用于产生并分离气体的装置、方法及系统与流程

本发明涉及一种用于产生气体的装置和方法，更具体地但是不排他地，本发明涉及一种用于从电解液产生气体以及后续在同一过程中分离该气体的装置及方法、以及一种用于从电解液产生气体并将该气体与电解液分离的系统，该系统合并所述装置和方法。

背景技术：

用于通过电解溶液或水产生气体的各种设备和方法在现有技术中是已知的。大多数电解器使用隔膜或分离器，另一种电解器使用所谓的质子或离子交换膜(pem)，这种膜对于离子是可渗透的但是对于气体是不可渗透的。在使用中，这些膜将电极分离，进而将电解器在电解过程中产生的气体分离。

已经很好地记载了膜、隔膜和pem的缺点和不足，主要的问题是相关成本很高以及使用寿命有限。使用寿命有限的原因是这些膜易碎、无法应对高压力和高温并且易于产生交叉气体污染。另一个缺点在于以下事实：这些膜具有电流密度阈值，这意味着它们无法在高的气体产生率下最优地工作。

因此，本行业目标是降低已知电解器和电解过程的资本成本。本领域中已经进行了各种尝试来开发所谓的无膜电解器，这种无膜电解器可以克服现有技术电解器的各种缺点。

以takesako等人为名义的第2002/0074237a1号美国专利申请的目标是从液体产生电解水。该专利中描述的方法教导了使用板状电极(不管是多孔的还是无孔的)，在向电极施加直流电压之后，在电解单元内产生电解水，该电解水之后从电解单元移除。根据takesako等人的专利文献，电解水包含大量小气泡，例如氢气、氧气和其他气体，电解水用在很多应用中。尽管takesako等人未明确地引用膜并且因此可以被认为是无膜的，但是他们没有在通过电解产生气体之后分离气体。这在需要在电解过程之后将电解液的组成气体彼此分离的操作中被认为是一个缺点。takesako等人也依赖于两个相反的电极，一个电极是无孔的而另一个电极是有孔的，这使得电解液的流动路径复杂化且延长并且相应地增加了系统内的压力损失。沿着电极的流动通路可能会使电解液不期望地长期暴露于无孔板状电极，这增加了电极上气泡的形成并且进一步增加了电解液内的气泡摩擦，由此减小电极上的有效反应面积并且最终增加欧姆电阻。

以smedley为名义的第8,357,269号美国专利教导了一种用于产生氢气和氧气的电解系统以及一种用于经由电解系统产生的气体的出口，以将燃料供应补充到内燃机。该美国专利未教导在该过程中使用膜。然而，从电解液的无膜电解作用产生的气体(氢气和氧气)未被分离并且被包含在电解器内的单个隔室中并且被彼此组合地供应到车辆的发动机。尽管这一点凭借其自身能力成为优点，但是没有实现分离电解过程所产生的气体的目标。

以tetzlaff等人为名义的第4,620,902号美国专利教导了一种电解过程，其中，电解单元可以是未分区的或者通过分离器(诸如离子交换膜)分区。虽然未分区的电解池是无膜的，但是未分区的电解单元的操作依赖于引导电解液流动的在电解单元内的约束点的长路径，这显著地增加了系统内的压力损失，可能造成电解单元内的交叉气体污染，并且因此不利地影响系统的效率。在此方面，重要的是注意，该流动路径与电解液的流速紧密相关。接下来，如果流动路径太长，就越容易出现惰性流动区域，这导致操作低效。

电解单元内的相对于多孔电极的流动方向还需要平行于所谓的电荷迁移并且还需要平行于电极的表面，这进一步限制了电解单元的效率。

发明目的

相应地，本发明的目的是提供一种用于通过电解作用和相关步骤产生并分离气体的装置、方法和系统，以克服已知的电解器的上述缺点。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供了一种用于分离在分解电解液时产生的气体的装置，所述装置包括：

