一種風力電磁感應電解制氫裝置的制作方法

本發明涉及一種制氫裝置，特別涉及一種風力電磁感應電解制氫的裝置。

背景技術：

風能是一種可再生的清潔能源，儲量豐富，近年來我國風電發展迅速。但是，由于風能具有間歇性和波動性，風機的輸出功率也會隨風速而大幅波動，大量的風電接入電網對電網造成很大的影響。另外，由于風電供給和需求協調難度大，電能調度靈活性差，導致風電的年有效利用率比常規發電廠低。為推進風能的大規模應用，解決風能的巨大浪費問題，必須發展新型風能利用技術，將風能轉換成電力以外的其他能量形式，以便于存儲和利用。

風能制氫是風力發電的一種應用方式，可以在風電無法輸入電網或輸入電網有盈余時合理消納風電，提高了風能的利用率。近年來基于我國風電的大幅發展和實際利用率低的現實，風能制氫開始得到發展。

目前風能制氫的方法，一般都是把風力發電機發出的交流電通過整流裝置，把交流電整流成直流后，接入電解液槽進行電解制氫，如專利201010538149.7、201510486504.3和201510481776.4。專利201510481776.4的設備拓撲結構如圖1所示：

如圖1所示，該方法通過風力發電機轉換成電能，轉換效率低于35％，再通過整流裝置轉成直流，轉換效率約95％。這種風能制氫方法的綜合效率低，并且需要風力發電機、整流裝置等龐大和造價高的部件。

技術實現要素：

本發明的目的是克服現有風能制氫技術存在的不足，提出一種新的風力電磁感應電解制氫裝置。

本發明利用風機的動力直接拖動旋轉永磁盤，在電解液槽的電解液中感生出一個感生電壓，該感生電壓在電解液槽的內外電極上形成直流電壓差，利用該電壓差即可在電解液中發生電解反應，在正電極上釋放出氧氣、在負電極上釋放出氫氣。本發明利用風能直接拖動永磁旋轉盤電解電解液制成氫氣和氧氣，省去了中間能量轉換環節，不僅省掉了龐大的發電機和整流裝置，還提高了能量的利用率。

本發明風力電磁感應電解制氫裝置，主要由風力驅動裝置、旋轉永磁盤、電解液槽盤、氣體收集裝置組成。其中，風力驅動裝置安裝有葉片和和風力傳動軸，驅動旋轉永磁盤轉動；電解液槽盤固定安裝在旋轉永磁盤上方，并與旋轉永磁盤同軸，兩者之間留有一定間隙；旋轉永磁盤產生旋轉磁場,在靜止不動的電解液槽盤中產生感應電壓；電解液槽盤內外兩極通過導線連接形成回路，在兩極上發生電解反應，分別產生氫氣和氧氣；電解反應產生的氫氣和氧氣分別由氣體收集裝置收集并存儲。

所述的旋轉永磁盤由永磁體同極排布成環形，旋轉永磁盤水平放置，能夠在風力傳動軸的拖動下定向旋轉。所述的電解液槽盤有多個扇形槽組成，每個扇形槽的金屬內壁相連接，作為一個電極，每個扇形槽的金屬外壁相連接，作為另一個電極，電極的正負由旋轉永磁盤的旋轉方向決定。扇形槽除內外電極外的部分由非金屬材料制作，扇形槽的內半徑與旋轉永磁盤永磁體的內半徑相等或略大，電解液槽盤上的扇形槽的外半徑與旋轉永磁盤永磁體的外半徑相等或略小。

本發明也可以采用旋轉永磁盤與鐵軛相組合的設計方案，把與旋轉永磁盤同軸并固定在一起的圓盤形鐵軛安裝于電解液槽的另一側，提高磁場強度和均勻度，進一步提高電解效率。

本發明還可以采用永磁盤與雙鐵軛相組合的設計方案，把兩個圓盤形鐵軛與旋轉永磁盤同軸并固定在一起，圓盤形鐵軛對稱安裝于旋轉永磁盤的兩側，在旋轉永磁盤與鐵軛之間布置雙電解盤。所述的鐵軛也可以用同極性的旋轉永磁盤代替，進一步提高磁場強度。

