CN103237924A - 用来生产气体的方法和设备 - Google Patents

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CN103237924A CN2011800339689A CN201180033968A CN103237924A CN 103237924 A CN103237924 A CN 103237924A CN 2011800339689 A CN2011800339689 A CN 2011800339689A CN 201180033968 A CN201180033968 A CN 201180033968A CN 103237924 A CN103237924 A CN 103237924A
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Abstract

本发明涉及用来生产氧化和氢化流体的电解方法和电解设备（10）。设备（10）包括都是聚乙烯的第一外部端部部件和第二外部端部部件（12和14）以及间隔开的至少两个可透过电极（16和18）。可透过电极（16和18）都是有孔或开孔材料的，例如镍泡沫片状材料。两个可透过电极（16和18）大致相互平行地布置，并且彼此比较靠近地间隔开。因而在第一可透过电极和第二可透过电极（16和18）之间限定进口腔室（20）。第一氧化流体收集腔室（22）布置在第一可透过电极（16）与第一端部部件（12）之间，第二氢化流体收集腔室（24）布置在第二可透过电极（18）与第二端部部件（14）之间。

Description

用来生产气体的方法和设备
技术领域
本发明涉及用来生产气体的方法和设备。更具体地、但不是排它地，本发明涉及电解槽和电解方法，其中，可燃气体（如氢气和氧气）通过含水电解溶液的电解而生产，并且在生产时保持分离。
背景技术
电解槽使用电力将水转换成气相的氢和氧。一种已知的电解槽包括质子交换膜，以便分离通过电解过程生产的氢气和氧气。电解槽还包括阳极和阴极，该阳极沿质子交换膜的第一正面定位，该阴极沿质子交换膜的相对的第二正面定位。
一种已知的质子交换膜是半渗透膜，该半渗透膜一般由离子交换聚合物制成，并且设计成，在对于气体（如氧气和氢气）是不可透过的同时，传导质子。质子交换膜可由纯聚合物膜或由复合膜制成，其中，其它材料嵌在聚合物基体中。
已知质子交换膜的首要缺点是膜的高成本，因为它要求使用贵金属催化剂（典型地是铂）来分离氢的电子和质子。铂催化剂对于一氧化碳中毒也极为敏感，使得如果氢气是从乙醇或烃燃料中导出的，则必须采用另外的反应器，以减少燃料气体中的一氧化碳。这又增大了已知质子交换膜的使用成本。
已知质子交换膜的另一些缺点是它们在较低湿度下的传导性不良、而且它们在高于近似100°C的温度下的机械性能不良。这些膜的操作温度比较低，并且接近100°C的温度并非高得足以进行有用余热发电（cogeneration）。
已知质子交换膜的另一个缺点是，当跨过槽施加的电压升高时，由于不能良好地从膜除去气体，质子交换膜的效率降低。而且，电极不能太近地堆叠在一起，因为这将阻止从膜除去气体。
在本说明书中，术语“可燃流体”在其范围内包括可燃气体，该可燃气体主要包含气相的氢气和/或氧气。
发明目的
相应地，本发明的目的是提供用来生产气体的方法和设备——借助于所述方法和设备可以克服以上缺点，并且所述方法和设备对于用来生产气体的已知电解槽和电解方法而言是有用的替代方案。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用来在电解过程期间从电解溶液生产可燃流体的方法，该方法包括如下步骤：
-提供电解溶液；
-提供电解设备，该电解设备具有间隔开的第一可透过电极和第二可透过电极，所述第一可透过电极和第二可透过电极之间限定腔室，该腔室具有至少一个进口；
-使溶液经进口进入腔室中；以及
-跨过各电极将电压施加至设备，以使在腔室中的溶液电解，从而第一可燃流体形成在第一电极上，并且第二可燃流体形成在第二电极上，并且第一可燃流体经第一电极从腔室中流出，并且第二可燃流体经第二电极从腔室中流出。
可燃流体可以是氢化和氧化流体，更具体地说，可燃流体可以是氢气和氧气。
