技术领域
[0001] 本
发明涉及环保技术和
水产养殖领域，具体涉及一种基于电解和
氢燃料电池能量回收的分子级增氧装置。
背景技术
[0002] 随着我国城市化
进程发展，城市人口密集，原有的城市排污工程不完善，导致大量生活污水、工业
废水直接排放到城市河流，造成河流严重污染，出现大量黑臭河，严重影响了城市居民的身体健康，对城市水生态造成严重破坏。黑臭河治理已成为治理环境污染的重中之重。
[0003]
水产养殖业是现代农业的重要组成部分，随着经济社会发展和人民生活水平的不断提高，对各种鱼、虾等水产品需求日益旺盛，大大促进了水产养殖业的发展。同时由于经济发展，不可避免的导致河湖水库等水域受到不同程度的污染，
水体富营养日益严重，而且由于集中养殖，对水体中氧气消耗也非常大。在养殖过程中，动物
粪便以及多余的饵料也会对水体形成进一步污染，使得水体水质恶化，严重影响水生
生物的正常生活，导致养殖的鱼虾出现大面积死亡，给养殖户带来巨大的经济损失。由于动物
排泄物以及多余饵料无法完全消解，这些有机物将沉入鱼塘底部，形成高有机物含量的塘泥，迫使养殖户需要定期进行翻塘，增加了养殖成本。
[0004] 河流出现黑臭，最重要的原因是大量的污染物排放，严重超出了城市河流水系的纳污能
力，加之城市河流的流动性、水交换能力差，本身的自净能力受到极大的抑制，进一步加剧了城市河流的污染程度。充足的溶氧是保障水体活力的根源，在黑臭河治理和水质提升工程中，增氧是必不可少的工程手段。目前的增氧设备，多采用搅水式、喷水式、水车式、射流式等增氧方法，存在增氧方式简单、效率低、运行成本高、对水体底层增氧能力弱等问题。
[0005] 如何提高增氧的效率、建立水体的空间
对流、打破水体的溶氧分层，在保障水体充分增氧的同时，降低能耗，是目前需要克服的技术关键。基于此，本发明提供了一种基于电解和氢燃料电池能量回收的分子级增氧设备，该设备采用电解水的方式，同时结合氢燃料电池实现能量回收，并辅助
太阳能供电，实现可能量循环的分子级增氧。设备运行过程中可实现水体的上下对流，实现高效的立体增氧。
发明内容
[0006] 本发明的目的是提供一种高效的基于电解和氢燃料电池能量回收的分子级增氧装置，利用能量循环实现对水体的高效、立体增氧。
[0007] 为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：一种基于电解和氢燃料电池能量回收的分子级增氧装置，包括
外壳、驱动装置、氢燃料电池、电解装置、供电装置和浮台，所述外壳包括相连的外壳上段和外壳下段；
所述驱动装置设置于外壳上段上方，驱动装置
传动轴伸入外壳上段内部，连接甩水轮，驱动甩水轮转动；
所述外壳上段外
侧壁设有至少一个喷水口，所述喷水口连接喷水管；
所述电解装置包括电解正极、电解负极；外壳上段侧壁内轴向设有若干孔道，孔道内安装电解负极；电解正极固定于外壳上段内腔；每个孔道上设有贯通孔，与外壳上段内腔连通；
所述氢燃料电池通过氢气回收管路连接电解装置的电解负极，收集电解装置反应生成的氢气，并将反应产生的
电能存储至储能装置；
所述浮台固定在外壳上段顶部，使外壳整体位于水下；浮台通过固定锚固定；
所述供电装置用于给用电装置供电。
[0008] 本发明装置通过驱动装置带动甩水轮旋转，将下部水体向上抽吸，形成
自下而上的流动，同时将电解产生的氧气分子快速带入水中，经
过喷水口喷入到外界水域，电解产生的氢气通过氢气回收管路收集，将电解得到的氢气送入氢燃料电池内部，通过氢燃料电池反应，产生电能，输送到储能装置。供电装置可弥补氢燃料电池能量转化中损失的能量，通过各个设备功率的匹配设计，实现可能量循环的的分子级增氧，大大增加了增氧的效率，设备的运行，间接的将空气中的氧气以分子的形式搬运到了水中，并采用阳光作为能量补充，实现高效立体增氧。
