CN213113530U - 液态金属磁流体直接电解水制氢装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种液态金属磁流体直接电解水制氢装置。其中，一种液态金属磁流体直接电解水制氢装置，包括：容器；绝缘板，其设置在所述容器中，用于将所述容器分割成第一层容器和第二层容器；所述第一层容器为电解槽，第二层容器为密封室；液态金属管道，其为闭环密封管道且穿过所述第二层容器；所述液态金属管道内设置有液态金属；一对永磁铁，其设置于第二层容器内且包括永磁铁N极和永磁铁S极，分别设置于液态金属管道两侧；一对电极，其一端嵌入液态金属管道侧壁与液态金属直接接触，另一端穿过绝缘板；所述电极用于传输电能，且为电解水过程提供电能。本公开的该装置结构简单紧凑，便于模块化布置，方便清洗维护。

Description

液态金属磁流体直接电解水制氢装置

技术领域

本公开属于海洋能高效利用技术与电解海水制氢领域，尤其涉及一种液态金属磁流体直接电解水制氢装置。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

海洋蕴藏着世界上最丰富的资源，海洋能的开发利用对减少污染与温室气体排放具有重要意义。潮流能、波浪能、潮汐能等是海洋能的常见形式。海洋能发电装置多布置于远离海岸线的地方，电能利用需要布设海底电缆或设置海上充电平台，成本高昂且使用维护不方便。氢能以其清洁、高效、安全、可储存及运输等优点，被视为最理性的能源载体。海水是氢能源的主要来源，电解海水制氢具有广阔前景。目前制氢方式主要有化石燃料制氢、水电解制氢、生物质制氢、太阳能光解制氢等方式。其中化石燃料制氢没有从根本上解决污染严重、不可持续的问题，生物质制氢及太阳能光解制氢均在研发阶段，而水电解制氢操作简单、技术成熟、原料广泛、制取的氢气和氧气纯度高。但是电解水需消耗大量电能，利用可再生能源，尤其是海洋能制氢是未来的发展趋势。

利用“弃水、弃风、弃光”等可再生能源的剩余电力来制取氢气是近年来氢能发展的新思路。挪威在优特西拉岛建设了一套风力发电和氢气储能并发电全面结合的供电系统。2016年我国河北省沽源县建设的世界最大风电制氢综合利用示范项目已全部并网发电。然而，现有的可再生能源水电解制氢技术均需要将电能先收集转换成可用电压，再加载到电解槽的正负极，此过程增加装置的复杂性，造成能量的损耗。液态金属磁流体发电是以低熔点、高电导率的液态金属流体为工质进行磁流体发电。发电通道内的液态金属流经磁场区域时，切割磁感线，在两侧电极上产生感应电动势。液态金属磁流体发电没有机械能转换环节，可以替代旋转电机，近年来美国科学应用与研究协会、日本东京工业大学、中国科学院将其应用于海洋波浪能直接发电。但是，液态金属磁流体发电存在大电流、小电压的特性，需要经过复杂功率转换系统才能输出直接可用电能，如果将液态金属磁流体技术直接应用于水电解制氢则可以解决这一难题，而目前液态金属磁流体技术还不能直接应用于水电解制氢。

