本发明专利技术涉及一种磁场辅助电解水制氢装置，属于电解水制氢技术领域。电解槽内部设有隔膜，电解槽上端分别连接氧气管路和氢气管路，管路分别与氧气储气瓶、氢气储气瓶连通，阴极气体扩散电极片、阳极气体扩散电极片设置在隔膜两侧，阴极电极夹和阳极电极夹分别连接阴极接线柱、阳极接线柱，采用电线将阴极接线柱和阳极接线柱与外部电源相连接；电磁铁安装在升降机构上且位于电解槽正上方，电磁铁与外部电源连接，PLC控制单元与恒电位仪串联，通过PLC控制单元控制调节电解水制氢速率。通过铁磁性纳米催化材料结合外加辅助磁场，优化铁磁性催化剂的电解水性能，从而大幅度提升电解水制氢装置的能量转化效率，降低电解水制氢能耗。降低电解水制氢能耗。降低电解水制氢能耗。
【技术实现步骤摘要】
一种磁场辅助电解水制氢装置
[0001]本专利技术涉及一种磁场辅助电解水制氢装置，属于电解水制氢
技术介绍
[0002]氢能，具有能量密度高、产物清洁以及来源广等特点，极具发展潜力。当前工业制氢主要有甲烷蒸汽重整、煤气化和电解水三大途径。相比于前两种制氢技术，电解水结合可再生能源发电技术，通过电解水制取的“绿氢”在生产过程中完全没有碳排放，是未来氢能产业的发展趋势。然而受制于电解水过程电能消耗较大，绿氢在整体氢能产量中的比重不超过5％。
[0003]电解水由阳极析氧反应(OER)和阴极析氢反应(HER)的两个半反应组成，反应过程中需克服阳极和阴极的固有活化障碍。因此，降低两个反应的过电位，提高OER和HER的能量转化效率是增强电解水制氢效率，降低电解水能耗的重要方法。
[0004]采用高性能的HER和OER催化剂，并开发高效电解水技术能够显著增强制氢过程的能量转化效率。在电解水过程中施加辅助磁场，受洛伦兹力影响可产生磁流体动力学效应，推动电解液传输，并能够加速气泡从电极表面的解离，提高电解水制氢效率。如申请号为202210916401.6的专利在电解槽外侧安装有电磁线圈，通过施加交变脉冲电流使线圈产生交变磁场，加速气泡的解析附。然而该装置的电流较小，导致磁场上限较低。申请号为201910037221.9的专利提出了外加磁场的电解水反应装置及其增强电催化性能的方法，将两块永磁体分别放置于电解槽的两端，降低HER和OER反应的过电位。采用强磁性材料可有效提高磁场强度，但该装置需要过强的磁场会使磁铁过大，导致设备体积过大，其安全性不宜保障。
[0005]当前对磁场辅助电解水制氢装置的研究，多基于磁流体动力学效应，优化磁场对气泡的解析附行为，并没有考虑磁场对铁磁性催化材料的影响。
技术实现思路
[0006]为了解决上述问题，本专利技术提供一种磁场辅助电解水制氢装置，以铁磁性材料作为催化剂，并结合外加辅助磁场，优化铁磁性催化剂的电解水性能，从而大幅度提升电解水制氢装置的能量转化效率，降低电解水制氢能耗。
[0007]为实现上述目的，本申请的技术方案为一种磁场辅助电解水制氢装置，包括电解槽、PLC控制单元、恒电位仪、电磁铁和升降机构；
[0008]电解槽内部中间位置设有竖直方向的隔膜，电解槽上端设有电解液加注口，电解槽下端设有排液口，电解槽上端分别连接氧气管路和氢气管路，氧气管路和氢气管路分别与氧气储气瓶、氢气储气瓶连通，阴极气体扩散电极片、阳极气体扩散电极片设置在隔膜两侧且分别通过阴极电极夹和阳极电极夹夹紧固定，阴极电极夹和阳极电极夹另一端分别连接阴极接线柱、阳极接线柱，采用电线将阴极接线柱和阳极接线柱与外部电源相连接；电磁铁安装在升降机构上且位于电解槽正上方，电磁铁与外部电源连接，PLC控制单元与恒电位
仪串联，通过PLC控制单元控制调节电解水制氢速率。
[0009]进一步地，所述的阴极气体扩散电极片和阳极气体扩散电极片垂直于电磁铁产生的磁场。
[0010]进一步地，所述的氧气管路和氢气管路上均分别安装有氧气干燥器、氢气干燥器；氧气管路和氢气管路上还均分别安装有流量计。
[0011]进一步地，所述电磁铁由电磁线圈组、铁心、壳体组成，电磁线圈组由5组电磁线圈并联构成，其中一个电磁线圈处于中心位置，其他四个电磁线圈环绕中心电磁线圈，呈间隔90
°
排布；位于中心位置的电磁线圈中插入铁心；电磁铁外部采用壳体包裹，电磁线圈组与外部电源相连接。
[0012]进一步地，所述的电磁铁还缠绕有水循环冷却机构。
[0013]所述的水循环冷却机构包括水循环管路、水箱和循环泵；水循环管路穿过四个电磁线圈中心，并缠绕在处于中心的电磁线圈四周，所述水循环管路外接水箱，循环泵安装在电磁铁和水箱之间的水循环管路上。
[0014]所述的升降机构包括带有绝缘夹的工作台、升降操作箱、电机和升降架。升降操作箱、电机和升降架均安装在工作台上，通过操控升降操作箱，控制电机转动进而驱动升降架进行升降。
[0015]所述的阴极气体扩散电极片和阳极气体扩散电极片以碳纤维布、泡沫铜等非磁性材料作为载体，防止磁场过大引起气体扩散电极片弯曲而产生断裂，因此采用导电胶水，将阳极催化剂、阴极催化剂分别粘接到气体扩散电极片上。
