一种磁场增强型水电解槽电极

1.本实用新型属于电解水制氢技术领域，更具体地，涉及一种磁场增强型水电解槽电极。


背景技术：

2.在新能源电厂中，氢能被视为是最有希望的能源储存媒介，电解水生产氢气可以作为能量存储媒介在该系统中发挥重要作用。当可再生能源很丰富时，多余的能量可以通过电解水以氢的形式储存起来。存储的氢气可以通过燃料电池发电并入电网，或直接用于社会生产，如氢化植物油、聚丙烯的生产，可以避免“弃风弃光”带来的发电能力的浪费。
3.电解过程中所产生的氢气，一方面是装置希望得到的目标产物，但是另一方面，气泡的附着减少了电极的电化学活性面积，增大了阳极和阴极之间的欧姆阻抗，使得电解过程的极化电位升高，降低了电解效率，即气泡效应。在电解水制氢/制氧中，气泡的排出只借由机械对流和气泡浮力，但是由于为了增加电极反应面积和电解液停留时间，电极反应表面往往呈凹凸状流道，这使得气泡借由浮力上升时会遇到阻碍，并且由于电解槽布置位置不同，因重力所产生的浮力不一定朝向远离电极的方向。
4.因此，如何解决电解水制氢中气泡附着问题是亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种磁场增强型水电解槽电极，能在不损失电极反应面积和电极机械强度的条件下为电极表面提供均匀的磁场，通过微磁流体效应促进电极表面气泡的脱附，增大电极电化学活性面积，减小电解液欧姆阻抗，提高电解水效率。
6.为实现上述目的，第一方面，本实用新型提供了一种磁场增强型水电解槽电极，用于电解水制氢生产，包括电极片、永磁体和铁芯阵列；
7.其中，所述电极片上外周边缘处设有一电解液入口和两个电解液出口，两个电解液出口设置在相对电解液入口的两端，所述电极片上的中间刻有凹凸状流道，所述凹凸状流道与电解液入口、其中一电解液出口连通；所述电极片背部的中心及围绕该中心沿圆周均匀设有若干个盲孔，所述铁芯阵列中的多个铁芯和永磁体配合后对应设置在所述盲孔中；
8.使用时，在利用两个所述磁场增强型水电解槽电极贴合组成一电解槽时，两个磁场增强型水电解槽电极相对设置，且在其中一磁场增强型水电解槽电极中，若永磁体n极朝向该磁场增强型水电解槽电极的内部设置，则在另一磁场增强型水电解槽电极中，永磁体s极朝向该磁场增强型水电解槽电极的内部设置。
9.在其中一个实施例中，所述电极片采用圆形不锈钢电极片。
10.在其中一个实施例中，所述永磁铁采用剩余磁场强度在1～2t的圆柱形钕铁硼磁体，且所述钕铁硼磁体的面积大于所述凹凸状流道区域的面积。
11.在其中一个实施例中，围绕所述电极片背部的中心沿圆周均匀设有8个盲孔。
12.在其中一个实施例中，对应设置在9个盲孔中的铁芯均采用硅钢铁芯。
13.第二方面，本实用新型提供了一种磁场增强型水电解槽，包括两个如上述所述的磁场增强型水电解槽电极和若干个普通电极片，两个所述磁场增强型水电解相对设置，若干个普通电极片设置在两个所述磁场增强型水电解槽电极相对之间，且在其中一磁场增强型水电解槽电极中，若永磁体n极朝向该磁场增强型水电解槽电极的内部设置，则在另一磁场增强型水电解槽电极中，永磁体s极朝向该磁场增强型水电解槽电极的内部设置。
14.本实用新型提供的磁场增强型水电解槽电极及磁场增强型水电解槽，包括永磁体和铁芯阵列，在电极片的反应表面施加较为均匀的磁场，未牺牲电极片的机械强度和电极片的反应表面积；且引入的磁场与电极片表面垂直，当气泡产生时，由于气泡不导电，其周围会产生电流密度线的扭曲，进而电流密度(j)产生一个与磁感应强度(b)不平行的分量，由洛伦兹力公式得到洛伦兹力为：f＝j
×
b，气泡头部气泡的头部和尾部流体会产生流速差，进而为气泡提供一个远离电极片表面的浮力，并且该浮力永远指向远离电极片表面的方向，与电解槽布置方式无关，所以本实施例会减少气泡在电极片表面停留的时间，有效降低反应过电势，提高电解水效率。
附图说明
15.图1是本实用新型一实施例提供的磁场增强型水电解槽电极的结构示意图；
16.图2是图1提供的磁场增强型水电解槽电极中电极片一侧面的结构图；
17.图3是图1提供的磁场增强型水电解槽电极中电极片另一侧面的结构图；
18.图4是本实用新型一实施例提供的多个电极片串联的组装示意图；
19.图5是图4中多个电极片中电解液的流动原理示意图。
具体实施方式
20.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
21.为解决电解水制氢生产中因气泡附着导致电解效率降低的问题，本实用新型提供了一种用于电解水制氢生产的磁场增强型水电解槽电极，如图1所示，该磁场增强型水电解槽电极包括电极片10、永磁体20和铁芯阵列30。
22.其中，如图2所示，电极片10上外周边缘处设有一电解液入口11和两个电解液出口(如图中标号12、13)，中间刻有凹凸状流道14，用于增加电极反应面积和电解液停留时间，两个电解液出口对称设置在相对电解液入口的两端，且凹凸状流道14与电解液入口11、其中一电解液出口13连通。如图3所示，电极片10背部的中心及围绕该中心沿圆周均匀设有若干个盲孔，铁芯阵列30中的多个铁芯和永磁体相连接后被磁化，插入电极片盲孔中，用于将永磁体20产生的磁场聚集并导向电极反应表面。