本發明的工作原理和工作過程如下：

旋轉永磁盤通過傳動軸在風力的拖動下定向旋轉，根據法拉第電磁感應定律，旋轉的永磁盤產生旋轉磁場并在靜止不動的電解液槽中產生感應電壓，使扇形槽內的離子定向移動，發生電離反應，從而產生氫氣和氧氣，具體如下：

永磁體的n極垂直向下，旋轉永磁盤沿順時針旋轉，則在扇形電解液槽的電解液內產生以旋轉軸為由外指向內的感應電場，電解液槽內任意點的感應電場強度e如下式所示：

e＝bωr(1)

式中，b為電解液槽內磁感應強度，ω為磁場旋轉的角速度，r為該點到旋轉軸的半徑。

若旋轉磁盤的旋轉頻率為f，則ω＝2πf

e＝2πfbr(2)

這時電解液槽內壁的正電極電勢高，電解液槽外壁負電極電勢低。設正電極所在位置半徑為r1、負電極所在位置半徑為r2，兩電極間的電勢差為：

若電解液中磁感應強度相同，則：

式中，s為扇形電解液槽的面積,θ為扇形電解液槽的角度。

由式(4)可知，扇形電解液槽兩極間的電勢差和旋轉頻率r、磁感應強度b、電解液槽底面積s均成正比。

由式(4)又可得：

水電解門檻電壓為u0＝1.23v，考慮電解液的分壓，最低電壓約在2v左右。

堿性電解液中，在陽極上，電解液中的水分子接受外界電子而生成氫氧根離子，并析出氫氣，陽極的放電反應為：

4e+4h2o＝2h2↑+4oh^-(6)

在陰極上，電解液中的oh^-釋放電子后而生成水和氧氣，其放電反應為：

4oh^-＝2h2o+o2↑+4e(7)

陽極和陰極合起來的總反應式為：

2h2o＝2h2↑+o2↑(8)

本發明通過風力直接拖動旋轉磁盤轉動，在電極槽的陽極上獲得氫氣，在陰極上獲得氧氣，通過氣體收集裝置分別收集與存儲兩種氣體。

本發明除用于電解水制氫外，也可以用于其他電解電鍍，例如電解電鍍銅和鋁等。以電解鍍銅為例，本發明的陽極采用銅材，陰極換為鍍銅件，可以實現工件的鍍銅處理。

附圖說明

圖1專利201510481776.4的設備拓撲結構；

圖2風力電磁感應電解制氫原理圖，圖中，13葉片，14永磁電解裝置；

圖3旋轉永磁盤，圖中，1永磁體，2旋轉盤，3風力傳動軸；

圖4電解液槽盤，其中圖4a為3電解液槽盤三維視圖，圖4b為電解液槽盤剖視圖，圖中，4扇形槽，5負電極，6正電極，7電解液；

圖5風力電磁感應電解制氫裝置結構圖，其中圖5a風力電磁感應電解制氫裝置三維視圖，圖5b風力電磁感應電解制氫裝置剖視圖，圖中，8旋轉永磁盤，9電解液槽盤，10底座，11氫氣收集裝置，12氧氣收集裝置；

圖6鐵軛勻場實施例，圖中，15鐵軛；

圖7鐵軛勻場雙電解盤實施例。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施方式進一步說明本發明。

如圖2所示，本發明利用風能直接拖動旋轉永磁盤8，并在其上電解液槽盤9的電解液7中感生出感生電壓，該感生電壓在扇形槽4的正電極6和負電極5上形成直流電壓差，利用該電壓差進行水分子的電解，在正電極6上釋放出氫氣、在負電極5上釋放出氧氣。

