论文部分内容阅读
摘 要：根据电解水的原理，设计并制作出一种便携式车载氢氧节能环保设备，将汽车发电机盈余电力转化为氢氧气体再通入发动机，实现氢氧辅助燃烧，使发动机燃料充分燃烧，达到节能减排的目的。
关键词：碱性电解水 汽车燃油 环保设备
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-236-02
随着我国经济的快速增长，能源短缺和环境污染问题越来越严重， 实现节能减排的目标面临着十分严峻的形势。在传统汽车行业普遍仍以汽油柴油等不可再生能源产生动力，但能量有效利用率很低，大部分都被浪费了。鉴于氢能源的可再生性，纯水排放的无污染性及高能量转化率，氢能源的利用对于传统燃油具有良好的辅助甚至替代特性。
本次研究旨在开发一款小型化的车载氢氧节能环保及利用装置，基于传统发动机有效能量利用率低的特点，将发电机盈余电力转化为氢氧气体再通入发动机，利用氢气和燃油共同作为燃料，实现氢氧辅助燃烧，使发动机燃料充分燃烧，达到节油目的，同时大大减少尾气中有害气体排放。
1 工作原理
1.1 电解水原理
碱性电解水制氢是相对成熟的制氢方法之一，它操作简单，制得的氢气纯度高，是实现大规模生产氢气的重要手段。
当两个电极（阴极和阳极）分别通上直流电，并且浸入碱性水中时，水将在阴极和阳极被分解为氢气和氧气，这个过程就是水电解，发生装置则被称为电解槽。水电解分别由发生在阴极和阳极的两个化学反应组成：
在直流电的作用下，水分子与电子结合在阴极析出和离子，离子通过电解质溶液和极板到达阳极，失去电子析出氧气。
1.2 电解能耗
纯水的理论电解电压为1.23Vdc，而实际电解电压在电解液为KOH溶液时为1.67V，这个实际电解电压与理论电解电压的差别是由于电极的极化作用引起的。而实际用于生产的水电解质氢装置的电解电压一般为1.9～2.2V，这是由于实际的电解槽不仅有极化作用，同时还有极板和电解液的电阻等综合因素的影响。根据法拉第定律，在标况下制取10m3氢气的理论消耗电量：
电能消耗（W）与电解电压（V）和电量（Q）成正比，因此，理论电解消耗（W）：
因为电解电压是理论电解电压的1.5～2倍，所以在标况下生产1.0m3氢气实际电能消耗为4.5～6kwh。
2 数学建模
此次项目的设计指标：在不超过汽车电瓶的额定电压和电流的情况下，使电解装置的产气总量要达到1200mL/min。
2.1 气体总产量
由电流的定义得单位时间内通过每个小室的电荷量q1等于电解回路中的总电流I。每个电子所带电荷量为q0=1.602€？0-19C，则通过每块极板的电子数N为：
由阿伏伽德罗常数NA=6.0221367€？023，得通过n0个小室的电子摩尔数n为：
由电解方程式（2）、（3）得，每产生1molH2需消耗2mol电子，氢气的产量是氧气的二倍，则n0个小室产生氢气的摩尔数n和氧气的摩尔数n为：
常温下气体的摩尔气体常数r=22.4L/mol，则常温下气体的总体积V为：
一般汽车发电机所能提供的额定电压EN为24V，额定电流IN为15A。水的理论电解电压E'O为1.23V，而实际电解电压E'O往往要大于理论电压。通过实验测得通入装置的总电压E为21V，总电流I为13A，总的电解小室个数n0为9。
将设定的参数带入，可得在常温下理论每分钟产生气体的总体积V，即：
2.2 有效电解面积
由通过装置的总电流I=13A和截面电流密度J=2000A/m2，可推算出电极板的有效电解面积S为：
2.3 水的消耗
根据电解方程式（3）可计算出标准状况下每生产1.0m3氢气，理论上消耗804g纯水。在实际生产过程中纯水的消耗要高一些，因为在生产过程中有一部分水以水蒸汽的形式被氢气和氧气带出。在标况下电解产生1.0m3氢气，实际消耗纯水0.9L左右。
3 装置设计
3.1 结构设计
项目选用电解槽类型为碱性电解槽，为了能达到技术指标，设计了9个电解小室单元。由于受到额定电流的限制，每个小室采用串联的方式。由于电解过程中电解槽内产生大量气泡，槽内液体呈泡沫状，不利于气体排出，且极大的影响电解效率。因此电解槽整体设计采用强迫水循环方式，通过循环水泵使电解槽与循环水箱中的水循环流动，不仅有利于电解液的冷却，同时能将电解产生的气体收集于循环水箱再通入发动机进气口。为了能达到一定的续航能力，又增添2L容量的蓄水水箱。由于电解液的浓度对电解过程有很大的影响，而且电解过程中损耗的只有水，还可以利用蓄水水箱每次加的纯水来保证电解液的浓度在一定的范围内，来保证电解的效率。故装置结构主要由蓄水水箱、循环水箱、电解槽、散热风扇、控制电路及循环水泵等组成，两个水箱中都装有液位传感器，以便检测水箱液位。
