一種通過外加磁場提高氫氧機(jī)電能效率的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種通過外加磁場提高氫氧機(jī)電能效率的方法，包括電解槽、外部磁體、氫氣集氣管、氧氣集氣管、石棉隔膜、密封板和電源電極。在電解槽中，由于氣相產(chǎn)物在電極表面的附著和聚集，引起電解液綜合電導(dǎo)率降低，同時引起電極間歐姆壓降上升和電極過電勢升高。通過施加外部磁場，可以在空間形成不同方向的洛倫茲力，當(dāng)洛倫茲力與氣相的浮升力在同一方向作用時，可以使得氣相產(chǎn)物從電極表面得到有效的驅(qū)散，從而降低歐姆壓降和電極過電勢，降低單位體積氣相產(chǎn)物的電解能耗，同時提高電能效率。通過采用廉價永磁體可以使電能效率提高6％以上。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，成本低，節(jié)能效果顯著。
【專利說明】
-種通過外加磁場提高氨氧機(jī)電能效率的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電解水技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種通過外加磁場提高氨氧機(jī)電能效率的 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氨作為重要的化工原料和清潔能源，在氨合成、航空航天、食品及醫(yī)療工程中有著 廣泛的應(yīng)用。電解水是獲取氨能的必要手段。便捷式氨氧機(jī)更是在高空探測、貴金屬和玻璃 制品加工中必不可少的獲得氨氣的裝置。電解水過程是通過外部電源驅(qū)動水分解，實現(xiàn)電 能和化學(xué)能轉(zhuǎn)換的裝置。
[0003] W堿性電解液為例，電能消耗P由如下關(guān)系所決定，
其中I是通過電解質(zhì) 的電流強(qiáng)度，與氨氣的發(fā)生率成正比，A V是電極兩端的電勢差。在理想的電流情況下，降低 電勢差能有效減小電解能耗。
[0004] 電極間電勢差有如下關(guān)系：AV= A化Ari+IR (1)
[0005] 其中，AE是水分解的動力學(xué)電位差，An是陰極和陽極上的過電勢，IR為溶液歐姆 電壓降。電解槽電解過程中消耗的總電能，一部分用于電解反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為了氨氣的化學(xué)能， 另一部分則轉(zhuǎn)換為了熱量，因此定義電能效率為用于電解反應(yīng)的電能和總消耗電能比值：
[00(?]
(2)
[0007] 其中，Wo為用于電解反應(yīng)的電能，WtDtai為消耗的總電能，qo為理論消耗電量，qv為實 際消耗電量。電解水過程中，在副反應(yīng)發(fā)生時，認(rèn)定電解水反應(yīng)的電流效率為100%，即qo/qv =1，因此(2)式可W變?yōu)?br>（3)
[0008] 電解水的電能效率可W表示為水的理論電壓和電解槽實際極間電壓的比值，其意 義是施加在電解槽上的電能，有多大比例實際用于電解水反應(yīng)。
[0009] 當(dāng)在陰極和陽極發(fā)生析氨和析氧反應(yīng)時，由于氣相產(chǎn)物在電解液中的富集，會導(dǎo) 致電解液電導(dǎo)率降低，從而加大歐姆壓降。當(dāng)氣泡附著在電極表面，會導(dǎo)致電極實際導(dǎo)電面 積降低，在外部電流一定的條件下，從而增大了實際通過電極的電流密度。根據(jù)塔菲爾關(guān) 系，會引起電極過電勢的增加。歐姆壓降和電極過電勢的增加，會導(dǎo)致電能效率的降低。目 前的工業(yè)電解槽中，通過電解水產(chǎn)生一標(biāo)方氨氣的能耗為4.5~5.OkWh，電能效率在60% W 了（Mingyong Wang，Zhi Wang，Xuzhong Gong，Zhancheng Guo.The intensification technologies to water electrolysis for hydrogen production-A review[J] ? Renewable and Sustainable Enei^gy 1?6￥16￥3,2014,29:573-588.)