CN101638792A - 从高压水电解产生的气态氢和氧中回收压缩能量 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及从高压水电解产生的气态氢和氧中回收压缩能量。示例性实施例包括用于回收存储在高压水电解槽中通过水电解产生的氢气和氧气中的压缩能量的设备及有关方法。恢复的压缩能量可以回收和转换成有用形式，以提供动力给高压水电解槽，或可选地提供有用动力给连接的系统，所述系统使用高压氢气或氧气，如电动车辆的燃料电池，或用于提供动力给电解槽和燃料电池电动车辆。

Description

从高压水电解产生的气态氢和氧中回收压缩能量
技术领域
[0001]本发明总体上涉及能量回收系统，且更具体地涉及在高压水电解过程期间产生的压缩能量的回收。
背景技术
[0002]电解槽通过使用电将化合物分解成元素或更简单产物而将丰富的低能量含量化学物转换成更有价值的化学物。水电解槽是多电池系统，每个电池含有两个电极。在每个电池中，水在一个电极(称为电池阳极)处氧化产生氧气，在另一电极(称为电池阴极)处还原产生氢气。氧化还原反应由直流(DC)电源驱动。氧和氢按当量比(每单位氧两体积单位的氢)以与施加的电池电流成比例的速率产生。
[0003]水电解似乎理想地适合制造和存储给燃料电池提供动力所需要的氢，具体地包括燃料电池提供动力的电动车辆。在高压水电解槽中，氢气能够以对于存储来说足够高的压力(高达约10,000磅/平方英寸，psi)产生，而不需要机械压缩。然而，这种系统需要大量的能量输入来驱动高压电解过程。此外，在该过程中产生的氧通常没有被利用，且通常排出到大气。
发明内容
[0004]一个示例性实施例包括用于回收在高压水电解槽中通过水的电解产生的氢气和氧气中存储的压缩能量的方法和设备。
[0005]在一个示例性实施例中，在高压电解槽中作为经由水电解的电解氢产物的副产物产生的压缩氧气中的势能可以用于驱动气动发动机。所述气动发动机然后可以驱动发电机以生产电，且产生的电可以用于部分地提供动力给最初制造氧气和氢的电解槽。
[0006]在另一示例性实施例中，压缩氢气中的势能可以作为膨胀能量回收，所述膨胀能量继而可以驱动发电机。该电能然后可以用于部分地提供动力给最初制造氧和氢气的高压电解槽。
[0007]在有关示例性实施例中，来自于在高压水电解槽内产生的压缩氢气和氧气的势能可以作为膨胀能量回收，所述膨胀能量继而可以驱动一个或更多个发电机。该电能然后可以用于部分地提供动力给最初制造氧和氢气的高压水电解槽。
[0008]在又一示例性实施例中，氢气的膨胀也可以用在燃料电池电动车辆上。在该实施例中，压缩氢气可以作为膨胀能量回收，所述膨胀能量继而可以驱动机械发电机。该电能可以用于部分地提供动力给燃料电池。
[0009]在再一示例性实施例中，氢气的膨胀能量可以直接用作来自于气动发动机的机械能，以帮助驱动燃料电池电动车辆。
[0010]在另外的示例性实施例中，氢气的膨胀能量可以用于混合动力燃料电池/气动车辆作为来自于气动发动机的机械能以帮助驱动车辆，且还可以用于驱动机械发电机且可以用于提供动力给燃料电池电动车辆。
[0011]本发明的其它示例性实施例从下文提供的详细说明显而易见。应当理解的是，所述详细说明和具体示例虽然公开了本发明的示例性实施例，但是仅仅用于说明目的而不旨在限制本发明的范围。
附图说明
[0012]从详细说明和附图将更充分地理解本发明的示例性实施例。在附图中：
[0013]图1是根据一个示例性实施例用于产生高压氢气和氧气的系统的示意性流程图，其使用高压水电解槽且在燃料电池电动车辆或固定式燃料电池中使用氢，回收氢的化学能和存储在高压气体中的压缩能量。
具体实施方式
[0014]实施例的以下说明本质上仅仅是示例性的(说明性的)，且绝不旨在限制本发明、其应用或使用。