23.使用时，在利用两个磁场增强型水电解槽电极并排组成一电解槽时，两个磁场增强型水电解槽电极相对设置，且在其中一磁场增强型水电解槽电极中，若永磁体n极朝向该磁场增强型水电解槽电极的内部设置，则在另一磁场增强型水电解槽电极中，永磁体s极朝
向该磁场增强型水电解槽电极的内部设置。
24.在进行电解水制氢生产中，在两个磁场增强型水电解槽电极中的电极片上连接直流电源，保证其中一电极片的电压比另一电极片电压高1.23v以上，碱性电解液从底部电解液入口流入，顺着凹凸状流道进入电解室，在两个电极片表面分别发生阳极反应和阴极反应，在微磁流体作用下，当气泡产生时，由于气泡不导电，其周围会产生电流密度线的扭曲，进而电流密度(j)产生一个与磁感应强度(b)不平行的分量，由洛伦兹力公式得到洛伦兹力为：f＝j
×
b，气泡的头部和尾部流体会产生流速差，进而为气泡提供一个远离电极片表面的浮力，并且该浮力永远指向远离电极片表面的方向，促进气泡脱附。
25.本实施例提供的磁场增强型水电解槽电极，包括永磁体和铁芯阵列，在电极片的反应表面施加较为均匀的磁场，未牺牲电极片的机械强度和电极片的反应表面积；且引入的磁场与电极片表面垂直，当气泡产生时，由于气泡不导电，其周围会产生电流密度线的扭曲，进而电流密度(j)产生一个与磁感应强度(b)不平行的分量，由洛伦兹力公式得到洛伦兹力为：f＝j
×
b，气泡头部气泡的头部和尾部流体会产生流速差，进而为气泡提供一个远离电极片表面的浮力，并且该浮力永远指向远离电极片表面的方向，与电解槽布置方式无关，所以本实施例会减少气泡在电极片表面停留的时间，有效降低反应过电势，提高电解水效率。
26.在一个实施例中，电极片10采用圆形不锈钢电极片，永磁体20采用圆柱形钕，其剩余磁场强度在1t～2t，磁体圆形面的面积应略大于电极片与电解液的接触面积，即凹凸状流道区域的面积，由于洛伦兹力强度与电极片表面的磁场强度成正比，经过仿真计算电极片表面磁场强度需要达到0.6t以上才能为气泡提供可观的脱附增益，钕铁硼磁铁能够满足磁场强度要求的，并且相比其他稀土材料有着较为成熟的市场和生产价格。
27.在一个实施例中，围绕电极片10背部的中心沿圆周均匀可设置8个盲孔，对应设置在电极片9个盲孔中的铁芯可均采用硅钢铁芯。
28.本实施例采用硅钢铁芯，磁化后能够起到聚集磁场的作用，电极片主要材料为低磁导率的不锈钢，而硅钢的相对磁导率在7000～10000，远高于不锈钢的相对磁导率，由麦克斯韦方程可以知道外部磁铁所产生的磁通线几乎都通过铁芯传导到电极片的反应表面，所以铁芯阵列起到了聚集磁通线的作用，另外本实施例中采用九个分离的铁芯构阵列，使得电极片的安装孔也是九个分离式的盲孔，可使电极片的损失机械强度最小。
29.基于同样的发明构思，本实用新型还提供了一种磁场增强型水电解槽，如图4和5所示，包括两个上述的磁场增强型水电解槽电极和若干个普通电极片，两个磁场增强型水电解相对设置，若干个普通电极片设置在两个磁场增强型水电解槽电极相对之间，且在其中一磁场增强型水电解槽电极中，若永磁体n极朝向该磁场增强型水电解槽电极的内部设置，则在另一磁场增强型水电解槽电极中，永磁体s极朝向该磁场增强型水电解槽电极的内部设置。其中，普通电极片的两侧均设有凹凸状流道，n个电极片贴合加紧后可构成n-1个完整的电解室。
30.对于图4而言，组装完成后，各电极片连接直流电源，保证左侧电极片电压比其右侧电极片电压高1.23v以上，碱性电解液从底部电解液入口流入，顺着凹凸状流道进入电解室，在两个电极表面分别发生阳极反应和阴极反应，在微磁流体作用下，当气泡产生时，由于气泡不导电，其周围会产生电流密度线的扭曲，进而电流密度(j)产生一个与磁感应强度
(b)不平行的分量，由洛伦兹力公式得到洛伦兹力为：f＝j
×
b，气泡的头部和尾部流体会产生流速差，进而为气泡提供一个远离电极表面的浮力，并且该浮力永远指向远离电极表面的方向，与电解槽布置方式无关。
31.按照图4组装并且左侧电极片电势比右侧电极片高1.23v时，那么，对于最左侧的磁场增强型水电解槽电极而言，富含氢气的电解液从电解液出口13所形成的通道流出，则富含氧气的电解液从另一个电解液出口12流出，经过气液分离和重新加热后，再混合并循环使用再次流入电解液进口。需要注意的是，以上电极片所施加电压也可以按照右边电极片比其左边电极片高1.23v以上的规则施加，但是这样的情况下，富含氢气的电解液将从电解液出口12所形成的通道流出，则富含氧气的电解液反而从电解液出口13流出，注意根据电压的施加方式区分富含氢气/氧气电解液的流出口。同时，本实施例的磁场强度可以根据实际需求进行调整，调整方式为更换永磁体，无需改变电极片和铁芯阵列。
32.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。