CN109112567A - 一种综合利用多孔泡沫电极和外加磁场降低电解水能耗的装置 - Google Patents

一种综合利用多孔泡沫电极和外加磁场降低电解水能耗的装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种综合利用多孔泡沫电极和外加磁场降低电解水能耗的装置；其特征在于：由若干个系统构成；单一的系统包括电解槽、外部磁体、氢气集气管、氧气集气管、隔膜、密封板、泡沫金属阴极、泡沫金属阳极和电极固定板；本发明构建了外部磁场且电场只分布在两电极之间，所以两者耦合产生的洛伦兹力只会作用在两电极之间的液相流体单元上，以体积力的形式驱动电解液发生流动，且洛伦兹力和浮力方向相同，这样不仅可以有效排除电极表面的气泡，又能冲刷泡沫电极的内部空间，带走气相产物，补充新鲜电解液，减低反应过电势，从而达到降低能耗的目的。

Description

一种综合利用多孔泡沫电极和外加磁场降低电解水能耗的 装置
技术领域
本发明涉及电解水领域，具体是一种综合利用多孔泡沫电极和外加磁场降低电解水能耗的装置。
背景技术
氢作为公认的清洁能源，具有能量密度高、来源广泛等优点。目前，氢的生产主要由天然气、煤和石油气重整为主，这种方法虽然产氢量大但会消耗不可再生的化石燃料且产生CO2等温室气体。
用电解水方法制取的氢气相对于其他方法纯度最高，经简单处理后，可以达到99.9999％。电解水制高纯氢主要用于电子工业和浮法玻璃生产等小规模应用，同时在食品、医疗工程、氨合成及航空航天中也有着广泛的应用。但是电解水方法的高能耗是制约其广泛应用的最重要问题。
氧是组成生物体的基本元素，氧气是供给人类呼吸的必要气体。电解水制氧技术是目前公认的最合理的空间站氧气补给技术，是物化再生环境控制和生命保障系统的核心技术之一，也是实现中长期载人航天飞行的关键技术。
电解水过程能够通过外部电源驱动水分解生成氢气和氧气，实现电能向化学能的转换。
在此过程中生成的氢气和氧气具有双重角色：一、它们是我们的目的所在，是我们需要得到的气相产物；二、它们在电极上生成是以气泡的形式存在，气泡附着在电极上会占据电极上的活性位点，增大电解液电阻和过电势，从而增加能耗。
所以降低电解水能耗的一个关键问题就是：如何及时排出气相产物，减少气泡富集，将槽电压维持在一个更低的水平。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种综合利用多孔泡沫电极和外加磁场降低电解水能耗的装置。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种综合利用多孔泡沫电极和外加磁场降低电解水能耗的装置，其特征在于：由若干个系统构成。
单一的系统包括电解槽、外部磁体、氢气集气管、氧气集气管、隔膜、密封板、泡沫金属阴极、泡沫金属阳极和电极固定板。
所述电解槽为顶端敞口的中空长方体结构。
所述电解槽的内腔被隔膜分为腔室A和腔室B。所述腔室A内设置有泡沫金属阴极。所述腔室B内设置有泡沫金属阳极。
所述泡沫金属阴极采用电极固定板I进行固定。
所述电极固定板I为上端面设有若干个通孔III、下端面设有固定孔I的板状结构。所述泡沫金属阴极固定在电极固定板I的固定孔I内。所述泡沫金属阴极与固定孔I的形状和大小相契合。
所述电极固定板I上还开有一个走线孔I。所述走线孔I的中心轴垂直于通孔III的中心轴。所述走线孔I的中心轴还垂直于电解槽的底面。所述泡沫金属阴极通过走线孔I与外部电源进行连接。
所述泡沫金属阳极采用电极固定板II进行固定。
所述电极固定板II为上端面设有若干个通孔IV、下端面设有固定孔II的板状结构。所述泡沫金属阳极固定在电极固定板II的固定孔II内。所述泡沫金属阳极与固定孔II的形状和大小相契合。
所述电极固定板II上还开有一个走线孔II。所述走线孔II的中心轴垂直于通孔IV的中心轴。所述走线孔II的中心轴还垂直于电解槽的底面。所述泡沫金属阳极通过走线孔II与外部电源进行连接。
