TWI659157B - 電解海水氫氣回收與發電系統 - Google Patents

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Abstract

本發明之目的在回收生產次氯酸鈉的海水電解裝置中之氫氣，並用來推動渦輪發電機發電。本發明包含：一第一管線，其一端連結海水電解裝置輸出端，另一端向下延伸進入海中；一增壓泵，位在第一管線上，將來自海水電解裝置輸出端的含氯-氫海水打入海中；一第二管線，具有軟質管壁，其左端連結第一管線之下端；一第三管線，其下端連接第二管線之右端，另一端往海面上升；一集氣室，其直徑大於第三管線，其底面連接第三管線之上端，從底面向上約於高度二分之一的內部空間容納含氯-氫酸海水，其上部空間累積排出之氫氣；一第四管線，其一端連接集氣室頂面，另一端通向渦輪推動葉片，帶動發電機發電；一第五管線，匯集推動渦輪葉片後之氫氣；一凝縮室，將來自第五管線之氫氣凝結回收；一第六管線，一端連接開設於集氣室側壁約二分之一高度處之開口，另一端連接儲存槽；一增壓泵，位在第六管線上，將集氣室中的次氯酸鈉導入儲存槽。

Description

電解海水氫氣回收與發電系統
本發明係與海水電解系統，特別是與海水電解裝置的氫氣回收與發電系統有關者。
一般所謂電解(electrolysis)是指將電流通過電解質溶液或熔融態物質，而在陰極和陽極上引起氧化還原反應的過程。電化學電池在接受外加電壓(即充電過程)時，會發生電解過程。所有離子化合物都是電解質，因為它們溶在液體中時，離子可以自由移動，所以可導電。以下為電解水的例子。
正極(anode)：2H 2 O→O 2 +4H + +4e -
負極(cathode)2H 2 O+2e - →H 2 +2OH -
總反應式2H 2 O→2H 2 +O 2
在這個反應中，陽極產生放出電子的反應(氧化)，陰極產生取得電子的反應(還原)。
火力發電廠通常以循環水泵將海水送入循環水渠道，引入鍋 爐房、汽機房…等設備將發電的餘熱冷卻，排放至曝氣池後放流入海洋。而為避免海洋性的附著物於循環水渠道及設備上附著生長，造成管路堵塞降低冷却效果，甚至腐蝕管路，影響機組發電效率及設備使用壽命，故必須於渠道中添加氯以抑制海洋性附著物生長。
一般為抑制海洋性附著物而加入海中的藥劑有氯氣法及次氯酸鈉，由於氯氣法的運輸、儲存管理成本較高，故係採用高安全性、低成本、自動化的電解海水法來製造次氯酸鈉為較佳的方案。
海水電解裝置是火力發電廠之主要發電設備之一，其製造、安裝、運轉、維護對電廠機組運轉影響甚鉅。此可參台灣電力公司核能火力發電工程處提出之行政院出國報告「林口電廠更新擴建計畫海水電解系統及其附屬設備之設計、製造、測試、運轉及維護訓練」(以下簡稱台電報告)便可了解。
由於平均海水的鹽度約為一千分之35，鹽度是指每一千公克海水中溶解物質的克數，也就是說普遍一公斤的海水中含有35克的鹽。電解海水時，主要化學反應如下：正極2Cl→Cl2+2e
正極的產物：C12
負極2H2O+2e→2OH+H2
2Na++2OH→2NaOH
負極的產物：2NaOH+H2
在電解的同時C12與NaOH產生化學反應：2Cl2+2NaOH→NaOCl+NaCl+H2O
其中NaOCL即為次氯酸鈉，是火力發電廠用於渠道中以抑制海洋性附著物生長。
由台電報告可知，海水電解設備共可分為六大系統：(1)海水增壓系統、(2)海水過濾系統、(3)海水電解系統、(4)氫氣釋放系統、(5)次氯酸鈉儲存及注入系統、(6)酸洗系統。
