CN114411200A - 一种基于磁致能级跃迁的电解水制氢系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于磁致能级跃迁的碱性电解水制氢系统及方法，包括电解槽、氢分离器、氧分离器、换热器、循环装置、冷凝器和气液分离器和磁致能级跃迁装置，该磁致能级跃迁装置的出液口与电解槽连通，该磁致能级跃迁装置的进液口与循环装置的出液口连通，循环装置内的液体经磁致能级跃迁装置处理后进入到电解槽内。本发明创新性地采取磁致能级跃迁的方式，通过施加强磁场使电解液中氢质子发生磁致能级跃迁，提高电解液活性，解决现有技术方案难以提高制氢能效以及效果不稳定的问题。同时本发明无需对已有电解水制氢设备的电解槽内部结构进行重大改装，布置方便快速，具有极大的应用潜力。

Description

一种基于磁致能级跃迁的电解水制氢系统及方法
技术领域
本发明涉及碱性电解水制氢领域，具体涉及一种基于磁致能级跃迁的电解水制氢系统及方法。
背景技术
目前已有制氢技术中，PEM与高温SOEC技术制氢效率较高，但是PEM技术只能采用贵金属催化剂，重要部件膜电极运行寿命短，导致其投资和运行成本极高，可靠性与稳定性差，无法做到大规模工业化应用；高温SOEC制氢技术需要一千摄氏度左右的高温，运行条件苛刻，尚处于实验室研究阶段。
相比之下，碱性电解水制氢技术成熟度高，具有可靠性高、使用寿命长和成本低的特点，目前处于广泛工业化应用水平，占据重要市场地位。但其存在着效率较低，耗能较高的问题，现有改进方法多是从催化剂等方向进行研究，研究进展缓慢并且存在着催化剂寿命短的情形，无法应用于工业。同时，改进催化剂等方式若要应用于已有设备，则需要对电解槽进行完全拆卸组装，重新喷涂催化剂，工艺复杂，耗费巨大。
发明内容
目前还没有在电解液进入电解槽前通过磁致能级跃迁装置施加强磁场，使电解液中的氢质子发生磁致能级跃迁进而降低后续反应所需能耗的工艺。为提高制氢能效，降低制氢耗能，本发明创新性地采取磁致能级跃迁方式，通过施加强磁场使电解液中氢质子发生磁致能级跃迁，提高电解液电解反应活性，不同于以往单纯采用电场进行电解，解决现有技术方案难以提高制氢能效以及效果不稳定的问题。可根据设备具体情况选择不同的磁场施加方式，灵活多变。同时本发明无需对已有电解水制氢设备的电解槽内部结构进行重大改装，具有极大的应用潜力。
本发明针对现有技术的不足，提出一种基于磁致能级跃迁的电解水制氢系统及方法，
其中，一种基于磁致能级跃迁的电解水制氢系统的具体技术方案如下：
一种基于磁致能级跃迁的电解水制氢系统，包括电解槽、氢分离器、氧分离器、换热器、循环装置、冷凝器和气液分离器，其特征在于：还包括磁致能级跃迁装置，该磁致能级跃迁装置的出液口与电解槽连通，该磁致能级跃迁装置的进液口与循环装置的出液口连通，循环装置内的液体经磁致能级跃迁装置处理后进入到电解槽内。
为更好的实现本发明，可进一步地：所述磁致能级跃迁装置包括导磁部、第一永磁体、第二永磁体和输送管，该导磁部为环形结构，所述第一永磁体和所述第二永磁体相对设置在所述导磁部内部，所述第一永磁体和所述第二永磁体的磁场方向一致，所述第一永磁体和所述第二永磁体之间形成磁致能级跃迁通道，所述输送管从所述磁致能级跃迁通道中穿过，所述输送管的进液口与所述循环装置的出液口连通，所述输送管的出液口与所述电解槽连通。
其中，电解水制氢系统的制氢方法的具体技术方案为，
电解液通过磁致能级跃迁通道，在磁致能级跃迁通道中，电解液中的氢质子在磁场处理后发生磁致能级跃迁，进入电解槽中电解；
设置磁致能级跃迁通道的磁感应强度大于0.5T且均匀度数值小于20000 ppm；
设定磁致能级跃迁通道的长度为L，电解液流速为V，电解液流过磁致能级跃迁通道的时间为tp，将电解液流速与磁致能级跃迁通道的长度进行匹配，使得 L＝V*tp，其中，tp需要达到T1的4～5倍，T1为电解液中氢质子弛豫时间。