所述泡沫金属阴极和电极固定板I构成的整体结构平行于电解槽的前、后侧面。所述泡沫金属阴极和电极固定板I构成的整体结构与电解槽的左、右侧面之间均留有间隙。
所述泡沫金属阳极和电极固定板II构成的整体结构平行于电解槽的前、后侧面。所述泡沫金属阳极和电极固定板II构成的整体结构与电解槽的左、右侧面之间均留有间隙。
所述电解槽的顶端敞口被密封板封堵。
所述密封板上开有通孔I和通孔II。所述通孔I对应腔室A的位置，所述通孔II对应腔室B的位置。
所述氢气集气管通过通孔I与密封板相连、所述氧气集气管通过通孔II与密封板相连。所述氢气集气管的外径与通孔I的孔径相契合、所述氧气集气管的外径与通孔II的孔径相契合。
单一的系统的电解槽的左侧或右侧设置有外部磁体。
当若干个系统组合在一起时，每个电解槽的左、右两侧均设置有外部磁体。所述电解槽的左、右两侧的外部磁体的N、S极相对。
进一步，所述泡沫金属阴极和泡沫金属阳极之间的间距为10～50mm。
进一步，所述电解槽的左、右两侧的外部磁体在电解槽内形成平行磁场。
两块所述外部磁体形成的空间平行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且只分布在两电极之间。
进一步，所述外部磁体所形成的磁场强度为0.01～5T。
进一步，由若干个系统构成的装置整体结构呈排状，所述装置中包括M个电解槽和M+1个外部磁体。所述电解槽和外部磁体间隔布置。
进一步，所述泡沫金属阴极和泡沫金属阳极均为多孔泡沫金属材料，所述多孔泡沫金属材料包括镍、铜、铁、钼、钛或银材料及其合金。
值得说明的是：电解开始后，因为电解槽内仅在两电极之间存在电场，所以磁场与电场相互作用耦合产生的作用在流体单元上的洛伦兹力也仅分布在两电极之间。
电极间的电解液受到洛伦兹力先发生流动，由于泵浦效应，电解槽内其他部分的电解液对其补充，进而形成一个穿越电极固定板，然后流入电极固定板与壁面的间隙，最后冲刷多孔泡沫电极的循环流动。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明具有以下优点：
在常规电解槽中，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；
当使用多孔泡沫金属作电极时，由于泡沫电极孔隙率大，所以在其表面和内部均能发生电解水反应，相对于平板电极电解效率稍高；
但在泡沫电极内部生成的气泡无法有效排出，会在电极内部富集，从而减小电极的活化面积，阻碍电解水的进行。
而本发明构建了外部磁场且电场只分布在两电极之间，所以两者耦合产生的洛伦兹力只会作用在两电极之间的液相流体单元上，以体积力的形式驱动电解液发生流动，且洛伦兹力和浮力方向相同，这样不仅可以有效排除电极表面的气泡，又能冲刷泡沫电极的内部空间，带走气相产物，补充新鲜电解液，减低反应过电势，从而达到降低能耗的目的。
因此，本发明既利用了多孔泡沫电极比表面积大的优点，又利用磁场驱动电解液流动，排除富集在泡沫电极表面和内部的气相产物，降低过电势，提高电解效率，降低电能消耗。
附图说明
图1为实施例中两个电解槽组合的结构示意图；
图2为图1的前剖面结构示意图；
图3为图1的后剖面结构示意图；
图4为图1的俯视图；
图5为本发明在电解槽内形成循环流动的示意图。
图中：电解槽1、外部磁体2、氢气集气管3、氧气集气管4、隔膜5、密封板6、泡沫金属阴极7、泡沫金属阳极8和电极固定板9、电极固定板I901、通孔III9011、固定孔I9012、走线孔I9013、电极固定板II902、通孔IV9021、固定孔II9022、走线孔II9023。
具体实施方式
下面结合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。
实施例1：
如图1所示一种综合利用多孔泡沫电极和外加磁场降低电解水能耗的装置，其特征在于：由2个系统构成。
单一的系统包括电解槽1、外部磁体2、氢气集气管3、氧气集气管4、隔膜5、密封板6、泡沫金属阴极7、泡沫金属阳极8和电极固定板9。
所述电解槽1为顶端敞口的中空长方体结构。