各可透过电极都可以是开孔的或有孔的。
各可透过电极都还可以是网状或泡沫材料的。
各可透过电极都可以由316不锈钢或镍材料制成。
第一电极和第二电极可以相互非常接近地设置并且可以大致平行。
第一可透过电极和第二可透过电极可以具有正确和预定的敞开与封闭面积比值（也称作PPI（每平方英寸微孔数）），该比值可以随进口尺寸以及提供给设备的溶液的压力而改变。
第一可透过电极和第二可透过电极可以是一个可透过电极组，并且设备可以包括多个可透过电极组，所述多个可透过电极组都具有类似构造。
电解设备可以限定至少一个进口通路，该至少一个进口通路与全部进口流体流动连通，并且所述方法可以包括如下步骤：使溶液经进口通路进入全部可透过电极组的腔室中。
第一可燃流体出口通路可以与全部可透过电极组的全部第一可燃流体出口流体流动连通，并且第二可燃流体出口通路可以与全部可透过电极组的全部第二可燃流体出口流体流动连通，布置是这样的，从而在第一电极上形成的第一可燃流体经第一可燃流体出口通路从设备流出，并且在第二电极上形成的第二可燃流体经第二可燃流体出口通路从设备流出。
根据本发明的第二方面，提供一种电解设备，在该电解设备中，在电解过程中从电解溶液生产可燃流体，该电解设备包括：
-间隔开的第一可透过电极和第二可透过电极，在这些电极之间限定进口腔室；
-进入进口腔室中的至少一个进口，用来使电解溶液进入所述进口腔室中；
-在电极组的第一侧上的第一可燃流体腔室、和在电极组的第二侧上的第二可燃流体腔室；以及
-来自第一可燃流体腔室的第一可燃流体出口、和来自第二可燃流体腔室的第二可燃流体出口；
布置是这样的，从而电解溶液经进口进入进口腔室中，在该处发生电解；并且从而第一可燃流体形成在第一电极上；并且从而第二可燃流体形成在第二电极上；并且进一步从而第一可燃流体通过第一电极进入第一可燃流体腔室中；并且从而第二可燃流体通过第二电极进入第二可燃流体腔室中；并且从而第一可燃流体经第一可燃流体出口从第一可燃流体腔室中流出；并且从而第二可燃流体经第二可燃流体出口从第二可燃流体腔室中流出。
可燃流体可以是氢化和氧化流体，更具体地说，可燃流体可以是氢气和氧气。
各可透过电极都可以是开孔的或有孔的。
各可透过电极都还可以是网状或泡沫材料的。
各可透过电极都可以由316不锈钢或镍材料制成。
第一电极和第二电极可以相互非常接近地设置并且可以大致平行。
第一电极和第二电极都可以包括至少一个连接器接片，该至少一个连接器接片用来连接至电源，以将电压施加至电解设备而使电解溶液电解。
第一电极和第二电极可以包括实心外部环，该实心外部环用于流体密封、连接接片的连结以及绕电极的电流分布的目的。
第一可透过电极和第二可透过电极可以具有正确和预定的敞开与封闭面积比值（也称作PPI（每平方英寸微孔数）），该比值可以随进口尺寸以及提供给设备的溶液的压力而改变。
电解设备可以包括垫片，该垫片定位在两个电极之间的周缘区域中，这两个电极形成电极组。
上述垫片可以是第一垫片，并且电解设备可以包括多个第二垫片，每个第二垫片定位在相邻电极组之间的周缘区域中。
设备可以包括第一外部端部部件和第二外部端部部件，所述第一外部端部部件和第二外部端部部件都是聚乙烯的。
设备的形状可以是圆柱形的或多边形的。
设备可以包括循环装置，诸如泵，用以使溶液通过设备循环，并且强迫溶液进入到第一腔室中。
各第一可燃流体出口可以对准，以限定第一可燃流体出口通路，从而在全部第一可燃流体腔室中生产的第一可燃流体经第一可燃流体出口通路从设备流出。
各第二可燃流体出口可以对准，以限定第二可燃流体出口通路，从而在全部第二可燃流体腔室中生产的第二可燃流体经第二可燃流体出口通路从设备流出。
设备可以包括第一可燃流体收集容器和第二可燃流体收集容器，该第一可燃流体收集容器连接至第一可燃流体出口通路，该第二可燃流体收集容器连接至第二可燃流体出口通路。
附图说明
现在参照附图，以非限制性例子的方式进一步描述本发明，在附图中：
图1是根据本发明的一个优选实施例的电解设备的部分的分解立体图；而
图2是图1的电解设备的立体图。
具体实施方式
参照附图，根据本发明的一个优选实施例的电解设备由附图标记10总体地指代。