[0015]现在参考图1，在一个示例性实施例中提供了可以经由高压水电解产生高压氢气和氧气的系统10。也在该示例性实施例中图示了产生的氢气的一部分可以由燃料电池电动车辆11(或固定式燃料电池)使用。
[0016]系统10可以包括高压水电解槽12，高压水电解槽12可以用于从水产生高压氢气和氧气。电解槽12可以由来自于太阳能系统电网14或其它常规供电装置(未示出)提供动力。
[0017]根据定义，高压电解槽是能够在高达约10,000磅/平方英寸的压力下产生氢气和氧气的基于水的电解槽。可用于该示例性实施例中的常规高压电解槽12的一个实例是Avalance高压电解槽(可从Avalance LLC of Milford，Connecticut获得)，该Avalance高压电解槽使用带有圆柱形钢电解单元的单极碱性(KOH)电解系统且包括用于平衡氢气和氧气水平以及电解液水平的结构，以使得气体和电解液分开，以及防止氢气和氧气混合。
[0018]水可以从保持罐16引导给电解槽12；这通过使用高压泵(未示出)来实现。水可以在电解槽阳极(未示出)经历析氧反应(氧化反应)且可以在电解槽阴极(未示出)经历析氢反应(还原反应)，这是根据以下总体公式：
H2O→H2+1/2O2
[0019]在电解槽12内产生的高压氢气18和氧气20可以分别在压力下单独地移开到氢气存储罐22和氧气存储罐24。在一个示例性实施例中，移开的氢气18的压力可以接近约10,000磅/平方英寸。
[0020]高压氧气20然后可以从存储罐24引导到氧气膨胀发动机26(气动发动机)。氧气膨胀发动机26内的膨胀氧气然后可以驱动发电机28以生产电，且产生的电可以用于部分地提供动力给电解槽12。来自于气动发动机26的膨胀气体然后可以排放到大气30。
[0021]高压电解产生的氧的存储，连同使用氧气膨胀发动机26回收压缩能量作为机械能(接着将机械能转换为电能)一起，可以借助于使用存储在高压氧中的大量能量而增加太阳能电解过程的效率。据估计，在本文所述的示例性实施例中，通过使用存储氧中的压缩能量(10,000psi的存储O2)，可以回收在电解槽12中通过电解产生的氢气的低热值(LHV)能量的高达约3％的能量节约作为电能。
[0022]在电解槽12中产生的氢气18可以从氢气存储罐22引入氢气膨胀发动机32(气动发动机)。氢气膨胀发动机32内的氢气的膨胀然后可以驱动发电机36以生产电，且产生的电可以用于提供动力给电解槽12。膨胀氢气然后可以输送给燃料电池电动车辆保持罐40。
[0023]高压电解产生的氢的存储，连同使用氢气膨胀发动机32回收压缩能量作为机械能(接着将机械能转换为电能)一起，可以借助于使用存储在高压氢中的大量能量而增加太阳能电解过程的效率。据估计，在本文所述的示例性实施例中，通过使用存储氢中的压缩能量(10,000psi的存储H2)，可以回收在电解槽12中通过电解产生的氢气的低热值(LHV)能量的高达约6％的能量节约作为电能。
[0024]燃料电池电动车辆11的燃料电池电动车辆保持罐40也可以通过气体膨胀发动机32用来自于氢气存储罐22的膨胀氢气装填，直到例如在氢气存储罐22和保持罐40之间的氢气压力处于平衡状态。该平衡状态可以优选地依赖于保持罐40内的预定氢气压力，与预定量的氢气相对应。在该平衡状态，在氢气膨胀发动机32中发生很少的压缩能量到机械能的转换。如下文所述，氢气从保持罐40随后释放到燃料电池54允许附加氢气通过发动机32从氢气存储罐22装填，以保持该平衡状态。在本文所示示例性实施例中，保持罐40内的氢气压力可以保持在约10,000psi。
[0025]保持罐40可以在车辆11上保持压缩氢气，直到例如燃料电池54需要氢气来产生电力以驱动车辆11和/或提供动力给特定车辆部件。在需要时，容纳在保持罐40内的压缩氢气可以在第二氢气膨胀发动机50内膨胀且释放到燃料电池54。