[0016]所述的阳极催化剂为具有铁磁性的CoFe2O4纳米材料；所述的阴极催化剂为商业化Pt/C材料。所述的隔膜为改性聚苯硫醚织物复合材料。
[0017]本专利技术采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：
[0018]1.本专利技术以铁磁性CoFe2O4材料为阳极催化剂，该催化剂材料自身具有优良的OER活性，结合外加辅助磁场能够进一步优化该催化剂的OER反应性能。
[0019]2.通过将电磁铁置于电解槽上方，阴极气体扩散电极片、阳极气体扩散电极片垂直于磁场。在磁场作用下，氧气的解析附能力得到了显著的提升。设计的5组电磁线圈组的磁场强度范围更广且该电磁铁的磁场强度可根据用户设定进行改变，电解水过程中磁场强度可根据实际需求实现动态变化。
[0020]3.以铁磁性CoFe2O4材料为OER催化剂构建电解槽，结合磁场辅助电解水制氢装置，不但能够有效改变铁磁性催化剂的电子结构，优化HER和OER催化剂的活性，并且能够改善气泡的磁流体动力学效应，促进气泡从电极表面的解析附，大幅度提升整体电解槽的催化效率。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例1结构示意图；
[0022]图2为本专利技术实施例1中电磁铁主视示意图；
[0023]图3为本专利技术实施例1中电磁铁俯视示意图；
[0024]图4为本专利技术实施例1中电解槽结构示意图；
[0025]图5为磁场作用下实施例1中CoFe2O4与Pt/C阴极催化剂构建的水电解槽性能研究
图；
[0026]图6为磁场作用下对比例1中Co3O4与Pt/C阴极催化剂构建的水电解槽性能研究图；
[0027]图7为磁场作用下对比例2中IrO2与Pt/C阴极催化剂构建的水电解槽性能研究图。
[0028]图中序号说明：1.PLC控制单元；2.氢气储气瓶；3.氧气储气瓶；4.流量计；5.氧气管路；6.氢气管路；7.氢气干燥器；8.氧气干燥器；9.电磁铁；10.电解槽；11.隔膜；12.电解液加注口；13.阳极气体扩散电极片；14.阴极气体扩散电极片；15.阳极电极夹；16.阴极电极夹；17.阳极接线柱；18.阴极接线柱；19.电磁线圈；20.铁心；21.壳体；22.水循环管路；23.水箱；24.工作台；25.绝缘夹；26.升降操作箱；27.电机；28.升降架。
具体实施方式
[0029]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细的描述：以此为例对本申请做进一步的描述说明。
[0030]实施例1：
[0031]如图1所示，本实施例提供一种磁场辅助电解水制氢装置，包括电解槽10、PLC控制单元1、恒电位仪、电磁铁本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种磁场辅助电解水制氢装置，电解槽(10)内部中间位置设有竖直方向的隔膜(11)，电解槽(10)上端设有电解液加注口(12)，电解槽(10)下端设有排液口，电解槽(10)上端分别连接氧气管路(5)和氢气管路(6)，氧气管路(5)和氢气管路(6)分别与氧气储气瓶(3)、氢气储气瓶(2)连通，阴极气体扩散电极片(14)、阳极气体扩散电极片(13)设置在隔膜(11)两侧且分别通过阴极电极夹(16)和阳极电极夹(15)夹紧固定，阴极电极夹(16)和阳极电极夹(15)另一端分别连接阴极接线柱(18)、阳极接线柱(17)，采用电线将阴极接线柱(18)和阳极接线柱(17)与外部电源相连接；其特征在于，电磁铁(9)安装在升降机构上且位于电解槽(10)正上方，电磁铁(9)与外部电源连接，PLC控制单元(1)与恒电位仪串联，通过PLC控制单元(1)控制调节电解水制氢速率；所述的阴极气体扩散电极片(14)和阳极气体扩散电极片(13)表面分别粘接有阴极催化剂和阳极催化剂；阳极催化剂为具有铁磁性的CoFe2O4纳米材料；阴极催化剂为商业化Pt/C材料。2.根据权利要求1所述的一种磁场辅助电解水制氢装置，其特征在于，阴极气体扩散电极片(14)和阳极气体扩散电极片(13)垂直于电磁铁(9)产生的磁场。3.根据权利要求1所述的一种磁场辅助电解水制氢装置，其特征在于，电磁铁(9)由电磁线圈组、铁心(20)、壳体(21)组成，电磁线圈组由5组电磁线圈(19)并联构成，其中一个电磁线圈(19)处于中心位置，其他四个电磁线圈(19)环绕中心电磁线圈(19)，呈间隔90
°
排布；...
【专利技术属性】
技术研发人员：张文卓，李响，
申请(专利权)人：大连大学，
类型：发明
国别省市：
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