所述电解槽1的内腔被隔膜5分为腔室A和腔室B。所述腔室A内设置有泡沫金属阴极7。所述腔室B内设置有泡沫金属阳极8。
所述泡沫金属阴极7采用电极固定板I901进行固定。
所述电极固定板I901为上端面设有若干个通孔III9011、下端面设有固定孔I9012的板状结构。所述泡沫金属阴极7固定在电极固定板I901的固定孔I9012内。所述泡沫金属阴极7与固定孔I9012的形状和大小相契合。
所述电极固定板I901上还开有一个走线孔I9013。所述走线孔I9013的中心轴垂直于通孔III9011的中心轴。所述走线孔I9013的中心轴还垂直于电解槽1的底面。所述泡沫金属阴极7通过走线孔I9013与外部电源进行连接。
所述泡沫金属阳极8采用电极固定板II902进行固定。
所述电极固定板II902为上端面设有若干个通孔IV9021、下端面设有固定孔II9022的板状结构。所述泡沫金属阳极8固定在电极固定板II902的固定孔II9022内。所述泡沫金属阳极8与固定孔II9022的形状和大小相契合。
所述电极固定板II902上还开有一个走线孔II9023。所述走线孔II9023的中心轴垂直于通孔IV9021的中心轴。所述走线孔II9023的中心轴还垂直于电解槽1的底面。所述泡沫金属阳极8通过走线孔II9023与外部电源进行连接。
所述泡沫金属阴极7和电极固定板I901构成的整体结构平行于电解槽1的前、后侧面。所述泡沫金属阴极7和电极固定板I901构成的整体结构与电解槽1的左、右侧面之间均留有间隙。
所述泡沫金属阳极8和电极固定板II902构成的整体结构平行于电解槽1的前、后侧面。所述泡沫金属阳极8和电极固定板II902构成的整体结构与电解槽1的左、右侧面之间均留有间隙。
所述泡沫金属阴极7和泡沫金属阳极8之间的间距为50mm。
所述电解槽1的顶端敞口被密封板6封堵。
所述密封板6上开有通孔I601和通孔II602。所述通孔I601对应腔室A的位置，所述通孔II602对应腔室B的位置。
所述氢气集气管3通过通孔I601与密封板6相连、所述氧气集气管4通过通孔II602与密封板6相连。所述氢气集气管3的外径与通孔I601的孔径相契合、所述氧气集气管4的外径与通孔II602的孔径相契合。
单一的系统的电解槽1的左侧或右侧设置有外部磁体2。
本实施例中的装置中包括2个电解槽1和3个外部磁体2。所述电解槽1和外部磁体2间隔布置；
所述电解槽1的左、右两侧的外部磁体2的N、S极相对。所述电解槽1的左、右两侧的外部磁体2在电解槽1内形成平行磁场。
两块所述外部磁体2形成的空间平行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且只分布在两电极之间。
所述外部磁体2所形成的磁场强度为0.9T。
本实施例中采用永磁体构建外部磁场，廉价的NdFeB磁体即可满足要求，成本低且可以避免因泵驱动电解液流动时额外电能的消耗，即不需要外加驱动力就可使电解液发生流动。另外，可根据需要，多个电解槽1可叠加形成电解槽组(相应增加永磁体)。
工作时，为多孔泡沫电极材料的阴极7和阳极8接通外部电源，其表面和内部均会析出氢气和氧气并举和形成气泡。氢气泡和氧气泡脱离电极后分别经过相应连通管路排出。
在通电后，由于仅在泡沫电极之间存在电场，所以两者耦合产生的洛伦兹力只会作用在两电极之间的液相流体单元上，以体积力的形式驱动电解液发生流动，然后由于泵浦效应带动电解液的整体流动，从而形成一个可以反复冲刷泡沫电极内部的循环流动，这样不仅可以有效排除电极表面的气泡，又能冲刷泡沫电极的内部空间，带走气相产物，补充新鲜电解液，减低反应过电势，从而达到降低能耗的目的。

Claims (6)

1.一种综合利用多孔泡沫电极和外加磁场降低电解水能耗的装置，其特征在于：由若干个系统构成；
单一的系统包括电解槽(1)、外部磁体(2)、氢气集气管(3)、氧气集气管(4)、隔膜(5)、密封板(6)、泡沫金属阴极(7)、泡沫金属阳极(8)和电极固定板(9)；
所述电解槽(1)为顶端敞口的中空长方体结构；