[0026]在燃料电池转换中，进入燃料电池54的氢气与氧(可以从存储罐58或从环境装置进入燃料电池54)以当量比反应，以产生水和电，后者可以用于提供动力给电牵引马达62。电牵引马达62可以将电能转换为机械能，以再次驱动车辆11，如框60所示。电牵引马达62的附加电能可以由气动发电机56提供。
[0027]从保持罐40进入第二氢气膨胀发动机50的膨胀氢气也可以用于驱动发电机56和/或也可以机械能的形式提供给燃料电池电动车辆的车轮，以驱动车辆11，如框60所示。
[0028]因而，本文所述的示例性实施例提供了通过回收和使用存储在高压氢气和氧气中的压缩能量以增加高压氢产生和使用过程的效率的方法和设备，从而降低与氢气和氧气生产和最终使用有关的能量成本。
[0029]本发明的实施例的上述说明本质上仅仅是示例性的，因而，其变型不认为是偏离本发明的精神和范围。

Claims (34)

1.一种系统，包括：
包括水入口和氧气出口的水电解槽；
流体连接到所述氧气出口的氧气膨胀发动机；和
发电机，所述发电机连接到所述氧气膨胀发动机且电连接到所述水电解槽。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，在所述水电解槽中产生的高压氧气在所述氧气膨胀发动机内膨胀，以驱动所述发电机从而产生电，所述产生的电之后用于帮助提供动力给所述水电解槽。
3.根据权利要求1所述的系统，还包括氧气存储罐，所述氧气存储罐流体连接到所述氧气出口和所述氧气膨胀发动机且连接在所述氧气出口和所述氧气膨胀发动机之间。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括氢气膨胀发动机，所述氢气膨胀发动机流体连接到所述高压水电解槽上的氢气出口，所述氢气膨胀发动机也连接到所述发电机。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，在所述水电解槽中产生的高压氢气在所述氢气膨胀发动机内膨胀，以驱动所述发电机从而产生电，所述产生的电之后用于帮助提供动力给所述水电解槽。
6.根据权利要求1所述的系统，还包括：
流体连接到所述氢气出口的氢气膨胀发动机；和
第二发电机，所述第二发电机连接到所述氢气膨胀发动机且电连接到所述水电解槽。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，在所述水电解槽中产生的高压氢气在所述氢气膨胀发动机内膨胀，以驱动所述第二发电机从而产生电，所述产生的电之后用于帮助提供动力给所述水电解槽。
8.根据权利要求1所述的系统，还包括氢气存储罐，所述氢气存储罐流体连接到所述氢气出口和所述氢气膨胀发动机且连接在所述氢气出口和所述氢气膨胀发动机之间。
9.根据权利要求8所述的系统，还包括：
流体连接到所述氢气存储罐的燃料电池电动车辆。
10.一种系统，包括：
包括水入口和氢气出口的水电解槽；
流体连接到所述氢气出口的氢气膨胀发动机；和
发电机，所述发电机连接到所述氢气膨胀发动机且电连接到所述水电解槽。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，在所述水电解槽中产生的高压氢气在所述氢气膨胀发动机内膨胀，以驱动所述发电机从而产生电，所述产生的电之后用于帮助提供动力给所述水电解槽。
12.根据权利要求10所述的系统，还包括氢气存储罐，所述氢气存储罐流体连接到所述氢气出口和所述氢气膨胀发动机且连接在所述氢气出口和所述氢气膨胀发动机之间。
13.根据权利要求10所述的系统，还包括：
流体连接到所述氢气存储罐的燃料电池电动车辆。
14.一种系统，包括：
用于将水转换为高压气体的水电解槽；
连接到所述水电解槽的气体存储罐；
流体连接到所述气体存储罐的气体膨胀发动机；和
