一种磁场加载析氢电极装置

本技术属于电解水制氢，尤其涉及一种磁场加载析氢电极装置。

背景技术：

1、面对化石燃料过度消费导致的全球变暖日益严重的形势，近年来，创新能源载体以减少发电站温室气体排放受到了极大关注。氢气被认为是一种优秀的可再生能源载体候选者，因为它可以提供高能量密度，但不会产生碳排放。对于氢气生产，电分解水是一种很有前途的环保方法。

2、高效电催化剂对于提高产氢的效率至关重要。电催化剂的活性可以通过两种策略来提高：一种是通过增加负载质量或调整结构来增加电极表面的活性位点，以暴露更多的活性位点；另一种是提高每个活性位点的固有活性。

3、随着在缺陷工程、相变和掺杂等方面的大量努力，电催化反应的整体性能仅通过催化剂的设计和改性就进入了瓶颈阶段。因此，进一步提高电催化剂的整体性能已成为电催化领域最具挑战性的任务之一。

4、最新研究证实，将磁场与电化学耦合是增强电化学反应的一种很有前途的新策略。根据麦克斯韦应力效应原理，在均匀磁场作用下，顺磁液滴可在端面产生具有退磁效应的正负电荷。在这种情况下，磁场源应力会导致顺磁性液滴的形状发生横向或纵向拉伸，即磁致伸缩。磁场的方向和强度决定了拉伸的方向和程度，从而会影响了固体的表面性质如接触角和附着力。因此，磁场将对电极和电解质之间的界面产生一定影响。

5、由于发现了磁场对电解析氢催化反应的促进作用，目前很多研究都在致力于将磁场加载到电解装置中，以期对电解制氢起到促进作用。但是现有的研究都是将整个电解装置放置于磁场当中，给整个装置都加载磁场，这样不仅浪费资源，而且磁场的加入对析氢和析氧反应同时有影响，研究已经证实磁场对析氢反应有促进作用，但是它对于析氧反应的影响不清楚是正面还是负面，那么给阴阳极都施加磁场可能对析氧反应有某些负面影响。因此本设计的目标是局部精准引入磁场，设计开发出一种局部磁场加载装置，以期加载的磁场只对析氢反应有影响，实现催化效果地显著提升。

6、基于此，特提出本实用新型。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本实用新型的实施方式的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本申请的说明书摘要和实用新型名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和实用新型名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本实用新型的范围。

2、本实用新型的目的是提供了一种磁场加载析氢电极装置，解决了上述技术问题。

3、本实用新型提供了如下技术方案：一种磁场加载析氢电极装置，包括电化学工作站和带有三电极的电解槽；所述电解槽为电解液互相连通的两个槽体，其中一个槽体内设有参比电极和对电极，另一个槽体内设有工作电极；其中参比电极和对电极与电化学工作站的阴极电连接，工作电极与电化学工作站的阳极电连接；

4、与电化学工作站阴极电连接的电解槽内放置有永磁体移动装置，永磁体移动装置上连接有驱动装置、永磁铁、工作电极以及软磁材料；驱动装置与永磁铁之间采用刚性连接；工作电极与软磁材料接触且二者与永磁铁之间具有一定距离，进而工作电极通电后，在永磁铁与软磁材料之间产生磁场；驱动装置通过带动永磁体的移动和旋转，进而调整磁场大小和方向。

5、作为优选的技术方案，所述永磁体移动装置包括置于电解液中的容器；所述容器顶部开设有条形通道。

6、作为优选的技术方案，所述驱动装置设在通道上方，其输出轴与刚性连接杆连接；连接杆穿过所述通道并与容器内部的条形永磁体连接，从而驱动装置可带动条形永磁体的旋转和直线动作。

7、作为优选的技术方案，所述驱动装置包括同轴连接的旋转步进电机和直线步进电机；在电解槽外侧还设有分别与两个电机电连接的电机驱动器和主机；所述主机用于输入预定的永磁体旋转角度或直线移动距离。

8、作为优选的技术方案，在容器内侧壁设有开口，开口外侧与片状软磁材料贴合，片状软磁材料远离开口一侧与工作电极接触；所述条形永磁体与片状软磁材料相隔一定距离设置。

9、作为优选的技术方案，所述容器靠近片状软磁材料的一侧设有多个凹槽，所述凹槽分布在所述开口四周；在所述片状软磁材料的一侧设有若干与凹槽对应的连接柱，进而实现片状软磁材料与容器的连接。

