CN105256331B - 一种采用磁电耦合控制氧气泡运动的电解装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用磁电耦合控制氧气泡运动的电解装置，属于储能、金属沉积电解、提纯及电解合成电化学技术领域，该装置包括电解槽，在电解槽的两对边相对位置安装一对电极，电解槽中装有电解液，还包括在电解槽的外表面与阳极或阴极相对应位置紧贴的一块磁铁，用于使电解过程中氧气泡沿着阳极表面定向移动。本装置不仅解决了氧气泡集聚问题，还能促使电解液成分、温度更加均匀，遏制枝晶生长，提高金属沉积表面质量和节省能量；此外，还可推动电解液定向移动。该发明可广泛应用于充电式金属‑空气电池、燃料电池再生、水电解、金属电沉积、电解提纯及电解合成等领域，还可用于物体定向移动领域。
Description
技术领域
本发明属于储能、金属沉积电解、提纯及电解合成电化学技术领域，特别涉及采用磁电耦合在析氧反应过程中控制氧气泡运动的装置。
背景技术
析氧反应是发生在电极-电解液两相界面内电化学反应，析氧反应的动力性不仅与催化剂的活性有关，还与电极表面的气泡快速去除紧密相关。在纯电场条件下，一般析氧反应装置是由长方形电解槽1、阳极3、阴极4、电解液2构成，如图1所示，其中，长方形电解槽1内部尺寸为250mm×500mm×70mm，50mm×50mm镍网作为阳极3，网孔大小3mm×2mm，50mm×50mm不锈钢板作为阴极4，电解液2是由7mol/L KOH溶液并溶解饱和ZnO构成。电化学反应在阳极3表面附近发生析氧反应，当阳极附近的电解液含有的氧气浓度达到饱和状态，氧气泡5出现并垂直于阳极3表面向外扩散。若氧气泡运动受到阻碍，就会聚集在阳极表面，进而阻碍后续的电化学反应，增加能耗甚至损坏相关设备。因此，快速去除电极表面的氧气泡对于析氧反应正常进行至关重要。
物体运动要么来源于物体自身变形，要么源自于物体外力推动。通过自身变形实现移动常见于生物界细长条结构物种如蚯蚓、鞭毛虫。在多数情况下物体运动是通过外力实现移动，如电场力、磁场力及光辐射等，在液体中物体运动主要通过扩散、对流、迁移三种方式控制，其中，浓度不均匀造成液体成分扩散运动，流体动力性导致液体对流，液体所受的外力致使液体迁移。
为解决电化学析氧反应中氧气泡运动受到阻碍，进而阻碍后续的电化学反应的问题，已有的一种基于电化学反应产生的气泡驱动导体运动，即在一对平行电极组成的电解槽中，对于其中的导体有极化作用，在相对于电极的导体两侧发生析氧和析氢反应，根据化学反应式可知生产的氢气量是氧气量的两倍，从而导致导体线性移动或转动。一种通过外在交变电场控制悬浮在水面上半导体二极管运动，毫米级二极管对电压整流，引起附近的颗粒电渗流动，从而驱使二极管运动。然而，导体和电化学反应是此系统物体运动的前提；且物体运动速度缓慢，只适合应用于微型机械。
另一种通过电解液流动带走析氧反应释放的氧气泡，主要通过电解液流速及时携带走生成的氧气泡，避免氧气泡在电极表面集聚，确保电极与电解液充分接触。这种技术需要一套电解液驱动系统，且额外增添能量消耗。
还有一种通过改变电极表面微观形貌，增加电极表面粗糙度，这样气泡在电极表面的接触角变小，容易使气泡脱离。这种方案只是提高气泡自动脱离电极表面的能力，但不适用于电极下表面发生析氧反应的情况。
综上，目前已有技术主要采用外在动力控制气泡运动，这种方法效果明显，但会增加成本。电极表面结构优化方法对气泡运动影响甚小，不能改变气泡运动，且受限于零部件结构与放置位置。
发明内容
本发明的目的是为解决析氧反应过程中电极表面氧气泡粘附问题，提出了一种采用磁电耦合控制氧气泡运动的电解装置，不仅解决了氧气泡集聚问题，还能促使电解液成分、温度更加均匀，遏制枝晶生长，提高金属沉积表面质量和节省能量；此外，还可推动电解液定向移动。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种采用磁电耦合控制氧气泡运动的电解装置，其特征在于，该装置包括电解槽，在电解槽的两对边相对位置安装一对电极，电解槽中装有电解液，还包括在电解槽的外表面与阳极或阴极相对应位置紧贴的一块磁铁，用于使电解过程中氧气泡沿着阳极表面定向移动。
本发明可以推动液体定向移动，可用于微型机械甚至医疗保健领域。
本发明的特点及有益效果：
本发明通过对比有纯电场和磁电耦合场、不同磁极、不同电解装置下氧气泡的运动形式，得到氧气泡在磁电场环境下运动发生改变，设计出能控制氧气泡运动的装置。
在电解工艺中利用本装置有助于氧气泡脱离电极表面，促使电解液成分、温度更加均匀，遏制枝晶生长，从而提高金属沉积表面质量和节省能量。
