CN115449846B - 一种利用交变磁场提高碱液电解水制氢效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种利用交变磁场提高碱液电解水制氢效率的方法，属于制氢技术领域，针对的问题，采用一种利用交变磁场提高碱液电解水制氢效率的方法，其包括：根据电极小室的个数确定施加在电解槽上的直流电压；缠绕铜芯线，通过交变脉冲电流在铜芯线围成区域产生交变磁场，加速气泡溢出；通过对流经电解槽电流的采样和计算，建立自寻最优工作点的控制策略，通过调整交变脉冲的频率和幅值，获得获得电解槽电流的最佳值以及交变脉冲电流的最优频率和最优幅值。周期性变化的洛伦兹力使气泡产生水平方向晃动，加快电极表面气泡的脱落，减小电极表面气泡的覆盖率，进而减小欧姆压降、加快传质过程，有效提高碱液电解水制氢效率。
Description
技术领域
本发明属于制氢技术领域，特别涉及一种利用交变磁场提高碱液电解水制氢效率的方法。
背景技术
在电解水制氢的反应中，如何提高制氢的效率是亟需攻克的难点之一。电解水过程中，阴极和阳极之前存在着电势差，在电流相同的前提下，两电极之间的电势差越小，则生成相同质量的氢气所需要的消耗的电能就越小，能耗就越小。在反应时阴阳极之间的电势差由电极过电位、欧姆压降和极化压降三部分组成。当电流密度过大时，电极表面就会覆盖满气泡，这些气泡会影响电解水制氢反应的物质传递过程，并且降低电解液的电导率，使得反应的欧姆压降增加，进而使阴阳极之间的电势差增大，不利于反应的进行，增加电能的消耗。因此，如果能够使电极表面的气泡快速溢出，则可以有效改善制氢效率。
发明内容
针对现有技术制氢效率低的问题，本发明提供一种利用交变磁场提高碱液电解水制氢效率的方法，。
本发明采用技术方案如下：一种利用交变磁场提高碱液电解水制氢效率的方法，包括：
S1，根据电极小室的个数确定施加在电解槽上的直流电压；
S2，在电解槽外侧紧密缠绕铜芯线，通过连接在铜芯线上的交变脉冲电流，在铜芯线围成区域产生交变磁场，以加速气泡溢出；
S3，通过对流经电解槽电流的采样和计算，建立自寻最优工作点的控制策略，通过调整交变脉冲电流的频率和幅值，获得电解槽电流的最佳值以及交变脉冲电流的最优频率和最优幅值。
交变脉冲电流在电极上产生方向周期性变化的洛伦兹力，使气泡产生水平方向的晃动，加快电极表面气泡的脱落，减小电极表面气泡的覆盖率，进而减小欧姆压降，加快传质过程，有效提高碱液电解水制氢效率。
本申请工作原理是：交变磁场周期性变化方向，在电极上会产生周期性变化方向的洛伦兹力，可使电极上电解产生的气泡水平向晃动，加速气泡脱落，减小电极表面气泡的覆盖率，进而提高碱液电解水制氢效率。
进一步地，所述步骤3中，自寻最优工作点的控制策略建立步骤为：
S3.1，搜寻最优频率；
S3.1.1，保持交变脉冲电流幅值不变，当交变脉冲电流频率增加Δf时，
若电解槽电流增大，则增加交变脉冲电流频率Δf；
若电解槽电流减小，则减小交变脉冲电流频率Δf；
S3.1.2，保持交变脉冲电流幅值不变，当交变脉冲电流频率减小Δf时，
若电解槽电流增大，则减小交变脉冲电流频率Δf；
若电解槽电流减小，则增加交变脉冲电流频率Δf；
S3.1.3，遍历交变脉冲电流频率范围，获得电解槽电流变化区间，设定该区间的最大值为电解槽的最佳电流值，此时对应的交变脉冲电流的频率值为交变脉冲电流的最优频率；
S3.2，搜寻最优幅值；
S3.2.1，保持交变脉冲电流的最优频率不变，当交变脉冲电流幅值增加ΔI时，
若电解槽电流增大，则增加交变脉冲电流幅值ΔI；
若电解槽电流减小，则减小交变脉冲电流幅值ΔI；
S3.2.2，保持交变脉冲电流最优频率不变，当交变脉冲电流幅值减小ΔI时，
若电解槽电流增大，则减小交变脉冲电流幅值ΔI；
若电解槽电流减小，则增加交变脉冲电流幅值ΔI；
S3.2.3，直至电解槽电流达到最佳电流值时，获得交变脉冲电流最优幅值。
