板在偏离中心的外周侧的位置设置有2～6个对称的流通开口，通过将不同金属板上的流通开口依次偏移规定的角度进行配置来使电解液在流动时发生旋转。

技术方案3所述的电解气体发生装置中，通过设定构成电解液旋转流动机构的规定片数的金属板的配置间隔、流通开口的数量以及相邻金属板的流通开口的偏移角度，来调节电解液的旋转状态以及流通状态。

技术方案4所述的电解气体发生装置中，规定片数的金属板均不与两电极或其他部位电连接，并且，各片金属板之间也未电连接，金属板组由塑料制的筒状绝缘体固定支承。

技术方案5所述的电解气体发生装置中，如图1所示，具有电解液强制冷却机构，该电解液强制冷却机构用来强制残留在分离槽内的电解液冷却，并将被电解液循环机构强制循环到电解槽内的电解液的温度以及循环量都控制在规定范围内。此时，电解液循环机构不仅可以强制电解液在分离槽和电解液强制冷却机构之间循环，也可以强制电解液在分离槽和电解槽之间循环。

技术方案6所述的电解气体生装置中，电解液强制冷却机构具有独立的电解液循环泵，该电解液循环泵使分离槽内残留的电解液循环而冷却到规定温度。此时，独立设置在电解液强制冷却机构上的电解液循环泵强制电解液在分离槽和电解液强制冷却机构之间循环。

技术方案7所述的电解气体发生装置中，分离槽内的残留电解液被电解液强制冷却机构冷却到规定温度后，被电解液循环机构强制循环至电解槽。此时，利用电解液循环泵强制被冷却机构冷却的电解液在分离槽和电解槽之间循环。

技术方案8所述的电解气体发生装置中，被强制循环到电解槽的电解液的温度为5℃～30℃，优选10℃～25℃。

技术方案9所述的电解气体发生装置中，如图4所示，其上设置有从所述分离槽底部向槽内突出的由多孔材料制成的喷出孔，用来将从电解槽排出的电解气体和电解液的混合物导入到分离槽。

【发明效果】

采用本发明的电解气体发生装置，将氢氧化钾(KOH)和水的碱性溶液导入电解槽内，将与各电极的极性对应的直流电压施加到配置在电解槽底部侧的阳极板和配置在电解槽上部侧的阴极板上。这样，氢氧化钾(KOH)电解液和水伴随着旋转从设置在底部侧的阳极板上升流到顶部侧的阴极板，在这一过程中，进行电解反应，产生电解气体，在该气体与电解液的混合状态下，电解气体的量不断增加。

当电子与配置在上述阳极板和阴极板之间的作为电解液旋转流动机构的金属板撞击时会产生水合氢离子(H₃O⁺)和氢氧根离子(OH^-)，并且该水合氢离子(H₃O⁺)向负电极移动，该氢氧根离子(OH^-)向正电极移动。并且，通过配置多片该金属板，可以在电解槽中得到大量的混有离子的电解气体。这样大量地增加的电解气体和电解液的混合物从电解槽的排出口排出。另外，电解气体的生成量基本上是由通过电流的大小和电极板的尺寸等决定的。

这样被排出的电解气体和电解液的混合物经连接管道被运送到气体-电解液分离槽，在该分离槽内将气体组分与电解液分离。而后，电解气体经导出管被排出，并被导入事先安装的利用该气体的装置。并且，残留的电解液被循环到上述电解槽内继续重复上述电解处理过程。

由于当电解液温度达到43℃以上时电解反应的效率将大幅降低，所以，需要强制地将因伴随着化学反应的发热而升温的电解液进行冷却，以期将电解槽内的电解液的温度维持在例如5℃～25℃±3℃，最高不超过30℃。通过进行上述的温度调节使电解液的温度维持在最佳反应温度的范围，增加电解气体的产生效率。利用相关的结构和反应可以高效地生成电解气体。

另外，在本发明中，通过电解液循环装置强制电解液循环，以及电解液旋转流动机构使电解液的旋转流动可以抑制电解槽内的温度上升，所以固定支承金属板组的外框体可以由氯乙烯等塑料制成，这样可以大幅降低电解槽的制造成本。另外，在电解槽的外部包围上绝缘体来防止漏电。

采用本发明，产生电解气体用槽内产生的电解气体和电解液的混合物被送到气体-电解液分离槽内，在该分离槽内电解气体和电解液被分离。将这样获得的电解气体与碳氢化物或其他含碳化合物的燃料混合均匀，点燃上述混合状态的燃料，其燃烧状态优于单独燃烧上述燃料的燃烧状态，可以得到更高的燃烧热。

