[发明专利]对电解系统的改进

说明书

本发明涉及采用电解方法由水生产氢气和氧气，或者生产这两种气体的混合物，或者生产这两种分开的气体，本发明还涉及对这些气体的应用。本发明的实施方案特别涉及用于有效地生产这两种气体的装置，以及将这两种气体作为热源，应用于原子焊或原子切割，以及应用于气体废物的处理。

                    技术背景

在存在诸如氢氧化钠(NaOH)或氢氧化钾(KOH)等电解质的条件下将水电解以释放氢气和氧气(H₂、O₂)的技术是众所周知的。该方法包括在两个或多个阳极/阴极电极对之间施加一个DC电位差并提供用于打开H-O键所需的最低限度的能量(即每摩尔＠STP为68.3 KCal)。在生产这两种气体时，按照O₂∶H₂等于1∶2的化学计算比例分别从阳极(+)和阴极(-)上放出氧和氢。

可以参考下列文献：“Modern Electrochemistry Volume 2，John O′M.Bockris and Amulya K.N.Reddy，Plenum PublishingCorporation”，“Electro-Chemical Science，J.O′M.Bockris and D.M.Drazic，Taylor and Francis Limited”和“Fuel Cells，TheirElectrochemistry，J.O′M.Bockris and S.Srinivasan，McGraw-HillBook Company”。

有关电解方法的实验工作的讨论可以参考“HydrogenEnergy，Part A，Hydrogen Economy Miami Energy Conference，MiamiBeach，Florida，1974，edited by T.Nejat Veziroglu，Plenum Press”。特别相关的文献是由J.O′M.Bockris提供，发表于第371至379页，由F.C.Jensen和F.H.Schubert提供，发表于第425至439页以及由John B.Pangborn和John C.Sharer提供，发表于第499至508页上的几篇论文。

在大规模生产中，气体的产生量取决于许多可变因素，包括所用电解液的类型和浓度、阳极/阴极电极对的表面积、电解液的电阻(相当于离子电导率，它是一个温度的函数)、所能达到的电流密度以及阳极/阴极之间的电位差。所提供的总能量必须是以把水离子拆开以便产生氢气和氧气，以及避免构成电极的金属或导电性非金属材料发生渗镀(氧化/还原)。

还可以参考授予Yull Brown的澳大利亚专利AU 487062，该专利公开了一种用于生产氢和氧的电解槽装置，根据需要，该装置还带有一种用于防止放出的气体形成过压的安全装置。在Brown的专利中的图2示出了一个串联式的电解装置，在该装置的两个终端(22)之间有许多电极(20a、20b)，通过两个终端施加一个电压。电解槽(20)提供气体的体积流量输出，如果该气体输出不能满足特定的应用，则必须配备更大数量单独的电解槽单元，它们都按串联方式进行电连接。最终结果导致一种庞大的结构。

根据这些现有技术的装置，在不使用昂贵和复杂设备的情况下还无法提供足够大的气体流量(例如数量级10000升/小时)，而且这些装置在将电能用于生产氢气和氧气时能量转换效率很低。所以，这类装置的大规模工业实施在经济上是不可行的。

氢气和氧气的混合物(或氢气)被用来作为一种气流式燃烧的热源，例如用于加热炉中的燃烧。氢可单独用于原子切割并常常用于原子焊，虽然在Brown的专利中描述的装置使用氢和氧的混合物来进行原子焊接。近来一些工业实践的例子表明，在等离子弧中存在的氧可导致钨电极的严重氧化。

根据经验，在实现这些应用时的一个问题是必须安装有用于改变主电源电压的电开关装置，以便将电压转变到适合于电解槽组的水平(即用降压变压器实现)。这样形成的整套装置是低电能效率的和麻烦的，同时，如果需要精确地调节电压与电流(从而要调节气体流量)，则该装置还将是昂贵的。

将氢气和氧气混合成一股单独的气流后进行燃烧就可以产生非常高的温度，通常可达到约6000℃。氢/氧焊枪通常已知包含一个焊嘴或手柄，它们与一对供气管相连接，以便分别地供应氧和氢。