CN220079206U - 一种采用磁场增能的pem电解水制氢装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种采用磁场增能的PEM电解水制氢装置，包括增能磁场，增能磁场通过磁增能循环机构连通设置有水箱，水箱通过进水机构连通设置有PEM电解槽，PEM电解槽的氢气出口连通设置有汽水分离器的氢气入口，汽水分离器的水出口与水箱的氢气纯化回水口连通设置，PEM电解槽的出氧口与水箱的氧气入口连通设置，水箱设置有氧气出口，汽水分离器的输出端连通设置有出氢机构；控制部，控制部包括主控模块，主控模块分别电性连接有控制机构和信号连接有检测机构，控制机构用于控制PEM电解槽的启停，检测机构分别用于检测增能磁场、水箱和PEM电解槽。本实用新型可实现降低PEM电解制氢能耗，提高制氢速率。
Description
技术领域
本实用新型涉及PEM电解制氢技术领域，特别是涉及一种采用磁场增能的PEM电解水制氢装置。
背景技术
氢能是一种绿色的二次能源，具有能量占比高、清洁无污染、循环利用高、用途广泛等优势，被广泛应用于交通、工业、航空、医疗等领域，大力发展氢能是实现碳中和与可持续发展战略的重要途径。电解水制氢作为目前制取绿氢的重要来源，同时也是解决可再生能源消纳的重要方式。目前电解能耗高、能量转换效率低仍然是电解水制氢技术发展亟待解决的问题。为此许多研究者也尝试应用超重力、高频电场、超声波、强磁场等各种物理场域，通过外部增能方式，提高电解池性能来改善上述问题。目前实现外部增能的方式主要有两种，一是将电解槽完全置于相关物理场域中，此方法大都需要额外电能以维持物理场域稳定运行，能量转换存在损耗，且针对大型电解槽设备构建适配物理场域较为困难；二是将物理场域置于电解槽内部，此方法对电解槽结构设计要求过高，对其寿命影响较大不易实现。总之，这两种方式都不具备普适性，难以推广应用。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种采用磁场增能的PEM电解水制氢装置，以解决现有技术在电解水制氢时额外提供电能和不易加入物理场域的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：本实用新型提供一种采用磁场增能的PEM电解水制氢装置，包括：
增能磁场，所述增能磁场通过磁增能循环机构连通设置有水箱，所述水箱通过进水机构连通设置有PEM电解槽，所述PEM电解槽的氢气出口连通设置有汽水分离器的氢气入口，所述汽水分离器的水出口与所述水箱的氢气纯化回水口连通设置，所述PEM电解槽的出氧口与所述水箱的氧气入口连通设置，所述水箱设置有氧气出口，所述汽水分离器的输出端连通设置有出氢机构；
控制部，所述控制部包括主控模块，所述主控模块分别电性连接有控制机构和信号连接有检测机构，所述控制机构用于控制所述PEM电解槽的启停，所述检测机构分别用于检测所述增能磁场、所述水箱和所述PEM电解槽。
优选的，所述磁增能循环机构包括第一循环水泵，所述第一循环水泵的输入端与所述水箱的磁增能循环出水口连通设置，所述第一循环水泵的输出端与所述增能磁场的入水口连通设置，所述增能磁场的出水口与所述水箱的磁增能循环入水口连通设置，所述增能磁场包括静强磁场，所述静强磁场由3组磁感应强度为1T的N52高性能钕铁硼永磁体组成。
优选的，所述进水机构包括第二循环水泵，所述第二循环水泵的输入端与所述水箱的磁增能水出口连通设置，所述第二循环水泵的输出端与离子交换树脂的输入端连通设置，所述离子交换树脂的输出端与单向阀的输入端连通设置，所述单向阀的输出端与所述PEM电解槽的磁增能水入口。