例如，在主要的气体燃料类的天然气(LNG)和LP气(液化石油气)、由液体燃料类的石油制成的气体、固体燃料类的煤炭制成的气体中加入本发明中的装置产生的电解气体，相比通常的采用空气助燃，其燃烧效率更高，也就是具有助燃效果，可以消耗更少的燃料来得到规定的热量。另外，由于基本上是利用电解水来产生电解气体，所以原料丰富，成本低廉。

这样，通过对水这样廉价且丰富的原料进行电解得到的电解气体，可以提高气态、液态、以及固态的任何碳氢化物或其他含碳物质的燃烧效率，发挥了助燃的作用，从有效利用能源这一观点来看具有较大的进步。而且，含碳化合物燃烧效率的提高可使得获得需要热量而消耗的燃料减少，也就减少了燃烧时空气的消耗量，可以较大程度地减少二氧化碳的排放量，本发明可以作为有利地抑制温室效应的机构。

附图说明

图1表示的是本发明中的电解气体发生装置的基本构成例的示意图。

图2表示的是本发明中的电解气体发生装置的产生电解气体用电解槽的构成例的示意图。

图3表示的是构成本发明中的电解气体发生装置的电解槽中所使用的金属板组的单片金属板的构成例的示意图。

图4表示的是本发明中的电解气体发生装置的分离槽的构成例的示意图。

[符号说明]

10：产生电解气体用电解槽，11：电解液导入口，12：阳极板(阳极)，13：阴极板(阴极)，14：电解液旋转流动机构(金属板组)，14-n：单个金属板，15：电解气体·电解液混合物排出口，16：电解液补给口，17：塑料制筒状绝缘体，18：电解气体·电解液流通开口，20：电解气体-电解液分离槽(分离槽)，21：电解气体·电解液的混合物导入口，21p：微细喷出孔，22：电解液排出口，23：冷却电解液导入口，24：电解气体排出口，26：管道，27：电解液排出口，30：电解液强制冷却机构(电解液强制冷却装置)，31：电解液强制冷却装置用循环泵，40：电解液循环机构(电解液循环装置)，41：管路过滤器，42：电解液排出口，C：中心点。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施方式进行说明。图1表示的是本发明中的电解气体发生装置的实施例的示意图。如图所示，本发明中的电解气体发生装置包括产生电解气体用电解槽10、电解气体-电解液分离槽20、电解液强制冷却装置30以及电解液循环装置40。还优选在电解液循环装置40上，在如图1所示的位置或仿照其他同种装置的构成例在适当的位置设置管路过滤器41和电解液排出口42等，其中，管路过滤器41用来过滤杂质，电解液排出口42用来排除系统内的电解液。

如图2所示，在上述电解槽10的底部设置电解液导入口11。在电解槽10的底部侧设置有阳极(阳极板)12，在其上部侧设置有阴极(阴极板)13，在两电极之间以规定的间隔设置有规定片数的金属板14-1～14-n，作为电解液旋转流动机构。阳极12和阴极13可以由不锈钢304或不锈钢316(日本规格)制成。

如后面将要叙述到，上述各金属板组14由各种塑料制筒状绝缘体17固定支承，与两电极12、13或其他部位未形成电连接。另外，虽然各金属板之间未电连接但各金属板上具有不同的电位，这是由于阳极12和阴极13之间充满了电解液层，所以从阳极侧向阴极侧必然形成电位梯度而产生电位差，各金属板上具有的电位与该电位梯度产生的电位差对应，金属板组14起到了保证旋转流过具有金属板区域的电解液的均一性的作用。

在本发明中，通过利用电解液循环装置强制电解液循环，以及利用作为电解液旋转流动机构的金属板组14使电解液旋转流动，可以抑制电解槽10内温度的上升，从而可以用氯乙烯等塑料制的外框体来固定支承金属板组14。这样，可以大幅度地降低电解槽的制造成本。另外，可以通过用绝缘体包围电解槽的外部来避免漏电的发生。

例如可以按照使相邻金属板间的电位差为1.8V来设定金属板14-1～14-n之间的间隔。这样，在电解液从阳极12经规定片数的金属板组14旋转流动到阴极13的过程中水被电解。从而可以产生电解气体。因此，通过配置多片金属板，既可以加速电解槽内的电解气体的产生，又可以增大电解气体的生成量。电解气体和电解液的混合物被从上方的排出口15排出。