所述电解槽(1)的内腔被隔膜(5)分为腔室A和腔室B；所述腔室A内设置有泡沫金属阴极(7)；所述腔室B内设置有泡沫金属阳极(8)；
所述泡沫金属阴极(7)采用电极固定板I(901)进行固定；
所述电极固定板I(901)为上端面设有若干个通孔III(9011)、下端面设有固定孔I(9012)的板状结构；所述泡沫金属阴极(7)固定在电极固定板I(901)的固定孔I(9012)内；所述泡沫金属阴极(7)与固定孔I(9012)的形状和大小相契合；
所述电极固定板I(901)上还开有一个走线孔I(9013)；所述走线孔I(9013)的中心轴垂直于通孔III(9011)的中心轴；所述走线孔I(9013)的中心轴还垂直于电解槽(1)的底面；所述泡沫金属阴极(7)通过走线孔I(9013)与外部电源进行连接；
所述泡沫金属阳极(8)采用电极固定板II(902)进行固定；
所述电极固定板II(902)为上端面设有若干个通孔IV(9021)、下端面设有固定孔II(9022)的板状结构；所述泡沫金属阳极(8)固定在电极固定板II(902)的固定孔II(9022)内；所述泡沫金属阳极(8)与固定孔II(9022)的形状和大小相契合；
所述电极固定板II(902)上还开有一个走线孔II(9023)；所述走线孔II(9023)的中心轴垂直于通孔IV(9021)的中心轴；所述走线孔II(9023)的中心轴还垂直于电解槽(1)的底面；所述泡沫金属阳极(8)通过走线孔II(9023)与外部电源进行连接；
所述泡沫金属阴极(7)和电极固定板I(901)构成的整体结构平行于电解槽(1)的前、后侧面；所述泡沫金属阴极(7)和电极固定板I(901)构成的整体结构与电解槽(1)的左、右侧面之间均留有间隙；
所述泡沫金属阳极(8)和电极固定板II(902)构成的整体结构平行于电解槽(1)的前、后侧面；所述泡沫金属阳极(8)和电极固定板II(902)构成的整体结构与电解槽(1)的左、右侧面之间均留有间隙；
所述电解槽(1)的顶端敞口被密封板(6)封堵；
所述密封板(6)上开有通孔I(601)和通孔II(602)；所述通孔I(601)对应腔室A的位置，所述通孔II(602)对应腔室B的位置；
所述氢气集气管(3)通过通孔I(601)与密封板(6)相连、所述氧气集气管(4)通过通孔II(602)与密封板(6)相连；所述氢气集气管(3)的外径与通孔I(601)的孔径相契合、所述氧气集气管(4)的外径与通孔II(602)的孔径相契合；
单一的系统的电解槽(1)的左侧或右侧设置有外部磁体(2)；
当若干个系统组合在一起时，每个电解槽(1)的左、右两侧均设置有外部磁体(2)；所述电解槽(1)的左、右两侧的外部磁体(2)的N、S极相对。
2.根据权利要求1所述的一种综合利用多孔泡沫电极和外加磁场降低电解水能耗的装置，其特征在于：所述泡沫金属阴极(7)和泡沫金属阳极(8)之间的间距为10～50mm。
3.根据权利要求1所述的一种综合利用多孔泡沫电极和外加磁场降低电解水能耗的装置，其特征在于：所述电解槽(1)的左、右两侧的外部磁体(2)在电解槽(1)内形成平行磁场；
两块所述外部磁体(2)形成的空间平行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且只分布在两电极之间。
4.根据权利要求1所述的一种综合利用多孔泡沫电极和外加磁场降低电解水能耗的装置，其特征在于：所述外部磁体(2)所形成的磁场强度为0.01～5T。
5.根据权利要求1所述的一种综合利用多孔泡沫电极和外加磁场降低电解水能耗的装置，其特征在于：由若干个系统构成的装置整体结构呈排状，所述装置中包括M个电解槽(1)和M+1个外部磁体(2)；所述电解槽(1)和外部磁体(2)间隔布置。
6.根据权利要求1所述的一种综合利用多孔泡沫电极和外加磁场降低电解水能耗的装置，其特征在于：所述泡沫金属阴极(7)和泡沫金属阳极(8)均为多孔泡沫金属材料，所述多孔泡沫金属材料包括泡沫镍、铜、铁、钼、钛或银材料及其合金。
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