10、作为优选的技术方案，所述电解槽外侧还设有高斯计，所述高斯计与工作电极连接。

11、作为优选的技术方案，所述容器由电磁绝缘且耐腐蚀的材料制成。

12、与现有技术相比，本实用新型具有的有益效果是：

13、(1)本实用新型通过在析氢的电解液中放置永磁体移动装置，用驱动装置带动永磁体前后移动或转动，并通过改变永磁体和工作电极表面之间的距离来调整磁场大小，通过转动条形永磁体来改变施加到电极上磁场的方向；磁场的变化在一定范围内可调，且只对析氢反应有影响，实现催化效果地显著特提升；

14、(2)永磁体移动装置浸泡在其中一个电解槽的导电液体中，实现了“局部磁场精准引入”，磁场仅需影响析氢的工作电极，而不能过多的影响其它电极；

15、(3)工作电极表面处的磁感应强度大小采用高斯计测量；

16、(4)由于磁流体动力学效应(mhd)引起的对流，反应产生的氢气泡能加速脱离催化电极(工作电极)表面，降低了工作电极表面气泡覆盖率，增加工作电极的活性比表面积，从而使反应过电位显著降低；

17、(5)磁场与催化电流方向夹角要求连续可调，能够实现磁场平行、垂直催化电流。

技术特征：

1.一种磁场加载析氢电极装置，包括电化学工作站和带有三电极的电解槽；所述电解槽为电解液互相连通的两个槽体，其中一个槽体内设有参比电极和对电极，另一个槽体内设有工作电极；其中参比电极和对电极与电化学工作站的阴极电连接，工作电极与电化学工作站的阳极电连接；

2.如权利要求1所述的磁场加载析氢电极装置，其特征在于：所述永磁体移动装置包括置于电解液中的容器；所述容器顶部开设有条形通道。

3.如权利要求2所述的磁场加载析氢电极装置，其特征在于：所述驱动装置设在通道上方，其输出轴与刚性连接杆连接；连接杆穿过所述通道并与容器内部的条形永磁体连接，从而驱动装置可带动条形永磁体的旋转和直线动作。

4.如权利要求1所述的磁场加载析氢电极装置，其特征在于：所述驱动装置包括同轴连接的旋转步进电机和直线步进电机；在电解槽外侧还设有分别与两个电机电连接的电机驱动器和主机；所述主机用于输入预定的永磁体旋转角度或直线移动距离。

5.如权利要求2所述的磁场加载析氢电极装置，其特征在于：在容器内侧壁设有开口，开口外侧与片状软磁材料贴合，片状软磁材料远离开口一侧与工作电极接触；所述永磁体与片状软磁材料相隔一定距离设置。

6.如权利要求5所述的磁场加载析氢电极装置，其特征在于：所述容器靠近片状软磁材料的一侧设有多个凹槽，所述凹槽分布在所述开口四周；在所述片状软磁材料的一侧设有若干与凹槽对应的连接柱，进而实现片状软磁材料与容器的连接。

7.如权利要求1所述的磁场加载析氢电极装置，其特征在于：所述电解槽外侧还设有高斯计，所述高斯计与工作电极连接。

8.如权利要求2所述的磁场加载析氢电极装置，其特征在于：所述容器由电磁绝缘且耐腐蚀的材料制成。

技术总结
本技术属于电解水制氢技术领域，尤其涉及一种磁场加载析氢电极装置。包括电化学工作站和带有三电极的电解槽；电解槽为电解液互相连通的两个槽体，其中一个槽体内设有参比电极和对电极，另一个槽体内设有工作电极；与电化学工作站阴极电连接的电解槽内放置有永磁体移动装置，永磁体移动装置上连接有驱动装置、永磁铁、工作电极以及软磁材料；驱动装置与永磁铁之间采用刚性连接，驱动装置通过带动电机和永磁体的移动和旋转，进而调整磁场大小和方向；工作电极与软磁材料接触且二者与永磁铁之间具有一定距离，进而通电后，在永磁铁与软磁材料之间产生磁场；局部引入的磁场只对析氢反应有影响，实现催化效果显著提升。

技术研发人员：张小明,王莉蓉,赵敏,何珺,刘国栋,刘影
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：20230713
技术公布日：2024/3/4