图3表示构成金属板组14的单个金属板的实施例，其中，金属板组14为图2所示的在产生电解气体用电解槽10内的阳极12和阴极13之间将规定的片数(例如从10片左右到100片以上)的金属板以规定的间隔配置而成。另外，虽然在图3中该金属板的形状为圆形，但是也可以是五边形、六边形、七边形等各种多边形状。在金属板为圆形的实施方式中，每片金属板上开设有4个电解液流通开口18，4个电解液流通开口18相对中心点C呈中心对称。另外，由于本实施方式中采用的是圆形的金属板，所以，固定支承这些金属板组的外框体也为圆筒状，但是固定支承金属板组的外框体的形状不限于圆筒状，当金属板为五边形、六边形、七边形那样的多边形时，外框体可以是与该金属板的形状对应的多边形筒状体。

在上述单片金属板上设置电解液流通开口18的目的是使电解气体和电解液可以从阳极12侧流向阴极13侧。按照如下的方式组装固定所选片数的金属圆板：各片金属板上的开口18依次偏移规定的角度(例如图3(1)～(6)所示依次偏移15°)。这样，相对最靠近阳极12一侧的金属板14-1上的开口18，以规定间隔设置在其上侧的金属板14-2的开口例如沿逆时针方向偏移了15°，金属板14-2上侧的金属板14-3的开口沿同一方向进一步偏移了例如15°，以此类推，各金属板的开口依次偏移合适的角度，同时，金属板的片数为从数十片到一百数十片中选出的合适的数量，这些数量的金属板由筒状绝缘体固定支承。另外，开口的偏移角度不限于15°。

阳极12和阴极13之间施加的直流电压依设置在阳极12和阴极13之间的金属板组14的片数而定，优选可以使相邻金属板间的电位差大致为1.8V的直流电压。另外，各金属板14-1～14-n上的开口18从阳极12侧到阴极13侧依次偏移规定的角度例如15°，这样，使流过的电解液整齐地排列，呈螺旋状通过开口18。

从阳极12经上述的金属板组14(即将各金属板按照开口18依次偏移规定的角度进行配置的金属板组14)向阴极13的方向流动的电解液，沿着由金属板组14的设置片数和偏移角度所决定的流动路线，形成伴随着旋转流动的上升流。这样，电解液在流动的过程中受到了有规则的搅动，因此促进了电解反应，从而可以提高电解气体的生成率。

另外，由于如上述构成的金属板的开口18具有可以促进电解反应中产生的电解气体上升的作用，所以可以在每片金属板上设置4～6个开口18。另外，在上述电解槽10的上端设置带阀的电解液补给口16来补充新的电解液。该电解液补给口16也可以安装在其他部位，例如可以在与下端的电解液导入口11连接的管道上安装分流阀，通过该分流阀进行电解液的补给。

图4表示的是图1中的电解气体-电解液分离槽20构成例的示意图。从电解槽10排出的电解气体和电解液的混合物从分离槽20的底部侧的导入口21导入。此时，电解气体和电解液的混合物经喷出孔21p被排入到分离槽20内，其中，喷出孔21p从分离槽20的底部向槽内突出，其上设置多个微孔，或由多孔物质形成。

电解气体组分通过由设置微孔或者由多孔物质形成的喷出孔21p时受到的阻力与电解液通过时受到的阻力不同，由此促进了气体组分的分散，较好地促进了气液分离。这样由气液分离法获得的电解气体的气体组分经由管道26从设置在分离槽20上端的气体排出口24导出，供给到图中未示出的气体利用设备。因此，进行了上述的气液分离后，电解液被残留在分离槽20内。另外，采用上述气液分离的方法获得的是呈雾状的电解气体，而不是一般完全呈气态的氢、氧气。

残留在分离槽20内的电解液从设置在分离槽底部的电解液排出口22排出，一部分被运送到电解液强制冷却装置30中并被冷却到适宜温度后，经设置在分离槽20的底部的冷却电解液导入口23返回到分离槽20内。此时，虽然电解槽10内的电解液的温度因外界温度或产生气体收集量的不同而异，但是优选大致为18℃～25℃。对于反应温度，过低则导致电解反应不稳定，过高则导致电解反应效率低下，所以优选将电解槽10内的电解液的温度维持在上述的范围内。

未被运送至电解液强制冷却装置30的残余电解液，经过电解液循环装置40以及管路过滤器41循环至电解槽10。此时至于如何选取被运送至强制冷却装置30的电解液的比率，以及如何确定被直接循环到电解槽10内的电解液量，可以通过加设控制装置来解决，即，根据操作环境的温度，例如外界温度、电解液自身的温度，以及运行时间，利用该控制装置对这二者的数值进行最佳增减。上述结构适用于具有如下结构的装置，即，如图1所示在分离槽底部设置有一个电解液排出口，在导管的中途将电解液分流成两部分，一部分被运送到电解液强制冷却装置30，一部分被循环到电解槽10。