海水電解設備的工作原理係利用海水增壓泵(Seawater Booster Pump)將循環水渠道入口之海水打到過濾系統，先經過海水過濾器(Auto/Manual Strainer)過濾去除海水中大於0.5mm以上之雜質及海生物等後，再將海水打入海水電解系統(Electrolyzer)製造出次氯酸鈉及氫氣，由於氫氣為易燃之危險氣體，須要經過氫氣釋放系統(Hydrocyclone & Hydrogen Seal Pot)利用離心力原理將氫氣與含次氯酸鈉的海水分離，氫氣經過Seal Pot後緩緩釋放至大氣，而含有次氯酸鈉的海水則排入次氯酸鈉儲存槽中儲存，待次氯酸鈉儲存槽中水位到達預定之高度後，啟動次氯酸鈉加藥泵(Dosing System)將海水打入指定加藥位置。另外當海水電解系統因電解伴生之沉澱物(MgOH2or CaCO3)沉澱會導致電極板的效率降低，須利用酸洗系統(Acid Clean System)注入6%的鹽酸HCl將沉墊物溶解，以維持系統正常運轉。
依據台電報告之海水電解系統，海水流經過濾器後進入海水電解槽(Electorlyzer)，經由T/R Set(Transformer/Rectifier Set)提供電流使海水產生化學反應，產生次氯酸鈉及氫氣。電解槽內正負極板交叉排放，增加正負極板與海水接觸面積以提高化學反應的效率，如圖1所示者。另外亦可提高正負極的電流以產生更多的次氯酸鈉，如圖2所示者。
海水電解所產生之次氯酸鈉流及海水入儲存槽前須先將伴生之氫氣與海水分離，因為氫氣為易燃氣體，當氫氣的濃度在4%~78%時容易因為火花產生***，而台電報告中所使用之次氯酸鈉儲存槽為密閉容器，為避免氫氣於儲存槽中累積產生高壓造成氣爆之工安意外，須利用氣水分離器Hydrocyclone因離心力原理讓海水與氫氣流過分離後，將氫氣送入Hydrogen Seal Pot內，部分氫氣會溶入海水之中，部分則排出Seal Pot之外。
一般電廠除了使用Hydroclone與Seal Pot脫氫以外，也有用開放式儲存槽讓氫氣自然逸散，亦或是加裝風扇加速氫氣排到大氣之中。台變報告中指出，新加坡的Keppel Merlimau Corporation電廠即使用開放式次氯酸鈉儲存槽，讓氫氣排到大氣中。
由前面敘述可知，火力發電廠為了提供所需要的次氯酸鈉，必須建置海水電解設備，而在獲得次氯酸鈉的過程中，將電解產生的氫氣藉由Hydroclone與Seal Pot脫氫，或以開放槽將氫氣排到大氣中。然而，氫氣除了是一種乾淨的能源外，也不應該被大量外溢到大氣層中，不然會破壞臭氧層。目前(2016年)日本市面上已販售使用氫燃料電池驅動的汽車，因此前述發電廠在電解海水過程中，將氫氣排放大氣中，顯然是一種能源浪費，也不利於地球之環境保護。本發明旨在解決此一缺失與問題，並提供一種可行的技術方案。
由段落[0019]知，海水先經增壓泵提升水壓，進入過濾系統，然後再進入電解裝置，產生氫氣與含有次氯酸鈉的海水(以下簡稱含氯- 氫海水)。為了將含氯-氫海水中的氫氣回收，本發明揭示一種電解海水氫回收與發電系統，包含：一第一管線，其一端連結海水電解裝置輸出端，另一端向下延伸進入海中；一增壓泵，位在第一管線上，將來自海水電解裝置輸出端的含氯-氫海水打入海中；一第二管線，具有軟質管壁，其左端連結第一管線之下端；一第三管線，其下端連接第二管線之右端，另一端往海面上升；一集氣室，其直徑大於第三管線，其底面連接第三管線之上端，從底面向上約於高度二分之一的內部空間容納含氯-氫海水，其上部空間累積排出之氫氣；一第四管線，其一端連接集氣室頂面，另一端通向渦輪推動葉片，帶動發電機發電；一第五管線，匯集推動渦輪葉片後之氫氣；一凝縮室，將來自第五管線之氫氣凝結回收；一第六管線，一端連接開設於集氣室側壁約二分之一高度處之開口，另一端連接儲存槽；一增壓泵，位在第六管線上，將集氣室中的次氯酸鈉導入儲存槽。
