CN116716621A - 一种复合场高性能低温制氢设计方法及电解槽装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及化学品制备技术领域，特别是一种复合场高性能低温制氢设计方法，包括一种复合场高性能低温制氢电解槽装置，其包括，赋赋能机构，其包括电场赋能组件、与所述电场赋能组件一端的控制组件和与所述控制组件一侧连接的微波赋能组件；制氢机构，其包括设置在所述微波赋能组件顶端的反应保温箱、设置在所述反应保温箱内部的磁性催化电极、与所述反应保温箱顶端连接的气液分流器，以及设置在所述磁性催化电极中间的磁能装置；该设备该复合场的系统可极大地降低传统电解制氢过程中电能消耗与传质阻力，可有效促进水电解催化反应，同时降低反应温度、提高反应器性能和电解效率、降低了反应能耗、提高反应产气纯度。
Description
技术领域
本发明涉及电解制氢技术领域，特别是一种复合场高性能低温制氢设计方法及电解槽装置。
背景技术
电解制氢领域，采用的电解槽(包括碱水制氢槽、纯水制氢槽或其它形式的电解槽)多为板框式结构，这种结构较多的依赖电极催化剂与功能膜材的使用，尤其是稀缺的贵金属催化剂与质子交换膜；由于电极性能及其材料、隔膜材料或膜电极等存在材料局限性与性能上的极限，在此基础上二次提高产氢能力与能效的方法作用有限；因此需要考虑其它可行性方案用以提高电解槽产气性能。
实现电解槽性能提升的同时，使得其单位产品能耗降低，能源效率提高，则是目前最值得考虑实现的问题。目前传统的电解制氢系统中，碱性电解系统转化效率为70％-80％，PEM电解系统转化效率为80％-90％；因此，传统的电解槽隔膜与催化材料的性能、槽产氢量有待提高；而目前材料性能的提升已到达瓶颈，无法再有突破性提升。
此外，电源系统的波动性对电解槽具有深刻影响，而可再生能源如光伏、风电等均是波动性电源，而在波动的电源变化下会引起材料劣化与性能衰减。由于输入电源变化时，当输入功率降低时，电流会下降，电解槽产生的热量会衰减较快，此时的换热系统响应会比较慢，这就加剧了电解槽温度下降，产气速率降低，氢氧侧压力变化，极易引起氢氧串气造成安全风险；当电流上升时，电极产生的H2、O2量加大，电极产生的原生态气泡覆盖电极表面活性位点，导致催化反应电阻增加，因此过电位增加导致电解电压升高，电解效率下降；同时由于气泡阻挡，电解液在电解表面给出用于反应的水分子滞后，导致表面反应均匀性差，还会导致局部反应过热点发生，又导致活性位点烧结与团聚，进而降低活性及电极的使用寿命。此外，由于输入电源的波动剧烈，导致控制执行机构频繁启停，又使得辅机系统寿命下降。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述或现有技术中制氢方法效率较为低下，无法充分对其制备材料进行充分利用和循环利用的问题，提出了本发明。
因此，本发明的目的是提供一种复合场高性能低温制氢设计方法。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种复合场高性能低温制氢电解槽装置设计方法，其方法包括以下步骤，
初步赋能：
电解质(碱液或纯水)在电场赋能装置中，经过静电场使电解液获得静电场能，水及其水分子基团因极化、电离作用改变其存在状态，打破水分子基团的聚集，使其在电场作用下变形、同时水分子以及水分子基团在电场作用下排列规律形式存在，并使之处理能量较高的状态；
二次赋能：
赋能后的水，进入微波赋能装置中，经过微波进行高效率加热及二次赋能。
作为本发明制氢设计方法的一种优选方案，其中：经过赋能和微波加热的电解液经过电解槽的流道进入电催化反应系统进行电解制氢氧反应，气液混合物从上部流道流出，经过气液分离器进行气体与液体分离。
作为本发明制氢设计方法的一种优选方案，其中：经过气液分离器进行气体与液体分离后的氢气和氧气被收集，液体经过二次加热重新进入电场赋能装置，循环利用。
本发明的化学品的制备方法有益效果：该复合场的系统可极大地降低传统电解制氢过程中电能消耗与传质阻力，可有效促进水电解催化反应，同时降低反应温度、提高反应器性能和电解效率、降低了反应能耗、提高反应产气纯度。
