一种等离子体射流电解装置及方法

本发明属于等离子体，涉及一种等离子体射流电解装置及方法。

背景技术：

1、在世界能源技术体系以绿色低碳为目标的背景下，利用可再生能源生产氢气，被认为是未来最有前途的储能方式。因此利用可再生能源将水电解为氢气和氧气是一项关键的技术，目前三种主流的电解水制氢技术是：碱性电解水制氢（awe），质子交换膜电解水制氢（pem），固体氧化物制氢。其中awe技术已经成为目前最成熟的电解水制氢技术，具有成本低，运行时间长的特点，在世界范围内应用广泛，但其存在强碱环境导致设备腐蚀的问题，同时高电阻率导致电流密度降低。此外碱性电解槽无法快速启动，其解决方法是在功率不变的情况下，减低电压，增大电流，需要高性能的电极材料。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供一种等离子体射流电解装置，将等离子体作为电解电极，克服了强碱环境对电极腐蚀的问题，降低了电解系统的电阻率，提高了制氢系统的电流密度和制氢效率。

2、本发明的另一目的是，提供一种等离子体射流电解装置的电解方法。

3、本发明所采用的技术方案是，一种等离子体射流电解装置，包括电解槽、等离子体射流发生装置，所述等离子体射流发生装置为同轴型介质阻挡放电结构，等离子体射流发生装置的高压电极与交流激励电源电性连接，蒸汽发生器为等离子体射流发生装置的反应腔体供给水蒸气；

4、两个直流电极分别被所述等离子体射流发生装置产生的等离子体射流包裹，两个直流电极分别连接直流激励电源的正极和负极，用于产生传导电流的等离子体射流电极，等离子体射流电极接入所述电解槽对水进行电解；同时部分等离子体在直流激励电源的激励下直接发生得失电子的化学反应，生成氢气和氧气。

5、进一步的，所述等离子体射流发生装置的反应腔体为两个圆柱形的绝缘材质的等离子体射流电极反应腔，每个等离子体射流电极反应腔的外壁紧密包裹有高压电极，组成同轴型介质阻挡放电结构；

6、两个所述高压电极通过导线连接于交流激励电源的两端，为等离子体的发生提供激励电源；

7、蒸汽发生器向两个所述等离子体射流电极反应腔内供给水蒸气；

8、两个所述等离子体射流电极反应腔分别与电解槽密封连接，两个所述等离子体射流电极反应腔内分别安装有阳极电极和阴极电极，阳极电极与直流激励电源的正极相连，阴极电极与直流激励电源的负极相连，阳极电极和阴极电极在直流激励电源的激励下不断对流过的等离子体射流充电，在电解槽内形成等离子体射流电极，进行电解水。

9、进一步的，所述等离子体射流发生装置的反应腔体为一个圆柱形的等离子体射流反应腔，等离子体射流反应腔的外壁紧密包裹有高压电极，等离子体射流反应腔的中轴位置嵌设有地电极，地电极通过导线接地；等离子体射流反应腔的两侧设有等离子体射流出口；

10、所述等离子体射流反应腔的中部设有水蒸气进气口，水蒸气进气口与蒸汽发生器密封连接；

11、所述高压电极与交流激励电源电性连接，在交流激励电源的作用下，产生等离子体射流并从两侧的等离子体射流出口流出；

12、两个等离子体射流出口分别与两个直流电极反应腔的射流进入口通过螺纹联接结构密封连接，两个直流电极反应腔的轴心位置分别固定有阳极电极和阴极电极，阳极电极连接直流激励电源的正极，阴极电极连接直流激励电源的负极，两个直流电极反应腔的射流出气口通过气体管道与电解槽密封连接，阳极电极和阴极电极在直流激励电源的激励下不断对流过的等离子体射流充电，在电解槽内形成等离子体射流电极，进行电解水。

13、进一步的，所述等离子体射流发生装置的反应腔体为两个独立的等离子体射流反应腔，每个等离子体射流反应腔的外壁紧密包裹有高压电极，等离子体射流反应腔的中轴位置嵌设有地电极，地电极通过导线接地；

14、交流激励电源的两端通过导线连接结构相同、对称分布的两个所述等离子体射流反应腔外壁的高压电极，为等离子体的发生提供激励电源；

15、蒸汽发生器向结构相同的两个所述等离子体射流反应腔供给水蒸气；

16、每个等离子体射流反应腔的设有一个等离子体射流出口，两个等离子体射流出口分别与两个直流电极反应腔的射流进入口通过螺纹联接结构密封连接，两个直流电极反应腔的轴心位置分别固定有阳极电极和阴极电极，阳极电极连接直流激励电源的正极，阴极电极连接直流激励电源的负极，两个直流电极反应腔的射流出气口通过气体管道与电解槽密封连接，阳极电极和阴极电极在直流激励电源的激励下不断对流过的等离子体射流充电，在电解槽内形成等离子体射流电极，进行电解水。

17、进一步的，所述阳极电极和阴极电极分别通过电极固定导电螺栓固定于直流电极反应腔的轴心位置，阳极电极的电极固定导电螺栓通过导线连接直流激励电源的正极，阴极电极的电极固定导电螺栓通过导线连接直流激励电源的负极。

18、进一步的，所述等离子体射流发生装置反应腔体与蒸汽发生器通过气体管道密封连接，控制通入水蒸气气体的流速和流量。

19、进一步的，两个所述直流电极反应腔的射流出气口与电解槽密封连接的气体管道上安装有气体阀门，用于控制等离子体射流电极的直径。

20、进一步的，所述电解槽的侧壁设有进水口，电解槽的中间设有多孔薄膜，与阳极电极、阴极电极连接的等离子体射流电极均置于电解槽中，两个等离子体射流电极之间被多孔薄膜隔开；电解槽靠近阳极电极的位置设有氧气出气口，电解槽靠近阴极电极的位置设有氢气出气口。

21、进一步的，所述阳极电极采用纯镍制得，阴极电极采用镍合金制得。

22、一种等离子体射流电解装置的电解制氢方法，包括等离子体射流的产生，直流电极激励等离子体射流和电解水；

23、所述离子体射流通过同轴型介质阻挡放电结构产生，以水蒸气为原料；

24、所述直流电极激励等离子体射流在反应腔内发生物理化学反应，等离子体射流的电子、离子在直流激励电源的激励下，定向运动，产生传导电流的等离子体射流电极；同时部分等离子体在直流激励电源的激励下直接发生得失电子的化学反应，生成氢气和氧气，随等离子体射流进入电解槽并从氢气或氧气管道流出；

25、所述电解水通过等离子体射流电极电解水得到氢气和氧气。

26、本发明的有益效果是：

27、（1）等离子体是一种被电离的气体，富含众多带电粒子，但整体是电中性；本发明将直流电极置于等离子体射流的环境中，再耦合水蒸气作为放电气体产生等离子体射流，通过等离子体射流作为媒介来电解水制氢。一方面电极具有可控性（导电电流，电极形状），电解效率达到一个新的高度；另一方面克服了电极直接与强碱溶液的接触造成的腐蚀问题。

28、（2）本发明将等离子射流作为电极，由部分电子被剥夺的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体，射流中包含的：h+、oh-、e-、o直接参与到电解的反应中去，提升反应速率和制氢效率，具有更高的电流密度，在功率不变的情况下，可以达到较低电压，较大的电流，加速碱性电解槽的快速启动。

29、（3）本发明等离子体射流制氢负载和电解水制氢负载两条支路并联，构成了整个等离子体射流电解水制氢系统；相比传统的awe技术，只有一条电解水制氢支路，由欧姆定律，并联的电阻更小，并且此系统不再是只依靠溶液中的强电解质参与电子输运，此系统具有更高的电流，更高的制氢效率。