[发明专利]微波电解水蒸汽制备氢气的方法及其装置

说明书

本发明是一种利用微波电场电解水蒸汽制备氢的方法及其装置。

目前国内外常用的电解水制取氢气的方法有：电解液法;高温（900℃）电解水蒸汽法（《新能源》）1986年第9期;王洪昌摘译自西德《水利》1985年10期第465页，这些方法存在的缺点是：

①耗能高，常用的电解液法制取1立方米氢氯耗电3.5～4.3kwh;高温电解水蒸汽法制取1立方米氢也要耗电2.3～3kwh。

②制氢设备体积笨重，如产气量5m³/h的装置，设备重达4吨。

③消耗大、成本高，如电极板用的是镍金属，还有化工材料。

④有腐蚀性，设备复杂，且污染环境。

⑤使用900℃高温电解水蒸汽法，由于氢气的闪点低，存在一定技术问题，目前不能推广使用。

本发明的目的是提供一种新的制取氢的方法和装置，该方法效率高、耗能低、不使用电解液而直接用水蒸汽、无污染。该方法所用设备不消耗有色金属、消耗低;设备体积小，重量轻。

本发明所依据的原理是微波能使某些化学反应速度大大加快，可使气体电离形成正负离子。微波电离气体产出量取决于微波电场强度，作用时间，气体压强，作用温度，微波频率等条件。

本发明用微波发生器，发生的微波，进入电解槽，在绝对压力0.1Mpa～1Mpa，温度100℃～180℃，微波功率密度0.1/cm³～1.2w/m³微波频率800兆赫～22200兆赫，最好为900～2500兆赫，直流电场强度200～800V/m的条件下，微波加热电解槽底部的水，使之汽化，微波将水蒸汽激发到高能状态，通入的直流电场，使水蒸汽进行电解，产生氢气和氧气。

本发明的方法所用的装置为一电解槽，在电解槽内有电极板、隔膜、出气孔。电解槽同时也作为微波的矩形谐振腔，在电解槽内放有与电极板平行的网状结构的金属屏蔽栅。屏蔽栅与微波谐振腔的连接部位为抗流式小槽结构，小槽结构的深度为波长的1/4，屏蔽栅固定在谐振腔的金属侧板上;在屏蔽栅与微波谐振腔金属侧板之间垫有绝缘垫。电极板置于电解槽壁和屏蔽栅蔽间。在电解槽下部有贮水腔和进水孔。电解槽盖上有微波馈能口;在电解槽盖的下底面附着有绝缘板。

绝缘板为耐温耐压的塑料、玻璃或陶瓷。

本发明与现有技术相比具有以下的优点和效果：

①电解效率大大提高：

传统的水电解法制取1立方米氢气约耗电3.5～4.3kwh，西德高温900℃电解水蒸汽制取1立方米氢气耗电2.3～3kwh，而且采用高温法有一些技术问题尚无法解决。本发明采用100℃～180℃、0.1Mpa～1Mpa的绝对压力，技术和设备材料容易实现。用微波激励水分子，使水分子激励到较高能态，容易电解，取制1立方米氢气，耗电小于2kwh，比常规方法提高效率1倍以上。

②无腐蚀性，由于本方法不使用有腐蚀性的电解液，免除了电解液对电解槽的电极板、及其它管道腐蚀作用，故电解装置可以简化、节约耐腐蚀性的有色金属消耗，延长设备使用寿命，对环境也无污染。

③由于微波是被限制在电解槽谐振腔内，其下部的水吸收微波能、外部又有盖压封，微波不会泄漏。

④相对而言，实现本发明的方法虽要多加一套微波发生器，产生微波需消耗一部分能量。目前国内的微波炉的磁控管、效率约为50%～70%，寿命两千小时。本方法电解水蒸汽所耗电量是微波耗电和电解直流耗电之和，小于其它方法，其总的效率也优于其它方法。

图1为本发明的方法的方框示意图;

图2为本发明装置的剖视图。

图3为屏蔽栅与微波谐振腔连接部位抗流式小槽结构放大图。

下面以附图为实施例进一步说明微波电解水蒸汽制氢方法的原理和过程以及装置的详细结构。

水是极性分子，相对介电常数ε为76，损耗角正切tgδ为1570，单位体积介质以微波场中吸收的功率可由下式计算：

Pc＝5/9fE²εtgδ×10^-10（瓦/米³）

式中，Pc：被加热介质单位体积以微波场中吸收的功率E：微波电磁场强度;f：微波频率;ε：被加热物质的相对介电常数;tgδ：被加热物质的损耗角正切;εtgδ：介质损耗系数。

水的介质损耗系数（εtgδ）随着温度升高而减小，但水蒸汽仍能吸收微波能。根据量子力学理论，水分子的电子、原子受到高频电磁场（微波）的作用力，以及分子之间的相互碰撞，被激发到较高能级，再施加直流电场，很容易使水分子分解。