本发明的有益效果为：本发明创新性地采取磁致能级跃迁的方式，通过施加强磁场使电解液中氢质子发生磁致能级跃迁，提高电解反应活性，解决现有技术方案难以提高制氢能效以及效果不稳定的问题。同时本发明无需对已有电解水制氢设备的电解槽内部结构进行重大改装，布置方便快速，具有极大的应用潜力。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为磁致能级跃迁装置结构图；
图3为核磁矩进动示意图；
图4为磁化矢量与不同处理时间的关系；
图5为磁化矢量变化图；
图中附图说明为，电解槽1，氢分离器2，氧分离器3，冷凝器4，气液分离器5，阀门6，循环泵7，换热器8，磁致能级跃迁装置9，导磁部10，第一永磁体11，第二永磁体12，输送管13，极靴14。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，包括电解槽1，氢分离器2，氧分离器3，冷凝器4，气液分离器5，阀门6，循环泵7，换热器8，磁致能级跃迁装置9。
图中不同线条表示不同气体或者电解液的流向，不代表实际距离长短。电解开始后，氢气从电解槽每个小室的阴极逸出，此时氢气中混有较多的电解液。混有电解液的氢气经氢气通道流动到氢分离器中，在其中去除氢气中带有的一部分电解液；电解液留在氢分离器中，氢气继续流出，此时氢气温度仍旧较高，且含有一部分水蒸气；带有一部分水蒸气的氢气继而进入冷凝器中，在其中水蒸气冷凝为液态水；冷凝水和氢气一起进入气液分离器进行分离，得到较高纯度的氢气；氢气可后续加入纯化装置，冷凝水则根据气液分离器中的液位高低，由阀门进行自动控制排除。
氧气从电解槽阳极逸出进入氧气通道中，依次流入到氧分离器、冷凝器、气液分离器，其作用与氢气通道相同，氧气后续可进入纯化装置提纯或者排空。氢分离器和氧分离器中设有电解液的液位检测计，用于监测其中的液位水平。
电解液在电解槽，氢分离器和氧分离器，换热器以及强磁场区域之间通过管道循环，循环方向为电解液经过磁致能级跃迁装置后进入电解槽电解。为确保磁致能级跃迁的效果，电解液通过强磁场区域时，强磁场的磁感应强度应大于 0.5T且均匀度数值应当小于20000ppm。
循环方式为采用循环泵进行的强制循环，在为电解液散热的同时，可以控制电解液的循环速度。强磁场区域的长度设置与电解液循环速度相匹配，使电解液流过强磁场时，电解液处在强磁场中的时间能够达到电解液中氢质子弛豫时间T1弛豫时间的4至5倍。可根据具体场景对电解液循环系统进行改造，使强磁场区域到电解槽的距离保持最短，确保电解液从强磁场区域流出后立即进入电解槽中进行电解。以上数值均为使作用效果达到最佳设置的可行范围而非限定。
其中，如图2所示，在本发明中，磁致能级跃迁装置具体结构为，磁致能级跃迁装置包括导磁部10、第一永磁体11、第二永磁体12和输送管13，该导磁部10为环形结构，第一永磁体11和第二永磁体12相对设置在导磁部10内部，第一永磁体11和第二永磁体12的磁场方向一致，第一永磁体11和第二永磁体12之间形成磁致能级跃迁通道，输送管13从磁致能级跃迁通道中穿过，输送管13的进液口与循环装置的出液口连通，输送管13的出液口与电解槽连通。
在本实施例中，电解水制氢系统的制氢方法为，电解液通过磁致能级跃迁通道，在磁致能级跃迁通道中电解液中氢质子在磁场处理后发生磁致能级跃迁，进入电解槽中电解；
设置磁致能级跃迁通道的磁感应强度大于0.5T且均匀度数值小于20000 ppm；
设定磁致能级跃迁通道的长度为L，电解液流速为V，电解液流过磁致能级跃迁通道的时间为tp，将电解液流速与磁致能级跃迁通道的长度进行匹配，使得 L＝V*tp，其中，tp需要达到T1的4～5倍，T1为电解液中氢质子弛豫时间。