另外，如图4所示在分离槽底部设置有电解液排出口27，用来进行另外一路供给电解槽的电解液的循环，残留在分离槽20内的电解液被冷却到适当温度后从该电解液排出口27通过电解液循环装置40，经管路过滤器41循环到电解槽10，另一方面，从排出口22排出的电解液通过独立地设置在电解液强制冷却装置30上的循环泵31，经冷却电解液导入口23循环到分离槽20内。

【工业应用】

当燃烧各类液态、气态、固态的含碳化合物时，通过适量添加本发明中的电解气体发生装置产生的电解气体，比起通常的添加空气中氧气助燃的做法，可以获得更强烈且高温的燃烧，也就是可以起到助燃的效果。另外，通过将本发明中的电解气体发生装置产生的电解气体添加到LP气(液化石油气)中并与其一起燃烧，即使利用现有的燃烧器也可以更少的燃料消耗获得持续时间长的大火焰，同时具有二氧化碳的排出量较少的更强烈高温的发热效果。

另外，本发明中的电解气体发生装置产生的电解气体不仅适用于通常的燃烧器那样的在开放空间使气体直接燃烧的装置，也适用于在密闭空间内使液体燃料或气体燃料爆发性地燃烧的内燃机构、发动机等，以及使用液体、气体、固体燃料的发电用其他大型锅炉等，通过将电解气体添加到燃料中或喷射到燃烧室内，可以获得比采用现有技术更大的热能。换言之，利用比现有技术少得多的燃料就可以获得更强的热量输出，从而大幅地提高了燃烧效率。因此，不仅取得了节省燃料的节能效果，并且可以较大程度地减少二氧化碳的排放量，在减少地球的温室效应方面具有积极的作用。

Claims

1.一种电解气体发生装置，其特征在于：其具有电解槽、电解气体-电解液分离槽和电解液循环机构，

其中，所述电解槽具有电解液导入口、排出口、阳极板、阴极板和电解液旋转流动机构，其中，所述电解液导入口设置在所述电解槽的底部侧，排出口设置在电解槽的顶部侧，用来排出电解液与电解气体混合物，阳极板设置在该电解槽内部的底部侧，阴极板设置在电解槽内部的顶部侧，电解液旋转流动机构不与其他部分电连接，用来使碱性电解液从阳极板向阴极板的方向一边旋转一边流动；

所述电解气体-电解液分离槽接收从上述电解槽上端的排出口排出的上述电解气体和电解液的混合物，对其中的电解气体组分和电解液进行气液分离，分离获得的气体组分被排到外部，电解液被残留在分离槽内；

所述电解液循环机构使残留在上述分离槽内的电解液循环到所述电解槽一侧。

2.如权利要求1所述的电解气体发生装置，其特征在于：设置在所述电解槽内的所述阳极板和所述阴极板之间的电解液旋转流动机构由规定片数的金属板组成，每片金属板在偏离中心的外周侧的位置设置有2～6个对称的流通开口，通过将不同金属板上的流通开口依次偏移规定的角度进行配置来使电解液在流动时伴随着旋转。

3.如权利要求1或2所述的电解气体发生装置，其特征在于：通过设定构成所述电解液旋转流动机构的所述规定片数的金属板的配置间隔、流通开口的数量以及相邻金属板的流通开口的偏移角度，来调节电解液的旋转状态以及流通状态。

4.如权利要求1至3中任一项所述的电解气体发生装置，其特征在于：所述规定片数的金属板均不与所述两电极或其他部位电连接，并且，各片金属板之间也未电连接，所述金属板组由塑料制的筒状绝缘体固定支承。

5.如权利要求1至4中任一项所述的电解气体发生装置，其特征在于：具有电解液强制冷却机构，用来强制残留在所述分离槽内的电解液冷却，并将被所述电解液循环机构强制循环到所述电解槽内的电解液的温度以及循环量都控制在规定范围内。

6.如权利要求5中所记述的电解气体发生装置，其特征在于：所述电解液强制冷却机构具有独立的电解液循环泵，该电解液循环泵使所述分离槽内残留的电解液循环而将其冷却到规定温度。

7.如权利要求5所述的电解气体发生装置，其特征在于：所述分离槽内的残留电解液被所述电解液强制冷却机构冷却到规定温度后，被所述电解液循环机构强制循环至所述电解槽。

8.如权利要求1至7中任一项所述的电解气体发生装置，其特征在于：被强制循环到所述电解槽内的电解液的温度为5℃～30℃，优选10℃～25℃。

9.如权利要求1至8中任一项所述的电解气体发生装置，其特征在于：设置有从所述分离槽底部向槽内突出的由多孔材料制成的喷出孔，用来将从所述电解槽排出的电解气体和电解液的混合物导入到所述分离槽。