專利名稱：穩(wěn)定強(qiáng)電場恒電流電解池及其電解裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電解法應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種穩(wěn)定強(qiáng)電場恒電流電解池及 其電解裝置。
背景技術(shù)：
電解和電解槽的基本結(jié)構(gòu)和工作原理由來已久。有陰、陽兩級的電解池 中電解質(zhì)離子常處于無秩序的運(yùn)動中，通直流電后，離子作定向運(yùn)動。陽離
子向陰極移動，在陰極得到電子，被還原；陰離子向陽極移動，在陽極失去 電子，被氧化。電解廣泛應(yīng)用于冶金工業(yè)中，如從礦石或化合物提取金屬(電 解冶金)或提純金屬(電解提純)，以及從溶液中沉積出金屬(電鍍)。金屬鈉和 氯氣是由電解溶融氯化鈉生成的；電解氯化鈉的水溶液則產(chǎn)生氫氧化鈉和氯 氣。電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣。水的電解就是在外電場作用下將水分解為H2 (g)和02(g)。電解是一種非常強(qiáng)有力的促進(jìn)氧化還原反應(yīng)的手段，許多 很難進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，都可以通過電解來實現(xiàn)。
弱電解質(zhì)如在水電解過程中，陰、陽兩極需要較大的電位差，OH在 陽極失去電子，被氧化成氧氣放出；H+在陰極得到電子，被還原成氫氣放出。 所得到的氧氣和氫氣，即為水電解過程的產(chǎn)品。
強(qiáng)電解質(zhì)在電極上發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，而在陽極或陰極上施加的最 小電位稱為析出電位。以0.1mol/L的H2SO4介質(zhì)中電解0.1mol/LCuSO4溶液 為例陰極反應(yīng) Cu2+ + 2e —Cu丄
陽才及反應(yīng) 2H20 — 02丫 + 411^ + 46
電才及總反應(yīng) 2Cu2+ + 2H20 — 2Cu丄+ 02丫 +
其中，電解水的電解槽，或者說電解法制備氫、氧的電解槽或電解裝置， 其結(jié)構(gòu)與工作原理，參看附圖l所示。現(xiàn)有電解池原理及結(jié)構(gòu)是由直流電源 1.1、陰極板1.2、電解槽1.3、隔板或離子交換膜1.5、陽極板1.4所組成， 其存在的優(yōu)缺點(diǎn)是
優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，針對中、強(qiáng)電解質(zhì)在陽極或陰極上可施加最小電位與 控制電流的方法。由法拉第電解定律可知，可以較高的電流效率進(jìn)行電解反 應(yīng)，就可以通過測量進(jìn)行電解反應(yīng)所消耗的電量(庫倫數(shù))，得到電極上起反 應(yīng)的物質(zhì)的量。所謂100%的電流效率，指電解時電極上只發(fā)生主反應(yīng)，不 發(fā)生副反應(yīng)。影響電流效率的主要因素有溶劑的電極反應(yīng)、電解質(zhì)中的雜 質(zhì)在電極上的反應(yīng)、溶液中可溶性氣體的電極反應(yīng)、電極自身的反應(yīng)等。
缺點(diǎn)針對弱電解質(zhì)在陽極或陰極上無法施加最小電位與控制電流的方 法。如水電解過程中，陰、陽兩極需要較大電位差，電能的消耗為電解化學(xué) 式
能量(電)2H20 — 02T+ 2H2T+熱能(溫度) 陰極 2H20 +2e- — H2T+ 20HT
陽極 40H- — 02T+ 2H20 +4e-