[0009] 作为本发明的进一步改进，所述外壳上段顶部封闭，横断面呈圆形，纵断面呈矩形；外壳下段底部开放，横断面呈圆形，纵断面呈等腰梯形。外壳下段可根据实际水域深度，调整长度和底部开口直径，以适应工程需求，水体从外壳下段底部进入增氧设备。外壳采用此设计方式，可在保证足够进水量的同时，使得进水口流速很低，防止对杂物
吸附作用，防止杂物进入设备堵塞管路，同时避免将底部的
污泥搅动，使水体变的浑浊，影响养殖鱼虾的正常生活。
[0010] 作为本发明的进一步改进，所述喷水管与外壳上段相切布置，喷水管水平延伸方向与驱动装置转动方向一致。进一步的，所述喷水管与水平面夹
角为-30°0°；喷水管直径~为渐变设计，出水口直径＞进水口直径。
[0011] 作为本发明的进一步改进，所述贯通孔沿外壳上段径向开设，贯通孔水平高度低于电解负极底部的水平高度。电解负极的底部略高于贯通孔
位置，且贯通孔沿径向开设，即垂直于外壳上段侧壁，避免因设备内部高速水流的运行产生
负压，将氢气吸入设备内部，从而实现氢气、氧气的高效分离。
[0012] 作为本发明的进一步改进，所述电解正极为环形结构，固定于甩水轮下方。
[0013] 作为本发明的进一步改进，所述氢燃料电池纵断面为
齿轮形设计，增加氢气以及空气中的氧气与催化剂的
接触面积，提高氢燃料电池的反应效率。
[0014] 作为本发明的进一步改进，所述氢燃料电池由若干电池单元组成，形成
燃料电池堆栈，电池单元可根据实际需求，采用并联、
串联、串并联等形式布置。
[0015] 作为本发明的进一步改进，所述氢燃料电池的空气进气口设置空气
过滤器，对进入氢燃料电池的空气进行过滤，防止粉尘吸附到氢燃料电池催化剂表面，影响催化剂工作效率。
[0016] 作为本发明的进一步改进，所述氢燃料电池的氢气室上部设置进气口，底部设置排气口，排气口采用单向逆止
阀控制，只允许气体从氢气室向外排气，不允许外界空气通过下部排气口进入氢气室。氢气室上部设置进气口通入氢气，下部设置排气口，氢气
密度小，可以有效的将氢气室内原有的空气以及氢气携带的水汽
凝结成的水通过排气口排出，便于后期检修后，快速排空气，保证氢气室内氢气的纯度，提高反应效率。
[0017] 所述氢燃料电池的空气室通过两个开孔隔离板划分为空气外室和两边的空气内室；所述开孔隔离板斜向上开孔；所述空气外室连接
空气过滤器，空气外室和空气过滤器连接处设有单向
逆止阀；所述空气内室底部设有若干排气口，排气口采用单向逆止阀控制。
[0018] 作为本发明的进一步改进，所述氢燃料电池的空气室通过两个开孔隔离板划分为空气外室和两边的空气内室；所述开孔隔离板斜向上开孔，迫使空气从外室进入内室时，气流直接吹向氢燃料电池正极侧，提高反应效率。所述空气外室连接空气过滤器，空气外室和空气过滤器连接处设有单向逆止阀，只允许空气自外界进入外室，不允许气体逆行；所述空气内室底部设有若干排气口，排气口采用单向逆止阀控制，只允许空气自空气内室排出，不允许空气逆行。此设计方案可保证燃料电池在非工作状态下，内室处于封闭状态，保证电池内部一定的湿度，防止质子渗透膜含水率过低而导致的反应效率下降以及质子渗透膜失水后收缩引起的质子渗透膜破损。空气内室底部的排气口连接驱动装置的
散热风扇，利用驱动装置的散热风扇，将空气吸入氢燃料电池的正极侧，增加空气的吸入量，在保障氢燃料电池的快速高效反应的同时，对燃料电池进行散热。
[0019] 作为本发明的进一步改进，所述电解正极设置于甩水轮下部5-10cm位置，通过固定杆连接外壳上段侧壁内表面，所述固定杆为绝缘材质或和电解正极同材质；电解正极和电解负极间距控制为2cm左右，电解
电压采用12V-24V的
低电压。
[0020] 作为本发明的进一步改进，所述浮体选用塑料或
泡沫之类轻材质。
[0021] 作为本发明的进一步改进，所述外壳上段为绝缘材质。