。所1^通過有效的手 段驅(qū)散氣相產(chǎn)物在電極間的富集，對電能效率的進(jìn)一步提升有很大幫助。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的是通過外加磁場驅(qū)動電解液流動，從而有效排除氣相產(chǎn)物，提高氨 氧機(jī)電能效率，降低電解能耗。
[0011] 為實現(xiàn)本發(fā)明目的而采用的技術(shù)方案是運(yùn)樣的，一種通過外加磁場提高氨氧機(jī)電 能效率的方法，包括電解槽、外部磁體、氨氣集氣管、氧氣集氣管、石棉隔膜、密封板和電源 電極。
[0012] 所述電解槽被石棉隔膜分隔為腔室A和腔室B。所述電源電極的陰極設(shè)置在腔室A 內(nèi)，陽極設(shè)置在腔室B內(nèi)。所述密封板蓋在電解槽上將其封閉。所述密封板上連接有氨氣集 氣管和氧氣集氣管。所述氨氣集氣管與腔室A連通，且連通口靠近陰極。所述氧氣集氣管與 腔室B連通，且連通口靠近陽極。
[0013] 所述外部磁體包括兩塊永磁體。運(yùn)兩塊永磁體布置在電解槽的外側(cè)壁，并將電解 槽夾緊。兩塊永磁體的N、S極相對，且形成的空間磁場與電極的電場方向呈正交分布。所述 外部磁體對電荷產(chǎn)生的洛倫茲力的方向與重力方向相反。
[0014] 進(jìn)一步，兩個電極豎直布置，且相互平行。
[001引進(jìn)一步，陰極與陽極之間的間距范圍為2~50mm。
[0016] 進(jìn)一步，所述外部磁體所形成的磁場強(qiáng)度為0.01~3T。
[0017]進(jìn)一步，包括M個電解槽和M+1塊永磁體，它們相互間隔布置并連成一排。每個電解 槽兩側(cè)的永磁體的N、S極相對，且形成的空間磁場與該電解槽上電極的電場方向呈正交分 布。運(yùn)些永磁體對電荷產(chǎn)生的洛倫茲力的方向均與重力方向相反。
[0018] 本發(fā)明的技術(shù)效果是毋庸置疑的，在無外部驅(qū)動流動的電解槽中，氣相產(chǎn)物的排 除主要依靠重力作用下的氣相產(chǎn)物的浮升運(yùn)動。在較大氣相生成速率的條件下，氣相產(chǎn)物 在電極表面形成較多聚集從而增加電解槽電勢差。而本發(fā)明構(gòu)建了外部磁場，產(chǎn)生的洛倫 茲力W體積力的形式作用在液相流體單元上，使電極表面的氣泡受到與重力方向相反的浮 升力運(yùn)動。當(dāng)洛倫茲力與重力方向相反時，電解液受到與氣泡浮升運(yùn)動同向的驅(qū)動流動，從 而加速氣相產(chǎn)物的排除。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明中兩個電解槽組合的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖中：電解槽1、外部磁體2、氨氣集氣管3、氧氣集氣管4、石棉隔膜5、密封板6、陰極 7、陽極8。
【具體實施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)該理解為本發(fā)明上述主題 范圍僅限于下述實施例。在不脫離本發(fā)明上述技術(shù)思想的情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知 識和慣用手段，做出各種替換和變更，均應(yīng)包括在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0022] -種通過外加磁場提高氨氧機(jī)電能效率的方法，包括電解槽1、外部磁體2、氨氣集 氣管3、氧氣集氣管4、石棉隔膜5、密封板6和電源電極。
