一种微重力磁场驱动强化电解水制氧/制氢的装置的制作方法

本发明涉及电解装置，具体涉及一种微重力磁场驱动强化电解水制氧/制氢的装置。

背景技术：

电解水是通过水在外加电场作用下，将电能转化为化学能的能量转换装置。在此过程中水被分解，在阴极表面产生氢气同时在阳极表面产生氧气。直接水电解是获取高纯度氢气和氧气的最简单有效的方法。水电解装置与风力发电或太阳能等分布式能源发电技术的结合可以很好的解决一次清洁能源的有效利用和就地转化问题；在高空探测中，水电解制氢是必不可少的获得氢气的方式；在浮法玻璃加工和半导体集成电路生产中，获得高纯度氢也是通过电解水制氢装置实现。电解水制氧技术是目前公认的最合理的空间站氧气补给技术，是物化再生环境控制和生命保障系统的核心技术之一，也是实现中长期载人航天飞行的关键技术(李俊荣,尹永利,等.空间站电解制氧技术研究进展[J].航天医学与医学工程,2013,26(3):216-220.)。

水电解过程中在阴极和阳极之间存在电势差，在恒定电解电流条件下，电极间电势差越小，获得单位体积气相产物所消耗的电能越少。反之，电解能耗越高。电极间电势差由三部分构成：电解液欧姆压降、离子交换膜电压降、电极过电势。当在电极表面和附近有气相产物附着或聚集时，由于导电性弱的气泡存在，会同时引起电极过电势和电解液欧姆压降的升高，进而加大电极间电势差，增加电解能耗(Mingyong Wang,Zhi Wang,Xuzhong Gong,Zhancheng Guo.The intensification technologies to water electrolysis for hydrogen production–A review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2014,29:573–588.)。

现有直接水电解制氧/制氢中，一般通过重力作用或依靠循环泵强制电解液流动驱除气相产物。但在如空间站微重力环境下，由于重力作用消失，氧气泡在液体中浮力几乎为零，气泡在电极表面成核后难以脱附，造成气相产物在电极表面的大量聚集，从而增加了电解能耗。而依靠电能输入的泵驱动电解液循环，无疑又需要额外的电能消耗，不利于电解综合能耗的降低。

技术实现要素：

本发明的目的在于借助特定的外部磁场，配合特殊的电解槽结构设计，在电解槽中形成不同方向的洛伦兹力驱动氢气、氧气分别从两个方向进入氢气收集器、氧气收集器,在不采用离子交换膜分隔电解槽腔室和不采用泵驱动强制电解液流动的情况下，仅依靠洛伦兹力驱动电解液流动，实现气相产物的有效驱散和不同气相产物的高效分离。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种微重力磁场驱动强化电解水制氧/制氢的装置，包括电解槽主体、氧气收集器、氢气收集器、外部磁体和电源。

所述电解槽主体上设置有阳极侧电解液排出口、阴极侧电解液排出口和电解液进口。所述电解槽主体为圆盘状的槽体。所述电解液进口设置在电解槽主体的竖直中心线上。所述阳极侧电解液排出口和阴极侧电解液排出口分别设置在电解槽主体的圆周侧面，且关于其中心对称。

所述阳极侧电解液排出口安装有氧气收集器。所述阴极侧电解液排出口安装有氢气收集器。

所述电源的阴、阳电极对称布置在电解槽主体的内壁两侧。其中阳极靠近阳极侧电解液排出口，阴极靠近阴极侧电解液排出口。

所述外部磁体包括四块相同的永磁体，每两块永磁体为一组，分成A组和B组。A组的两块永磁体对称安装在电解槽主体靠近阳极一侧的上、下表面，且N、S极相对；B组的两块永磁体对称安装在电解槽主体靠近阴极一侧的上、下表面，同时S、N极相对；其中A、B两组永磁体的磁极颠倒布置，在电极间电流接通后，使得靠近阳极一侧与靠近阴极一侧形成的洛伦兹力方向相反。

进一步，所述外部磁体的磁场强度范围在0～3T内。

进一步，所述阳极位于A组的两块永磁体之间。所述阴极位于B组的两块永磁体之间。

进一步，所述外部磁体之间还可叠放多个电解槽主体。或者每一个电解槽主体与外部磁体组成一个单元，多个单元进行叠加使用。

进一步，所述电解槽主体的内部还设置有两块导流板；这两块导流板分别靠近阳极侧电解液排出口和阴极侧电解液排出口。

本发明的技术效果是毋庸置疑的。众所周知，电解槽中气相产物若不能及时排除，会显著增加电解槽电势差，致使能耗升高。现有的技术手段依靠重力作用或泵驱动电解液强制流动来及时驱散气相产物。在微重力或低重力环境中，重力对气相产物形成的浮升作用不存在或不明显，气相产物聚集于电极表面，而依靠电能输入的泵驱动，更会引起额外电能的消耗。而本发明可以满足在仅依靠洛伦兹力驱动的条件下，实现电解产物的有效驱除和收集，同时实现电解槽内电解液的强制循环，强化传质过程，降低电解能耗。即便在微重力环境中，仍能实现气相产物的及时排出，尽量减少气相产物在电极表面的聚集。