优选的，所述出氢机构包括氢气流量计，所述汽水分离器的输出端与所述氢气流量计的输入端连通设置，所述氢气流量计的输出端与氢气出口连通设置。
优选的，所述检测机构包括磁场强度检测传感器、电导率检测传感器和温度传感器，所述主控模块分别与所述磁场强度检测传感器、所述电导率检测传感器和所述温度传感器电性连接，所述磁场强度检测传感器用于检测所述静强磁场强度，所述电导率检测传感器用于检测所述水箱中磁增能水的电导率变化，所述温度传感器用于检测所述PEM电解槽的实时温度。
优选的，所述控制机构包括限流开关，所述主控模块与所述限流开关电性连接，所述限流开关与所述PEM电解槽电性连接。
优选的，所述主控模块还电性连接有两散热风扇，且两所述散热风扇分别位于所述PEM电解槽的两侧。
优选的，所述控制部还包括电源和显示屏，所述电源和所述显示屏均与所述主控模块电性连接，所述电源与所述限流开关电性连接。
本实用新型公开了以下技术效果：本实用新型设置的磁增能循环机构实现对水箱内水的循环增能，进而保证通过进水机构所通入到PEM电解槽内的水位磁增能后的水，进而实现纯水经过增能磁场能处理后，PEM电解制氢能耗降低，提高制氢速率的效果。所述汽水分离器的水出口与所述水箱的氢气纯化回水口连通设置可以实现少量水的回收，所述PEM电解槽的出氧口与所述水箱的氧气入口连通设置实现对氧气收集的同时，还可以实现少量水的收集；设置的出氢机构可以实现对制备氢气的收集，设置的汽水分离器可以实现所制备气体与水分的分离。所述控制机构用于控制所述PEM电解槽的启停，所述检测机构分别用于检测所述增能磁场、所述水箱和所述PEM电解槽，达到实时监测的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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他的附图：
图1为本实用新型一种采用磁场增能的PEM电解水制氢装置的结构示意图；
图2为去离子水的增能时间和导电率的曲线图；
图3为磁场增能后去离子水PEM电解制氢速率柱状图；
其中，1、电源；2、显示屏；3、主控模块；4、限流开关；5、磁场强度检测传感器；6、电导率检测传感器；7、温度传感器；8、增能磁场；9、第一循环水泵；10、水箱；11、氧气出口；12、第二循环水泵；13、离子交换树脂；14、散热风扇；15、单向阀；16、PEM电解槽；17、汽水分离器；18、氢气流量计；19、氢气出口。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
参照图1，本实用新型提供一种采用磁场增能的PEM电解水制氢装置，包括：
增能磁场8，增能磁场8通过磁增能循环机构连通设置有水箱10，水箱10通过进水机构连通设置有PEM电解槽16，PEM电解槽16的氢气出口19连通设置有汽水分离器17的氢气入口，汽水分离器17的水出口与水箱10的氢气纯化回水口连通设置，PEM电解槽16的出氧口与水箱10的氧气入口连通设置，水箱10设置有氧气出口11，汽水分离器17的输出端连通设置有出氢机构；
控制部，控制部包括主控模块3，主控模块3分别电性连接有控制机构和信号连接有检测机构，控制机构用于控制PEM电解槽16的启停，检测机构分别用于检测增能磁场8、水箱10和PEM电解槽16。
设置的磁增能循环机构实现对水箱10内水的循环增能，进而保证通过进水机构所通入到PEM电解槽16内的水位磁增能后的水，进而实现纯水经过增能磁场8能处理后，PEM电解制氢能耗降低，提高制氢速率的效果。汽水分离器17的水出口与水箱10的氢气纯化回水口连通设置可以实现少量水的回收，PEM电解槽16的出氧口与水箱10的氧气入口连通设置实现对氧气收集的同时，还可以实现少量水的收集；设置的出氢机构可以实现对制备氢气的收集，设置的汽水分离器17可以实现所制备气体与水分的分离。控制机构用于控制PEM电解槽16的启停，检测机构分别用于检测增能磁场8、水箱10和PEM电解槽16，达到实时监测的目的。