发电机，所述发电机连接到所述气体膨胀发动机且电连接到所述水电解槽，其中，在所述水电解槽中产生的所述高压气体在所述气体膨胀发动机内膨胀，以驱动所述发电机从而产生电，所述产生的电之后用于帮助提供动力给所述水电解槽。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述高压气体包括高压氢气和高压氧气。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述高压氢气通过氢气出口排出所述水电解槽，进入氢气存储罐，所述氢气存储罐连接到氢气膨胀发动机，所述氢气膨胀发动机电连接到所述发电机，其中，所述高压氢气在所述氢气膨胀发动机内膨胀，以驱动所述发电机从而产生电，所述产生的电之后用于帮助提供动力给所述水电解槽。
17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述高压氧气通过氧气出口排出所述水电解槽，进入氧气存储罐，所述氧气存储罐连接到氧气膨胀发动机，所述氧气膨胀发动机电连接到所述发电机，其中，所述高压氧气在所述氧气膨胀发动机内膨胀，以驱动所述发电机从而产生电，所述产生的电之后用于帮助提供动力给所述水电解槽。
18.根据权利要求16所述的系统，还包括：
连接到所述氢气存储罐的燃料电池电动车辆，所述燃料电池电动车辆包括燃料电池氢气存储罐、燃料电池氢气膨胀发动机和燃料电池；
其中，容纳在所述氢气存储罐中的高压氢气能够输送给所述燃料电池氢气存储罐且在所述氢气膨胀发动机内膨胀，以提供一定量的氢气给所述燃料电池。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述燃料电池电动车辆还包括连接到所述燃料电池氢气膨胀发动机的发电机，其中，所述高压氢气在所述燃料电池氢气膨胀发动机内膨胀，以驱动所述燃料电池发电机从而产生电，所述产生的电之后用于帮助提供动力给所述燃料电池电动车辆。
20.根据权利要求19所述的系统，还包括：
连接到所述燃料电池的电牵引马达，所述电牵引马达帮助推进所述燃料电池电动车辆。
21.根据权利要求20所述的系统，还包括燃料电池发电机，所述燃料电池发电机电连接到所述电牵引马达，其中，所述电的一部分用于帮助驱动所述电牵引马达。
22.根据权利要求18所述的系统，其中，通过在所述燃料电池氢气膨胀发动机内膨胀所述高压氢气而产生的机械能的一部分用于推进所述燃料电池电动车辆。
23.一种用于部分地提供动力给高压水电解槽的方法，所述方法包括：
通过具有水入口和气体出口的高压水电解槽；
将所述气体出口连接到气体膨胀发动机；
将所述气体膨胀发动机连接到发电机；
将所述发电机电连接到所述高压水电解槽；
在所述高压水电解槽内引入一定量的水；
从所述高压水电解槽内的所述量的水产生一定量的高压气体；
将一部分所述高压气体引入所述气体膨胀发动机；和
在所述气体膨胀发动机内膨胀所述部分的高压气体，其中，所述高压气体的膨胀驱动所述发电机从而产生电，其中，所述电引导到所述高压水电解槽，以部分地驱动从所述量的水产生高压气体。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，产生一定量的高压气体，引入一部分高压气体和膨胀所述部分的高压气体包括：
在所述高压水电解槽内从所述量的水产生一定量的高压氢气；
将一部分所述高压氢气通过氢气出口引入氢气膨胀发动机；和
在所述氢气膨胀发动机内膨胀所述部分的所述高压氢气，其中，所述高压氢气的膨胀驱动所述发电机从而产生电，其中，所述电引导到所述高压水电解槽，以部分地驱动从所述量的水产生高压气体。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，产生一定量的高压气体，引入一部分高压气体和膨胀所述部分的高压气体还包括：
