CN116103667A - 一种利用磁场提高电解水制氢效率的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用磁场提高电解水制氢效率的方法，包括电解室，电解液进入到电解室中，在电解槽的阴极和阳极施加电压，使得电解槽内发生反应产生氢气和氧气，在电解槽的阴极和阳极分别施加磁场，磁场对带电粒子施加磁动力，电场和磁场造成电解液中离子的扰动，减小气泡的成核速度和大小，使气泡附着力变小，加速电解室的氢气和氧气脱附。本发明在电解水制氢中增加了磁场的作用方式，在电场和磁场的共同作用下，使得电解液离子转移和交换更加剧烈，有助于电解水制氢产生的氢气和氧气气泡脱附，从而降低电解液的欧姆阻抗，进一步降低小室电解电压和能耗。

Description

一种利用磁场提高电解水制氢效率的方法
技术领域
本发明涉及水电解制氢领域，具体涉及一种利用磁场提高电解水制氢效率的方法。
背景技术
作为一种清洁能源，氢能具有高比例压缩、大规模储存、能量无衰减等特性。其来源广泛、应用广泛，可有效降低化石能源比重，提高清洁发展水平，发展氢能是构建“多能互补”能源供应体系的重要载体，是实现能源转型升级的重要助力。目前的制氢技术主要包括水煤气转化法、电解水制氢法、烃类蒸气转化法、烃类裂解法等。随着全球能源结构转型进程不断加速，可再生能源比例不断增长，清洁能源电解水制氢规模会越来越大。目前电解水制氢技术主要包括电解水制氢、质子交换膜电解水制氢、固体氧化物电解水制氢。水制氢技术是目前最成熟、装机量最大的电解水制氢方式。在水电解制氢过程中，通常采用氢氧化钾作为电解液，分别在阴极和阳极发生析氢和析氧反应。在工业电解水制氢电解槽中，为了减小电阻，增大电流密度，小室通常做成很薄的扁平状。在电解水反应过程中，分别在阴极和阳极小室产生氢气和氧气气泡，气泡吸附在电极表面，增大了电解槽电阻，此时一般通过循环泵对电解液进行循环，加快气泡的脱附。但循环泵的流速不能够无线增大，一般小于1m/s，当析氢和析氧速度加快时，形成的小气泡附着在泡沫电极表面，难以脱附，仅仅靠循环泵的作用并不能达到理想的气泡脱附效果。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，目的在于，加快电解水制氢过程中气泡的脱附，减小电解槽的欧姆阻抗，从而增大电流密度。提出一种利用磁场提高电解水制氢效率的方法，具体技术方案如下：
一种利用磁场提高电解水制氢效率的方法，其特征在于：
包括电解室，电解液进入到电解室中，在电解槽的阴极和阳极施加电压，使得电解槽内发生反应产生氢气和氧气，在电解槽的阴极和阳极分别施加磁场，磁场对带电粒子施加磁动力，电场和磁场造成电解液中离子的扰动，减小气泡的成核速度和大小，使气泡附着力变小，加速电解室的氢气和氧气脱附。
为更好的实现本发明，可进一步地：所述电解槽内依次设置有多个电解极，相邻电解极之间为电解室，电解室被阻气隔膜分割为阴极反应室和阳极反应室，电解极包括框架、该框架中部设置有永磁体，在该永磁体的两侧分别设置有极板，该永磁体用于对极板施加磁场，在该框架上分别开设有进液孔和出液孔。
进一步地，所述电解液选用35％浓度的KOH溶液。
本发明的有益效果为：本发明在电解水制氢中增加了磁场的作用方式，在电场和磁场的共同作用下，使得电解液离子转移和交换更加剧烈，有助于电解水制氢产生的氢气和氧气气泡脱附，从而降低电解液的欧姆阻抗，进一步降低小室电解电压和能耗。
设置有永磁体结构作用到极板上，让电场和磁场的共同作用，使得电解液离子转移和交换更加剧烈，有助于电解水制氢产生的氢气和氧气气泡脱附，从而降低电解液的欧姆阻抗，提高电解效率。
相较于传统的水制氢电解槽结构，磁动力电解槽结构的电解槽在能效之、效率、产气纯度、系统波动范围方面都有明显提升。在能耗值更低的情况下，产氢效率提升至少超10％。
附图说明
图1为本发明的工作流程图；
图2为电解极板及小室磁力线分布；
图3为电流、磁场、气泡第一微观示意图；
图4为电流、磁场、气泡第二微观示意图；
图5为磁动力结构电解槽对比测试结果；
图6为极板结构图；
图7为图6的A-A剖视图；
图中附图说明为，框架1、永磁体3、极板2-A1、进液孔1-1、出液孔1-2。
