一种具有梯度磁场的电解水制氢装置及其构造方法

本技术属于电解槽相关，更具体地，涉及一种具有梯度磁场的电解水制氢装置及其构造方法。

背景技术：

1、随着新能源技术的不断发展，氢气以其来源广泛、燃烧产物清洁、能量密度高等突出优点逐渐成为最有潜力的清洁能源之一。近年来，电解水制氢技术受到广泛关注与研究，特别是在以新能源为主体的新型电力系统中，氢能作为一种新型储能介质，具备储能容量大、储能周期长等优势，通过电解水将多余的电能转换成氢能，可以有效减少弃风、弃光现象，提高新能源发电的利用率以及电力系统运行的稳定性。

2、电解水制氢技术的核心部分是电解槽，通过在电解槽的两端施加一定的电压使水分子发生电解反应，在阳极处生成氧气、阴极处生成氢气，从而实现电能到氢能的转换。随着电解反应的不断进行，电极表面会生成气泡并附着在电极表面，减小了电极表面的电化学活性面积，导致电解反应的有效电极表面积变小，同时电解液中的气泡越多，阴、阳两极间电解液的含气度也会增加，降低了电解液的电导率，从而增加了电解过程中的欧姆损耗，降低了电解效率。

3、目前虽然有了一些使气泡加快脱附的方法，例如，通过向电解液中的带电离子施加磁场力，加快电解液的扰动，以减少气泡附着，但是，向带电离子施加磁场力会使正负带电离子朝向不同的方向运动，继而会干扰电解槽内部阴阳电极之间的电场，尤其当是当多个电解小室串联时，其影响更大，增加电解过程的不可控性。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本技术提供了一种具有梯度磁场的电解水制氢装置及其构造方法，其目的在于在尽量减小对电解槽内部电场的影响下通过磁场加快电极上气泡的脱附。

2、为实现上述目的，按照本技术的一个方面，提供了一种具有梯度磁场的电解水制氢装置，包括电解槽，所述电解槽包括氢气和电解液出口(2)、氧气和电解液出口(3)、阳极电极(4)、隔膜(5)、阴极电极(7)、极板(8)、阳极电解液流道(9)、阴极电解液流道(10)、电解液进口(11)；

3、从所述电解液进口(11)输入的电解液分别流入阳极电解液流道(9)、阴极电解液流道(10)，流入所述阳极电解液流道(9)的电解液与所述阳极电极(4)接触并产生氧气，所产生的氧气随电解液从所述氧气和电解液出口(3)输出，流入所述阴极电解液流道(10)的电解液与所述阴极电极(7)接触并产生氢气，所产生的氢气随电解液从所述氢气和电解液出口(2)输出，所述阳极电极(4)和所述阴极电极(7)通过所述隔膜(5)隔开；所述极板(8)作为所述电解槽的外围支撑结构；

4、其中，所述阴极电极(7)暴露于所述阴极电解液流道(10)一侧的表面附着有永磁体颗粒(6)，所述永磁体颗粒(6)形成梯度磁场，磁场强度从所处的所述阴极电极(7)表面指向所阴极电解液流道(10)的方向衰减。

5、在其中一个实施例中，在所述阴极电解液流道(10)相对于阴极电极(7)的一侧表面处，所述永磁体颗粒(6)形成的梯度磁场的磁场强度已经衰减为0。

6、在其中一个实施例中，所述永磁体颗粒(6)均匀附着于所述阴极电极(7)的表面。

7、在其中一个实施例中，所述永磁体颗粒(6)附着于所述阴极电极(7)的表面的负载密度范围为0.4～0.6mg/m2。

8、在其中一个实施例中，所述阳极电极(4)和阴极电极(7)均为泡沫镍材料电极。

9、在其中一个实施例中，单个所述永磁体颗粒(6)的粒径小于2μm。

10、在其中一个实施例中，还包括围绕所述电解槽的螺线管磁体线圈(13)，所述螺线管磁体线圈(13)在施加电流时产生从所述阳极电极(4)指向所述阴极电极(7)的磁场。