[0022] 作为本发明的进一步改进，所述外壳底部设有拦污网；所述拦污网上开设方形或圆形孔，孔径不大于0.5cm。拦网可防止小鱼或水中杂物进入设备内部，影响设备运行。
[0023] 作为本发明的进一步改进，所述传动轴和甩水轮连接的
轴承部位设有防水油封，防止下部的水进入驱动装置。
[0024] 作为本发明的进一步改进，所述驱动装置为防水的直流降速
电机。
[0025] 作为本发明的进一步改进，所述供电装置为太阳能供电装置；所述氢燃料电池产生的电能存储于太阳能供电装置的储能装置。
[0026] 本发明的装置通过驱动装置驱动甩水轮旋转，使得水体形成立体对流，电机启动同时，电解装置通过储能装置供电，对进入设备内部的水进行电解，电解产生的氧气分子被设备内部的高速水流迅速带走并喷射到外部水域，实现分子级增氧，本发明的电解装置中，电解正极放置于外壳内腔中，装置运行时，内部会产生高速水流，将电解正极产生的氧气快速带走，电解负极产生的氢气密度小，在孔道内快速向上聚集，进入回收管路；此外，电解负极的底部略高于贯通孔位置，且贯通孔垂直外壁，避免因设备内部高速水流的运行产生负压，将氢气吸入设备内部，从而实现氢气、氧气的高效分离。电解产生的氢气通过氢气回收管路进入氢燃料电池，经氢燃料电池反应产生电能，补给到储能装置；太阳能供电装置在阳光作用下产生电能，进一步补给到储能装置以弥补反应过程中的能量损失，以达到能量平衡，实现分子级增氧。设备的运行，可使得控制水域形成自下而上的对流，使污染水体底部富含有机物的污泥在好氧菌的作用下
加速消解，实现整体水质的提升。设备的长期运行，可激活水体的自净能力，实现增氧的同时，激活水体内部
微生物的活力，促使水体内部好氧菌快速高效的工作，加速对水体内部有机物的分解，在水体立体对流作用下，将底部富营养水体带到水体上部，在微生物和阳光的共同作用下，实现对有机物的快速消解，达到水质提升的目的。
附图说明
[0027] 图1为本发明的装置结构示意图；其中，1. 驱动装置，2. 防水油封，3. 传动轴，4. 甩水轮，5. 氢燃料电池，6. 喷水管，
7. 电解正极，8. 电解负极，9. 外壳上段，10.
法兰，11. 外壳下段，12. 拦污网，13.氢气回收管路，14. 空气过滤器，15. 氢燃料电池单元，16. 太阳能板，17. 储能装置，18. 浮台，19. 固定锚。
[0028] 图2为甩水轮断面图。
[0029] 图3为氢燃料电池纵断面图；其中，20. 单向逆止阀，21. 开孔隔离板，22. 抽气口，23. 氢气进气口，24. 空气排气口，25. 氢气室，26. 空气内室，27. 空气外室。
[0030] 图4为氢燃料电池俯视图；其中，28. 氢燃料电池外壳。
[0031] 图5为氢燃料电池单元剖面图；其中，29. 气体扩散层，30. 催化剂层，31. 质子渗透膜。
[0032] 图6为电解装置剖面结构示意图；其中，32. 孔道；33. 固定杆；34.贯通孔。
具体实施方式
[0033] 下面结合
实施例和附图说明对本发明的技术方案做进一步说明。
[0034] 实施例1如图1 6所示的装置，包括外壳、驱动装置1、氢燃料电池5、电解装置、供电装置和浮台~
18，外壳包括通过法兰10相连的外壳上段9和外壳下段11；外壳上段9顶部封闭，横断面呈圆形，纵断面呈矩形；外壳下段11底部开放，横断面呈圆形，纵断面呈等腰梯形。
[0035] 驱动装置1为防水的直流降速电机，设置于外壳上段9上方，驱动装置1传动轴3伸入外壳上段9内部，连接甩水轮4，驱动甩水轮4转动。传动轴3和甩水轮4连接的轴承部位设置防水油封2密封，防止水花溅入传动轴3内。甩水轮4为3叶或4叶甩水轮，如图2所示。
