一种在电解池中制备氢气的方法和装置与流程

本发明涉及在电解池中制备氢气。

背景技术：

1、电解池包括一对电极和液体电解质，通常是水。操作时，电解池电解液体，在阴极产生氢气，在阳极产生氧气。产生的氢气和氧气可以作为燃料供应给燃料电池。

2、在电解过程中，电极处会形成气泡。虽然气泡浓度不高，但这些气泡被认为是不可取的，因为它们会阻塞电极表面和离子传导通路，导致能量损失。参见argulo等人，“气泡对电化学反应器能量转换效率的影响”(influence of bubbles on the energy conversionefficiency of electrochemical reactors)，joule，4(3):555-579(2020年3月18日)。已经提出了几种通过促进气泡分离来解决这个问题的方法，包括改变电极表面、调整电解质组成、诱导电解质中的流动以及向电池施加磁能或超声能量。出处同上。

技术实现思路

1、发明人发现，将高浓度纳米气泡引入电解池中令人惊讶地提高了氢气生产效率。不受理论束缚，认为高纳米气泡浓度的存在增加了可电解液体体积中的电荷密度，从而在空间上扩展了受电势影响的区域。高纳米气泡浓度也会增加电极和电解质之间的相互作用。因此，电阻降低，产生氢气所需的能量减少，从而降低了总体成本。因此，本发明在第一个方面描述了一种制备氢气的方法，该方法包括：(a)将浓度为至少106个纳米气泡/cm3的纳米气泡从纳米气泡发生器引入包括一对电极和含氢的可电解液体的电解池中；及(b)操作电解池以产生氢气。在一些实施方式中，纳米气泡浓度为至少107个纳米气泡/cm3、至少108个纳米气泡/cm3、至少109个纳米气泡/cm3，或至少1010个纳米气泡/cm3。

2、纳米气泡浓度表示为纳米气泡数/cm3。其测量方法是：从电解池(接收纳米气泡发生器的流出物)收集3个样品，并在获得每个样品后20分钟内，使用购自马尔文帕纳科(malvern panalytical)的nanosight ns3000分析仪通过纳米颗粒跟踪分析法进行分析。每个样品使用0.45μm过滤器过滤，然后使用nanosight ns3000分析仪进行分析。

3、纳米气泡发生器可以位于电解池内(例如，浸入可电解液体中)或电解池外(例如，作为与电解池液体连通的单独模块)。在一些实施方式中，纳米气泡发生器和电解池位于共用壳体内。

4、在一些实施方式中，该方法还包括随着氢气的产生或在预定时间后从电解池中提取氢气。将氢气储存在电解池中并在需要时提取氢气的能力使电解池能够充当储能设备。

5、电解池产生的氢气可以作为“燃料”提供给燃料电池，然后燃料电池产生能量。通过减少生产氢气“燃料”所需的能量，该方法提高了燃料电池能量生产的整体效率。

6、在一些实施方式中，电解池还产生氧气，其可以随着氧气的产生或在预定时间后从电解槽中提取。

7、纳米气泡充满气体。在一些实施方式中，气体选自下组：空气、氮气、二氧化碳、nox、甲烷及其组合。

8、含氢的可电解液体可包括水、氨、废水或其组合。液体可包含盐。本文所用的“废水”包括但不限于城市废水、工业废水、雨水、黑水、灰水、发酵或采矿过程的工艺用水，或它们的组合。在一些实施方式中，废水包括氨。使用废水作为可电解液体提供了一种方便的处理废水以去除污染物的方法，同时为电解池提供了易于水解的氢源。

9、纳米气泡发生器可以具有多种构造，采用多种装置来产生纳米气泡。在一个示例中，所述纳米气泡发生器包括：(a)具有第一端和第二端的细长壳体，该壳体界定了液体入口、液体出口和适于接收来自液体源的液体载体的内腔；(b)至少部分设置在壳体内腔内的透气构件，所述透气构件具有适于从气源接收加压气体的开口端、封闭端和在开口端和封闭端之间延伸的多孔侧壁，所述透气构件限定出内表面、外表面和腔室(lumen)。对壳体和透气构件进行构造使得来自液体源的液体载体从液体入口向液体出口平行于透气构件的外表面流动时的流速大于液体的湍流阈值，以产生湍流条件，从而使液体从透气构件的外表面剪切气体，在液体载体中形成纳米气泡。例如，壳体和透气构件可以被构造为产生至少2m/s的流速。该发生器在美国专利号10,591,231和10,598,447中进行了描述，标题为“液体载体中含有纳米气泡的组合物”(compositions containing nano-bubbles in a liquidcarrier)，这些专利被转让给与本技术相同的受让人，通过引用将其全文纳入本文。

