【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电解反应器的设计和控制，具体涉及一种磁场辅助电解反应器及其控制方法。
技术介绍
1、就目前而言，在随着氢能作为能源的地位逐渐明确，与波动性可再生能源耦合的电解制氢作为氢能实现能源转换储存的重要方向，获得越来越多的重视。在波动性电解制氢过程中，当可再生能源发电功率不能满足电解制氢设备的最低可工作负荷时，电解制氢设备会发生停机现象，造成设备的重复启动和关停。在停机时，由于电解制氢设备阴极、阳极产生的原位电动势和电解质溶液构成的离子通道，会导致逆反电流的发生，使阴极被氧化腐蚀，这种现象严重影响了电解制氢设备的寿命和性能稳定性。
2、目前，对于电解制氢设备的关机逆反电流问题还没有成熟的解决方案。与此同时，电解水制氢过程中气泡的行为对制氢过程效率有很大影响，如果电极表面产生的气泡不能及时脱除，可能会覆盖电极表面的活性位点，降低有效反应面积，从而导致能耗提高。因此，综上所述，目前在电解制氢过程中，可能造成电解设备的重复启动和关停；且由于电极表面产生的气泡不能及时脱除，可能会覆盖电极表面的活性位点，降低有效反应面积，增加了能耗。
技术实现思路
1、本专利技术提供一种磁场辅助电解反应器及其控制方法，目的在于解决目前在电解制氢过程中容易造成电解设备的重复启动和关停，电极表面产生的气泡不能及时脱除，可能会覆盖电极表面的活性位点，导致降低有效反应面积且增加能耗的问题。
2、为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、本专利技术提供一种磁场辅助电解反
4、基础磁场包括分别在电解反应器本体的阴极端板和阳极端板外侧的第一磁体和第二磁体，所述第一磁体面向阴极端板的一端为n极，第二磁体面向阳极端板的一端为s极；
5、磁场梯度包括第一外线圈和第二外线圈，以基础磁场的方向为轴，第一外线圈和第二外线圈分别位于阴极端板和阳极端板；
6、第一外线圈和第二外线圈分别通有第一调节电流和第二调节电流，第一调节电流的电流方向为逆时针方向，第二调节电流的电流方向为顺时针方向；电解制氢控制器用于通过控制第一调节电流和第二调节电流的大小调控磁场梯度的大小。
7、在一些实施方式中，电解制氢控制器用于实时接收电解反应中的电流信号，并根据电流信号给出当前目标磁场梯度指令及线圈电流的调节指令，以便调节磁场梯度。
8、进一步地，电解制氢控制器依据如下公式（1），通过第一调节电流和第二调节电流中的电流大小调控磁场梯度的大小：
9、（1）；
10、其中，为磁场梯度，为线圈中电流的大小，为线圈的间距，为与真空磁导率、线圈匝数以及线圈半径有关的系数。
11、进一步地，系数与真空磁导率、线圈匝数n、线圈半径r的关系如下公式（2）；
12、（2）；
13、其中，为真空磁导率，为线圈匝数，为线圈半径。
14、在一些实施方式中，电解反应器本体中的磁场强度和磁场梯度的乘积满足如下公式（3）：
15、（3）；
16、其中，为磁场强度，为气泡脱离效率，为与温度、压力有关的系数，为真空磁导率；为理想气体常数，为热力学温度，为气泡的摩尔磁化率，为电极表面双电层的厚度，为电解反应的电流密度。
17、在一些实施方式中，在电解开关过程中，磁场强度和磁场梯度的乘积满足如下公式（4）：
18、（4）；
19、其中，为关停前系统的电流密度，为电极表面金属离子在电极周围的浓度，为1mol金属离子所带电量；为与系统电极间电阻有关的常数，为电极间距。
20、在一些实施方式中，当电解反应器本体包括多对阴极和阳极时，多对阴极和阳极交替排列，多对阴极和阳极之间以隔膜或电解质隔开。
21、在一些实施方式中，第一磁体和第二磁铁为两块相同的永磁体，第一磁体和第二磁铁对称安装于电解反应器。
22、本专利技术还提供一种磁场辅助电解反应器的控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
23、在电解反应器工作过程中，电解制氢控制器实时接收电解反应电流大小信号；
24、根据电解电流信号，电解制氢控制器根据工作预设条件给出第一目标磁场梯度指令，并给出第一线圈电流调节指令；
25、根据第一目标磁场梯度指令和第一线圈电流调节指令调节线圈电流，以达到工作过程所需的磁场梯度。
26、在一些实施方式中，电解反应器在关机过程中：
27、电解制氢控制器接收到关机信号指令，根据关机预设条件给出第二目标磁场梯度指令，并给出第二线圈电流调节指令，根据第二目标磁场梯度指令和第二线圈电流调节指令调节线圈电流，以达到关机过程所需的磁场梯度；
28、对电解反应器阴阳两侧的电压进行监测，当检测到两侧的电压为零、且在预设时间内不产生漂移时，关闭线圈电流。
29、与现有技术相比，本专利技术一种磁场辅助电解反应器及其控制方法，具有以下有益效果：