所以現(xiàn)有的電解池原理在水電解過程中，陰、陽兩極需要較大電位差， OH—在陽極失去電子，被氧化成氧氣放出；H+在陰極得到電子，被還原成氫 氣放出，同時電解池?zé)崮芟妮^大。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的電解池原理及技術(shù)裝置的不足，本發(fā)明提供一種"穩(wěn)定 強(qiáng)電場恒電流電解池及其電解裝置"。該穩(wěn)定強(qiáng)電場恒電流電解池及其電解 裝置能夠提高電解過程的工作效率，減少其中的熱損耗，尤其應(yīng)用在弱電解 質(zhì)的電解分析中電解效率較高。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是
一種穩(wěn)定強(qiáng)電場恒電流電解池，在電解池中裝有電解質(zhì)，并設(shè)有分別與 低壓直流電源連接的低壓陰極板和低壓陽極板，該陰極板與陽極板之間設(shè)有 隔板或離子交換膜，其特征是電解池中還設(shè)有高電壓電源系統(tǒng)，該高電壓 電源系統(tǒng)分別與高壓陰極板、高壓陽極板連接；所述的高壓陰極板與所述的 低壓陰極板組成復(fù)合陰極板；在該復(fù)合陰極板中的高壓陰極板外表面設(shè)有絕 緣層，使該高壓陰極板與低壓陰極板、該高壓陰極板與電解質(zhì)，均呈電隔離； 所述的高壓陽極板的外表面設(shè)有絕緣層，使該高壓陽極板與低壓陽極板、該 高壓陽才及^1與電解質(zhì)，均呈電隔離。
所述的高壓陰極板與高壓陽極板，其中的低壓陰極板和低壓陽極板，可 以采用以下形式i殳置
1、 所述的高壓陰極板、高壓陽極板分別包裹在各自的絕緣層中，各自 的絕緣層的外面分別包裹有所述的低壓陰極板和低壓陽極板；
2、 所述的高壓陰極板、高壓陽極板分別被包裹在各自的絕緣層中，所 述的低壓陰極板和低壓陽極板分別包裹各自的絕緣層，或可以是兩個高壓電 極板之間的內(nèi)側(cè)；或兩個高壓電極板的外側(cè)。
換言之，本發(fā)明的方案是穩(wěn)定強(qiáng)電場恒電流電解池主要由兩個相互隔離的高壓電源與低壓恒流電源；電隔離復(fù)合電極板形成的雙電極陰、陽極板； 離子交換隔板；電解槽所組成。兩個相互隔離的高壓電源與低壓恒流電源系 統(tǒng)，由一個高電壓電源系統(tǒng)提供電解池中電隔離復(fù)合電極的陰、陽極板與電 解質(zhì)之間，形成穩(wěn)定強(qiáng)電場。另一個低壓恒流電源系統(tǒng)，主要提供電解池中 電隔離復(fù)合電極的陰、陽極板與電解質(zhì)之間，形成低電壓恒定的電流。電隔 離復(fù)合電極板是一種提供兩種電源電位的、電隔離的電解極板。
本發(fā)明所說的高電壓及高電壓電源，是根據(jù)電解槽的大小，陰、陽極板 之間距離，高壓電源電壓范圍在幾十伏到上千伏的直流電壓之間選擇；
本發(fā)明所說的低電壓及低電壓電流源，是根據(jù)電解槽的大小，電極上反 應(yīng)的物質(zhì)量，使其電流范圍在小于1安培與上千安培電流之間選擇。
由以上所述的穩(wěn)定強(qiáng)電場恒電流電解池構(gòu)成的電解法制備氫、氧的電解 裝置，其結(jié)構(gòu)是所述的一個復(fù)合陰極板與一個所述的復(fù)合陽極板，及該復(fù) 合陰極板與復(fù)合陽極板之間的隔板或離子交換膜，構(gòu)成一組電解池；若干組 所述的電解池共同設(shè)置在一個電解質(zhì)槽內(nèi)，構(gòu)成本發(fā)明的電解裝置。
換言之，本發(fā)明所述的一種穩(wěn)定強(qiáng)電場恒電流電解池及其電解裝置，是 采用兩個相互隔離的高壓電源與低壓恒流電源；多組電隔離復(fù)合電極板形成 的雙電極陰、陽極板；多組離子交換隔板；電解槽所組的電解裝置。
本發(fā)明所述的一種穩(wěn)定強(qiáng)電場恒電流電解池及其電解裝置與單一低壓 電源電解裝置的分解電壓和析出電位，參看附圖7所示。