交变脉冲电流频率、幅值发生变化时，电解槽电流也会随之变化。
进一步地，步骤S2中，产生的交变磁场的场强方向平行于电极表面、垂直于交变脉冲电流方向。
进一步地，Δf取值范围为0.5-2Hz。
进一步地，ΔI取值范围为0.01-0.05A。
进一步地，交变脉冲电流的频率为0-1kHz，幅值为0-10A。
本发明具有的有益效果：交变脉冲电流产生的交变磁场将使气泡受到平行电极表面的水平方向上，周期性变化的方向相反的洛伦兹力，使气泡产生水平方向的晃动，加快电极表面气泡的脱落，减小电极表面气泡的覆盖率，进而减小欧姆压降，加快传质过程，有效提高碱液电解水制氢效率。
附图说明
图1为通电线圈施加磁场提高碱液制氢效果装置的示意图；
图2为施加交变磁场前阳极表面反应示意图；
图3为施交变加磁场后阳极表面反应示意图。
具体实施方式
下面结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本实施例电解液采用浓度为30％质量分数的氢氧化钾溶液，电解压强为0.1MPa，电解温度为75℃，将铜芯线紧密缠绕在碱液电解水制氢电解槽的外侧，形成围绕电解槽的线圈框架，缠绕方向应当使铜芯线圈的横截面垂直于电极表面，产生磁场的场强方向应当是平行于电极表面、与电流方向垂直的竖直方向。当铜芯线圈框架完全包围住电解槽时，剪断铜芯线圈，采用的结构图如图1所示。
本实施例的利用交变磁场提高碱液电解水制氢效率的方法，包括：
S1，根据电极小室的个数确定施加在电解槽上的直流电压；设电极小室的个数为n，施加在电解槽上的直流电压为U，数值关系满足U＝2n；根据电极小室的个数确定施加在电解槽上的直流电压；电极小室的个数为20个，施加在电解槽上的直流电压为40V，数值关系满足U＝2n，即每个小室上的电解电压为2V，通常来说每个小室上的电解电压为2V时电解效果最好；
S2，在电解槽外侧紧密缠绕铜芯线，通过连接在铜芯线上的交变脉冲电流，在铜芯线围成区域产生交变磁场，产生的交变磁场的场强方向平行于电极表面、垂直于交变脉冲电流方向，以加速气泡溢出，减小电极表面气泡覆盖率，进而降低欧姆压降；
S3，通过对流经电解槽电流的采样和计算，建立自寻最优工作点的控制策略，通过调整交变脉冲电流的频率和幅值，获得电解槽电流的最佳值以及交变脉冲电流的最优频率和最优幅值；初始交变脉冲电流频率为1Hz，幅值为0A；Δf设为1Hz，ΔI设为0.01A，电解槽电流初始为20A；自寻最优工作点的控制策略如下：
S3.1，搜寻最优频率；
S3.1.1，保持交变脉冲电流幅值不变，当交变脉冲电流频率增加1Hz时，
若电解槽电流增大，则增加交变脉冲电流频率1Hz；
若电解槽电流减小，则减小交变脉冲电流频率1Hz；
S3.1.2，保持交变脉冲电流幅值不变，当交变脉冲电流频率减小1Hz时，
若电解槽电流增大，则减小交变脉冲电流频率1Hz；
若电解槽电流减小，则增加交变脉冲电流频率1Hz；
S3.1.3，遍历交变脉冲电流频率范围(0-1kHz)，获得电解槽电流变化区间，设定该区间的最大值为电解槽的最佳电流值，本实施例中最佳电流值为22.5A，此时对应的交变脉冲电流的频率值为交变脉冲电流的最优频率，本实施例中最优频率为100Hz；
S3.2，搜寻最优幅值；
S3.2.1，保持交变脉冲电流的最优频率不变，当交变脉冲电流幅值增加0.01A时，
若电解槽电流增大，则增加交变脉冲电流频率0.01A；
若电解槽电流减小，则减小交变脉冲电流频率0.01A；
S3.2.2，保持交变脉冲电流最优频率不变，当交变脉冲电流幅值减小0.01A时，
若电解槽电流增大，则减小交变脉冲电流频率0.01A；
若电解槽电流减小，则增加交变脉冲电流频率0.01A；
S3.2.3，直至电解槽电流达到最佳电流值时，获得交变脉冲电流最优幅值，即1.68A。