鉴于在实际使用过程中，还存在实际的多次赋能，温度控制等步骤实施过程繁琐的问题。
因此，本发明的另一个目的是提供一种复合场高性能低温制氢电解槽装置。
为解决上述技术问题，本发明还提供如下技术方案：一种制氢电解槽装置，包括所述的化学品的制备方法，以及，
赋能机构，其包括电场赋能组件、与所述电场赋能组件一端的控制组件和与所述控制组件一侧连接的微波赋能组件；
制氢机构，其包括设置在所述微波赋能组件顶端的反应保温箱、设置在所述反应保温箱内部的磁性催化电极、与所述反应保温箱顶端连接的气液分流器，以及设置在所述磁性催化电极中间的磁能装置。
作为本发明制氢电解槽装置的一种优选方案，其中：所述电场赋能组件包括赋能保温壳、开设在所述赋能保温壳一侧的保温液入口、开设在所述赋能保温壳另一侧的保温液出口、设置在所述电场赋能组件内部的绝缘多孔陶瓷层、设置在所述绝缘多孔陶瓷层内部的导电芯片、与所述导电芯片顶端连接的引电线、设置在所述赋能保温壳顶端的赋能出水管，以及设置在所述赋能保温壳底端的赋能进水管。
作为本发明制氢电解槽装置的一种优选方案，其中：所述控制组件包括设置在所述反应保温箱底端的水车、与所述水车一端连接的多级传动齿轮组、与所述多级传动齿轮组一端转动连接的齿轮泵、设置在所述多级传动齿轮组一侧的感控件，以及与所述感控件一端连接的显温件，其中所述多级传动齿轮组与所述感控件相互配合。
作为本发明制氢电解槽装置的一种优选方案，其中：所述感控件包括与所述多级传动齿轮组啮合的配合齿轮、与所述配合齿轮啮合的传动齿轮、贯穿连接所述传动齿轮的滑槽杆、设置在所述传动齿轮一侧的固定板、与所述传动齿轮另一端连接的伸缩空心杆，以及与所述固定板一端连接的连杆。
作为本发明制氢电解槽装置的一种优选方案，其中：所述显温件包括设置在所述齿轮泵一侧的蒸汽管、与所述蒸汽管顶端连接的气压筒、设置在所述气压筒内部的活塞杆、与所述活塞杆一端连接的第二活塞杆，以及与所述第二活塞杆一端连接的弹簧阀，其中所述连杆与所述活塞杆连接，所述弹簧阀与所述活塞泵相互配合。
作为本发明制氢电解槽装置的一种优选方案，其中：所述微波赋能组件包括接线柱、与所述接线柱顶端连接的微波发射阵列、开设在所述微波发射阵列一侧的微波发射真空腔、设置在所述微波发射真空腔一侧的电解质流道、与所述微波发射阵列另一端连接的微波屏蔽层、设置在所述微波发射真空腔和所述电解质流道中间的保温层、设置在所述保温层外表面的透波层、设置在所述保温层内表面的防腐层，以及设置在所述微波屏蔽层和所述微波发射阵列中间的反射层。
作为本发明制氢电解槽装置的一种优选方案，其中：所述磁能装置包括设置在所述反应保温箱内部的端压板、设置在所述端压板表面的电解槽接线柱、开设在所述端压板一侧的电解液入口、开设在所述端压板另一侧的排污口、设置在所述端压板中间的磁场发射块、开设在所述磁场发射块一端的磁场汇集与发射腔体、开设在所述磁场汇集与发射腔体一侧的磁场发射狭缝、设置在所述磁场发射块一侧的磁场屏蔽层，以及设置在所述磁场发射块顶端的隔膜。
本发明的有益效果：通过各系统联动，有效降低电源输入波动性对电解槽适应性的影响，如光伏、风电、潮汐等形式的新能源系统，同时减少辅机频繁联动执行的动作，大大增加了机构寿命，尤其电解液赋能以及电磁增强技术，可使得电解液在较低温度下运行，有效减少电解槽材料性能劣化现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的电解液赋能组件的结构示意图。
图3为本发明的电解液赋能组件的内部分布应用示意图。
图4为本发明的控制组件的整体结构示意图。
图5为本发明的微波赋能组件的展开结构示意图。
图6为本发明的微波赋能组件的剖析结构示意图。
图7为本发明的反应机构的整体结构示意图。
图8为本发明的反应机构的磁能装置的结构放大示意图。
图9为本发明的磁场分布应用示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
参照图1～9，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种复合场高性能低温制氢电解槽装置设计方法，其方法包括以下步骤，