如上所述之電解海水氫回收與發電系統，其中第一管線與第二管線連接處，第二管線與第三管線的連接處，設有止瀉環。
一種安置如上所述之電解海水氫回收與發電系統的海面上平台。
上述本發明電解海水氫回收與發電系統之第一管線下端、第二管線、第三管線下端，係位在海水中適當深度，該處的海水壓力比海平面來得大。大約從海平面每下降10公尺，海水壓力提升1大氣壓。因此若在海平面下1000公尺深度處。則海水壓力大約為100大氣壓。此時經由第一管線中的增壓泵將海水電解裝置產出的含氯-氫海水打入第二管線，因其為軟質材料製作，故承受100大氣壓力，同樣讓通過的含氯-氫海水承受100大氣壓力。從而將其中氫的壓力由海平面的1大氣壓提升到100大氣壓。而當第二管線中的含氯-氫海水通過第三管線上升至海平面時，含氯-氫海水的壓力復由100大氣壓減至1大氣壓。一般而言，1000公尺深度的海水與海平片的海水溫度差約為20~25℃。根據PV=nRT的氣體公式，當含氯-氫海水從第二管線經過第三管線上升至海平面的集氣室時，由於壓力約降低100倍，且溫度上升約20倍，氫的體積約增為2000倍。從而使在集氣室中排出的氫氣壓力大增，其壓力足以通過第四管線推動渦輪發電機發電。其後之氫氣經由第五管線進入凝縮室加以回收貯存。連結在集氣室側壁約二分之一高度處開口上的第六管線將次氯酸鈉藉增壓泵打入儲存槽。
本發明所提出的技術方案，不僅維持海水電解裝置生產次氯酸鈉之功能，而且可以解決海水電解裝置所引起氫氣外溢大氣中，造成資源浪費以及破壞地球臭氧層等之問題。以下配合圖式更清楚說明本發明之實施方式，
1‧‧‧第一管線
2‧‧‧第二管線
3‧‧‧第三管線
4‧‧‧第四管線
5‧‧‧第五管線
6‧‧‧第六管線
C‧‧‧集氣室
E‧‧‧電解海水裝置
F‧‧‧工作平台
H‧‧‧凝縮室
S‧‧‧儲存槽
T‧‧‧渦輪
G‧‧‧發電機
P1、P2、P3、P4‧‧‧增壓泵
R1、R2‧‧‧止瀉環
圖1：習知海水電解槽之構造。
圖2：習知海水電解槽次氯酸產量對直流負載之關係。
圖3：本發明電解海水氫回收與發電系統之示意圖。
圖4：本發明電解海水氫回收與發電系統實施態樣斜視圖之一。
圖5：本發明電解海水氫回收與發電系統實施態樣上視圖。
圖6：本發明電解海水氫回收與發電系統實施態樣斜視圖之二。
圖7：本發明電解海水氫回收與發電系統實施態樣去除工作平台後局部放大圖之一。
圖8：本發明電解海.水氫回收與發電系統實施態樣去除工作平台局部後放大圖之二。
圖3為本發明電解海水氫回收與發電系統示意圖，一般習用的電解海水裝置於圖3中係以(E)表示，其前端有一增壓泵(P1)抽取過濾後的海水送入電極板管道間進行電解化學反應，電解後包含次氯酸鈉與氫的海水(含氯-氫海水)，經由增壓泵(P2)打入從海平面重直向下深入海中的第一管線(1)。由於海水中的壓力會隨著深度而增加，通常深度海增加10公尺，海水壓力會增加約1大氣壓。故在電解海水裝置(E)的輸出端的第一管路(1)上必須加設增壓泵(P2)始可能將含氯-氫海水打入深海中。
第二管線(2)的管壁係以軟質材料製成，且約略呈水平懸掛 狀態，具有左右兩端。第一管線(1)的下端連接第二管線(2)之左端，第二管線(2)的右端連接第三管線(3)的下端。在第一管線(1)與第二管線(2)的連接處有止瀉環(R1)，在第二管線(2)與第三管線(3)的連接處有止瀉環(R2)，防止管線內外發生洩漏情事。