[0036] 外壳上段9外侧壁设有至少一个喷水口，喷水口的中心高度与甩水轮4中心高度一致；喷水口连接喷水管6；喷水管6与外壳上段9相切布置，喷水管6水平延伸方向与驱动装置1转动方向一致。喷水管6与水平面夹角为-30°0°；喷水管6直径为渐变设计，出水口直径＞~
进水口直径。本实施例中出水口直径为50-80mm，进水口直径为40-50mm。
[0037] 电解装置结构如图6所示，包括电解正极7、电解负极8；外壳上段9侧壁内轴向设有若干孔道32，孔道32设计应避开喷水口开口位置；孔道32内安装电解负极8；电解正极7为环形结构，电解正极7设置于甩水轮4下部5-10cm位置，通过固定杆33连接外壳上段9侧壁内表面，所述固定杆33为绝缘材质或和电解正极同材质；每个孔道32上设有贯通孔34，贯通孔34垂直于外壳侧壁，与外壳上段9内腔连通，使得电解正极7、电解负极8连通，贯通孔34水平高度低于电解负极8底部的水平高度。电解正极和电解负极间距控制为2cm左右，电解电压采用12V-24V的低电压。
[0038] 氢燃料电池5通过氢气回收管路13连接电解装置的电解负极8，收集电解装置反应生成的氢气。氢燃料电池5结构如图3 5所示，纵断面为齿轮形。氢燃料电池5可采用现有的~氢燃料电池结构，包括氢燃料电池外壳28、设置于外壳内的氢气室25和空气室，氢气室和空气室间设置用于反应的氢燃料电池单元15，其结构包括气体扩散层29、催化剂层30和质子渗透膜31。本实施例中，氢燃料电池的空气室通过两个开孔隔离板21划分为空气外室27和两边的空气内室26；开孔隔离板21斜向上开孔；空气外室27连接空气过滤器14，空气外室27和空气过滤器14连接处设有单向逆止阀20；空气内室26底部设有若干空气排气口24，空气内室底部的空气排气口24连接至驱动装置1的散热风扇，通过抽气口22将空气吸入氢燃料电池的正极侧。空气排气口24采用单向逆止阀20控制。氢燃料电池5的氢气室25上部设置进气口23，底部设置排气口，排气口采用单向逆止阀20控制。
[0039] 本实施例中，氢燃料电池5由若干电池单元组成，形成燃料电池堆栈，电池单元间采用并联、串联或串并联形式布置。
[0040] 浮台18选用塑料或泡沫之类轻材质，固定在外壳上段9顶部，使外壳整体位于水下；浮台18通过固定锚19固定。
[0041] 供电装置为太阳能供电装置，包括太阳能板16、储能装置17；氢燃料电池5产生的电能存储于储能装置17。
[0042] 本实施例中，外壳下段11底部设有拦污网12；拦污网12上开设方形或圆形孔，孔径不大于0.5cm，水体从外壳下段11底部进入增氧设备。
[0043] 将上述装置放入水体，装置在浮台18作用下，浮在水体表面，接通电源，在防水直流电机1作用下，带动传动轴3以及甩水轮4旋转，使得下部水体通过拦污网12进入设备内部，同时电解装置启动，对进入设备内部的水进行电解，产生氧气分子被高速水流带走，并喷射到外部水体，实现对水体的分子级增氧。同时电解产生的氢气通过氢气回收管路13进入氢燃料电池5，氢气通过氢气进气口23进入氢气室25，氢气通过气体扩散层29与催化剂层30接触，通过催化，使得氢气分子失去两个
电子，变成两个质子，电子无法通过质子渗透膜
31，只能由通过
电路循环进入燃料电池的正极侧，质子可以顺利通过质子渗透膜31直接达到燃料电池的正极侧，并在催化剂作用下，使空气中的氧分子、通过质子渗透膜31到达正极侧的质子以及外电路循环到达正极侧的电子发生反应，生成水。通过燃料电池反应将
化学能转化为电能，实现电解能量的部分回收，并将电能存储于储能装置17，配合太阳能供电装置的电能补充，实现可能量循环的分子级增氧。
[0044] 以上所述为本发明的优选实施实例，并不用于限制不发明，对于本领域技术人员，可以参照本发明详细说明，对前述各功能部件的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