本发明装置利用磁电耦合方法控制氧气泡运动，可广泛应用于充电式金属-空气电池、燃料电池再生、水电解、金属电沉积、电解提纯及电解合成等领域。此外，本发明还可用到推动液体或物体沿着某一方向作规律性运动的领域。
附图说明
图1为一般析氧反应装置结构及在纯电场条件下氧气泡垂直于阳极表面运动示意图。
图2为本发明的一种实施例装置示意图。在该实施例中磁铁S极面对阳极时氧气泡沿阳极表面平行运动。
图3为本发明的另一种实施例装置示意图。在该实施例中磁铁S极面对阳极时氧气泡顺时针旋转运动。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
本发明提出的一种采用磁电耦合控制氧气泡运动的电解装置实施例一，如图2所示
本实施例装置包括250mm×500mm×70mm长方形的电解槽11，在电解槽的两长边相对位置安装一对电极，其中阳极13采用50mm×50mm镍网，阴极14采用50mm×50mm不锈钢板，电解槽中装有电解液12，是由7mol/L KOH溶液并溶解饱和ZnO构成，还包括在电解槽的外表面与阳极13相对应位置的紧贴一块50mm×50mm方形钕铁硼磁铁16，如图2所示。
本实施例在进行电解过程中，氧气泡15(与没有设置磁铁6时的)运动方向发生改变，氧气泡不是垂直于阳极13表面扩散运动，而是沿着阳极13表面定向移动。氧气泡15运动方向取决于磁铁16磁极，当一块磁铁16S极面向阳极，氧气泡15运动平行于阳极13表面向右移动，如图2所示；当一块磁铁16N极面向阳极，氧气泡15沿着阳极13表面向左移动。此外，本实施例也可将磁铁16紧靠贴在电解槽的外表面与阴极14相对应位置，此时当该磁铁16S极面向阴极14，氧气泡15沿着阳极13表面向左移动，而当一块磁铁16N极面向阴极14，氧气泡15沿着阳极13表面向右移动；本实施例还可包括在阳极13、阴极14相对位置的电解槽两侧各吸附一块磁铁，且磁极异性，可得到氧气泡15运动加强；当两侧的磁极同性时，氧气泡15运动减弱。
氧气泡15运动强弱还与电场强度、磁场的磁感应强度成正比，充电电压越高，电场强度越强，阳极13生成的氧气泡15越多，氧气泡15运动加强；当磁场磁感应强度增强，氧气泡15运动速度加快。另外，氧气泡15运动与电解液温度成反比，当电解液温度升高，离子布朗运动加剧，不规则运动比例升高。
实施例二
本实施例装置包括70mm×70mm×70mm方形的电解槽21，在电解槽的两对边相对位置安装一对电极，其中阳极23采用50mm×50mm镍网，阴极24采用50mm×50mm不锈钢板，电解槽中装有电解液22是由7mol/L KOH溶液并溶解饱和ZnO构成，还包括设在电解槽的外表面的50mm×50mm方形钕铁硼磁铁26，该磁铁26紧贴在阳极23的相应位置，如图3所示。
本实施例在进行电解过程中，氧气泡25运动形成涡流。当磁铁26S极面向阳极23时，氧气泡25顺时针旋转，如图3所示；如果磁铁26N极面向阳极23时，氧气泡25则逆时针旋转。氧气泡25旋转运动则会导致电解液22形成涡流，本实施例装置有助于氧气泡25脱离阳极23表面，电解液成分、温度均匀，遏制枝晶生长，从而提高金属沉积表面质量和节省能源。
这里所描述的配置是示例性的，且这些具体的实施示例不应被认为具有限制意义，本发明除了对氧气泡运动调控外，磁电耦合也对氢气运动有影响。例如，上述技术可应用于充电式金属-空气电池、燃料电池再生、水电解、金属电沉积、电解提纯及电解合成等领域。因此，本发明包括这里所公开的所有记载和非显而易见的各种系统和方法的组合，以及其它特征、功能、和/或这里揭示的特性。
Claims (4)
1.一种采用磁电耦合控制氧气泡运动的电解装置，其特征在于，该装置包括电解槽，在电解槽的两对边相对位置安装一对电极，电解槽中装有电解液，还包括在电解槽的外表面与阳极或阴极相对应位置紧贴的一块磁铁，用于使电解过程中氧气泡沿着阳极表面定向移动，所述该磁铁采用方形钕铁硼磁铁；所述电解槽为方形，用于使氧气泡运动形成涡流。
2.如权利要求1所述电解装置，其特征在于，调整该装置的电场强度、磁场强度、电解液温度，用于调节氧气泡生成速率及运动强度。
3.如权利要求1或2所述电解装置，其特征在于，所述阳极采用镍网，阴极采用不锈钢板电解液是由KOH溶液并溶解饱和ZnO构成。
4.如权利要求1或2所述电解装置，其特征在于，该装置用于充电式金属-空气电池、燃料电池再生、水电解、金属电沉积、电解提纯及电解合成领域，或用于物体定向移动领域。
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