-用于容纳电解液的密封室，所述密封室还设置有至少一个入口；

-伸入所述密封室的第一管状构件和第二管状构件，所述第一管状构件和所述第二管状构件均连接到位于所述密封室外部的电源电极；

-电极组件，所述电极组件由第一可渗透电极(阳极)和第二可渗透电极(阴极)组成，所述第一可渗透电极(阳极)安装到所述第一管状构件的操作端，使得所述第一可渗透电极处存在周向正电荷，所述第二可渗透电极(阴极)安装在所述第二管状构件的操作端，使得所述第二可渗透电极处存在周向负电荷，所述电极组件布置成使得：所述第一可渗透电极和所述第二可渗透电极完全地浸入所述密封室并且两者彼此间隔开并且彼此相对，从而在所述第一可渗透电极和所述第二可渗透电极之间产生电极间隙；

-加压的电解液，所述加压的电解液经由所述入口被引入所述密封室并且从所述密封室穿过所述第一可渗透电极和所述第二可渗透电极进入所述第一管状构件和所述第二管状构件，

其中，当为所述第一管状构件和所述第二管状构件供电时，所述第一可渗透电极和所述第二可渗透电极以及所述电解液的电解作用，会产生穿过所述第一可渗透电极进入所述第一管状构件的由流体电解液和第一组成气体构成的第一双相流，以及穿过所述第二可渗透电极进入所述第二管状构件的由流体电解液和第二组成气体构成的第二双相流。

另外，根据本发明，所述第一可渗透电极和所述第二可渗透电极可以包括导电过滤网。可替代地，所述第一可渗透电极和所述第二可渗透电极可以包括多孔金属泡沫。所述过滤网或所述金属泡沫中的孔的绝对孔径介于50微米到500微米之间。所述过滤网或所述金属泡沫可以由选自由以下各项组成的组中的材料制造：铝、镍、铂、钛、不锈钢、钯、钌、铱和钴。

另外，根据本发明，所述第一双相流包括含氧流体，所述第二双相流包括含氢流体。所述第一组成气体是氧气，所述第二组成气体是氢气。

另外，根据本发明，所述电极组件可以位于所述密封室内且数量可以有多个。所述多个电极组件可以浸入所述加压密封室内，并且可以在所述密封室内暴露于相等的压力。所述多个电极组件还可以在所述密封室的外部在与各自对应的所述第一或第二管状构件的不同于所述操作端的第二端处互相连接。

另外，根据本发明，所述电源可以提供连续或脉冲dc电荷。所述dc电荷的电势可以介于1vdc与12vdc之间。所述电源可以是波动电源，诸如可再生能源，包括太阳能、水电或风电。可替代地，可以从电网获得所述电源。

另外，根据本发明，所述装置能够在向所述第一管状构件和所述第二管状构件供应电力时立即产生并分离气体。

所述电极间隙可以在0.1mm至1mm的范围内。可替代地，取决于应用，所述电极间隙可以在0.1mm至5mm的范围内。

另外，根据本发明，所述电解液可以是氢氧化钾(koh)、氢氧化钠(naoh)、海水以及其它不纯或受污染的水，包括酸污染水。

另外，根据本发明，所述第一管状构件和所述第二管状构件的截面可以基本上为圆形。可替代地，所述第一管状构件和所述第二管状构件的截面可以基本上是椭圆形、基本上矩形或基本上正方形。所述第一管状构件和所述第二管状构件的操作时接触电解液的外表面可以是电绝缘的。

另外，根据本发明，其中，随着电解液流过所述第一可渗透电极和所述第二可渗透电极，移除了积聚在所述第一可渗透电极和所述第二可渗透电极上的气体，由此增加了电流密度阈值。所述电流密度阈值可以是20000ma/cm²。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于分离在分解电解液时产生的气体的系统，所述系统包括：

