CN106048645B - 一种通过外加磁场提高氢氧机电能效率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种通过外加磁场提高氢氧机电能效率的方法，包括电解槽、外部磁体、氢气集气管、氧气集气管、石棉隔膜、密封板和电源电极。在电解槽中，由于气相产物在电极表面的附着和聚集，引起电解液综合电导率降低，同时引起电极间欧姆压降上升和电极过电势升高。通过施加外部磁场，可以在空间形成不同方向的洛伦兹力，当洛伦兹力与气相的浮升力在同一方向作用时，可以使得气相产物从电极表面得到有效的驱散，从而降低欧姆压降和电极过电势，降低单位体积气相产物的电解能耗，同时提高电能效率。通过采用廉价永磁体可以使电能效率提高6％以上。本发明结构简单，成本低，节能效果显著。

Description

一种通过外加磁场提高氢氧机电能效率的方法
技术领域
本发明涉及电解水技术领域，具体涉及一种通过外加磁场提高氢氧机电能效率的方法。
背景技术
氢作为重要的化工原料和清洁能源，在氨合成、航空航天、食品及医疗工程中有着广泛的应用。电解水是获取氢能的必要手段。便捷式氢氧机更是在高空探测、贵金属和玻璃制品加工中必不可少的获得氢气的装置。电解水过程是通过外部电源驱动水分解，实现电能和化学能转换的装置。
以碱性电解液为例,电能消耗P由如下关系所决定，P＝ΔV*I，其中I是通过电解质的电流强度，与氢气的发生率成正比，ΔV是电极两端的电势差。在理想的电流情况下，降低电势差能有效减小电解能耗。
电极间电势差有如下关系：ΔV＝ΔE+Δη+IR (1)
其中，ΔE是水分解的动力学电位差，Δη是阴极和阳极上的过电势，IR为溶液欧姆电压降。电解槽电解过程中消耗的总电能，一部分用于电解反应，转化为了氢气的化学能，另一部分则转换为了热量，因此定义电能效率为用于电解反应的电能和总消耗电能比值：
其中，W0为用于电解反应的电能，Wtotal为消耗的总电能，q0为理论消耗电量，qV为实际消耗电量。电解水过程中，在副反应发生时，认定电解水反应的电流效率为100％，即q0/qV＝1，因此(2)式可以变为：
电解水的电能效率可以表示为水的理论电压和电解槽实际极间电压的比值，其意义是施加在电解槽上的电能，有多大比例实际用于电解水反应。
当在阴极和阳极发生析氢和析氧反应时，由于气相产物在电解液中的富集，会导致电解液电导率降低，从而加大欧姆压降。当气泡附着在电极表面，会导致电极实际导电面积降低，在外部电流一定的条件下，从而增大了实际通过电极的电流密度。根据塔菲尔关系，会引起电极过电势的增加。欧姆压降和电极过电势的增加，会导致电能效率的降低。目前的工业电解槽中，通过电解水产生一标方氢气的能耗为4.5～5.0kWh，电能效率在60％以下(Mingyong Wang,Zhi Wang,Xuzhong Gong,Zhancheng Guo.The intensificationtechnologies to water electrolysis for hydrogen production–A review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2014,29:573–588.)。所以通过有效的手段驱散气相产物在电极间的富集，对电能效率的进一步提升有很大帮助。
发明内容
本发明的目的是通过外加磁场驱动电解液流动，从而有效排除气相产物，提高氢氧机电能效率，降低电解能耗。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种通过外加磁场提高氢氧机电能效率的方法，包括电解槽、外部磁体、氢气集气管、氧气集气管、石棉隔膜、密封板和电源电极。
所述电解槽被石棉隔膜分隔为腔室A和腔室B。所述电源电极的阴极设置在腔室A内，阳极设置在腔室B内。所述密封板盖在电解槽上将其封闭。所述密封板上连接有氢气集气管和氧气集气管。所述氢气集气管与腔室A连通，且连通口靠近阴极。所述氧气集气管与腔室B连通，且连通口靠近阳极。
所述外部磁体包括两块永磁体。这两块永磁体布置在电解槽的外侧壁，并将电解槽夹紧。两块永磁体的N、S极相对，且形成的空间磁场与电极的电场方向呈正交分布。所述外部磁体对电荷产生的洛伦兹力的方向与重力方向相反。
进一步，两个电极竖直布置，且相互平行。
进一步，阴极与阳极之间的间距范围为2～50mm。
进一步，所述外部磁体所形成的磁场强度为0.01～3T。
进一步，包括M个电解槽和M+1块永磁体，它们相互间隔布置并连成一排。每个电解槽两侧的永磁体的N、S极相对，且形成的空间磁场与该电解槽上电极的电场方向呈正交分布。这些永磁体对电荷产生的洛伦兹力的方向均与重力方向相反。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，在无外部驱动流动的电解槽中，气相产物的排除主要依靠重力作用下的气相产物的浮升运动。在较大气相生成速率的条件下，气相产物在电极表面形成较多聚集从而增加电解槽电势差。而本发明构建了外部磁场，产生的洛伦兹力以体积力的形式作用在液相流体单元上，使电极表面的气泡受到与重力方向相反的浮升力运动。当洛伦兹力与重力方向相反时，电解液受到与气泡浮升运动同向的驱动流动，从而加速气相产物的排除。
附图说明
图1为本发明中两个电解槽组合的结构示意图；
图中：电解槽1、外部磁体2、氢气集气管3、氧气集气管4、石棉隔膜5、密封板6、阴极7、阳极8。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
一种通过外加磁场提高氢氧机电能效率的方法，包括电解槽1、外部磁体2、氢气集气管3、氧气集气管4、石棉隔膜5、密封板6和电源电极。
参见图1，本实施例为两个(M＝2)电解槽1的组合形式，且电解槽1为矩形槽体。所述电解槽1被石棉隔膜5分隔为腔室A和腔室B。所述电源电极的阴极7设置在腔室A内，阳极8设置在腔室B内。所述阴极7和阳极8竖直布置，且相互平行。所述密封板6盖在电解槽1上将其封闭。所述密封板6上连接有氢气集气管3和氧气集气管4。所述氢气集气管3与腔室A连通，且连通口靠近阴极7。所述氧气集气管4与腔室B连通，且连通口靠近阳极8。
所述外部磁体2由三块永磁体组成。每两块永磁体之间夹一个电解槽1，即永磁体与电解槽是相互间隔布置。每个电解槽1两侧的永磁体的N、S极相对，且形成的空间磁场与该电解槽1上电极的电场方向呈正交分布。这些永磁体对电荷产生的洛伦兹力的方向(向上)均与重力方向相反。
本发明采用永磁体构建外部磁场时，可以避免因泵驱动电解液流动时额外电能的消耗。工作时，为阳极8和阴极7接通外部电源，阴极和阳极表面析出氢气和氧气。气相产物分别经过相应连通管路排出。根据需要，多个电解槽1可叠加形成电解槽组(相应增加永磁体)。气泡在洛伦兹力作用下，受到与重力反向相反的浮升力作用。在一定的电流条件下，根据所配置的磁场强度，在电解液中形成与空间磁场强度成比例的洛伦兹力。洛伦兹力以体积力的形式作用在电解液单元上，使电解液受到同方向的力的驱动。当洛伦兹力与重力方向相反时，受驱动的电解液流动会加速气相产物从电极表面的排除，从而降低电极间电势差。