进一步优化方案，磁增能循环机构包括第一循环水泵9，第一循环水泵9的输入端与水箱10的磁增能循环出水口连通设置，第一循环水泵9的输出端与增能磁场8的入水口连通设置，增能磁场8的出水口与水箱10的磁增能循环入水口连通设置，增能磁场8包括静强磁场，静强磁场由3组磁感应强度为1T的N52高性能钕铁硼永磁体组成。
通过去离子水以一定的速度垂直切割静强磁场磁感线，以保证增能磁场8对其实现增能。
进一步优化方案，进水机构包括第二循环水泵12，第二循环水泵12的输入端与水箱10的磁增能水出口连通设置，第二循环水泵12的输出端与离子交换树脂13的输入端连通设置，离子交换树脂13的输出端与单向阀15的输入端连通设置，单向阀15的输出端与PEM电解槽16的磁增能水入口。
进一步优化方案，出氢机构包括氢气流量计18，汽水分离器17的输出端与氢气流量计18的输入端连通设置，氢气流量计18的输出端与氢气出口19连通设置。
进一步优化方案，检测机构包括磁场强度检测传感器5、电导率检测传感器6和温度传感器7，主控模块3分别与磁场强度检测传感器5、电导率检测传感器6和温度传感器7电性连接，磁场强度检测传感器5用于检测静强磁场强度，电导率检测传感器6用于检测水箱10中磁增能水的电导率变化，温度传感器7用于检测PEM电解槽16的实时温度。
进一步优化方案，控制机构包括限流开关4，主控模块3与限流开关4电性连接，限流开关4与PEM电解槽16电性连接。
进一步优化方案，主控模块3还电性连接有两散热风扇14，且两散热风扇14分别位于PEM电解槽16的两侧。
PEM电解槽16用于将磁增能水分解为氧气和氢气，设置的散热风扇14可以对PEM电解槽16工作时进行散热。
进一步优化方案，控制部还包括电源1和显示屏2，电源1和显示屏2均与主控模块3电性连接，电源1与限流开关4电性连接。
本实用新型的磁场增能原理如下：
电解水制氢是将电能转换为氢能，在这个过程中由于各种原因会导致一大部分的能量损失，根据能量守恒定律：
EP＝EH+ΔE1
式中，EP—消耗的总电能，J；EH—氢气所含能量，J；ΔE1—电解水制氢过程中以其他形式损失的能量，J。
由于磁场增能介入后，此时系统的能量转换也将发生变化，根据能量守恒定律得到式：
EP+EM＝EH+ΔE1+EH1+ΔE2
式中EM—磁场增加的能量，J；EH1—增能后氢气所含能量，J；ΔE2—增能以其他形式损失的能量，J。
可以看出，因EM的加入整个系统输入的总能量得到了增加，增加的这部分能量将转换为氢能(EH1)和损耗(ΔE2)。当纯水通过静磁场后，磁场提供能量对水分子做功，根据磁能公式：
式中，μ0—真空磁导率，H/m；B—磁感应强度，T；V—磁场体积，m3。
可以明显看出在体积V一定的情况下，当磁感应强度B增大时，磁场所提供的能量EM越大。水中粒子受到磁能影响，内能增大，微观碰撞频繁。溶液中分子间氢键结构断裂，磁场对水体系的宏观有序振动，使得氢质子在磁场增能过程中发生能级断裂，形成质子数目不相同的两种能态。且最直观的表现为水溶液的电导率增大，有利于增强电解时的扩散传质过程，达到更加快速制氢的效果。
由图2可知磁场增能后去离子水电导率明显上升；由图3可知磁场增能后去离子水PEM电解制氢速率明显提升(提升约为15％-20％)。
表1磁场增能与未增能装置能量变化
上述数据证明磁场增能有利于降低电解能耗。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