交变脉冲电流产生的交变磁场将使气泡受到平行电极表面的水平方向上，周期性变化的方向相反的洛伦兹力，使气泡产生水平方向的晃动，加快电极表面气泡的脱落，减小电极表面气泡的覆盖率，进而减小欧姆压降，加快传质过程，有效提高碱液电解水制氢效率。
本申请工作原理是：交变磁场周期性变化方向，在电极上会产生周期性变化方向的洛伦兹力，可使电极上电解产生的气泡水平向晃动，加速气泡脱落，减小电极表面气泡的覆盖率，进而提高碱液电解水制氢效率。
现有技术中采用单向的磁场来提高制氢效率，本发明通过连接在铜芯线上的交变脉冲电流，在铜芯线围成区域产生交变磁场，相比于稳定不变的磁场，交变磁场在电极上产生周期性变化的洛伦兹力，使得气泡产生晃动、更容易脱离电极表面，通过调整交变脉冲电流的频率和幅值、获得电解槽电流的最佳值以及交变脉冲电流的最优频率和最优幅值的方式，在现有技术中无任何技术启示，因此本发明具有突出的实质性特点和显著进步。
未施加交变磁场前阳极表面反应如图2所示，施加交变磁场后阳极表面反应图3所示。从图2和图3对比来看，可知施加交变磁场后，电极极板表面的气泡加速脱落和溢出。
由于碱液电解制氢，其电压方程可表示为：
其中，U为电解槽电压，Urev为可逆电压，Uact为活化电压，Uohm为欧姆电压，T为电解槽温度，d为极板间距，s为反应有效面积，I为电解槽电流；
制氢效率公式为：
式中，α1、α2、β0、β1、β2为经验系数；施加交变脉冲电流后，电极表面气泡及时溢出，增加了反应有效面积s，欧姆电压产生热量散失，Uohm减小，产热越小，电解槽电压U减小，则制氢效率μ增大。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求的范围中。
Claims (2)
1.一种利用交变磁场提高碱液电解水制氢效率的方法，其特征在于，包括：
S1，根据电极小室的个数确定施加在电解槽上的直流电压；
S2，在电解槽外侧紧密缠绕铜芯线，通过连接在铜芯线上的交变脉冲电流，在铜芯线围成区域产生交变磁场；产生的交变磁场的场强方向平行于电极表面、垂直于交变脉冲电流方向；
S3，通过对流经电解槽电流的采样和计算，建立自寻最优工作点的控制策略，通过调整交变脉冲电流的频率和幅值，获得电解槽电流的最佳值以及交变脉冲电流的最优频率和最优幅值；
自寻最优工作点的控制策略建立步骤为：
S3 .1，搜寻最优频率；
S3 .1 .1，保持交变脉冲电流幅值不变，当交变脉冲电流频率增加Δf时，
若电解槽电流增大，则增加交变脉冲电流频率Δf；
若电解槽电流减小，则减小交变脉冲电流频率Δf；
S3 .1 .2，保持交变脉冲电流幅值不变，当交变脉冲电流频率减小Δf时，
若电解槽电流增大，则减小交变脉冲电流频率Δf；
若电解槽电流减小，则增加交变脉冲电流频率Δf；
S3 .1 .3，遍历交变脉冲电流频率范围，获得电解槽电流变化区间，设定该区间的最大值
为电解槽的最佳电流值，此时对应的交变脉冲电流的频率值为交变电流的最优频率；
S3 .2，搜寻最优幅值；
S3 .2 .1，保持交变脉冲电流的最优频率不变，当交变脉冲电流幅值增加ΔI时，
若电解槽电流增大，则增加交变脉冲电流幅值ΔI；
若电解槽电流减小，则减小交变脉冲电流幅值ΔI；
S3 .2 .2，保持交变脉冲电流最优频率不变，当交变脉冲电流幅值减小ΔI时，
若电解槽电流增大，则减小交变脉冲电流幅值ΔI；
若电解槽电流减小，则增加交变脉冲电流幅值ΔI；
S3 .2 .3，直至电解槽电流达到最佳电流值时，获得交变脉冲电流最优幅值；
其中，Δf取值范围为0.5-2Hz，ΔI取值范围为0.01-0.05A。
2.根据权利要求1所述的利用交变磁场提高碱液电解水制氢效率的方法，其特征在于，交变脉冲电流的频率取值范围为大于0且小于等于1kHz，幅值取值范围为大于0且小于等于10A。
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