-根据本发明的第一方面所述的密封室、第一管状构件和第二管状构件的布置以及电极组件，所述密封室设置有加压的电解液；

-泵，所述泵用于调节电解液在所述系统内的流速；

-加热器，所述加热器用于将所述电解液加热到最优温度范围；

-电源，所述电源用于促成所述电解液的电解作用；

所述加压的密封室、所述泵、所述电源、所述加热器、所述第一管状构件和所述第二管状构件的布置以及所述电极组件被布置在闭合环路中并且彼此流体连通，其中，当为所述第一管状构件和所述第二管状构件供电时，所述第一可渗透电极和所述第二可渗透电极之间分布的均流以及所述电解液的电解作用，会产生穿过所述第一可渗透电极进入所述第一管状构件的由流体电解液和第一组成气体构成的第一双相流，以及穿过所述第二可渗透电极进入所述第二管状构件的由流体电解液和第二组成气体构成的第二双相流。

另外，根据本发明的第二方面，所述系统可以设置有至少第一气体/流体分离器和第二气体/流体分离器，所述第一气体/流体分离器用于将所述第一双相流分离成所述第一组成气体和经由所述入口被返回到所述密封室的残余电解液，所述第二气体/流体分离器用于将所述第二双相流分离成所述第二组成气体和经由所述入口被返回到所述密封室的残余电解液。

所述系统可以是加压的，可以获取加压的第一组成气体和加压的第二组成气体并将其容置在合适的加压的密封室内。

另外，根据本发明，所述流速可以在0.01m/s与0.2m/s之间的范围内。所述电解液的所述最优温度范围可以为20℃到200℃。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于分离在分解电解液时产生的气体的方法，所述方法包括：

-经由至少一个入口将加压的电解液引入室中；

-将第一管状构件和第二管状构件伸入所述室中；

-将所述第一管状构件和所述第二管状构件连接到位于所述室的外部的电源电极；

-将第一可渗透电极(阳极)安装到所述第一管状构件的操作端，使得所述第一可渗透电极处存在周向正电荷，将第二可渗透电极(阴极)安装到所述第二管状构件的操作端，使得所述第二可渗透电极处存在周向负电荷；

-将所述第一可渗透电极和所述第二可渗透电极浸入所述室中的所述电解液中，并且将所述第一可渗透电极和所述第二可渗透电极彼此间隔开以在所述第一可渗透电极和所述第二可渗透电极限定电极间隙；

-向所述第一管状构件和所述第二管状构件供电，使得所述第一可渗透电极和所述第二可渗透电极之间分布均流以及所述电解液电解，从而产生穿过所述第一可渗透电极进入所述第一管状构件的由流体电解液和第一组成气体构成的第一双相流，以及穿过所述第二可渗透电极进入所述第二管状构件的由流体电解液和第二组成气体构成的第二双相流。

附图说明

现在将通过结合附图的非限制性示例进一步描述本发明，在附图中：

图1是根据本发明的第一方面的用于产生并分离气体的装置的暴露的电解室的平面图；

图2是包含在图1的装置中的电极组件之一的详细视图，并且进一步示出电极组件沿着线b-b’的剖面图；

图3是放置在图1的电解室上的用于对电解室加压的盖子的平面图；

图4是沿着图2的电极组件的线a-a的剖面图，指明根据本发明的装置、方法和系统产生并分离气体；

图5示意性示出根据本发明所述的装置、方法和系统产生并分离气体的含氢流体和含氧流体的双相流；以及

图6示意性示出用于产生并分离气体的加压密封系统，以及后续获取并加压容置由本发明的装置、方法和系统产生并分离的气体。

具体实施方式

参照图1至图6，根据本发明的优选实施例的用于产生并分离气体的装置总体上由参考标记10表示。

装置10包括布置在室14中的多个电极对12，该室14具有用于将电解液18引入室14的入口(未示出)。在图1中，室14是暴露的从而指明室14内的电极布置。在使用中，室14由盖子14.1封闭，如图3所示，由此允许对室14加压。伸入室中的导电管状构件20和22彼此直接相对。

第一可渗透电极位于管状构件20的操作端，该管状构件20的在室的外部的暴露端(未示出)连接到电源的正极。第二可渗透电极类似地位于管状构件22的操作端，该管状构件22的在室的外部的暴露端(未示出)连接到电源的负极。