实用新型内容

根据本公开的一个或多个实施例，提供一种液态金属磁流体直接电解水制氢装置，其构简单紧凑，便于模块化布置，方便清洗维护。

本公开的一种液态金属磁流体直接电解水制氢装置，包括：

容器；

绝缘板，其设置在所述容器中，用于将所述容器分割成第一层容器和第二层容器；所述第一层容器为电解槽，第二层容器为密封室；

液态金属管道，其为闭环密封管道且穿过所述第二层容器；所述液态金属管道内设置有液态金属；

一对永磁铁，其设置于第二层容器内且包括永磁铁N极和永磁铁S极，分别设置于液态金属管道两侧；

一对电极，其一端嵌入液态金属管道侧壁与液态金属直接接触，另一端穿过绝缘板；所述电极用于传输电能，且为电解水过程提供电能。

在一个或多个实施例中，所述电解槽包括阴极室和阳极室，所述阴极室和阳极室之间设置有阴阳极室隔膜。

在一个或多个实施例中，所述电解槽底部区域设置有进水口和出水口。

在一个或多个实施例中，所述电解槽顶部区域设置有阴极室排气口，所述阴极室排气口与阴极室相连通。

在一个或多个实施例中，所述电解槽顶部区域设置有阳极室排气口，所述阳极室排气口与阳极室相连通。

在一个或多个实施例中，所述液态金属管道内还设置有单向阀门。

在一个或多个实施例中，所述液态金属管道内还与驱动机构相连，所述驱动机构用于驱动液态金属在液态金属管道中单向流动。

在一个或多个实施例中，所述电解槽内设置有电解液，所述电解液由进水口输入至电解槽。

本公开的有益效果是：

本公开的液态金属磁流体直接电解水制氢装置具备结构简单、电能特性匹配好、制氢原料充足、方便储存等诸多优点，而且整体装置结构紧凑，便于模块化布置，方便清洗维护，不需复杂的电路连接，克服了功率转换和电能传输的难题，为解决可再生能源发电装置利用问题提供新方案。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开的液态金属磁流体直接电解水制氢装置实施例结构示意图。

图2为海洋能液态金属磁流体直接电解海水实施例流程图。

其中：1-阴极室排气口，2-阴极室，3-进水口，4-阴极，5-永磁铁N极，6-液态金属管道，7-永磁铁S极，8-密封室，9-阳极，10-出水口，11-海水，12-阳极室，13-阳极室排气口。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

图1为本公开的液态金属磁流体直接电解水制氢装置的实施例结构示意图。

如图1所示，本实施例的一种液态金属磁流体直接电解水制氢装置的主体为容器。其中，该容器为抗压容器。

容器中设置有绝缘板，绝缘板用于将所述容器分割成第一层容器和第二层容器；其中，第一层容器为电解槽，第二层容器为密封室。

密封室为液态金属磁流体发电单元密封室，其中的发电单元包括液态金属管道6、永磁铁N极5、永磁铁S极7、正极9和负极4，液态金属管道6为矩形截面绝缘管，穿过密封室8，位于永磁铁N极5、永磁铁S极7中间，正极9和负极4的一端嵌入液态金属管道侧壁，与液态金属直接接触。当液态金属在外力作用下于液态金属管道6中单向流动，经过永磁铁N极5和永磁铁S极7产生的磁场时，切割磁力线，在正极9和负极4间产生感应电动势，电能通过正极9和负极4引出至电解槽。

在具体实施中，所述液态金属管道内还设置有单向阀门。

所述液态金属管道内还与驱动机构相连，所述驱动机构用于驱动液态金属在液态金属管道中单向流动。

本公开应用于海洋能液态金属磁流体直接电解海水制氢时，需要将液态金属磁流体直接电解水模块与往复式海洋能捕获装置、海水过滤处理装置、储氢装置等组合使用。

往复式海洋能捕获装置将波浪能、潮流能等可再生能源转化为机械能，驱动密闭管道内的液态金属运动。在单向阀及其他辅助下，液态金属以相对稳定的速度单向流经液态金属磁流体直接电解水模块，在电极上产生相对稳定的直流电压，为电解槽提供电能。这样保证液态金属经过发电单元时保持单向流动，在电极上产生相对稳定的直流电。

在具体实施中，往复式海洋能捕获装置可采用平面连杆机构、齿轮机构、涡轮机构、棘轮机构、滑轮机构或弹簧机构中任一中结构来实现，其结构均为现有结构。

需要说明的是，也可采用其它往复运动机械提供动力源，驱动液态金属运动。

所述电解槽内设置有电解液，所述电解液由进水口输入至电解槽。

在本实施例中电解液选择为：经过过滤的海水作为电解水制氢原料，应用于其它非海洋能发电装置时，也可选用水溶液作为电解水制氢原料。

液态金属为低熔点合金、金属或纳米金属导电溶液，例如NaK78、U47、Hg、镓铟锡液态合金、纳米银溶液等。

电解槽由阴极4、阳极9、阴极室2、阳极室12及阴阳极室隔膜组成，并在电解槽底部区域设置进水口3和出水口10，在顶部区域设置阴极室排气口1和阳极室排气口13。当电解槽充满海水时，添加合适的催化剂或辅助材料，由发电单元产生的电压加载到阴极4和阳极9上，发生电化学反应，在阴极4上析出氢气，经阴极排气口1排出并收集，其余产物经阳极排气口13和出水口10排出。

正、负极同时也是电解槽的阳、阴极。优选电阻较小的块状良导体作为电极。比如：钛基Ru、Ir、Ti、Sn、Co五元混合氧化物作为阳极，钛合金作为阴极，在阴极析出氢气，在阳极析出Cl₂。