本发明尤其适用于零重力或微重力环境中。

附图说明

图1为本发明装置的示意图；

图2为电解槽主体的结构示意图；

图3为外部磁体在电解槽主体中形成的磁场分布形式示意图。

图中：电解槽主体1、氧气收集器2、氢气收集器3、外部磁体4、阳极侧电解液排出口5、阴极侧电解液排出口6、电解液进口7、阳极8、阴极9、导流板10。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

参见图1和图2，本实施例提供一种微重力磁场驱动强化电解水制氧/制氢的装置，包括电解槽主体1、氧气收集器2、氢气收集器3、外部磁体4和电源。

所述电解槽主体1上设置有阳极侧电解液排出口5、阴极侧电解液排出口6和电解液进口7。所述电解槽主体1为圆盘状的槽体。所述电解液进口7设置在电解槽主体1的竖直中心线上。所述阳极侧电解液排出口5和阴极侧电解液排出口6分别设置在电解槽主体1的圆周侧面，且关于其中心对称。其中所述阳极侧电解液排出口5与阴极侧电解液排出口6的朝向相反，它们的流道是相互平行的。

所述阳极侧电解液排出口5安装有氧气收集器2。所述阴极侧电解液排出口6安装有氢气收集器3。

所述电源的阴、阳电极对称布置在电解槽主体1的内壁两侧。其中阳极8靠近阳极侧电解液排出口5，阴极9靠近阴极侧电解液排出口6。

所述外部磁体4包括四块大小相同的永磁体，每两块永磁体为一组，分成A组和B组。A组的两块永磁体对称安装在电解槽主体1靠近阳极8一侧的上、下表面，且N、S极相对；B组的两块永磁体对称安装在电解槽主体1靠近阴极9一侧的上、下表面，同时S、N极相对；其中A、B两组永磁体的磁极颠倒布置，使得在电解槽主体1中，由阳极到阴极一侧，形成方向相反的非均匀磁场，如图3所示。在电极间电流接通后，使得靠近阳极一侧与靠近阴极一侧形成的洛伦兹力方向相反。所述电解槽主体1的内部还设置有两块导流板10。这两块导流板10分别靠近阳极侧电解液排出口5和阴极侧电解液排出口6。

由于存在外部磁体4，电磁场产生的洛伦兹力以体积力的形式作用到流体上，洛伦兹力的大小和方向与电流(j)和局部磁感应强度(B)有关：F＝j×B。由于阴、阳两极的磁场方向相反，可以形成方向相反的洛伦兹力，从而可以实现电解液绕电解槽主体1的竖直中心线(Z方向)的流动。混合有气相产物的电解液依靠流动惯性从靠近阴极和阳极的的两个出口排除，相应出口位置处布置的气体收集装置分别收集到氢气和氧气。由于旋转流动所形成的电解槽主体1的中心区域负压必然使得电解液从电解液进口7自动补充，无需额外输送压力。

为防止气相产物互相混合和提高产物纯度，在靠近两个出口(阳极侧电解液排出口5和阴极侧电解液排出口6)位置，分别布置一块导流板10。需要说明的，本发明的永磁体的布置根据电极的位置和电解液排出口的朝向而定，其原则就是要保证阳极侧形成的洛伦兹力与阳极侧电解液排出口5的朝向相同，阴极侧形成的洛伦兹力与阴极侧电解液排出口6的朝向相同，这样有助于电解液与气相产物的排除。

具体地，在电解时，电解槽主体1中充满电解液。电源接通后，随着电解的进行在阴极9和阳极8的表面分别析出氢气和氧气。空间形成的非均匀磁场使得阴极9和阳极8周围的洛伦兹力方向相反，所以电解液受洛伦兹力驱动在电解槽主体1内做旋转流动。在导流板10的作用下，氢气和氧气随着旋转运动而从各出口随电解液排除，在靠近出口处的气体收集装置中被收集，电解液流出以备循环使用。导流板10能有效的阻止由于旋转运动而造成的氢气和氧气的混合，可很好的控制气体产物的纯度。同时本发明采用永磁体搭建外部磁场，外部磁场强度固定。通过调节电流的大小可以控制气相产物的生成速率和电解液流动速度。