第一可渗透电极和第二可渗透电极相对于彼此的线性布置使得这些电极能够浸入室14中的电解液18中，并且还使得这些电极的操作端之间存在电极间隙28。电极间隙28以环形狭缝的形式存在于第一可渗透电极和第二可渗透电极之间，该环形狭缝布置最终能够消除电解液的优先流(preferentialflow)。电解液通常是碱性水溶液，并且更具体地是氢氧化钠(naoh)、氢氧化钾(koh)或海水。

在图1至图4示出的本发明的优选实施例中，室14是由聚丙烯、不锈钢和镍制成。管状构件20和22由镍制成以具有导电性，而管状构件20的外表面20.1和管状构件22的外表面22.1电绝缘，以防止在这些点处发生电解作用。管状构件20和22的位于室14外部的暴露端是螺纹连接的，配套的螺纹调整构件20.2和22.2分别拧紧到管状构件20和22，从而将这些管状构件保持在位，并且允许第一可渗透电极和第二可渗透电极相对于彼此调整，由此增加或减小电极间隙28的宽度。

在这个具体实施例中，如图4所示，过滤网30被安装到导电头32和34，导电头32拧紧到管状构件20，导电头34拧紧到管状构件22。聚丙烯拉伸盖40分别拧紧到导电头32和34，从而将过滤网30拉伸并保持在位。在这个具体实施例中，在第一可渗透电极和第二可渗透电极的拉伸盖40的前额面(frontalaspect)内存在直径为30mm的圆形开口24，这个开口为电解液流过第一可渗透电极和第二可渗透电极提供了可渗透通道。过滤网30由镍制成并且通常为平纹荷兰编织(plaindutchweave)类型，具有120微米的绝对孔径以及分别为0.35mm的经线直径和0.25mm的纬线直径。当被用作电极基材时，过滤网优选地由镍、不锈钢或钛制成，而当被用作电极催化元件时，过滤网优选地由镍、铂、钌、铱、钴或铝制成(单独的催化元件，或组合的催化元件、或金属氧化物的组合催化元件、或独立的金属氧化物)。过滤网优选地由镍制成，这有助于使得装置经济上更节约，但是其它合适的铂族材料(pgm’s)或金属(诸如不锈钢)也能满足要求。经纬比为每英寸110:24丝线，但是还可以预见可替代的经纬比。导电头由不锈钢或镍制成。镍用在阳极中，铂涂覆的基底金属用在阴极中。如图2所示，聚丙烯拉伸盖40的前额面上的30mm的开口是暴露的从而使得电解液18流过电极24和26并且流入管状构件20和22。这个具体实施例由浸入容置在加压室14内的电解液18中的六个电极组件组成，这允许电解液18按照非优先的方式流到电极24和26。这还允许准确地调整并对准电极间隙28。另外，电极24和26相对于彼此的布置允许电解液18沿直接相反的方向从加压室14流过可渗透电极24和26进入管状构件20和22，同时电解液18横跨电极24和26的外围流动使得每个电极上存在均匀的压降。直接相反的双相流进一步防止了交叉气体污染。

当向导电头32和34供应电流时，圆形阳极24处的正电荷以及圆形阴极26处的并发负电荷的周向供应在电极上提供均匀的电流分布。在这个过程中，如图4和图5所示，电解液18发生电解，产生由流过第一可渗透电极24进入管状构件20的含氧电解液36构成的双相流以及流过第二可渗透电极26进入第二管状构件22的含氢电解液38构成的双相流。在电解期间，在阳极24(氧气)和阴极26(氢气)上都形成气泡(阳极24上是氧气，阴极26上是氢气)。一般情况下，在已知电解器的电极上以及电极之间形成气体通常会降低电解过程的效率。然而，根据本发明，电极之间没有产生气体累积。因此，当引入电解液18的最优流速时，不会在电极间隙内累积任何气体，并且在过滤网30上形成并累积的气体瞬间由电解液流过过滤网30的分流移除，从而在过滤网30的暴露端形成可以忽略的气体弯月面(即，相对于电极间隙28)。这消除了潜在的空隙断裂(voidfracture)效应，允许将电极放置为间隔0.1mm，但是对于高达20000ma/cm2的电流密度仍显示出稳定的性能和高的氢气纯度。电流密度被确定为通过一对电极的总电流与可用于电荷迁移的平坦横截面积(在这种情况下是网状电极的30mm横截面积)之比。最优流速的范围可以介于0.01m/sec与0.2m/sec之间。