第三管線(3)從深海處垂直向上連接集氣室(C)底面。第二管線(2)的軟質管壁因承受深處海水的壓力，所以原來呈現蹋陷狀態，待增壓泵(P2)啟動後克服海水壓力便能將含氯-氫海水打入第一管線(1)、流經第二管線(2)以及第三管線(3)，上升至集氣室(C)。
集氣室(C)的直徑比第三管線(3)直徑來得大，集氣室(C)的高度可讓海水平面約在高度一半之處。換言之，在集氣室(C)內，含氯-氫海水大約占據下部一半空間，大約上部一半空間則為從氯-氫海水中排出的氫氣。在此一空間中的氫氣，根據氣體公式PV=nRT，假設第二管線(2)約在海平面下1000公尺處，壓力約為海平面的100倍，則當含氯-清海水上升至集氣室(C)時，感受之壓力減小100倍。又依據一般海洋實測資料，位在1000公尺深度的第二管線(2)處海水之溫度和集氣室(C)海平面的海水溫度兩者之溫度差約在20~25℃之間。可得知在集氣室(C)氫之體積V將增加為第二管線(2)處氫體積的約109倍。
在壓力與溫度的雙重效應影響下，從含氯-氫海水中排出到集氣室(C)上半部空間的氫氣量增加。此一氫氣通過第四管線(4)可以驅動渦輪(T)，並帶動發電機(G)發電。推動過渦輪的氫氣經由第五管線(5)導入凝縮室(H)收集儲存。有關氫氣的凝縮儲存可運用習知技術，非本發明訴求所在。
另外自集氣室(C)約在含氯-氫海水平面處的二分之一高度 側壁處的開口連接第六管線(6)，藉增加泵(P3)將次氯酸鈉導入儲存槽(S)。其後進行次氯酸鈉一般應用之流程。
圖4所示者為本發明電解海水氫回收與發電系統實施態樣斜視圖之一。圖5所示者為本發明電解海水氫回收與發電系統實施態樣上視圖。圖6所示者為本發明電解海水氫回收與發電系統實施態樣斜視圖之二。由圖4、圖5、圖6可知為實施本發明，首先選擇一個具有適當深度海水且離沿岸不遠的地點。台灣四面環海，在台灣海峽這一邊平均深度約為200公尺，澎湖附近則深度可達600公尺。台灣東部靠太平洋，東南離岸約1公里處，海水深度即可達1000公尺。可在該處海上架設一個工作平台(F)。海上之工作平台(F)，可利用例如海上鑽油平台之既存技術來架構。另外亦可以大型駁船(barge)取代。工作平台(F)通常具有錨固構造，因屬習知技術，非本發明訴求所在，為簡化起見，在圖4、圖5、圖6中僅繪出浮在海面上的平台(F)本身。
在平台(F)上首先可以看到一般之海水電解裝置(E)，其利用管線上的增壓泵(P1)，從海中抽取經過濾後的海水進入電解槽。電解後輸出的海水經過增壓泵(P2)打入第一管線(1)。第一管線(1)垂直向下延伸至適當深度的海水中。此一深度較佳者為1000公尺。第一管線(1)的下端連接由軟性材質製造的第二管線(2)之左端。第二管線(2)之右端連結第三管線(3)的下端，第三管線(3)垂直向海面上延伸，直到集氣室(C)的底面。集氣室(C)大約一半高度在海中，一半在海面上。在此集氣室(C)係繪成上下兩端呈半球狀的圓筒形狀，其直徑大於第三管線(3)之直徑。但須知圓筒形狀僅是集氣室(C)的一個可能的實施例。亦可採用其他形狀，例如圓球狀、橄欖球狀、立 方形狀等。
集氣室(C)上部空間的高壓氫氣經由第四管線(4)推動渦輪(T)帶動發電機(G)發電。於圖4、圖5、圖6中可見到由發電機(G)產生之電可經由電纜線並聯至沿岸陸上之發電廠電網。其後之氫氣經由第五管線(5)進入凝縮室(H)，進行氫氣的收集儲存。有關氫氣的凝縮技術屬習知技術，非本發明之訴求所在。