[0023] 參見圖1，本實施例為兩個(M=2)電解槽1的組合形式，且電解槽1為矩形槽體。所 述電解槽1被石棉隔膜5分隔為腔室A和腔室B。所述電源電極的陰極7設(shè)置在腔室A內(nèi)，陽極8 設(shè)置在腔室B內(nèi)。所述陰極7和陽極8豎直布置，且相互平行。所述密封板6蓋在電解槽1上將 其封閉。所述密封板6上連接有氨氣集氣管3和氧氣集氣管4。所述氨氣集氣管3與腔室A連 通，且連通口靠近陰極7。所述氧氣集氣管4與腔室B連通，且連通口靠近陽極8。
[0024] 所述外部磁體2由=塊永磁體組成。每兩塊永磁體之間夾一個電解槽1，即永磁體 與電解槽是相互間隔布置。每個電解槽1兩側(cè)的永磁體的N、S極相對，且形成的空間磁場與 該電解槽1上電極的電場方向呈正交分布。運(yùn)些永磁體對電荷產(chǎn)生的洛倫茲力的方向（向 上)均與重力方向相反。
[0025] 本發(fā)明采用永磁體構(gòu)建外部磁場時，可W避免因累驅(qū)動電解液流動時額外電能的 消耗。工作時，為陽極8和陰極7接通外部電源，陰極和陽極表面析出氨氣和氧氣。氣相產(chǎn)物 分別經(jīng)過相應(yīng)連通管路排出。根據(jù)需要，多個電解槽1可疊加形成電解槽組(相應(yīng)增加永磁 體）。氣泡在洛倫茲力作用下，受到與重力反向相反的浮升力作用。在一定的電流條件下，根 據(jù)所配置的磁場強(qiáng)度，在電解液中形成與空間磁場強(qiáng)度成比例的洛倫茲力。洛倫茲力W體 積力的形式作用在電解液單元上，使電解液受到同方向的力的驅(qū)動。當(dāng)洛倫茲力與重力方 向相反時，受驅(qū)動的電解液流動會加速氣相產(chǎn)物從電極表面的排除，從而降低電極間電勢 差D
【主權(quán)項】
1. 一種通過外加磁場提高氫氧機(jī)電能效率的方法，其特征在于:包括電解槽（1)、外部 磁體(2)、氫氣集氣管(3)、氧氣集氣管(4)、石棉隔膜(5)、密封板(6)和電源電極； 所述電解槽（1)被石棉隔膜(5)分隔為腔室A和腔室B;所述電源電極的陰極(7)設(shè)置在 腔室A內(nèi)，陽極(8)設(shè)置在腔室B內(nèi)；所述密封板(6)蓋在電解槽（1)上將其封閉；所述密封板 (6)上連接有氫氣集氣管(3)和氧氣集氣管(4);所述氫氣集氣管(3)與腔室A連通，且連通口 靠近陰極(7);所述氧氣集氣管(4)與腔室B連通，且連通口靠近陽極(8); 所述外部磁體(2)包括兩塊永磁體;這兩塊永磁體布置在電解槽（1)的外側(cè)壁，并將電 解槽(1)夾緊;兩塊永磁體的N、S極相對，且形成的空間磁場與電極的電場方向呈正交分布； 所述外部磁體(2)對電荷產(chǎn)生的洛倫茲力的方向與重力方向相反。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過外加磁場提高氫氧機(jī)電能效率的方法，其特征在于： 兩個電極豎直布置，且相互平行。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過外加磁場提高氫氧機(jī)電能效率的方法，其特征在于： 陰極(7)與陽極(8)之間的間距范圍為2~50mm。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過外加磁場提高氫氧機(jī)電能效率的方法，其特征在于： 所述外部磁體(2)所形成的磁場強(qiáng)度為0.01~3T。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過外加磁場提高氫氧機(jī)電能效率的方法，其特征在于： 包括Μ個電解槽（1)和M+1塊永磁體，它們相互間隔布置并連成一排;每個電解槽（1)兩側(cè)的 永磁體的Ν、S極相對，且形成的空間磁場與該電解槽（1)上電極的電場方向呈正交分布;這 些永磁體對電荷產(chǎn)生的洛倫茲力的方向均與重力方向相反。
【文檔編號】C25B15/00GK106048645SQ201610550668
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月14日
【發(fā)明人】潘良明, 劉宏波, 葉停樸, 陳天銘
【申請人】重慶大學(xué)