比如：石墨作为阳极，Pt作为阴极，例如活性炭作为电解海水的催化剂，在阴极析出氢气，在阳极产生CO₂。

本实施例采用储氢材料收集储存水电解产生的氢气，方便氢气的储存、运输、使用。

海水11经过过滤处理后注入电解槽，发生电化学反应，在阴极4上析出氢气，经阴极排气口1排出并由储氢装置收集，其他产物经阳极排气口13和出水口10收集或排出。

本公开采用模块化设计，当装置需要维护时，可将液态金属磁流体直接电解水模块拆下，以方便清洁、维护、替换，同时并不影响其他装置的使用。

本具体实施方式提供的海洋能液态金属磁流体直接电解水制氢系统，通过液态金属磁流体发电技术将海洋能发电装置直接应用于电解海水制氢，因地制宜，扬长避短，突破海洋能发电装置地理位置的局限性，有效实现海水直接制氢，拓展了氢能源的来源，为海洋能的高效利用提供了新方案。

如图2所示，本实施例的基于所述的液态金属磁流体直接电解水制氢装置的制氢原理为：

液态金属在外力作用下在液态金属管道中单向流动，经过永磁铁N极和永磁铁S极产生的磁场时，切割磁力线，在一对电极之间产生感应电动势，电能通过一对电极引出至电解槽，电解槽利用电能对电解液进行电解。

其中外力装置在本实例中为海洋能捕获装置。

电解液在本实施例中为海水，其经过过滤装置过滤后，由进水口输入至电解槽内。

其中，过滤装置可选用过滤器。

在电解槽的阴极室中析出氢气，经阴极排气口排出并收集，其余产物经阳极排气口和出水口排出。

本公开充分利用液态金属磁流体发电小电压、大电流的特性，首次将该技术应用于电解水制氢，其中，电解槽与液态金属磁流体发电单元分别位于同一绝缘抗压容器的上下层内，通过单向阀控制液态金属单向流动产生相对稳定的直流电，将发电单元的正负极直接引出作为电解水制氢的阳阴极，在阴极析出氢气并收集。该装置结构简单紧凑，便于模块化布置，方便清洗维护。将本公开应用于海洋能液态金属磁流体直接电解海水制氢，突破海洋能发电装置地理位置的局限性，有效实现海水直接制氢，拓展了氢能源的来源，为海洋能的高效利用提供了新方案。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种液态金属磁流体直接电解水制氢装置，其特征在于，包括：

容器；

绝缘板，其设置在所述容器中，用于将所述容器分割成第一层容器和第二层容器；所述第一层容器为电解槽，第二层容器为密封室；

液态金属管道，其为闭环密封管道且穿过所述第二层容器；所述液态金属管道内设置有液态金属；

一对永磁铁，其设置于第二层容器内且包括永磁铁N极和永磁铁S极，分别设置于液态金属管道两侧；

一对电极，其一端嵌入液态金属管道侧壁与液态金属直接接触，另一端穿过绝缘板；所述电极用于传输电能，且为电解水过程提供电能。

2.如权利要求1所述的液态金属磁流体直接电解水制氢装置，其特征在于，所述电解槽包括阴极室和阳极室，所述阴极室和阳极室之间设置有阴阳极室隔膜。

3.如权利要求1所述的液态金属磁流体直接电解水制氢装置，其特征在于，所述电解槽底部区域设置有进水口和出水口。

4.如权利要求1所述的液态金属磁流体直接电解水制氢装置，其特征在于，所述电解槽顶部区域设置有阴极室排气口，所述阴极室排气口与阴极室相连通。

5.如权利要求1所述的液态金属磁流体直接电解水制氢装置，其特征在于，所述电解槽顶部区域设置有阳极室排气口，所述阳极室排气口与阳极室相连通。

6.如权利要求1所述的液态金属磁流体直接电解水制氢装置，其特征在于，所述液态金属管道内还设置有单向阀门。

7.如权利要求6所述的液态金属磁流体直接电解水制氢装置，其特征在于，所述液态金属管道内还与驱动机构相连，所述驱动机构用于驱动液态金属在液态金属管道中单向流动。

8.如权利要求3所述的液态金属磁流体直接电解水制氢装置，其特征在于，所述电解槽内设置有电解液，所述电解液由进水口输入至电解槽。

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