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外加磁场对氢氧机电解效率影响的研究

何晓克  
【摘要】:氢气是一种清洁的能源,在燃烧过程中不产生温室气体等有害气体。氢能被认为将永久解决化石燃料危机,又能够同时解决全球环境污染和温室效应问题,因此世界范围内学者对制氢技术进行了大量的研究。其中碱性电解水制氢已经发展为一个很常见的制氢手段。但是由于电解效率较低导致大部分的工业电解槽电能消耗较高,因此电解产生的氢气的成本也较高,这就成为了制约电解水制氢技术在更大范围内应用的重要因素。本文通过分析电解槽的各项参数与电解效率之间的关系,建立了电解槽的电解效率的计算公式,发现电解效率与过电位直接相关、之后建立过电位的数学模型,该数学模型能够指引电解槽的优化设计方向。分析了电解槽在施加了外部磁场后,在电解过程中会产生相应的电磁力,引起电解液产生对流现象,即磁流体动力学(MHD)效应,根据建立的过电位的数学模型分析出该效应对过电位和电解效率的影响。其次,推导出电解液在施加外部磁场后的磁流体动力学方程,并通过ANSYS和Fluent软件共同建立施加永磁体磁场后的电解液流场分析模型,对电场、磁场和流场进行耦合仿真分析,得出流场速度与电解槽工作电流的关系,流场速度与永磁体厚度参数之间的关系。通过搭建实验装置和设计实验方案来对不同电解液浓度,不同电极间距下的电解效率进行实验研究,并对施加磁场后的电解槽进行实验研究,探究了施加不同方向和不同磁感应强度的磁场时对电解效率的影响。最后将研究的成果应用到车载氢氧机的设计上,设计电解槽时在合适的位置安装上适当厚度的永磁体;并在此基础上设计了电源系统和控制系统,最终完成一个车载氢氧机整体系统。设计完成的控制系统实现了对车载氢氧机工作状态的实时监控,实现了车载氢氧机系统的安全可靠运行。


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