30、本专利技术一种磁场辅助电解反应器，包括电解反应器本体以及配置于其的外部磁场系统，外部磁场系统配置有电解制氢控制器，电解反应器本体具有至少一对相互隔开的阴极和阳极，外部磁场系统包括基础磁场和磁场梯度；其中：基础磁场包括分别在电解反应器本体的阴极端板和阳极端板外侧的第一磁体和第二磁体，所述第一磁体面向阴极端板的一端为n极，第二磁体面向阳极端板的一端为s极；磁场梯度包括第一外线圈和第二外线圈，以基础磁场的方向为轴，第一外线圈和第二外线圈分别位于阴极端板和阳极端板；第一外线圈和第二外线圈分别通有第一调节电流和第二调节电流，第一调节电流的电流方向为逆时针方向，第二调节电流的电流方向为顺时针方向；电解制氢控制器用于通过控制第一调节电流和第二调节电流的大小调控磁场梯度的大小。基于上，本专利技术结合了电解反应器本体和外部磁场系统和电解制氢控制器，通过控制线圈中的电流来调节磁场梯度，进而改善电解过程中的气泡脱除和电极反应。基础磁场分别位于电解反应器的阴极端板和阳极端板外侧形成稳定的磁场方向。电解制氢控制器通过调节两个线圈中的电流来改变磁场梯度。本专利技术通过磁场梯度对气泡产生的洛伦兹力，促进气泡从电极表面脱离，增加了有效反应面积，从而提高了电解效率，在电解开关过程中，通过磁场梯度减缓电极表面的反向电化学反应，防止了阴极的氧化腐蚀，延长了电解反应器的使用寿命。本专利技术通过电解制氢控制器控制并调节磁场梯度，使得整个磁场辅助电解反应器能够适应较多场景的电解需求，具有较佳的实用意义。
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1.一种磁场辅助电解反应器，其特征在于，包括电解反应器本体以及配置于其的外部磁场系统，所述外部磁场系统配置有电解制氢控制器，所述电解反应器本体具有至少一对相互隔开的阴极和阳极，所述外部磁场系统包括基础磁场和磁场梯度；其中：
2.根据权利要求1所述的磁场辅助电解反应器，其特征在于，所述电解制氢控制器用于实时接收电解反应中的电流信号，并根据电流信号给出当前目标磁场梯度指令及线圈电流的调节指令，以便调节磁场梯度。
3.根据权利要求2所述的磁场辅助电解反应器，其特征在于，所述电解制氢控制器依据如下公式（1），通过第一调节电流和第二调节电流中的电流大小调控磁场梯度的大小：
4.根据权利要求3所述的磁场辅助电解反应器，其特征在于，所述系数与真空磁导率、线圈匝数N、线圈半径r的关系如下公式（2）；
5.根据权利要求1所述的磁场辅助电解反应器，其特征在于，所述电解反应器本体中的磁场强度和磁场梯度的乘积满足如下公式（3）：
6.根据权利要求1所述的磁场辅助电解反应器，其特征在于，在电解开关过程中，磁场强度和磁场梯度的乘积满足如下公式（4）
7.根据权利要求1所述的磁场辅助电解反应器，其特征在于，当所述电解反应器本体包括多对阴极和阳极时，多对所述阴极和阳极交替排列，多对所述阴极和阳极之间以隔膜或电解质隔开。
8.根据权利要求1所述的磁场辅助电解反应器，其特征在于，所述第一磁体和第二磁铁为两块相同的永磁体，所述第一磁体和第二磁铁对称安装于电解反应器。
9.根据权利要求1-8任一项所述磁场辅助电解反应器的磁场辅助电解反应器的控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
10.根据权利要求9所述的磁场辅助电解反应器的控制方法，其特征在于，电解反应器在关机过程中：
...【技术特征摘要】
1.一种磁场辅助电解反应器，其特征在于，包括电解反应器本体以及配置于其的外部磁场系统，所述外部磁场系统配置有电解制氢控制器，所述电解反应器本体具有至少一对相互隔开的阴极和阳极，所述外部磁场系统包括基础磁场和磁场梯度；其中：
2.根据权利要求1所述的磁场辅助电解反应器，其特征在于，所述电解制氢控制器用于实时接收电解反应中的电流信号，并根据电流信号给出当前目标磁场梯度指令及线圈电流的调节指令，以便调节磁场梯度。
3.根据权利要求2所述的磁场辅助电解反应器，其特征在于，所述电解制氢控制器依据如下公式（1），通过第一调节电流和第二调节电流中的电流大小调控磁场梯度的大小：
4.根据权利要求3所述的磁场辅助电解反应器，其特征在于，所述系数与真空磁导率、线圈匝数n、线圈半径r的关系如下公式（2）；
5.根据权利要求1所述的磁场辅助电解反应器...
【专利技术属性】
技术研发人员：张畅，郭海礁，王金意，吴展，王韬，杨立平，张国珍，
申请(专利权)人：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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