本發(fā)明能夠提高電解過程的工作效率，減少其中的熱損耗，尤其應(yīng)用在 弱電解質(zhì)的電解分析中電解效率較高。附圖7說明本發(fā)明使電解過程的分 解電壓大幅降低。本發(fā)明所述的電解池中裝有電解質(zhì)，是采用弱電解質(zhì)，該弱電解質(zhì)是一 種弱導(dǎo)電水溶液或熔融狀態(tài)下的化合物，如弱酸、弱堿或水。水電解的速率 于導(dǎo)電性成正比，水分子是電偶極子分子，水在弱電場條件下時是弱電解質(zhì)， 水在強(qiáng)電場條件下電偶極子變形拉長，電偶極子相位增強(qiáng)，導(dǎo)電性提高。


圖1為現(xiàn)有電解池原理示意圖； 圖2為本發(fā)明電解池原理示意圖3-l、圖3-2、圖3-3為穩(wěn)定強(qiáng)電場恒電流電解池裝置結(jié)構(gòu)圖； 圖4-1、圖4-2為穩(wěn)定強(qiáng)電場恒電流電解池裝置剖面圖； 圖5-1~圖5-4為穩(wěn)定強(qiáng)電場恒電流電解池電隔離復(fù)合電才及板結(jié)構(gòu)圖； 圖6為穩(wěn)定強(qiáng)電場恒電流電解池裝置工作原理圖； 圖7為穩(wěn)定強(qiáng)電場恒電流電解池裝置分解電壓析出曲線圖。
具體實施例方式
實施例l， 一種穩(wěn)定強(qiáng)電場恒電流電解池及其電解裝置，參照圖2所示， 一種穩(wěn)定強(qiáng)電場恒電流電解池是由低壓恒流電源2.1 、陰極電隔離復(fù)合電極板 2.2、電解槽2.3、陽極電隔離復(fù)合電極板2.4、離子交換隔板2.5、高壓電場負(fù) 電位極2.6、高壓電場正電位極2.7、穩(wěn)定高壓電源2.8主要部件所組成。
本實施例為陰極電隔離復(fù)合電極板2.2、陽極電隔離復(fù)合電極板2.4，是 由表面金屬電解層，中間絕緣層、中心金屬薄板三層組合而成。陰、陽電隔 離復(fù)合電極板的表面金屬電解層，分別連接低電壓恒流電源2.1的負(fù)極與正 極。陰、陽電隔離復(fù)合電極板的中心金屬薄板極的高壓電場負(fù)電位極2.6、高 壓電場正電位極2.7，分別連接高壓穩(wěn)定電源2.8的負(fù)極與正極。本實施例的工作原理是在電解池中的水弱電解質(zhì)，在高壓穩(wěn)定電源2.8 分別連接陰、陽極板中心的高壓電場電位極，使陰、陽極板與電解質(zhì)之間形 成高壓穩(wěn)定強(qiáng)電場，而弱電解質(zhì)在高壓穩(wěn)定強(qiáng)電場條件下，電偶極子分子組 成電極性排列，提高了弱電解質(zhì)的導(dǎo)電性。這時低電壓恒流電源2.1分別連接 陰、陽極板表面的低電位極，使陰、陽極板表面的低電位極與電解質(zhì)之間， 可以形成低電壓的、穩(wěn)定大電流的電解分析，應(yīng)為水電解的速率于導(dǎo)電性成 正比。
參照圖3-1~圖3-3、圖4-l、 4-2:由塑料蓋板l、塑料槽2、塑料氣體隔離 體3、硅膠隔離墊4、離子交換隔離板5、電隔離復(fù)合電極板6 (其中分別包括 有陰極電隔離復(fù)合電極板2.2、陽極電隔離復(fù)合電極板2.4)構(gòu)成電解槽， 槽內(nèi)裝有水電解質(zhì)8;電解槽上設(shè)有進(jìn)水螺孔7、氫氣出管9、放水螺蓋IO、 氧氣出管ll、恒流電源負(fù)電位連接器12、高電壓電源負(fù)電位連接器13、高電 壓電源正電位連接器14、恒流電源正電位連接器15、氫氣通道16、氧氣通道 17、隔離復(fù)合電極板恒流負(fù)電位連接桿18、隔離復(fù)合電極板高電壓電源負(fù)電 位連接桿19、氫氣出孔20、氧氣出孔21、隔離復(fù)合電極板恒流正電位連接桿 22、隔離復(fù)合電極板高電壓電源正電位連接桿23、水位閥孔24、浮子閥桿25、 水位線26,共同組成氫氧氣水電解裝置。