10、如2021年2月18日提交的题为“纳米气泡发生器”(nano-bubble generator)的u.s.s.n.63/150,973所述(该专利被转让给与本技术相同的受让人，通过引用全文并入本文)，所述纳米气泡发生器还可以包括至少一个电导体，当液体载体从液体入口流向液体出口时，该电导体适于产生平行于透气构件(可能是导电的)外表面的磁通量。在一些实施方式中，该电导体为电磁线圈的形式。在一些实施方式中，该纳米气泡发生器可以包括适于使液体载体在从液体入口流向液体出口时旋转的螺旋形部件。在一些实施方式中，螺旋形部件可以包括适于在液体载体从液体入口流向液体出口时产生平行于透气构件外表面的磁通量的电磁线圈。在一些实施方式中，纳米气泡发生器还包括位于壳体内腔的水翼(hydrofoil)。

11、纳米气泡发生器的另一个例子(也描述于u.s.s.n.63/150,973)包括(a)包括第一端和第二端的细长壳体，该壳体还包括内腔和适于将加压气体从气源引入内腔的气体入口；(b)至少部分设置在壳体内腔内的透气构件，该透气构件包括适于从液体源接收液体的液体入口、液体出口和在液体入口和液体出口之间延伸的多孔侧壁，该透气构件限定出内表面、外表面和液体流经的内腔；(c)至少一个电导体，当液体载体从液体入口流向液体出口时，所述至少一个电导体适于产生平行于透气部件内表面的磁通量。对壳体和透气构件进行构造，使得来自液体源的液体载体从液体入口向液体出口平行于透气构件的内表面流动时的流速大于液体的湍流阈值，以产生湍流条件，从而使液体从透气构件的内表面剪切气体，在液体载体中形成纳米气泡。

12、2020年3月13日提交的题为“潜水式非气泡发生装置和方法”(submersible non-bubble generating device and method)的u.s.s.n.16/818,217中描述了合适的纳米气泡发生器的另一个示例，该专利转让给与本技术相同的受让人，通过引用将其全部纳入本文。所述纳米气泡发生器包括：(a)具有可旋转轴的电机；(b)可轴向旋转透气构件，包括具有壁和多个孔的主体，通过这些孔引入所述可轴向旋转透气构件的气体可以流动，所述可轴向旋转透气构件可连接到气体入口，用于将气体从气源引入该可轴向旋转透气构件，该可轴向旋转透气构件连接到电机的可旋转轴上并适于与所述可旋转轴一起旋转；(c)可旋转的管支撑体，包括具有壁和限定出内腔的细长体。所述壁限定出多个穿孔。可旋转的管支撑体的内腔构造为容纳所述可轴向旋转透气构件。可旋转的管支撑体连接至电机的可旋转轴并可与电机的可旋转轴一起旋转。可旋转的管支撑体在旋转时适于将液体引入可旋转的管支撑体的内腔，并将液体从可旋转透气构件的主体外表面移除。可轴向旋转透气构件在旋转时适于模拟液体中湍流阈值以上的湍流，使液体从可轴向旋转透气构件的外表面剪切气体，从而在液体中形成纳米气泡。

13、还描述了一种用于制备氢气的装置，其包括：(a)能够产生至少106个纳米气泡/cm3(例如，至少107个纳米气泡/cm3)的纳米气泡发生器和(b)与纳米气泡发生器连通的电解池，该电解池包括一对电极。该电解池能够从含氢的可电解液体中产生氢气。纳米气泡浓度如上所述确定。该装置还可以包括与电解池连通的燃料电池，该燃料电池具有用于接收来自电解池的氢气的入口。

14、附图和以下说明进一步详细说明了本发明的一种或多种实施方式。从说明书、附图以及权利要求中可以明显看出本发明的其他特征、目的和优点。