初步赋能：
电解质(碱液或纯水)在电场赋能装置中，经过静电场使电解液获得静电场能，水及其水分子基团因极化、电离作用改变其存在状态，打破水分子基团的聚集，使其在电场作用下变形、同时水分子以及水分子基团在电场作用下排列规律形式存在，并使之处理能量较高的状态；
二次赋能：
赋能后的水，进入微波赋能装置中，经过微波进行高效率加热及二次赋能综上，通过上述步骤进行逐步制备后，先保证可以保证氯代磷酸二苯酯合成之后的高含量，从而保证第二步运用氯代磷酸二苯酯制备磷酸二苯酯完成后的含量多，纯度好，从而有效的提高了磷酸二苯酯的生产效果，以及对制备材料的利用率。
微波由导波管深入管腔内，内管外敷微波高透材料，微波对电解液进行加热，以缓冲电源波动导致的电解槽温度急剧变化导致材料性能下降。
进一步的，经过赋能和微波加热的电解液经过电解槽的流道进入电催化反应系统进行电解制氢氧反应，气液混合物从上部流道流出，经过气液分离器进行气体与液体分离。
流动的赋能极化电解液在磁场中受到磁场力和电场力的作用进而在电极界面处于混流状态，减少了浓差极化的发生；此外，还加速了电极气泡的脱离，减少了电极极化电阻及其电极材料消耗；变化的磁场在磁性催化电极的反应位点温度较高，这降低了反应电压与整个槽的反应温度，增大了电流密度。
进一步的，经过气液分离器进行气体与液体分离后的氢气和氧气被收集，液体经过二次加热重新进入电场赋能装置，循环利用。
采用声波插入式震荡的形式，强制气液快速分离，极大地降低分离系统中的氢气与氧气在电解液残留，有效减少氢氧掺混而造成系统安全隐患。
其中，气液混合物在分离系统中进行高效分离，其中：声波频率20KHz，功率密度0.25w/cm2。
对比例1：
采用与实施例1相同电解槽结构与电解质，电解质液温度保持为60℃，无其它场辅助进行电解反应。
对比例2；
采用与实施例2相同结构电解槽与电解质，保证电解液温度80℃，无其它场辅助进行电解反应。
对比例3；
采用与实施例2相同结构电解槽与电解质，保证电解液温度60℃，仅有赋能电场辅助进行电解反应。
对比例4；
采用与实施例2相同结构电解槽与电解质，保证电解液温度60℃，仅有电解槽电磁场辅助进行电解反应。
对比例5：
采用与实施例2相同结构电解槽与电解质，保证电解液温度60℃，仅无声波分离。
对比例6：
采用与实施例3相同结构电解槽与电解质，保证电解液温度60℃，无其他辅助场进行电解反应。
对比例7；
采用与实施例3相同结构电解槽与电解质，保证电解液温度60℃，仅有赋能电场辅助进行电解反应。
对比例8；
采用与实施例3相同结构电解槽与电解质，保证电解液温度60℃，仅有电解槽电磁场辅助进行电解反应。
上述对比信息如表1所示。
表1实施例与对比例对照结果表
冷启动时间：电解槽产能按照规定功率启动，产能从0到达设定产能的时间，本发明为0到10Nm3/h产能所花费的时间。
抗电源波动性5％对产氢量的影响百分比：标准阶段产氢量下，功率变化5％/min对产氢量的影响，计算公式为：产率影响＝100％*|[VH2(第一阶段标准产氢量)-VH2(第二阶段标准产氢量)]|/VH2(第一阶段标准产氢量)，本发明在电流密度2000A/m2或者15000A/m2下变化5％/min测定。
产气压力：1.6MPa，10Nm3/h装置测试。
由测试数据可以发现：1.复合场对制氢能耗降低明显2.声波震荡分离对产品纯度有较好的提高作用3.复合场对冷启动快速达到标准产能具有良好的促进作用4.复合场及本装置设定对电源波动具有良好的适应性，可以满足光伏、风电等不稳定能源下的功率波动情况5.复合场对及本发明结构与装置的设置对本发明电流密度工况下的小室电压具有很好的降低作用，可充分节能。
综上，本发明提供了一种静电场、电磁场、微波场等多场能应用的多维复合场条件下，一种可以提高产氢能力的装置及其使用方法，具有该复合场的系统能够达到给反应元素赋能，活化了水分子增大水分子极距、减少水分子簇聚集，加强了水分子在电解小室内的反应速率，提高了能量效率可极大地降低，传统电解制氢过程中电能消耗与传质阻力，可有效促进水电解催化反应，同时降低反应温度、提高反应器性能和电解效率、降低了反应能耗、提高反应产气纯度。