Claims (3)

1.一种通过外加磁场提高氢氧机电能效率的方法，其特征在于：包括电解槽(1)、外部磁体(2)、氢气集气管(3)、氧气集气管(4)、石棉隔膜(5)、密封板(6)和电源电极；
所述电解槽(1)被石棉隔膜(5)分隔为腔室A和腔室B；所述电源电极的阴极(7)设置在腔室A内，阳极(8)设置在腔室B内；所述密封板(6)盖在电解槽(1)上将其封闭；所述密封板(6)上连接有氢气集气管(3)和氧气集气管(4)；所述氢气集气管(3)与腔室A连通，且连通口靠近阴极(7)；所述氧气集气管(4)与腔室B连通，且连通口靠近阳极(8)；
所述外部磁体(2)包括两块永磁体；这两块永磁体布置在电解槽(1)的外侧壁，并将电解槽(1)夹紧；两块永磁体的N、S极相对，且形成的空间磁场与电极的电场方向呈正交分布；所述外部磁体(2)对电荷产生的洛伦兹力的方向与重力方向相反
所述阴极(7)与阳极(8)之间的间距范围为2～50mm；
所述外部磁体(2)所形成的磁场强度为0.01～3T，使阳极氧气泡和阴极氢气泡同时达到最佳去除效果。
2.根据权利要求1所述的一种通过外加磁场提高氢氧机电能效率的方法，其特征在于：两个电极竖直布置，且相互平行。
3.根据权利要求1所述的一种通过外加磁场提高氢氧机电能效率的方法，其特征在于：包括M个电解槽(1)和M+1块永磁体，它们相互间隔布置并连成一排；每个电解槽(1)两侧的永磁体的N、S极相对，且形成的空间磁场与该电解槽(1)上电极的电场方向呈正交分布；这些永磁体对电荷产生的洛伦兹力的方向均与重力方向相反。
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