11、在其中一个实施例中，所述永磁体颗粒(6)为对可磁化颗粒进行磁化处理而成，所述可磁化颗粒为ndfeb颗粒、铁氧体颗粒、钴磁钢颗粒中的任一种。

12、按照本技术的另一方面，提供了一种用于制备如上述所述的具有梯度磁场的电解水制氢装置的构造方法，包括在阴极电极(7)的表面形成永磁体颗粒(6)，所述阴极电极(7)为泡沫镍材料电极，具体包括：

13、依次用乙醇、hcl溶液和去离子水对阴极电极(7)进行超声处理以进行清洁，去除表面的有机物和氧化物；

14、将可磁化的ndfeb颗粒粉末、5wt％的nafion溶液、去离子水、异丙醇按照18～22mg：3～5ml：8～10ml：25～30ml混合并搅拌形成均匀的混合溶液；

15、将所述混合溶液喷涂于清洁后的所述阴极电极(7)的表面并烘干；

16、对附着于所述阴极电极(7)表面的可磁化的ndfeb颗粒施加磁场进行磁化处理，得到具有梯度磁场的永磁体颗粒(6)，磁场强度从所处的所述阴极电极(7)表面指向所述阴极电解液流道(10)的方向衰减。

17、在其中一个实施例中，烘干的温度为55～65℃，烘干时间为5～8h。

18、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本技术提供的一种具有梯度磁场的电解水制氢装置及其构造方法主要具有以下

19、有益效果：

20、1.本技术提供的一种具有梯度磁场的电解水制氢装置，其在阴极电极暴露于阴极电解液流道一侧的表面附着有永磁体颗粒，永磁体颗粒形成梯度磁场，磁场强度从所处的阴极电极表面指向阴极电解液流道的方向衰减。本技术发现氢气具有可以在梯度磁场下顺着磁场强度减小的方向移动的特性，利用该特性，在阴极电极上设置永磁体颗粒以产生符合要求的磁场梯度，磁场朝阴极电极外侧方向梯度减小，因此可以使氢气受到的磁场梯度力垂直于电极表面指向阴极电解液流道，即直接促进了气泡在电极表面的脱附过程，减小了气泡在电极表面的停留时间，增加电极表面有效反应面积，减小电解液的电阻率，降低电解反应的欧姆损耗，提高电解水制氢的能量转换效率。

21、2.本技术提供的一种具有梯度磁场的电解水制氢装置，由于永磁体颗粒仅设置在阴极电极上，所产生的磁场主要针对阴极电解液流道中的物质，因此，对当前阳极电解液流道中的物质不会产生干扰，对单个电解槽的阴阳两极之间的电场干扰较弱，且由于磁场强度朝指向阳极电解液流道的方向衰减，因此，当具有多个并联的电解小室时，对相邻的电解槽的干扰也较小。而且，由于采用了永磁体，前期制备时只需要进行一次磁化，后续便无需反复对其磁化处理。

22、3.本技术一实施例提供的具有梯度磁场的电解水制氢装置，在阳极电解液流道9相对于阴极电极7的一侧表面处，永磁体颗粒6形成的梯度磁场的磁场强度已经衰减为0，如此，当具有多个并联的电解小室时，对相邻的电解槽没有干扰，进一步提高了装置的可控性。

23、4.本技术一实施例提供的具有梯度磁场的电解水制氢装置，设置螺线管磁体线圈，在梯度磁场的基础上施加可调静磁场，提高电解水制氢装置对于不同应用场景的适应性，提高电能转换成氢能的效率。

24、5.本技术提供的一种电解水制氢装置的构造方法，针对于ndfeb颗粒粉末，将可磁化的ndfeb颗粒粉末、5wt％的nafion溶液、去离子水、异丙醇按照18～22mg：3～5ml：8～10ml：25～30ml混合并搅拌形成均匀的混合溶液，在该配比下，可以实现ndfeb颗粒均匀分散在在混合溶液中，同时使电极表面达到合适的ndfeb颗粒负载密度，并确保其在电极表面的良好附着，进而有效地增强电解过程。