3.2 电路设计
由于电解过程中，电解液的发热和装置产生的大量气泡，都会使电解液的电阻有所增大。为了保证电解的效率，就必须保证一定的电流密度，这就要求设计的电路能够自动调节，使电流在一个合适的范围内变化。一般的降压芯片难以承受如此大的电流，故采用并联两路分流的方式来提供电解所需电流。通过霍尔电流传感器采集电路中总电流的大小，当电流偏小时，通过步进电机增大输出电阻，从而改变输出的电压，反之则减小。
3.3 控制系统设计
整个装置的控制是由单片机来实现的，通过比较传感器的采集量，来控制装置的运作，具体控制如下所示：
液位的控制：装置开始正常运行后，通过浮标液位传感器的检测结果来控制是否给循环水箱加水。如需加水，则打开电磁阀，加完水以后关闭电磁阀。通过投入式液位传感器的检测结果控制整个装置的运行，当蓄水水箱和循环水箱都没有水时，关闭整个装置的运行。液位控制流程图如图1所示。
电解效率的控制：装置开始正常运行后，通过霍尔电流传感器的检测结果，判断电解回路中的电流是否低于设定值，若低于，则增大输出电压，反之则减小，以此来保证电解电流，同时保证电解效率。
4 实验结果与分析
实验采用了30V20A的电源，电解质溶液为32%KOH溶液，利用产生的氢氧气体不溶于水的特性，采用排水法收集气体，同时可以将蒸发出来的水蒸气液化。通过测量和计算，列出了装置的电解出气速度表，如表1所示。
由表1可得气体的平均出气率为1197.6mL/min，基本上达到了设计目标，每小时的功耗在130kw左右，同时气体在不同阶段的出气率的波动也比较小。
5 结束语
本项目设计制作的节能环保设备，能够保证一定的续航能力，同时保证比较均匀的产气速度，在给定条件下，能够提供将近1200mL/min的产气量，消耗功率比较低，可以达到节能减排的目的，在节能环保方面可以带来很大地好处。
参考文献：
[1] 罗太刚. 水电解制氢装置计算机控制系统的设计与开发[D].天津大学，2008.
[2] 王庆斌，薛贺来，马强.中压SPE水电解制氢装置研究[J].气体分离，2010（2）.
关键词：碱性电解水 汽车燃油 环保设备
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-236-02
随着我国经济的快速增长，能源短缺和环境污染问题越来越严重， 实现节能减排的目标面临着十分严峻的形势。在传统汽车行业普遍仍以汽油柴油等不可再生能源产生动力，但能量有效利用率很低，大部分都被浪费了。鉴于氢能源的可再生性，纯水排放的无污染性及高能量转化率，氢能源的利用对于传统燃油具有良好的辅助甚至替代特性。
本次研究旨在开发一款小型化的车载氢氧节能环保及利用装置，基于传统发动机有效能量利用率低的特点，将发电机盈余电力转化为氢氧气体再通入发动机，利用氢气和燃油共同作为燃料，实现氢氧辅助燃烧，使发动机燃料充分燃烧，达到节油目的，同时大大减少尾气中有害气体排放。
1 工作原理
1.1 电解水原理
碱性电解水制氢是相对成熟的制氢方法之一，它操作简单，制得的氢气纯度高，是实现大规模生产氢气的重要手段。
当两个电极（阴极和阳极）分别通上直流电，并且浸入碱性水中时，水将在阴极和阳极被分解为氢气和氧气，这个过程就是水电解，发生装置则被称为电解槽。水电解分别由发生在阴极和阳极的两个化学反应组成：
在直流电的作用下，水分子与电子结合在阴极析出和离子，离子通过电解质溶液和极板到达阳极，失去电子析出氧气。
1.2 电解能耗
纯水的理论电解电压为1.23Vdc，而实际电解电压在电解液为KOH溶液时为1.67V，这个实际电解电压与理论电解电压的差别是由于电极的极化作用引起的。而实际用于生产的水电解质氢装置的电解电压一般为1.9～2.2V，这是由于实际的电解槽不仅有极化作用，同时还有极板和电解液的电阻等综合因素的影响。根据法拉第定律，在标况下制取10m3氢气的理论消耗电量：
电能消耗（W）与电解电压（V）和电量（Q）成正比，因此，理论电解消耗（W）：
因为电解电压是理论电解电压的1.5～2倍，所以在标况下生产1.0m3氢气实际电能消耗为4.5～6kwh。
2 数学建模