实施例2
参照图1-3为本发明第二个实施例，与上个实施例不同的是，该实施例提供了一种制氢电解槽装置，包括的化学品的制备方法，以及，
赋能机构100，其包括电场赋能组件101、与电场赋能组件101一端的控制组件102和与控制组件102一侧连接的微波赋能组件103；通过电场赋能组件101，先经过电场赋能组件101使得最初的电解液经过静电场获得静电场能，水及其水分子基团因极化、电离作用改变其存在状态，打破水分子基团的聚集，使其在电场作用下变形、同时水分子以及水分子基团在电场作用下排列规律形式存在，并使之处理能量较高的状态，使之在后续的电解反应中快速反应，加快了反应速度，而后电解液经过微波赋能组件103，通过微波进行高效率加热及二次赋能，微波对电解液进行加热，以缓冲电源波动导致的电解槽温度急剧变化导致材料性能下降，进一步的控制其电解液温度在30-60℃，其中控制组件102则对于装置内部的保温液进行测温当装置内保温液达不到预期值，从而对经过二次赋值之后的电解液在反应机构200的电解反应产生影响时，会改变其自身的转速，使得电解液在经过微波赋能组件103进行减速，实现温度越低减速越大，使得电解液对反应机构200的负载减小，在经过微波赋能组件103时候赋值更多，从而保证电解液进入反应机构200之后的正常反应。
具体的，电场赋能组件101包括赋能保温壳101a、开设在赋能保温壳101a一侧的保温液入口101b、开设在赋能保温壳101a另一侧的保温液出口101c、设置在电场赋能组件101内部的绝缘多孔陶瓷层101d、设置在绝缘多孔陶瓷层101d内部的导电芯片101e、与导电芯片101e顶端连接的引电线101f、设置在赋能保温壳101a顶端的赋能出水管101g，以及设置在赋能保温壳101a底端的赋能进水管101h；需要被赋能的电解液从赋能进水管101ha端口经过赋能保温壳101a内部，在绝缘多孔陶瓷层101d内部导电芯片101e的热传递作用下从赋能出水管101g端口流出，在这期间，高温保温液体经过保温液入口101b进入赋能保温壳101a外壳与内壳夹层，而后从保温液出口101c流出，从而保证赋能保温壳101a内部温度恒定。
参照图3为赋能保温壳101a内绝缘多孔陶瓷层101d分布示意图，相邻电极排布按照同心圆排布，相邻AD或AB同心圆相距半径100-500mm,其中AC与BD垂直，排布角度如∠1或∠2为30-60°变化，绝缘多孔陶瓷层101d为正负电场交替排列，插入深度为整个液面以下80-95％；赋能装置进水由下端进入，上端流出，水流速度控制在0.01-0.5m/s，温度控制在15-50℃，水力停留时间30-120秒，电场强度10-200V/m若电导率小于1mS/cm则采用电压范围为1.0-10kV/m，赋能装置保温层夹套控制水温20-60℃；其中电极材料涂层为绝缘多孔陶瓷磁性材料，厚度0.5-2.0mm，包裹的内部为导体为导电金属。
实施例3
参照图1和图4为本发明第三个实施例，与上个实施例不同的是，该实施例提供了装置的控制组件。
控制组件102包括设置在反应保温箱201底端的水车102a、与水车102a一端连接的多级传动齿轮组102b、与多级传动齿轮组102b一端转动连接的齿轮泵102c、设置在多级传动齿轮组102b一侧的感控件102d，以及与感控件102d一端连接的显温件102e，其中多级传动齿轮组102b与感控件102d相互配合；通过从反应保温箱201内流出的保温液带动水车102a旋转，水车102a旋转带动多级传动齿轮组102b，多级传动齿轮组102b旋转带动与其啮合的感控件102d旋转，感控件102d旋转则带动齿轮泵102c旋转，其中显温件102e可以控制感控件102d的位置，使得感控件102d与多级传动齿轮组102b不同大小的齿轮旋转，实现不同的转速。
进一步的，感控件102d包括与多级传动齿轮组102b啮合的配合齿轮102d-1、与配合齿轮102d-1啮合的传动齿轮102d-2、贯穿连接传动齿轮102d-2的滑槽杆102d-3、设置在传动齿轮102d-2一侧的固定板102d-4、与传动齿轮102d-2另一端连接的伸缩空心杆102d-5，以及与固定板102d-4一端连接的连杆102d-6；多级传动齿轮组102b通过配合齿轮102d-1带动传动齿轮102d-2旋转，传动齿轮102d-2旋转则带动伸缩空心杆102d-5旋转，伸缩空心杆102d-5旋转则带动齿轮泵102c旋转，其中固定板102d-4将配合齿轮102d-1和传动齿轮102d-2的相对位置固定，并依靠滑槽杆102d-3将传动齿轮102d-2的位置进行进一步固定，使得传动齿轮102d-2只能沿着滑槽杆102d-3表面开设的滑槽限位移动，而不论传动齿轮102d-2如何旋转移动，配合齿轮102d-1都能通过固定板102d-4保持与其啮合。
具体的，显温件102e包括设置在齿轮泵102c一侧的蒸汽管102e-1、与蒸汽管102e-1顶端连接的气压筒102e-2、设置在气压筒102e-2内部的活塞杆102e-3、与活塞杆102e-3一端连接的第二活塞杆102e-4，以及与第二活塞杆102e-4一端连接的弹簧阀102e-5，其中连杆102d-6与活塞杆102e-3连接，弹簧阀102e-5与活塞泵102c相互配合；蒸汽管102e-1的末端与反应保温箱201的内部连接，通过其内部的热蒸汽传递到气压筒102e-2内，气压筒102e-2另一端被活塞杆102e-3密封，通过热蒸汽推动活塞杆102e-3移动到气压筒102e-2顶端，一方面活塞杆102e-3通过连杆102e-6控制伸缩转杆102d-5长度，另一方面通过第二连杆102e-4控制弹簧阀102e-5d的位置。
具体的，当反应保温箱201的内部温度降低，蒸汽减少，带动活塞杆102e-3的位置也会被其内部安装的弹簧往气压筒102e-2内部拉动，活塞杆102e-3移动则带动固定板102d-4移动，固定板102d-4移动带动配合齿轮102d-1和传动齿轮102d-2沿着滑槽杆102d-3做限位运动，同时依靠滑槽杆102d-3表面开始的特定滑槽，使得配合齿轮102d-1和传动齿轮102d-2沿着滑槽杆102d-3滑动同时其角度会沿着滑槽杆102d-3旋转，使得两者每沿着滑槽杆102d-3移动一段距离，配合齿轮102d-1都能与多级传动轮组102b上相应的同一平面的齿轮进行啮合，从而实现配合齿轮102d-1沿着滑槽杆102d-3如何移动都能被多级传动轮组102b带动旋转，配合齿轮102d-1旋转则带动传动齿轮102d-3旋转，传动齿轮102d-3旋转则带动伸缩空心杆102d-5旋转，伸缩空心杆102d-5旋转则带动齿轮泵102c旋转，其中多级传动轮组102b被水车102a带动其旋转速率不变，伴随活塞杆102e-3收缩距离越大，配合齿轮102d-1与多级传动轮组102b上啮合的齿轮越小，则从多级传动轮组102b旋转传递来的转速越小，齿轮泵102c旋转速率就越小，则带动电解液进入微波赋能组件103的速率就越小，同时活塞杆102e-3收缩带动弹簧阀102e-5关闭，使得流出齿轮泵102c的电解液减少，具体表现为固定时间内进入微波赋能组件103的电解液减少，逗留在微波赋能组件103内的时间增加，使得从微波赋能组件103流入反应机构200的电解液温度越高，以弥补反应机构200夹层内的保温液温度降低的损耗。
实施例4
参照图1、5图6，为本发明第四个实施例，与上个实施例不同的是，该实施例提供了装置的二次赋能功能。
具体的，微波赋能组件103包括接线柱103a、与接线柱103a顶端连接的微波发射阵列103b、开设在微波发射阵列103b一侧的微波发射真空腔103c、设置在微波发射真空腔103c一侧的电解质流道103d、与微波发射阵列103b另一端连接的微波屏蔽层103e、设置在微波发射真空腔103c和电解质流道103d中间的保温层103f、设置在保温层103f外表面的透波层103g、设置在保温层103f内表面的防腐层103h，以及设置在微波屏蔽层103e和微波发射阵列103b中间的反射层103i；微波赋能组件103表现为真空双重管，真空双层管的管外径100-150mm，管内层表面为镜面光滑的发射层103i，用以反射和汇聚微波，外敷微波屏蔽层103e用以隔绝微波外漏；内径50-100mm，内外层空腔为微波发射真空腔103c，由接线柱103a为微波发射阵列103b提供能量，微波由微波发射阵列103b深入微波发射真空腔103c内，内管外敷微波高透材料即透波层103g，透波层103g内部的保温层103f在微波对电解液进行加热，以缓冲电源波动导致的电解槽温度急剧变化导致材料性能下降，进一步的控制其电解液温度在30-60℃；同时微波赋能组件103采用中心对称分布(中心旋转分布角度为15-90°)，微波汇聚理论中心点为双管同心圆圆心，电解液从最中心的电解质流道103d流过，其内管内层的防腐层103h用于防止电解液对其外层材料进行腐蚀。
综上，采用微波加热的措施，对进入的电解液快速加热以及赋能，可有效减少电解槽启动时间，避免传统电解槽长达30min时以上的启动段加热时间，具有可快速启动的能力
实施例5
参照图1、7、8和图9，为本发明第五个实施例，与上个实施例不同的是，该实施例提供了装置的电解制氢功能。
制氢机构200，其包括设置在微波赋能组件103顶端的反应保温箱201、设置在反应保温箱201内部的磁性催化电极202、与反应保温箱201顶端连接的气液分流器203、设置在204磁性催化电极202中间的磁能装置204，以及设置在反应保温箱201外侧的加热器205；同实施例2，反应保温箱201用于维持箱体内温度稳定，防止因温度变化对反应效率产生影响，经加热器205加热过的保温液从E端口流入，从F端口流出，对控制组件102进行做工，而通过磁性催化电极202释放磁场力，并通过磁能装置204将磁场进行增强，经过赋能和微波加热的电解液从A和B端口进入磁能装置204进行电解制氢氧反应，具有磁性金属或其磁性氧化物催化涂层的磁性催化电极202在电磁作用下产生局部热量，使接触的反应的部分温度较高，因此电极电解反应较为迅速，而此时整个体系温度仍然较低，降低了系统热量供给，形成低温电解体系；而气液混合物从上部C和D流道流出，经过气液分流器203进行气体与液体分离，
如图8增强之后的磁场的分布方式与水流的分布方式垂直，电场方向与磁场方向垂直，也就是水流方向、电场、磁场三者相互垂直分布，但磁场分布在电解槽因电场的不同而相反。
流动的赋能极化电解液在磁场中受到磁场力和电场力的作用进而在电极界面处于混流状态，减少了浓差极化的发生；此外，还加速了电极气泡的脱离，减少了电极极化电阻及其电极材料消耗；变化的磁场在磁性催化电极的反应位点温度较高，这降低了反应电压与整个槽的反应温度，使得槽内所有电解液不需要达到传统电解液80-90℃，这极大地延长水电解槽使用寿命，同时降低了能源消耗。
具体的，磁能装置204包括设置在反应保温箱201内部的端压板204a、设置在端压板204a表面的电解槽接线柱204b、开设在端压板204a一侧的电解液入口204c、开设在端压板204a另一侧的排污口204d、设置在端压板204a中间的磁场发射块204e、开设在磁场发射块204e一端的磁场汇集与发射腔体204f、开设在磁场汇集与发射腔体204f一侧的磁场发射狭缝204g、设置在磁场发射块204e一侧的磁场屏蔽层204h，以及设置在磁场发射块204e顶端的隔膜204i。
经过赋能和微波加热的电解液经过电解槽的流道进入电催化反应系统进行电解制氢氧反应，其中控制参数条件为：磁场强度为5.0T，磁场变化量为5000GS/s，其中每个磁能装置204内电解小室的磁场可单独控制其大小和强度，N极与S极相对排布，磁场夹角∠5＝30°，∠6＝120°；电源提供电极电流密度为15000A/m2，功率变化量设定为5％/min波动，电解液过流速度根据温度传感器进行自适应调节匹配，电解槽内部的换热结构用于控制温度在60℃用于维持高效低温电解制氢，其中，端压板204a通过电解槽接线柱204b为磁场发射块204e充电产生磁场，磁场汇集与发射腔体204f的缝宽度即磁场发射狭缝204g根据电解槽实际小室厚度确定，一般为小室宽度的80％，每块磁场发射块204e外围均有防止磁场外泄的磁场屏蔽层204h，保证全部磁场从规定磁场屏蔽层204h内发射，设置在各个磁场发射块204e中间的隔膜204i用于防止各个磁场发射块204e之间产生的磁场造成紊乱。
具有磁性金属或其磁性氧化物催化涂层电极含有Ni、Fe、Co等或其氧化物在电磁作用下产生局部热量，使接触的反应的部分温度较高，因此电极电解反应较为迅速，而此时整个体系温度仍然较低，降低了系统热量供给，形成低温电解体系。
电解小室进行电解反应时，极化赋能电解液在电、磁场的作用下会受到更大的磁场力和电场力的作用，进而克服气泡通常带负电在电极上的粘附性，加速了气泡在电极表面脱附效果；有效减少了电极极化现象，降低了电解制氢过程中的超电势，从而降低了电阻率，降低了反应过程中的电压，提高了反应电流密度，达到了节能效果。
综上，赋能后的强极化后的水分子在参与电极表面催化反应后形成自由原子(如水电解反应过程中产生的过渡态H原子，过渡态O原子)等，在电磁场中会受到磁场力的作用，加速水分子解离以及在电极表面的受(磁场)力脱离，从而加速形成H2与O2的过程，电场、磁场、微波场的加入具有加强电解催化作用，有效降低了电解槽温度，加速了在电极反应动力学上的气体形成与脱离过程，避免了传统电解槽进行电解液在高温度下进行活化。
重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或与实现本发明不相关的那些特征)。
应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种复合场高性能低温制氢设计方法，其特征在于：其方法包括以下步骤，
初步赋能：
电解质(碱液或纯水)在电场赋能装置中，经过静电场使电解液获得静电场能，水及其水分子基团因极化、电离作用改变其存在状态，打破水分子基团的聚集，使其在电场作用下变形、同时水分子以及水分子基团在电场作用下排列规律形式存在，并使之处理能量较高的状态；
二次赋能：
赋能后的水，进入微波赋能装置中，经过微波进行高效率加热及二次赋能。
2.如权利要求1所述的制氢设计方法，其特征在于：经过赋能和微波加热的电解液经过电解槽的流道进入电催化反应系统进行电解制氢氧反应，气液混合物从上部流道流出，经过气液分离器进行气体与液体分离。
3.如权利要求2所述的制氢设计方法，其特征在于：经过气液分离器进行气体与液体分离后的氢气和氧气被收集，液体经过二次加热重新进入电场赋能装置，循环利用。
4.一种复合场高性能低温制氢电解槽装置，其特征在于：应用于权利要求1～3任一所述的设计方法，以及，
赋能机构(100)，其包括电场赋能组件(101)、与所述电场赋能组件(101)一端的控制组件(102)和与所述控制组件(102)一侧连接的微波赋能组件(103)；
制氢机构(200)，其包括设置在所述微波赋能组件(103)顶端的反应保温箱(201)、设置在所述反应保温箱(201)内部的磁性催化电极(202)、与所述反应保温箱(201)顶端连接的气液分流器(203)、设置在所述(204)磁性催化电极(202)中间的磁能装置(204)，以及设置在所述反应保温箱(201)外侧的加热器(205)。
5.如权利要求4所述的制氢电解槽装置，其特征在于：所述电场赋能组件(101)包括赋能保温壳(101a)、开设在所述赋能保温壳(101a)一侧的保温液入口(101b)、开设在所述赋能保温壳(101a)另一侧的保温液出口(101c)、设置在所述电场赋能组件(101)内部的绝缘多孔陶瓷层(101d)、设置在所述绝缘多孔陶瓷层(101d)内部的导电芯片(101e)、与所述导电芯片(101e)顶端连接的引电线(101f)、设置在所述赋能保温壳(101a)顶端的赋能出水管(101g)，以及设置在所述赋能保温壳(101a)底端的赋能进水管(101h)。
6.如权利要求5所述的制氢电解槽装置，其特征在于：所述控制组件(102)包括设置在所述反应保温箱(201)底端的水车(102a)、与所述水车(102a)一端连接的多级传动齿轮组(102b)、与所述多级传动齿轮组(102b)一端转动连接的齿轮泵(102c)、设置在所述多级传动齿轮组(102b)一侧的感控件(102d)，以及与所述感控件(102d)一端连接的显温件(102e)，其中所述多级传动齿轮组(102b)与所述感控件(102d)相互配合。