以上所述的实施例仅是对本实用新型的优选方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种采用磁场增能的PEM电解水制氢装置，其特征在于，包括：
增能磁场(8)，所述增能磁场(8)通过磁增能循环机构连通设置有水箱(10)，所述水箱(10)通过进水机构连通设置有PEM电解槽(16)，所述PEM电解槽(16)的氢气出口(19)连通设置有汽水分离器(17)的氢气入口，所述汽水分离器(17)的水出口与所述水箱(10)的氢气纯化回水口连通设置，所述PEM电解槽(16)的出氧口与所述水箱(10)的氧气入口连通设置，所述水箱(10)设置有氧气出口(11)，所述汽水分离器(17)的输出端连通设置有出氢机构；
控制部，所述控制部包括主控模块(3)，所述主控模块(3)分别电性连接有控制机构和信号连接有检测机构，所述控制机构用于控制所述PEM电解槽(16)的启停，所述检测机构分别用于检测所述增能磁场(8)、所述水箱(10)和所述PEM电解槽(16)。
2.根据权利要求1所述的一种采用磁场增能的PEM电解水制氢装置，其特征在于：所述磁增能循环机构包括第一循环水泵(9)，所述第一循环水泵(9)的输入端与所述水箱(10)的磁增能循环出水口连通设置，所述第一循环水泵(9)的输出端与所述增能磁场(8)的入水口连通设置，所述增能磁场(8)的出水口与所述水箱(10)的磁增能循环入水口连通设置，所述增能磁场(8)包括静强磁场，所述静强磁场由3组磁感应强度为1T的N52高性能钕铁硼永磁体组成。
3.根据权利要求2所述的一种采用磁场增能的PEM电解水制氢装置，其特征在于：所述进水机构包括第二循环水泵(12)，所述第二循环水泵(12)的输入端与所述水箱(10)的磁增能水出口连通设置，所述第二循环水泵(12)的输出端与离子交换树脂(13)的输入端连通设置，所述离子交换树脂(13)的输出端与单向阀(15)的输入端连通设置，所述单向阀(15)的输出端与所述PEM电解槽(16)的磁增能水入口。
4.根据权利要求3所述的一种采用磁场增能的PEM电解水制氢装置，其特征在于：所述出氢机构包括氢气流量计(18)，所述汽水分离器(17)的输出端与所述氢气流量计(18)的输入端连通设置，所述氢气流量计(18)的输出端与氢气出口(19)连通设置。
5.根据权利要求4所述的一种采用磁场增能的PEM电解水制氢装置，其特征在于：所述检测机构包括磁场强度检测传感器(5)、电导率检测传感器(6)和温度传感器(7)，所述主控模块(3)分别与所述磁场强度检测传感器(5)、所述电导率检测传感器(6)和所述温度传感器(7)电性连接，所述磁场强度检测传感器(5)用于检测所述静强磁场强度，所述电导率检测传感器(6)用于检测所述水箱(10)中磁增能水的电导率变化，所述温度传感器(7)用于检测所述PEM电解槽(16)的实时温度。
6.根据权利要求5所述的一种采用磁场增能的PEM电解水制氢装置，其特征在于：所述控制机构包括限流开关(4)，所述主控模块(3)与所述限流开关(4)电性连接，所述限流开关(4)与所述PEM电解槽(16)电性连接。
7.根据权利要求6所述的一种采用磁场增能的PEM电解水制氢装置，其特征在于：所述主控模块(3)还电性连接有两散热风扇(14)，且两所述散热风扇(14)分别位于所述PEM电解槽(16)的两侧。
8.根据权利要求7所述的一种采用磁场增能的PEM电解水制氢装置，其特征在于：所述控制部还包括电源(1)和显示屏(2)，所述电源(1)和所述显示屏(2)均与所述主控模块(3)电性连接，所述电源(1)与所述限流开关(4)电性连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |