本發(fā)明涉及一種制氫裝置，特別涉及一種風(fēng)力電磁感應(yīng)電解制氫的裝置。

背景技術(shù)：

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

風(fēng)能制氫是風(fēng)力發(fā)電的一種應(yīng)用方式，可以在風(fēng)電無法輸入電網(wǎng)或輸入電網(wǎng)有盈余時合理消納風(fēng)電，提高了風(fēng)能的利用率。近年來基于我國風(fēng)電的大幅發(fā)展和實際利用率低的現(xiàn)實，風(fēng)能制氫開始得到發(fā)展。

目前風(fēng)能制氫的方法，一般都是把風(fēng)力發(fā)電機發(fā)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(shè)備拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示：

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

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有風(fēng)能制氫技術(shù)存在的不足，提出一種新的風(fēng)力電磁感應(yīng)電解制氫裝置。

本發(fā)明利用風(fēng)機的動力直接拖動旋轉(zhuǎn)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(nèi)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(fā)生電解反應(yīng)，在正電極上釋放出氧氣、在負電極上釋放出氫氣。本發(fā)明利用風(fēng)能直接拖動永磁旋轉(zhuǎn)盤電解電解液制成氫氣和氧氣，省去了中間能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，不僅省掉了龐大的發(fā)電機和整流裝置，還提高了能量的利用率。

本發(fā)明風(fēng)力電磁感應(yīng)電解制氫裝置，主要由風(fēng)力驅(qū)動裝置、旋轉(zhuǎn)永磁盤、電解液槽盤、氣體收集裝置組成。其中，風(fēng)力驅(qū)動裝置安裝有葉片和和風(fēng)力傳動軸，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)永磁盤轉(zhuǎn)動；電解液槽盤固定安裝在旋轉(zhuǎn)永磁盤上方，并與旋轉(zhuǎn)永磁盤同軸，兩者之間留有一定間隙；旋轉(zhuǎn)永磁盤產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,在靜止不動的電解液槽盤中產(chǎn)生感應(yīng)電壓；電解液槽盤內(nèi)外兩極通過導(dǎo)線連接形成回路，在兩極上發(fā)生電解反應(yīng)，分別產(chǎn)生氫氣和氧氣；電解反應(yīng)產(chǎn)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(zhuǎn)永磁盤由永磁體同極排布成環(huán)形，旋轉(zhuǎn)永磁盤水平放置，能夠在風(fēng)力傳動軸的拖動下定向旋轉(zhuǎn)。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(nèi)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(zhuǎn)永磁盤的旋轉(zhuǎn)方向決定。扇形槽除內(nèi)外電極外的部分由非金屬材料制作，扇形槽的內(nèi)半徑與旋轉(zhuǎn)永磁盤永磁體的內(nèi)半徑相等或略大，電解液槽盤上的扇形槽的外半徑與旋轉(zhuǎn)永磁盤永磁體的外半徑相等或略小。

本發(fā)明也可以采用旋轉(zhuǎn)永磁盤與鐵軛相組合的設(shè)計方案，把與旋轉(zhuǎn)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(cè)，提高磁場強度和均勻度，進一步提高電解效率。

本發(fā)明還可以采用永磁盤與雙鐵軛相組合的設(shè)計方案，把兩個圓盤形鐵軛與旋轉(zhuǎn)永磁盤同軸并固定在一起，圓盤形鐵軛對稱安裝于旋轉(zhuǎn)永磁盤的兩側(cè)，在旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)永磁盤代替，進一步提高磁場強度。

本發(fā)明的工作原理和工作過程如下：

旋轉(zhuǎn)永磁盤通過傳動軸在風(fēng)力的拖動下定向旋轉(zhuǎn)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，旋轉(zhuǎn)的永磁盤產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場并在靜止不動的電解液槽中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，使扇形槽內(nèi)的離子定向移動，發(fā)生電離反應(yīng)，從而產(chǎn)生氫氣和氧氣，具體如下：

永磁體的n極垂直向下，旋轉(zhuǎn)永磁盤沿順時針旋轉(zhuǎn)，則在扇形電解液槽的電解液內(nèi)產(chǎn)生以旋轉(zhuǎn)軸為由外指向內(nèi)的感應(yīng)電場，電解液槽內(nèi)任意點的感應(yīng)電場強度e如下式所示：

e＝bωr(1)

式中，b為電解液槽內(nèi)磁感應(yīng)強度，ω為磁場旋轉(zhuǎn)的角速度，r為該點到旋轉(zhuǎn)軸的半徑。

若旋轉(zhuǎn)磁盤的旋轉(zhuǎn)頻率為f，則ω＝2πf

e＝2πfbr(2)

這時電解液槽內(nèi)壁的正電極電勢高，電解液槽外壁負電極電勢低。設(shè)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(yīng)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(zhuǎn)頻率r、磁感應(yīng)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(yīng)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(yīng)為：

4oh^-＝2h2o+o2↑+4e(7)

陽極和陰極合起來的總反應(yīng)式為：

2h2o＝2h2↑+o2↑(8)

本發(fā)明通過風(fēng)力直接拖動旋轉(zhuǎn)磁盤轉(zhuǎn)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(fā)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(fā)明的陽極采用銅材，陰極換為鍍銅件，可以實現(xiàn)工件的鍍銅處理。

附圖說明

圖1專利201510481776.4的設(shè)備拓撲結(jié)構(gòu)；

圖2風(fēng)力電磁感應(yīng)電解制氫原理圖，圖中，13葉片，14永磁電解裝置；

圖3旋轉(zhuǎn)永磁盤，圖中，1永磁體，2旋轉(zhuǎn)盤，3風(fēng)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(fēng)力電磁感應(yīng)電解制氫裝置結(jié)構(gòu)圖，其中圖5a風(fēng)力電磁感應(yīng)電解制氫裝置三維視圖，圖5b風(fēng)力電磁感應(yīng)電解制氫裝置剖視圖，圖中，8旋轉(zhuǎn)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(jié)合附圖和具體實施方式進一步說明本發(fā)明。

如圖2所示，本發(fā)明利用風(fēng)能直接拖動旋轉(zhuǎn)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(fā)明主要由風(fēng)力驅(qū)動裝置、旋轉(zhuǎn)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(fēng)力驅(qū)動裝置裝有葉片13和風(fēng)力傳動軸3，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)永磁盤8，使其轉(zhuǎn)動；電解液槽盤9安裝在旋轉(zhuǎn)永磁盤上方保持靜止不動，并與旋轉(zhuǎn)永磁盤8同軸，兩者之間留有3-5mm的間隙。旋轉(zhuǎn)永磁盤8產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，在靜止不動的電解液槽中產(chǎn)生感應(yīng)電壓；電解液槽盤9內(nèi)外兩極：負電極5和正電極6，通過導(dǎo)線連接形成回路，在兩極：負電極5和正電極6上發(fā)生電解反應(yīng)，分別產(chǎn)生氧氣和氫氣；電解反應(yīng)產(chǎn)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(zhuǎn)永磁盤8由永磁體1同極排布成環(huán)形，旋轉(zhuǎn)永磁盤8水平放置，能夠在風(fēng)力傳動軸3的拖動下定向旋轉(zhuǎn)。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(nèi)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(nèi)半徑與旋轉(zhuǎn)永磁盤永磁體1的內(nèi)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(zhuǎn)永磁盤永磁體1的外半徑相等或略小。

旋轉(zhuǎn)永磁盤8通過傳動軸3在風(fēng)力的拖動下定向旋轉(zhuǎn)。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，永磁體1極性與旋轉(zhuǎn)永磁盤8的旋轉(zhuǎn)方向組合，使扇形槽4內(nèi)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(zhuǎn)永磁盤8沿順時針旋轉(zhuǎn)，則在扇形槽4的電解液7內(nèi)產(chǎn)生以旋轉(zhuǎn)軸為中心由外指向內(nèi)的感應(yīng)電場e，感應(yīng)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(zhuǎn)永磁盤8的旋轉(zhuǎn)頻率滿足所述的式(4)。

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

這樣，風(fēng)力通過葉片13和風(fēng)力傳動軸3拖動旋轉(zhuǎn)永磁盤8旋轉(zhuǎn)，在電解液槽盤9的正電極6、負電極5間通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生直流電壓，只要這個電壓高于1.23v，根據(jù)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(fā)明也可以采用如圖6所示的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)明還可以采用圖7所示的旋轉(zhuǎn)永磁盤8與雙鐵軛15相組合，把兩個圓盤形鐵軛15與旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)永磁盤8的兩側(cè)，在旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)永磁盤8替代。

本發(fā)明的實施例1，旋轉(zhuǎn)永磁盤8在電解液7中的磁場b為1t，旋轉(zhuǎn)永磁盤8的旋轉(zhuǎn)頻率f為1轉(zhuǎn)/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(zhuǎn)永磁盤8的旋轉(zhuǎn)頻率f，則可以減小扇形槽4的尺寸。本發(fā)明的實施例2，旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)永磁盤8的旋轉(zhuǎn)頻率f根據(jù)式(9)計算得到，f＝1.93—6.43轉(zhuǎn)/s：