本發明主要由風力驅動裝置、旋轉永磁盤8、電解液槽盤9、氫氣收集裝置11、氧氣收集裝置12等組成。其中，風力驅動裝置裝有葉片13和風力傳動軸3，驅動旋轉永磁盤8，使其轉動；電解液槽盤9安裝在旋轉永磁盤上方保持靜止不動，并與旋轉永磁盤8同軸，兩者之間留有3-5mm的間隙。旋轉永磁盤8產生旋轉磁場，在靜止不動的電解液槽中產生感應電壓；電解液槽盤9內外兩極：負電極5和正電極6，通過導線連接形成回路，在兩極：負電極5和正電極6上發生電解反應，分別產生氧氣和氫氣；電解反應產生的氫氣和氧氣分別由氫氣收集裝置11和氧氣收集裝置12收集并存儲，如圖5a和圖5b所示。

如圖3所示，所述的旋轉永磁盤8由永磁體1同極排布成環形，旋轉永磁盤8水平放置，能夠在風力傳動軸3的拖動下定向旋轉。所述的電解液槽盤9由多個扇形槽4組成，每個扇形槽4的金屬內壁連接在一起作為正電極6，每個扇形槽4的金屬外壁連接在一起作為負電極5。扇形槽4除正電極6和負電極5外的部分由非金屬材料制作。電解液槽盤9上的扇形槽4的內半徑與旋轉永磁盤永磁體1的內半徑相等或略大，電解液槽盤9上的扇形槽4的外半徑與旋轉永磁盤永磁體1的外半徑相等或略小。

旋轉永磁盤8通過傳動軸3在風力的拖動下定向旋轉。根據法拉第電磁感應定律，永磁體1極性與旋轉永磁盤8的旋轉方向組合，使扇形槽4內的電流流向正電極6，具體如下：

永磁體1的n極垂直向下，旋轉永磁盤8沿順時針旋轉，則在扇形槽4的電解液7內產生以旋轉軸為中心由外指向內的感應電場e，感應電場e滿足所述的式(2)。正電極6電勢高，負電極5電勢低，正電極6位置的半徑記為r1，負電極5位置半徑記為r2，正電極6、負電極5間的電壓與旋轉永磁盤8的旋轉頻率滿足所述的式(4)。

如果正電極6位置的半徑r1、旋轉永磁盤8的旋轉頻率f已知，則可以根據式(5)獲得負電極5位置半徑r2。

這樣，風力通過葉片13和風力傳動軸3拖動旋轉永磁盤8旋轉，在電解液槽盤9的正電極6、負電極5間通過電磁感應產生直流電壓，只要這個電壓高于1.23v，根據所述的式6-式8，就會在正電極6上放出氧氣、負電極5上放出氫氣。通過氫氣收集裝置11、氧氣收集裝置12，分別收集和儲存氫氣和氧氣。

本發明也可以采用如圖6所示的旋轉永磁盤8與鐵軛15相組合的實施方式，在電解液槽盤9的上方安裝鐵軛15，鐵軛15與旋轉永磁盤8同軸并固定連接，提高電解液7中的磁場強度和均勻度，進一步提高電解效率。

本發明還可以采用圖7所示的旋轉永磁盤8與雙鐵軛15相組合，把兩個圓盤形鐵軛15與旋轉永磁盤8同軸并固定在一起，圓盤形鐵軛15對稱安裝于旋轉永磁盤8的兩側，在旋轉永磁盤8與鐵軛15之間布置兩個電解液槽盤9。所述的鐵軛也可以用同極性的旋轉永磁盤8替代。

本發明的實施例1，旋轉永磁盤8在電解液7中的磁場b為1t，旋轉永磁盤8的旋轉頻率f為1轉/s，正電極位置半徑r1為0.05m，為滿足電解電壓u在1.5-5v之間，則r2＝0.69m到1.26m之間。

提高旋轉永磁盤8的旋轉頻率f，則可以減小扇形槽4的尺寸。本發明的實施例2，旋轉永磁盤8在電解液7中的磁場b為1t，r1為0.05m、r2＝0.5m，電解電壓u在1.5-5v之間，旋轉永磁盤8的旋轉頻率f根據式(9)計算得到，f＝1.93—6.43轉/s：