在集氣室(C)海平面處因氫氣大量排出，飽含次氯酸鈉的海水，於集氣室(C)側壁約在海平面之直下處連結第六管線(6)，藉增壓泵(P3)將次氯酸鈉流打入儲存槽(S)。其後可供一般發電廠清洗管路使用所需。圖4、圖5、圖6中可見到有管路，經由增壓泵(P4)將儲存槽(S)中的次氯酸鈉流輸往連沿岸發電廠之次氯酸鈉儲存槽。
圖7所示者為本發明電解海水氫回收與發電系統實施態樣去除工作平台後局部放大圖之一。圖8所示者為本發明電解海水氫回收與發電系統實施態樣去除工作平台後局部放大圖之二。由圖7、圖8對照圖3本發明之示意圖，可以更清楚了解本發明的管路及部件之連結關係，此有利於產業上實施，另外在實施時，亦可因應實際條件而作適當的調整。
如[0020]段所述，次氯酸鈉與氫氣的產量，可以藉提升電解槽電極板之面積或電流負載來達成，此為習知技術之應用。另外若將圖4、圖5、圖6所示建置於工作平台上的電解海水氫回收與發電系統，形成一個單元架構，則增加單元的數目亦可增加次氯酸鈉與氫氣的產量。此則為本發明技術之應用。
本發明電解海水氫回收與發電系統所需之電力，較佳是由風 力或太陽能電池所提供。此種風力或太陽能電池發電裝置，必要時亦可裝設在工作平台上，但非本發明訴求所在。
綜上所述，本發明之電解海水氫回收與發電系統具有如下優點：第一，將海水電解裝置所產生的氫氣回收，提供氫氣車的氫燃料電池等所需能源。第二、將海水電解裝置所產生之氫氣回收，可避免氫氣散逸到地球大氣中，破壞臭氧層，對降低地球暖化，提升人類健康有貢獻。第三、在氫氣回收之前，利用高壓氫氣發電，除部分抵銷所需輸入之電力外，亦可饋入一般之電網。第四、正常供應火力發電廠清洗管路所需的次氯酸鈉。第五、不必使用一般電解海水系統所需的脫氫裝置，節省該部分的資材與能源。
亦即，採用本發明之電解海水氫回收與發電系統，除了火力發電廠所需的次氯酸鈉供應無缺外，尚有貯集氫氣、發電、環保、節能之好處，具有產業上利用價值。又本發明應用範圍並不限於火力發電廠，舉凡具有引入海水冷卻管路的設施，例如核能電廠等，均可運用本發明電解海水氫回收與發電系統來創造附加價值。
以上依據圖式之說明，旨在讓熟習本項技術者了解其內容，並可據以實現，並非用來限制本發明之範圍，凡在申請專利範圍所述的技術思想下所作的簡單修飾、變化，均為本發明技術範圍所及。

Claims (3)

  1. 一種電解海水氫回收與發電系統，包含：一第一管線，其一端連結海水電解裝置輸出端，另一端向下延伸進入海中；一增壓泵，位在第一管線上，將來自海水電解裝置輸出端的含氯-氫海水打入海中；一第二管線，具有軟質管壁，其左端連結第一管線之下端；一第三管線，其下端連接第二管線之右端，另一端往海面上升；一集氣室，其直徑大於第三管線，其底面連接第三管線之上端，從底面向上約於高度二分之一的內部空間容納含氯-氫海水，其上部空間累積排出之氫氣；一第四管線，其一端連接集氣室頂面，另一端通向渦輪推動葉片，帶動發電機發電；一第五管線，匯集推動渦輪葉片後之氫氣；一凝縮室，將來自第五管線之氫氣凝結回收；一第六管線，一端連接開設於集氣室側壁約二分之一高度處之開口，另一端連接儲存槽；一增壓泵，位在第六管線上，將集氣室中的次氯酸鈉導入儲存槽。
  2. 如請求項1所述之電解海水氫回收與發電系統，其中第一管線與第二管線連接處，第二管線與第三管線的連接處，設有止瀉環。
  3. 一種安置如請求項1或2所述之電解海水氫回收與發電系統的海面上平台。
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