在本发明的另一个优选实施例中，如图6所示，示出了一种用于通过分解电解液产生并分离气体以及后续控制这种气体的系统。

根据本发明的优选实施例的装置10连接到电源，该电源是可再生电源52(太阳能、水力发电或风力发电)或者是电网54，其中电源的正极连接到装置10的阳极，电源的负极连接到装置10的阴极。当装置10进行电解时，含氧电解液56被传送到分离系统58，在该分离系统中，氧气通过离心力、重力、过滤和表面拉伸与含氧电解液分离，其中，分离后的电解液由化学泵60重新引入系统中。含氢电解液62同样被引入分离系统64，并且氢气通过离心力、重力、过滤和表面拉伸通过溶解与含氢电解液分离，其中，分离后的电解液由化学泵60重新引入系统中，这有助于增加系统内的温度。该系统是闭环，并且通过在可进入的位置处(未示出)将新鲜水引入系统中来实现电解液的补给。分离系统内的加热器(未示出)还将电解液加热到最优温度范围，该最优温度范围介于20℃到200℃。温度增加有利地增加了电流密度以及系统的后续效率，并且还通过使得流过网状电极的电解液的粘度降低而降低电解液的压降，并且由此增加从电极表面产生气泡的容易程度，进而增加有效反应表面积来有利于整个过程。氮气净化系统66从污染大气净化氧气和氢气，并且基本上净化的氧气68和氢气70最终被释放。氧气68和氢气70可以被容置在分离的容器72和74内并且分别可用于适当的应用。预见到容置在容器74内的氢气70可以用于家庭应用76，诸如为车辆或燃料电池添加燃料，或者提供可替代的能源。系统50是加压的，可以使用系统内的压力填充容器72和74，而无需加入用于填充加压容器的替代装置。

相应地，认为可以通过根据本发明的装置减轻与用于产生并分离气体的已知设备相关的缺点。

尤其是，由于本装置、方法和系统不依赖于膜或隔膜，所以克服已知电解器的主要缺点。这显著地增加了本装置以及使用本装置的本方法和系统的使用寿命和可获得性。

在电解单元内具有用于引导电解单元内的电解液流动的约束点的缺点由本装置将电极浸入加压室以及周向地流过电极间隙并且进入电极而克服。电解液平行于电极的流动增加了不期望的流动路径，而根据本发明的装置具有基本上更短的流动路径，由此避免了死液流动区域。电解单元内通常存在的电阻因此显著地降低，从而增加效率。另外，本装置内不需要定向流动。仅通过将电解液引入加压室内，电解液被引导到可周向地触及电极间隙并且通过电极。

可以使用本发明获得基本上净化的氢气和氧气，这些气体可以用于替代应用，并且氢气尤其可以用于可替代能源应用。含氢和含氧电解液的相反加压流动防止了电解液回流以及后续的气体污染。电解液的相反流动还克服了常规电解器的欧姆降贡献和性能阈值限制的缺点。

尽管本发明的装置、方法和系统的应用主要目标在于用于从电解液产生并分离氢气和氧气的水的电解，但还能预见到本发明可以应用于其它领域，包括海水的电解，以及用于酸性矿物水或其它污染水的许多净化目的。

预见到可以努力实现本装置以及并入本装置的方法和系统的工业规模使用，但是根据本发明的装置、方法和系统还适用于居住地和社区用途的成本有效的小型氢气生产厂的商业化，这将证明与实现类似的氢气生产率的现有装置相比是有竞争力的。不存在膜或隔膜、使用非昂贵的金属催化剂以及能够在高于当前现有技术操作限制的高电流密度下操作将开发出能够将根据本发明的装置、方法和系统扩展到附加市场的紧凑且成本有效的碱性电解液。

将认识到，可以对本发明做出各种细节改变而不背离所附权利要求书的范围。