一种旋转式螺管型超导强磁场耦合电解水制氢系统

本发明属于液氢超导共融储能，更具体地，涉及一种旋转式螺管型超导强磁场耦合电解水制氢系统。

背景技术：

1、在“碳达峰”、“碳中和”时代背景下，氢能作为一种理想清洁燃料正逐步成为全球能源转型发展的重要载体，电解水制氢技术凭借简单、清洁、高效等优势受到世界瞩目。电解水产生的过量氢能一般以液氢的形式进行存储。超导磁体能够存储电能，其工作温度恰好处于液氢温区内，因此，利用液氢为超导磁体提供冷量，可以实现液氢和超导共融储能。

2、然而，目前电解水的制氢效率并不高，原因之一在于电解槽在阳极产生氧气，在阴极产生氢气，所产生的气泡会附着在极板上，对通过极板电解水造成负面影响。目前，虽然有文献提及采用施加磁场的方式来加速气泡的释放，但是，电解水的制氢效率还有待提升。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种旋转式螺管型超导强磁场耦合电解水制氢系统，其目的在于进一步提升电解水的制氢效率。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种旋转式螺管型超导强磁场耦合电解水制氢系统，包括底座和置于底座上的超导磁储能装置、电解水制氢装置和氢液化系统，其中，

3、所述电解水制氢装置包括电解槽和直流电源，所述电解槽的阳极和阴极用于连接直流电源并在直流电源的作用下将水电解成氢气和氧气；

4、所述超导磁储能装置包括螺管型超导磁体、发动机、液氢冷却层，所述发动机用于驱动所述螺管型超导磁体围绕所述电解槽圆周旋转，所述电解槽位于偏离旋转中心的偏置位置并在所述螺管型超导磁体旋转期间受到周期性变化磁场，所述螺管型超导磁体的磁场方向垂直于所述电解槽中的电流方向，且基于电磁效应产生延所述阳极和阴极向上的洛伦兹力；所述液氢冷却层包围所述螺管型超导磁体以通过所存储的液氢为所述螺管型超导磁体提供冷量，所述液氢冷却层的材料采用非铁磁性材料；

5、所述氢液化系统用于获取所述电解槽中产生的氢气并转换为液氢存储在所述液氢冷却层中。

6、在其中的一个实施例中，所述螺管型超导磁体的个数为1个或多个，当螺管型超导磁体的数量为多个时，多个所述螺管型超导磁体非均匀分布于同一旋转轨迹上，以在电解水制氢装置阴极产生周期性变化磁场。

7、在其中一个实施例中，所述超导磁储能装置还包括存储液氮的液氮冷却层，所述螺管型超导磁体完全浸泡于所述液氮冷却层内的液氮中，所述液氢冷却层包围所述液氮冷却层，所述液氮冷却层的材料为非铁磁性材料。

8、在其中一个实施例中，所述液氮冷却层和所述液氢冷却层均呈圆环形，所述液氮冷却层为内环，所述液氢冷却层为紧贴所述液氮冷却层的外环，所述螺管型超导磁体在所述液氮冷却层内部做旋转运动。

9、在其中一个实施例中，所述螺管型超导磁体旋转时的转速为800～1200圈/分钟。

10、在其中一个实施例中，所述电解槽所在的偏置位置满足：所述螺线管型超导磁体旋转期间，所述螺线管型超导磁体的磁场强度最大处经过所述电解槽。

11、在其中一个实施例中，所述系统还包括两个除雾器、循环泵、干燥剂、氧气处理装置，

12、其中一个所述除雾器为阳极除雾器，所述阳极除雾器用于将所述阳极所产生的含电解质蒸汽的混合气体分离为电解液和氧气，其中另一个所述除雾器为阴极除雾器，所述阴极除雾器用于将所述阴极所产生的含电解质蒸汽的混合气体分离为电解液和氢气；

13、所述循环泵用于将外界接入的电解液及所述除雾器所产生的电解液泵入电解槽内；

14、所述干燥剂用于去除氢气内的水蒸气后送入所述氢液化系统；

15、所述氧气处理装置用于对所述阳极产生的氧气进行排空处理或进行收集。

16、在其中一个实施例中，所述阴极和阳极均采用以铁磁性耐腐蚀材料所制多孔平板电极。

17、在其中一个实施例中，所述螺管型超导磁体采用bi系带材等高温超导材料。

18、在其中一个实施例中，所述氢液化系统用于将氢气转换为18～22k的液氢并储存在所述液氢冷却层内。

19、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

20、本发明设置螺管型超导磁体，螺管型超导磁体所产生的磁场可有效增强电解液的流体动力学，使电解质离子分布更加均匀，减少离子滞留层厚度，同时，驱动螺管型超导磁体旋转，旋转式构造可使得螺管型超导磁体在电解水制氢装置阴极产生周期性变化的磁场，相较于静态磁场而言，周期性变化磁场会通过削弱氢键，减小水分子的电离能来增加氢形成机会，同时根据法拉第定律，变化的磁场将产生电动势，因此周期性变化磁场将在电解水制氢装置阴极产生额外的电动势，进而增加阴极电流密度，而高电流密度将增加离子碰撞机率，进而提高电解水制氢效率。，而电磁场耦合所产生的洛伦兹力可加快气泡脱离速度，减少电极表面气泡覆盖率，增大电极表面活性反应面积，有效提高电解水制氢效率，降低电解水制氢装置能耗及成本。