本實施例的穩(wěn)定強(qiáng)電場恒電流電解池及其電解裝置的主要發(fā)明特征為 電解池采用相互電隔離的高壓電源與低壓恒流電源，分別交錯有序供給各個 電隔離復(fù)合電極陰、陽板，使各個電隔離復(fù)合電極陰、陽板與電解質(zhì)之間， 相互形成強(qiáng)電場與低電壓電解恒電流。相互交錯的水電解質(zhì)中，JT在陰極得 到電子，被還原成氫氣放出，經(jīng)氫氣出孔20、氫氣通道16,由氬氣出管9輸出。相互交錯的水電解質(zhì)中，OH-在陽極失去電子，被氧化成氧氣放出，經(jīng) 氧氣出孔21、氧氣通道17，由氧氣出管ll輸出。水位閥孔24、浮子閥桿25、 水位線26所組成自動補(bǔ)水裝置。當(dāng)水位下降時浮子閥桿25同步下降，這時水 位閥孔24打開，開始給電解槽補(bǔ)水。當(dāng)補(bǔ)水到水位線26時，浮子閥桿25同步 上升關(guān)閉水位閥孔24,補(bǔ)水停止。
參照圖5-1~圖5-4,本實施例的穩(wěn)定強(qiáng)電場恒電流電解池及其電解裝置中 電隔離復(fù)合電極板6結(jié)構(gòu)，滿足接入高壓電位于低壓電位的電隔離工作要求， 其主要結(jié)構(gòu)組成為電極板外金屬電解面6.1、電極板中間絕緣層6.2、電極 板中心導(dǎo)電金屬層6.3所組成的電隔離復(fù)合電極板。
本實施例"一種穩(wěn)定強(qiáng)電場恒電流電解池及其電解裝置"中電隔離復(fù)合 電極板6結(jié)構(gòu)，有低電壓恒流電源電位連接端子與高壓電源電場電位連接端 子。電極板中間絕緣層6.2,可以采用聚四氟乙烯材料或其它高絕緣材料。
參照圖6所示，本實施例"一種穩(wěn)定強(qiáng)電場恒電流電解池及其電解裝置" 工作電路原理是電解槽中多個電隔離復(fù)合電極板6之間，相互交錯的并聯(lián) 電位，分別連接高壓電源與低電壓恒流電源的正負(fù)極。使相互之間電隔離復(fù) 合電極板6形成陰、陽電極板，并且在陰、陽電極板與電解質(zhì)中形成強(qiáng)電場 與低電壓恒電流的工作狀態(tài)，有利弱電解質(zhì)提高導(dǎo)電率，提高電解出氣率， 降低電解槽的熱損耗，達(dá)到節(jié)約電能消耗的目的。
權(quán)利要求
1、一種穩(wěn)定強(qiáng)電場恒電流電解池，在電解池中裝有電解質(zhì)，并設(shè)有分別與低壓直流電源連接的低壓陰極板和低壓陽極板，該陰極板與陽極板之間設(shè)有隔板或離子交換膜，其特征在于電解池中還設(shè)有高電壓電源系統(tǒng)，該高電壓電源系統(tǒng)分別與高壓陰極板、高壓陽極板連接；所述的高壓陰極板與所述的低壓陰極板組成復(fù)合陰極板；在該復(fù)合陰極板中的高壓陰極板外表面設(shè)有絕緣層，使該高壓陰極板與低壓陰極板、該高壓陰極板與電解質(zhì)，均呈電隔離；所述的高壓陽極板的外表面設(shè)有絕緣層，使該高壓陽極板與低壓陽極板、該高壓陽極板與電解質(zhì)，均呈電隔離。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的穩(wěn)定強(qiáng)電場恒電流電解池，其特征在于所 述的高壓陰極板與高壓陽極板，其中的低壓陰極板和低壓陽極板，是采用以 下形式設(shè)置所述的高壓陰極板、高壓陽極板分別被包裹在各自的絕緣層中，各自的 絕緣層的外面，可以是兩個高壓電極板之間內(nèi)側(cè)；或兩個高壓電極板的外側(cè)， 分別包裹有所述的低壓陰極板和低壓陽極板；所述的高壓陰極板、高壓陽極板分別被包裹在各自的絕緣層中，所述的 低壓陰極板和低壓陽極板分別包裹各自的絕緣層。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的穩(wěn)定強(qiáng)電場恒電流電解池，其特征在于所 述的電解池中的電解質(zhì)，是采用弱電解質(zhì)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的穩(wěn)定強(qiáng)電場恒電流電解池，其特征在于所 述的弱電解質(zhì)是一種弱導(dǎo)電水溶液或熔融狀態(tài)下的化合物。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的穩(wěn)定強(qiáng)電場恒電流電解池，其特征在于所 述的弱電解質(zhì)選自弱酸、弱堿或水。
