一种耦合磁化与电解液改性的电解水制氢强化方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种耦合磁化与电解液改性的电解水制氢强化方法和装置，涉及电解水制氢技术领域。包括如下步骤：(1)剪取泡沫镍片电极，并将泡沫镍片电极在磁场中静置3～5h，得到预磁化泡沫镍片电极；(2)将蒸馏水循环通过磁场进行磁极化预处理，得到预磁极化蒸馏水；(3)将预磁极化蒸馏水置于电解槽中，并添加催化剂；(4)将预磁化泡沫镍片电极、石墨电极、银/氯化银参比电极分别插入电解槽内；(5)连接电源的正负极，进行电解本发明专利技术通过对电解液、泡沫镍片电极进行预磁极化处理，结合在电解液添加催化剂进行改性的手段，能使得电解制氢效率得到明显提升，能耗降低。能耗降低。能耗降低。

【技术实现步骤摘要】
一种耦合磁化与电解液改性的电解水制氢强化方法和装置


[0001]本专利技术涉及电解水制氢
，具体涉及一种耦合磁化与电解液改性的电解水制氢强化方法和装置。

技术介绍

[0002]氢气，作为一种热值高、无毒、零碳排放、能量利用率高的气体，是最具发展前景的能源载体和最重要的化工原料之一。电解水制氢是最理想、最环保的可持续制氢途径之一。但现行的电解水制氢技术受限于高成本、高能耗、低速率的困境，使得电解水制氢在制氢市场中占比很小，在制氢市场中占比最大的依然是化石燃料制氢，但使用化石燃料制氢会造成大量的碳排放，这不符合如今倡导低碳发展的方向。如果能够优化电解水制氢，就能减少电解水制氢的能耗，并且有希望提高电解水制氢在制氢市场中占比，促进节能减排。
[0003]电解水制氢技术受限于高成本、高能耗、低速率的根本原因在于电解水过程中电极上会积累气泡，导致过电位的产生，从而增大电解水制氢所需能耗量。电解水制氢包括两个半反应，两个半反应分别产生氢气和氧气，这就使得每个半反应对应的电极的过电位都较高，因此要解决上述难以就要对两个电极均进行改进。
[0004]针对此问题，很多科研团队提出了诸多解决方法，包括施加外场，如磁场、光场、流场等强化电解水制氢，以施加磁场为例：在电解槽的两侧放置等大的永磁铁，使电极在匀强磁场中电解酸性溶剂。此时泡沫电极产生气泡直径相比原来减小，小直径的气泡更多，更易于脱离电极表面，壁面大量气泡在电极表面聚集，可以有效减小过电位，恒电流电解所耗能降低。除表面外，因泡沫电极疏松的结构，其内部也参与了水的电解，而当内部气泡足够大时，将会以较高速度向外冲出，搅动周围电解质，而磁场也可以加强这种效果。根据磁流体动力学(MHD)效应，施加磁场可以使带电粒子在洛伦兹力的作用下产生涡流，扰动气泡；此外，外磁场下粒子的自旋呈现出一致性，析氢析氧反应速率提高。但是现行工业电解槽并不适合使用外加磁场，改造难度比较大：一是将磁场置于电解槽内部，这需要改变现行工业电解槽的结构，并淘汰掉现有设备，导致初始投资成本十分庞大，且难以具备市场竞争力；二是设置外加磁场，目前工业电解槽普遍较大，想要构建外加磁场需要着很大的资金投入，对环境要求也更加严苛。总的来说，目前此类技术存在着高成本的问题。
[0005]还有向电解液添加催化剂等进行电解液改性，其作用机理如下：降低电解质溶液的表面张力，减小气泡最小脱离半径，同时在气泡上作用静电斥力。电解液改性包括向电解液中添加电催化剂，增强析氢析氧效率，从动力学上强化电解水制氢；此外，通过改变电解液的酸碱性或改变电解液的浓度等直接改变电解液性质的手段也能够直接加强电解水制氢，但是需要考虑电解液改性后对电解槽和电极的损害。该方法可能会因为所加的催化剂本身的腐蚀性，而对装置内壁造成腐蚀破坏，需要重新选取设备的材料。
[0006]预磁极化处理是最近提出的技术方案，如公开号为CN 114318364 A的专利申请文件公开的技术方案：将蒸馏水循环通过磁场进行磁极化预处理，得到磁极化蒸馏水；其中，蒸馏水沿着与磁力线垂直方向循环切割磁力线；将磁极化蒸馏水通入电解槽制取氢气。其
使水保持进行一定时间的切割磁力线运动而产生预磁极化效果，作用机理如下：预磁极化处理能够提升电解液的总磁矩，使粒子整齐排列；磁场对水体系的交变作用会引发水粒子的宏观有序振动，使氢质子保持更高活性。然而预磁极化处理后，电解液的磁化状态保持时间较短，导致其在使用一段时间后，强化效果会减弱，强化时间难以全覆盖电解槽的运行时间。同时，如果频繁进行预磁极化处理操作，将会增加能源投入，与节能理念相悖。总的来说，该方法还存在额外高能耗的问题。
[0007]如图2所示，为纯水分别在(a)无强化手段、(b)外磁场强化、(c)预磁极化处理与(d)电解液改性的强化手段下，通过线性伏安法扫描而得的LVS曲线图，将数据进行处理后可以获得各实验中，电流密度为200μA/cm2时对应的过电位分别为：2.432V(a)、2.266V(b)、2.277V(c)、1.754V(d)。说明三种强化手段中，电解液改性的效果最好(
‑
27.88％)，外加磁场次之(
‑
6.83％)，预磁极化处理的效果相对最差(
‑
6.37％)。可看出，三种强化手段单独作用时都能起到降低过电位的效果，但单一的预磁极化处理、外加磁场效果不太理想，电解液改性的效果虽然最好，但该方法只能够相对降低过电位，难以大幅度提高电解水制氢的效率，总体强化效果并不理想。总的来说，目前该方法仍然存在着低效率的问题。