磁致能级跃迁装置的工作原理说明为，对于氢原子核来说，其只有一个质子，自旋量子数为1/2。因此其磁矩不为0，对外表现出磁性。电解液中氢质子的自旋会产生磁矩，但自然状况下这些磁矩会随机排布，宏观上不表现出磁性。在静强磁场B0中，磁性原子核会受到一个磁力矩，微观粒子的运动遵守量子力学规律，核自旋会与B0保持一定的夹角。这样，核磁矩就始终受到一个恒定的磁力矩的作用，核磁矩绕B0方向进行拉莫尔进动。此时磁矩失去了取向自由，会被排列成顺磁方向(低能级)和逆磁方向(高能级)，部分氢质子跃迁到高能级，氢质子据此从环境的强磁场中获得能量。2种能级的氢质子数遵循玻尔兹曼分布，因此其数目并不相等，从而建立起宏观磁化矢量M0：
Figure RE-GDA0003565079760000051
式中：ρ为电解液中的质子密度；T为绝对温度；k为玻尔兹曼常数。其示意图如图3所示
宏观磁化矢量强度越大，说明磁致能级跃迁表现出的效果越强，有更多的氢质子跃迁到高能级。宏观磁化矢量方向与强磁场B0方向一致。而电解液中的氢质子从进入强磁场，到达到玻尔兹曼平衡建立起宏观磁化矢量并不是瞬间发生的，其过程由电解液中氢质子的自旋-晶格弛豫时间T1决定：
Figure RE-GDA0003565079760000061
式中:Mp为电解液流出强磁场时的磁化矢量强度；tp为电解液流经强磁场的时间。同样，电解液在流出强磁场到流入电解槽的tpd时间内，由于没有了强磁场的约束，电解液中氢质子磁矩分布逐渐散乱，导致其宏观磁化矢量以T1为时间常数指数衰减：
Figure RE-GDA0003565079760000062
式中，Md为电解液流入电解槽时的磁化矢量强度。
宏观磁化矢量的大小与磁场作用时间和流出磁场到电解槽的时间的关系如图5所示，可见，在磁场作用时间tp内，宏观磁化矢量逐渐增强，增强的速率越来越慢，最后到达一个极限；
电解液出强磁场后，在进入电解槽的时间tp内，宏观磁化矢量逐渐衰减，且最开始一段时间衰减得最多。因此，保证电解液在强磁场中停留足够时间，即可使其中的大量氢质子处于高能级，提高反应活性；保证电解液在流出强磁场后尽快流入电解槽中进行电解，即可最大化保留其作用效果，最终降低反应所需能耗。由于宏观磁化矢量在磁场中以T1为时间常数指数增加，电解液处于磁场中时间达到4T1时，其宏观磁化矢量即能够达到最大值的98.17％，因此为平衡建立大范围强磁场的成本以及宏观磁化矢量的大小，宜将电解液通过强磁场的时间tp设为电解液中氢质子弛豫时间T1的4～5倍。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种基于磁致能级跃迁的电解水制氢系统，包括电解槽、氢分离器、氧分离器、换热器、循环装置、冷凝器和气液分离器，其特征在于：还包括磁致能级跃迁装置，该磁致能级跃迁装置的出液口与电解槽连通，该磁致能级跃迁装置的进液口与循环装置的出液口连通，循环装置内的液体经磁致能级跃迁装置处理后进入到电解槽内。
2.根据权利要求1所述一种基于磁致能级跃迁的电解水制氢系统，其特征在于：所述磁致能级跃迁装置包括导磁部、第一永磁体、第二永磁体和输送管，该导磁部为环形结构，所述第一永磁体和所述第二永磁体相对设置在所述导磁部内部，所述第一永磁体和所述第二永磁体的磁场方向一致，所述第一永磁体和所述第二永磁体之间形成磁致能级跃迁通道，所述输送管从所述磁致能级跃迁通道中穿过，所述输送管的进液口与所述循环装置的出液口连通，所述输送管的出液口与所述电解槽连通。
3.采用权利要求2电解水制氢系统的制氢方法，其特征在于：
电解液通过磁致能级跃迁通道，在磁致能级跃迁通道中，电解液中的氢质子在磁场处理后发生磁致能级跃迁，进入电解槽中电解；
设置磁致能级跃迁通道的磁感应强度大于0.5T且均匀度数值小于20000ppm；
设定磁致能级跃迁通道的长度为L，电解液流速为V，电解液流过磁致能级跃迁通道的时间为tp，将电解液流速与磁致能级跃迁通道的长度进行匹配，使得L＝V*tp，其中，tp需要达到T1的4～5倍，T1为电解液中氢质子弛豫时间。
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