此次项目的设计指标：在不超过汽车电瓶的额定电压和电流的情况下，使电解装置的产气总量要达到1200mL/min。
2.1 气体总产量
由电流的定义得单位时间内通过每个小室的电荷量q1等于电解回路中的总电流I。每个电子所带电荷量为q0=1.602€？0-19C，则通过每块极板的电子数N为：
由阿伏伽德罗常数NA=6.0221367€？023，得通过n0个小室的电子摩尔数n为：
由电解方程式（2）、（3）得，每产生1molH2需消耗2mol电子，氢气的产量是氧气的二倍，则n0个小室产生氢气的摩尔数n和氧气的摩尔数n为：
常温下气体的摩尔气体常数r=22.4L/mol，则常温下气体的总体积V为：
一般汽车发电机所能提供的额定电压EN为24V，额定电流IN为15A。水的理论电解电压E'O为1.23V，而实际电解电压E'O往往要大于理论电压。通过实验测得通入装置的总电压E为21V，总电流I为13A，总的电解小室个数n0为9。
将设定的参数带入，可得在常温下理论每分钟产生气体的总体积V，即：
2.2 有效电解面积
由通过装置的总电流I=13A和截面电流密度J=2000A/m2，可推算出电极板的有效电解面积S为：
2.3 水的消耗
根据电解方程式（3）可计算出标准状况下每生产1.0m3氢气，理论上消耗804g纯水。在实际生产过程中纯水的消耗要高一些，因为在生产过程中有一部分水以水蒸汽的形式被氢气和氧气带出。在标况下电解产生1.0m3氢气，实际消耗纯水0.9L左右。
3 装置设计
3.1 结构设计
项目选用电解槽类型为碱性电解槽，为了能达到技术指标，设计了9个电解小室单元。由于受到额定电流的限制，每个小室采用串联的方式。由于电解过程中电解槽内产生大量气泡，槽内液体呈泡沫状，不利于气体排出，且极大的影响电解效率。因此电解槽整体设计采用强迫水循环方式，通过循环水泵使电解槽与循环水箱中的水循环流动，不仅有利于电解液的冷却，同时能将电解产生的气体收集于循环水箱再通入发动机进气口。为了能达到一定的续航能力，又增添2L容量的蓄水水箱。由于电解液的浓度对电解过程有很大的影响，而且电解过程中损耗的只有水，还可以利用蓄水水箱每次加的纯水来保证电解液的浓度在一定的范围内，来保证电解的效率。故装置结构主要由蓄水水箱、循环水箱、电解槽、散热风扇、控制电路及循环水泵等组成，两个水箱中都装有液位传感器，以便检测水箱液位。
3.2 电路设计
由于电解过程中，电解液的发热和装置产生的大量气泡，都会使电解液的电阻有所增大。为了保证电解的效率，就必须保证一定的电流密度，这就要求设计的电路能够自动调节，使电流在一个合适的范围内变化。一般的降压芯片难以承受如此大的电流，故采用并联两路分流的方式来提供电解所需电流。通过霍尔电流传感器采集电路中总电流的大小，当电流偏小时，通过步进电机增大输出电阻，从而改变输出的电压，反之则减小。
3.3 控制系统设计
整个装置的控制是由单片机来实现的，通过比较传感器的采集量，来控制装置的运作，具体控制如下所示：
液位的控制：装置开始正常运行后，通过浮标液位传感器的检测结果来控制是否给循环水箱加水。如需加水，则打开电磁阀，加完水以后关闭电磁阀。通过投入式液位传感器的检测结果控制整个装置的运行，当蓄水水箱和循环水箱都没有水时，关闭整个装置的运行。液位控制流程图如图1所示。
电解效率的控制：装置开始正常运行后，通过霍尔电流传感器的检测结果，判断电解回路中的电流是否低于设定值，若低于，则增大输出电压，反之则减小，以此来保证电解电流，同时保证电解效率。
4 实验结果与分析
实验采用了30V20A的电源，电解质溶液为32%KOH溶液，利用产生的氢氧气体不溶于水的特性，采用排水法收集气体，同时可以将蒸发出来的水蒸气液化。通过测量和计算，列出了装置的电解出气速度表，如表1所示。
由表1可得气体的平均出气率为1197.6mL/min，基本上达到了设计目标，每小时的功耗在130kw左右，同时气体在不同阶段的出气率的波动也比较小。
5 结束语
本项目设计制作的节能环保设备，能够保证一定的续航能力，同时保证比较均匀的产气速度，在给定条件下，能够提供将近1200mL/min的产气量，消耗功率比较低，可以达到节能减排的目的，在节能环保方面可以带来很大地好处。
参考文献：
[1] 罗太刚. 水电解制氢装置计算机控制系统的设计与开发[D].天津大学，2008.
[2] 王庆斌，薛贺来，马强.中压SPE水电解制氢装置研究[J].气体分离，2010（2）.