21、进一步地，螺管型超导磁体旋转时的转速为800～1200圈/分钟，在该转速下既能保证周期性变化磁场以最佳的频率充分作用于电解水制氢装置阴极，又能防止螺管型超导磁体因转速过快而造成安全事故。

22、进一步地，阴极和阳极均采用以铁磁性耐腐蚀材料所制多孔平板电极，铁磁性材料可使得螺管型超导磁体产生的周期性变化磁场充分作用于阴极，耐腐蚀材料可有效减少电解水制氢装置的阴极在电解液中的腐蚀程度，有效提高装置运行寿命，而多孔结构可增大阴极催化剂和电解液的接触面积，提高气泡脱附效果，进一步提高电解水制氢装置效率。

23、进一步地，设置双层供冷，内层为存储液氮的液氮冷却层，液氢冷却层包围液氮冷却层，液氢冷却层用于为螺管型超导磁体的低温环境提供额外冷量，进而减少超导磁体所需低温环境的制冷成本，提高氢气利用率。

技术特征：

1.一种旋转式螺管型超导强磁场耦合电解水制氢系统，其特征在于，包括底座和置于底座上的超导磁储能装置、电解水制氢装置和氢液化系统，其中，

2.如权利要求1所述的旋转式螺管型超导强磁场耦合电解水制氢系统，其特征在于，所述螺管型超导磁体的个数为1个或多个，当螺管型超导磁体的数量为多个时，多个所述螺管型超导磁体非均匀分布于同一旋转轨迹上，以在电解水制氢装置阴极产生周期性变化磁场。

3.如权利要求1所述的旋转式螺管型超导强磁场耦合电解水制氢系统，其特征在于，所述超导磁储能装置还包括存储液氮的液氮冷却层，所述螺管型超导磁体完全浸泡于所述液氮冷却层内的液氮中，所述液氢冷却层包围所述液氮冷却层，所述液氮冷却层的材料为非铁磁性材料。

4.如权利要求3所述的旋转式螺管型超导强磁场耦合电解水制氢系统，其特征在于，所述液氮冷却层和所述液氢冷却层均呈圆环形，所述液氮冷却层为内环，所述液氢冷却层为紧贴所述液氮冷却层的外环，所述螺管型超导磁体在所述液氮冷却层内部做旋转运动。

5.如权利要求1所述的旋转式螺管型超导强磁场耦合电解水制氢系统，其特征在于，所述螺管型超导磁体旋转时的转速为800～1200圈/分钟。

6.如权利要求1所述的旋转式螺管型超导强磁场耦合电解水制氢系统，其特征在于，所述电解槽所在的偏置位置满足：所述螺线管型超导磁体旋转期间，所述螺线管型超导磁体的磁场强度最大处经过所述电解槽。

7.如权利要求1所述的旋转式螺管型超导强磁场耦合电解水制氢系统，其特征在于，所述系统还包括两个除雾器、循环泵、干燥剂、氧气处理装置，

8.如权利要求1所述的旋转式螺管型超导强磁场耦合电解水制氢系统，其特征在于，所述阴极和阳极均采用以铁磁性耐腐蚀材料所制多孔平板电极。

9.如权利要求1所述的旋转式螺管型超导强磁场耦合电解水制氢系统，其特征在于，所述螺管型超导磁体采用bi系带材等高温超导材料。

10.如权利要求1所述的旋转式螺管型超导强磁场耦合电解水制氢系统，其特征在于，所述氢液化系统用于将氢气转换为18～22k的液氢并储存在所述液氢冷却层内。

技术总结
本发明公开了一种旋转式螺管型超导强磁场耦合电解水制氢系统，属于液氢超导共融储能技术领域，系统包括超导磁储能装置、电解水制氢装置和氢液化系统；超导磁储能装置包括螺管型超导磁体、发动机、液氢冷却层，发动机用于驱动螺管型超导磁体围绕电解槽圆周旋转以产生周期性变化磁场，电解槽位于偏离旋转中心的偏置位置，在磁场作用下产生延阳极和阴极向上的洛伦兹力；液氢冷却层为螺管型超导磁体提供冷量。本发明通过设计旋转式螺管型超导磁体，相较于静态构造可有效在减小水分子电离能的基础上，增加阴极电流密度，而电磁场耦合所产生的洛伦兹力可加快气泡脱离速度，从而有效提高电解水制氢效率，降低电解水制氢装置能耗及成本。

技术研发人员：方家琨,王创,李浩,徐颖,任丽,杨志星,邱一峰
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12