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。
一种利用磁场提高电解水制氢效率的方法，
包括电解槽，电解槽内依次设置有多个电解极，相邻电解极之间为电解室，电解室被阻气隔膜分割为阴极反应室和阳极反应室，产生氢气和氧气。
如图6和图7所示，电解极包括框架1、该框架1中部设置有永磁体3，在该永磁体3的两侧分别设置有极板2-A1，该永磁体3用于对极板2-A1施加磁场，在该框架1上分别开设有进液孔1-1和出液孔1-2。永磁体3的材质、形状和尺寸根据设计需求来选择。其充磁方向可镜像、可轴向。充磁强度根据设计要求进行。
通过在磁场作用在电解极旁，电解槽小室中的离子同时受到电场力、循环泵强制对流以及磁动力的作用。磁力线分布见图2所示。电流、磁场、气泡(氢气氧气)微观示意图如图3和图4所示，无论磁场、电场以及电解液流动方向之间的相对位置如何变化，由于电解气泡的存在，电流方向并不是严格垂直于电解极。这使得离子的运动方向与磁场方向之间总会存在夹角，使电解液离子受到磁动力的作用。在磁动力的影响下，氢气和氧气气泡收到剧烈扰动，降低电解液欧姆电阻，减小能耗。
具体为，当电解液一般选用35％浓度的KOH溶液，电解液进入到电解室中，在电解槽的阴极和阳极施加电压，K+和OH-离子在电场力的作用下，分别移向阴极和阳极，在电场力的作用下，电解液正离子从阳极移动至阴极，电解液负离子从阴极移动至阳极。使得电解槽内发生反应产生氢气和氧气，在电解槽的阴极和阳极分别施加磁场，磁场对带电粒子施加磁动力，电场和磁场造成电解液中离子的扰动，减小气泡的成核速度和大小，使气泡附着力变小，加速电解室的氢气和氧气脱附。
具体为，在原有电场作用的情况下，磁动力使离子原先运动方向发生变化，相当于离子受到不同方向的力，改变原来的运动方向。通过在极板2-A1旁施加磁场作用，电解槽小室中的离子同时受到电场力、循环泵强制对流以及磁动力的影响，磁力线分布如图2所示。由于电解液中存在氢气和氧气气泡，电流的方向在气泡处会产生微小畸变。
不论充磁方向如何，相比无磁场作用的条件下，电解小室中离子的移动以及交换更加剧烈，这对于电解水产生的氢气和氧气气泡的脱附是有益的。
在磁场作用下气液界面的不断变化和推移会引起电解水产生的氢气和氧气气泡受到局部扰动，从而改变产生气泡的大小和运动方向。在磁动力的影响下，会减小气泡附着在电极以及隔膜上的作用力。在循环泵的作用下，使气泡更易从表面脱附。
电解水制氢的过电势一般是由可逆过电势和不可逆过电势组成。可逆过电势在标况下为1.23V，不可逆过电势大小与电解槽结构、材料参数以及循环泵流速相关，包括活化过电势、欧姆过电势(电解液欧姆过电势、电极欧姆过电势和隔膜欧姆过电势)以及浓差过电势。
在没有磁场作用发生电解时，电极产生的气泡附着在电极表面形成一层气泡，增加了电解液的欧姆阻抗，导致欧姆过电势以及电解能耗增大。
在磁场作用下，发生电解时，由于电场和磁场引起了电解液中离子的剧烈扰动，进一步影响气泡的成核速度以及大小，使气泡附着力变小，更易从电极和隔膜表面脱附，从而减小了电解液的欧姆阻抗，达到降低小室电解电压和能耗的目的。
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)

1.一种利用磁场提高电解水制氢效率的方法，其特征在于：
包括电解室，电解液进入到电解室中，在电解槽的阴极和阳极施加电压，使得电解槽内发生反应产生氢气和氧气，在电解槽的阴极和阳极分别施加磁场，磁场对带电粒子施加磁动力，电场和磁场造成电解液中离子的扰动，减小气泡的成核速度和大小，使气泡附着力变小，加速电解室的氢气和氧气脱附。
2.根据权利要求1所述一种利用磁场提高电解水制氢效率的方法，其特征在于：所述电解槽内依次设置有多个电解极，相邻电解极之间为电解室，电解室被阻气隔膜分割为阴极反应室和阳极反应室，电解极包括框架、该框架中部设置有永磁体，在该永磁体的两侧分别设置有极板，该永磁体用于对极板施加磁场，在该框架上分别开设有进液孔和出液孔。
3.根据权利要求1所述一种利用磁场提高电解水制氢效率的方法，其特征在于：所述电解液选用35％浓度的KOH溶液。
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