7.如权利要求6所述的制氢电解槽装置，其特征在于：所述感控件(102d)包括与所述多级传动齿轮组(102b)啮合的配合齿轮(102d-1)、与所述配合齿轮(102d-1)啮合的传动齿轮(102d-2)、贯穿连接所述传动齿轮(102d-2)的滑槽杆(102d-3)、设置在所述传动齿轮(102d-2)一侧的固定板(102d-4)、与所述传动齿轮(102d-2)另一端连接的伸缩空心杆(102d-5)，以及与所述固定板(102d-4)一端连接的连杆(102d-6)。
8.如权利要求7所述的制氢电解槽装置，其特征在于：所述显温件(102e)包括设置在所述齿轮泵(102c)一侧的蒸汽管(102e-1)、与所述蒸汽管(102e-1)顶端连接的气压筒(102e-2)、设置在所述气压筒(102e-2)内部的活塞杆(102e-3)、与所述活塞杆(102e-3)一端连接的第二活塞杆(102e-4)，以及与所述第二活塞杆(102e-4)一端连接的弹簧阀(102e-5)，其中所述连杆(102d-6)与所述活塞杆(102e-3)连接，所述弹簧阀(102e-5)与所述活塞泵(102c)相互配合。
9.如权利要求8或7所述的制氢电解槽装置，其特征在于：所述微波赋能组件(103)包括接线柱(103a)、与所述接线柱(103a)顶端连接的微波发射阵列(103b)、开设在所述微波发射阵列(103b)一侧的微波发射真空腔(103c)、设置在所述微波发射真空腔(103c)一侧的电解质流道(103d)、与所述微波发射阵列(103b)另一端连接的微波屏蔽层(103e)、设置在所述微波发射真空腔(103c)和所述电解质流道(103d)中间的保温层(103f)、设置在所述保温层(103f)外表面的透波层(103g)、设置在所述保温层(103f)内表面的防腐层(103h)，以及设置在所述微波屏蔽层(103e)和所述微波发射阵列(103b)中间的反射层(103i)。
10.如权利要求5、6和8任一所述的制氢电解槽装置，其特征在于：所述磁能装置(204)包括设置在所述反应保温箱(201)内部的端压板(204a)、设置在所述端压板(204a)表面的电解槽接线柱(204b)、开设在所述端压板(204a)一侧的电解液入口(204c)、开设在所述端压板(204a)另一侧的排污口(204d)、设置在所述端压板(204a)中间的磁场发射块(204e)、开设在所述磁场发射块(204e)一端的磁场汇集与发射腔体(204f)、开设在所述磁场汇集与发射腔体(204f)一侧的磁场发射狭缝(204g)、设置在所述磁场发射块(204e)一侧的磁场屏蔽层(204h)，以及设置在所述磁场发射块(204e)顶端的隔膜(204i)。
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| CN202310476833.4A Pending CN116716621A (zh) | 2023-04-28 | 2023-04-28 | 一种复合场高性能低温制氢设计方法及电解槽装置 |
Country Status (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117174491A (zh) * | 2023-10-16 | 2023-12-05 | 东莞市爱伦电子科技有限公司 | 一种电解电容器 |
-
2023
- 2023-04-28 CN CN202310476833.4A patent/CN116716621A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117174491A (zh) * | 2023-10-16 | 2023-12-05 | 东莞市爱伦电子科技有限公司 | 一种电解电容器 |
| CN117174491B (zh) * | 2023-10-16 | 2024-01-26 | 东莞市爱伦电子科技有限公司 | 一种电解电容器 |
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