6、 一種權(quán)利要求1所述的穩(wěn)定強(qiáng)電場恒電流電解池構(gòu)成的電解法制備 氫、氧的電解電解裝置，其特征在于，其結(jié)構(gòu)是所述的一個復(fù)合陰極板與 一個所述的復(fù)合陽極板，及該復(fù)合陰極板與復(fù)合陽極板之間的隔板或離子交 換膜，構(gòu)成一組電解池；若干組所述的電解池共同設(shè)置在一個電解質(zhì)槽內(nèi)， 構(gòu)成本發(fā)明的電解裝置。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的電解法制備氫、氧的電解裝置，其特征在于， 具體結(jié)構(gòu)是由塑料蓋板l、塑料槽2、塑料氣體隔離體3、硅膠隔離墊4、 離子交換隔離板5、電隔離復(fù)合電極板6 (其中分別包括有陰極電隔離復(fù) 合電極板2.2、陽極電隔離復(fù)合電極板2.4)構(gòu)成電解槽，槽內(nèi)裝有水電解質(zhì) 8;電解槽上設(shè)有進(jìn)水螺孔7、氫氣出管9、放水螺蓋10、氧氣出管11、恒 流電源負(fù)電位連接器12、高電壓電源負(fù)電位連接器13、高電壓電源正電位 連接器14、恒流電源正電位連接器15、氫氣通道16、氧氣通道17、隔離復(fù) 合電極板恒流負(fù)電位連接桿18、隔離復(fù)合電極板高電壓電源負(fù)電位連接桿 19、氫氣出孔20、氧氣出孔21、隔離復(fù)合電極板恒流正電位連接桿22、隔 離復(fù)合電極板高電壓電源正電位連接桿23、水位閥孔24、浮子閥桿25、水 位線26，共同組成氫氧氣水電解裝置。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的電解法制備氫、氧的電解裝置，其特征在于， 所述電隔離復(fù)合電極板6的結(jié)構(gòu)為電極板外金屬電解面6.1、電極板中間絕 緣層6.2、電極板中心導(dǎo)電金屬層6.3所組成的電隔離復(fù)合電極板；電極板中 間絕緣層6.2,采用聚四氟乙烯材料或其它絕緣材料。
全文摘要
穩(wěn)定強(qiáng)電場恒電流電解池，在電解池中裝有電解質(zhì)，并設(shè)有分別與低壓直流電源連接的低壓陰極板和低壓陽極板，該陰極板與陽極板之間設(shè)有隔板或離子交換膜，特征是電解池中還設(shè)有高電壓電源系統(tǒng)，該高電壓電源系統(tǒng)分別與高壓陰極板、高壓陽極板連接；所述的高壓陰極板與所述的低壓陰極板組成復(fù)合陰極板；在該復(fù)合陰極板中的高壓陰極板外表面設(shè)有絕緣層，使該高壓陰極板與低壓陰極板、該高壓陰極板與電解質(zhì)，均呈電隔離；所述的高壓陽極板的外表面設(shè)有絕緣層，使該高壓陽極板與低壓陽極板、該高壓陽極板與電解質(zhì)，均呈電隔離。本發(fā)明能夠提高電解過程的工作效率，減少其中的熱損耗，尤其應(yīng)用在弱電解質(zhì)的電解分析中電解效率較高。
文檔編號C25C7/00GK101532146SQ20091002563
公開日2009年9月16日 申請日期2009年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月3日
發(fā)明者毛星原, 郭建國 申請人:郭建國;毛星原