在所述高压水电解槽内从所述量的水产生一定量的高压氧气；
将一部分所述高压氧气通过氧气出口引入氧气膨胀发动机；和
在所述氧气膨胀发动机内膨胀所述部分的高压氧气，其中，所述高压氧气的膨胀驱动所述发电机从而产生电，其中，所述电引导到所述高压水电解槽，以部分地驱动从所述量的水产生高压气体。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述发电机包括一对发电机，所述一对发电机中的一个连接到所述氢气膨胀发动机，且所述一对发电机中的另一个连接到所述氧气膨胀发动机；
其中，所述高压氢气的膨胀驱动所述一对发电机中的所述一个从而产生电，其中，所述电引导到所述高压水电解槽，以部分地驱动从所述量的水产生高压气体；且
其中，所述高压氧气的膨胀驱动所述一对发电机中的所述另一个从而产生电，其中，所述电引导到所述高压水电解槽，以部分地驱动从所述量的水产生高压气体。
27.根据权利要求24所述的方法，其中，产生一定量的高压气体，引入一部分高压气体和膨胀所述部分的高压气体还包括：
在所述高压水电解槽内从所述量的水产生一定量的高压氧气；
将一部分所述高压氧气通过氧气出口引入所述氧气膨胀发动机；和
在所述氧气膨胀发动机内膨胀所述部分的高压氧气，其中，所述高压氧气的膨胀驱动所述发电机从而产生电，其中，所述电引导到所述高压水电解槽，以部分地驱动从所述量的水产生高压气体。
28.根据权利要求24所述的方法，还包括：
将高压氢存储罐连接在所述氢气出口和所述氢气膨胀发动机之间。
29.根据权利要求28所述的方法，还包括：
将所述氢气膨胀发动机连接到具有燃料电池的燃料电池电动车辆上的燃料电池氢气存储罐；
将一定量的所述高压氢气通过所述氢气膨胀发动机从所述高压氢气存储罐引导到所述燃料电池氢气存储罐，以在所述燃料电池氢气存储罐内实现第一氢气压力；
其中，将所述量的高压氢气引导到所述燃料电池氢气存储罐通过首先在所述氢气膨胀发动机内膨胀所述量的高压氢气来完成，从而驱动所述发电机产生电，其中，所述电引导到所述高压水电解槽，以部分地驱动从所述量的水产生高压气体。
30.根据权利要求29所述的方法，还包括：
从所述燃料电池氢气存储罐释放所述量的氢气的第一部分给所述燃料电池；和
大致同时将所述高压氢气的相应部分从所述高压氢气存储罐通过所述氢气膨胀发动机引导到所述燃料电池氢气存储罐，以在所述燃料电池氢气存储罐内保持所述第一氢气压力；
其中，将所述高压氢气的所述相应部分引导到所述燃料电池氢气存储罐通过首先在所述氢气膨胀发动机内膨胀高压氢气的所述相应部分来完成，从而驱动所述发电机产生电，其中，所述电引导到所述高压水电解槽，以部分地驱动从所述量的水产生高压气体。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，从所述燃料电池氢气存储罐释放所述量的氢气的第一部分给所述燃料电池还包括：
在燃料电池氢气膨胀发动机内膨胀所述量的氢气的所述第一部分；和
将所述量的氢气的所述第一部分的至少一部分用所述燃料电池上的氢气入口引导。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述氢气的所述第一部分在所述燃料电池氢气膨胀发动机内的膨胀驱动燃料电池发电机，从而产生电，其中，所述电用于提供动力给所述燃料电池电动车辆。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述电也能够用于提供动力给所述燃料电池电动车辆上的一个或更多车辆部件。
34.根据权利要求31所述的方法，其中，所述氢气的所述第一部分在所述燃料电池氢气膨胀发动机内的膨胀转换为机械能，以推进所述燃料电池电动车辆。
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