技术实现思路

[0008]针对现有技术中的上述问题，本专利技术提供一种耦合磁化与电解液改性的电解水制氢强化方法和装置，旨在通过多种手段耦合互补思路与预磁化电极法，以解决现有技术成本高、能耗大、效率低三大技术问题。
[0009]本专利技术采用的技术方案如下：
[0010]一种耦合磁化与电解液改性的电解水制氢强化方法，电解水制氢过程中同时使用到外加磁场、预磁极化处理、电解液改性中的两种以上。
[0011]优选地，电解水制氢过程中同时使用到外加磁场、预磁极化处理、电解液改性三种强化方式。
[0012]进一步地，所述外加磁场通过电极预磁化实现，包括如下步骤：
[0013](1)剪取泡沫镍片电极，并将泡沫镍片电极在磁场中静置3～5h，得到预磁化泡沫镍片电极；
[0014](2)将蒸馏水循环通过磁场进行磁极化预处理，得到预磁极化蒸馏水；
[0015](3)将预磁极化蒸馏水置于电解槽中，并添加催化剂；
[0016](4)将预磁化泡沫镍片电极、石墨电极、银/氯化银参比电极分别插入电解槽内；
[0017](5)连接电源的正负极，进行电解。
[0018]更进一步地，步骤(2)中，蒸馏水沿着与磁力线垂直方向循环切割磁力线。
[0019]更进一步地，步骤(3)中，所述催化剂为全氟丁基磺酸钾，每升预磁极化蒸馏水添加0.2g全氟丁基磺酸钾。
[0020]上述的耦合磁化与电解液改性的电解水制氢强化方法使用的装置，包括电解槽、蠕动泵，所述电解槽设有泡沫镍片电极、石墨电极、银/氯化银参比电极的电极卡槽，所述蠕动泵的出水段和进水段平行设置，且出水段和进水段外还设有将二者平行固定的固定装置，所述固定装置上设置永磁体，所述永磁体形成与水流方向垂直的磁力线。
[0021]更优地，所述蠕动泵为KCP600蠕动泵。
[0022]更优地，所述永磁体为N52型钕铁硼永磁体。
[0023]更优地，所述电解槽还设有催化剂添加口。
[0024]综上所述，相比于现有技术，本专利技术具有如下优点及有益效果：
[0025]1、本专利技术通过对电解液、泡沫镍片电极进行预磁极化处理，结合在电解液添加催化剂进行改性的手段，能使得电解制氢效率得到明显提升，能耗降低；
[0026]2、本专利技术首次发现预磁极化处理电极、预磁极化处理电解液与电解液改性等电解水制氢强化方式之间存在着的互促互补现象本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耦合磁化与电解液改性的电解水制氢强化方法，其特征在于，电解水制氢过程中同时使用到外加磁场、预磁极化处理、电解液改性三种强化方式中的两种以上。2.如权利要求1所述的耦合磁化与电解液改性的电解水制氢强化方法，其特征在于，其特征在于，电解水制氢过程中同时使用到外加磁场、预磁极化处理、电解液改性三种强化方式。3.如权利要求2所述的耦合磁化与电解液改性的电解水制氢强化方法，其特征在于，其特征在于，所述外加磁场通过电极预磁化实现，包括如下步骤：(1)剪取泡沫镍片电极，并将泡沫镍片电极在磁场中静置3～5h，得到预磁化泡沫镍片电极；(2)将蒸馏水循环通过磁场进行磁极化预处理，得到预磁极化蒸馏水；(3)将预磁极化蒸馏水置于电解槽中，并添加催化剂；(4)将预磁化泡沫镍片电极、石墨电极、银/氯化银参比电极分别插入电解槽内；(5)连接电源的正负极，进行电解。4.如权利要求3所述的耦合磁化与电解液改性的电解水...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘柳，贺林豪，闫红杰，熊之睿，林捷昕，许伯言，耿嘉嵘，蒋姝淼，陈方煜，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：