电解设备10适于生产氧化和氢化流体，所述氧化和氢化流体在进入设备10中的电解溶液的电解期间形成。
设备10包括第一外部端部部件12和第二外部端部部件14，该第一外部端部部件12是聚乙烯的，该第二外部端部部件14也是聚乙烯的。第一外部端部部件和第二外部端部部件12和14都是盘形的，大致相互平行地布置、并且相互间隔开。预期到的是，设备的形状可以是多边形的，并非必须是圆柱形或圆形的。
设备10还包括间隔开的两个可透过电极：第一可透过电极16和第二可透过电极18。各可透过电极16和18都是有孔的或开孔材料的。具体地说，可透过电极都可以是镍泡沫片，但也可以是316不锈钢片。两个可透过电极16和18也大致相互平行地布置，彼此比较靠近地间隔开。因而在第一可透过电极和第二可透过电极16和18之间限定进口腔室20。第一氧化流体收集腔室22布置在第一可透过电极16与第一端部部件12之间，而第二氢化流体收集腔室24布置在第二可透过电极18与第二端部部件14之间。
相互间隔开的可透过电极16和18相距较近，使得在它们之间的阻力较低，这意味着，需要施加至设备10的电压较低，这导致设备10更为高效。
进口腔室20具有两个进口26，用来允许电解溶液进入所述腔室20中。氧气收集腔室和氢气收集腔室22和24都设有流体出口。氧气收集腔室22设有氧气出口28，而氢气收集腔室24设有氢气出口30。
电解溶液穿过可透过电极16和18的流动，将随着它携带分别在正和负（第一和第二）可透过电极上产生的氧气和氢气。因而，氢气和氧气自然地分离。电极16和18非常接近（close proximity），也使得能够在非常低的电压下水解，从而能够获得高的效率和高纯度的氢气和氧气。
第一可透过电极和第二可透过电极16和18（在它们之间限定第一腔室20）形成一个可透过电极组。设备10可以包括多个可透过电极组，所述多个可透过电极组按前后排列布置并且相互连接。图2和3表示设备10，该设备10在第一外部电极和第二外部电极12和14之间包括3组可透过部件。
设备包括多个中间隔板部件42，这些多个中间隔板部件42定位在相邻的组之间。
电解设备10还包括进口环32和出口环34，所述进口环32限定两个进口26，所述出口环34限定氧气出口28和氢气出口30，它们分别位于两个可透过电极16和18的相对侧上。进口环32定位在周缘区域中并且在第一可透过电极和第二可透过电极16和18之间，以将两个电极16和18彼此密封，而出口环34定位在可透过电极16和18的相对侧上的周缘区域中。
第一电极和第二电极16和18包括导电连接器接片（一个是正端子，另一个是负端子），这些导电连接器接片用来连接至电源（未示出），例如连接至电池。从而，电源将在1V与6V之间的电压施加至电解设备10，以对溶液加以电解。本设备10通过将纯直流电压或脉冲直流电压施加至设备而生产氢气和氧气。
设备10的各进口环的相应各进口26对准，以限定进口通路44，从而电解溶液经进口通路44流入到设备10的全部腔室20中。各氧气出口28也对准，以限定氧气出口通路46，从而在全部氧气收集腔室22中积累的氧化流体经氧气出口通路46流出。类似地，各氢气出口30也对准，以限定氢气出口通路48，从而在全部氢气收集腔室24中积累的氢化流体经氢气出口通路48流出。
设备10还包括循环装置，诸如泵（未示出），用以使溶液通过设备10循环。经进口26流入腔室20中的电解溶液借助于由泵泵送到设备10中而被加压，从而溶液被迫通过可透过电极16和18进入到氢气和氧气收集腔室22和24中。布置是这样的，从而电解溶液经进口26流入第一腔室20中，分别通过可透过电极16和18进入到氧气收集腔室和氢气收集腔室22和24中。电解反应分别发生在第一可透过电极和第二可透过电极16和18之间。氧化流体经氧气出口28从氧气收集腔室22中流出，而氢化流体经氢气出口30从氢气收集腔室24流出。
设备10还可包括氢气收集容器（未示出）和氧气收集容器（未示出），该氢气收集容器连接至氢气出口通路48，该氧气收集容器连接至氧气出口通路46。氧气收集容器和氢气收集容器各具有第二电解溶液出口以及氧气出口和氢气出口，所述第二电解溶液出口向着容器的操作底部端部布置，所述氧气出口和氢气出口分别向着氧气收集容器和氢气收集容器中的操作顶部端部布置。电解溶液与相应气体一起，从氧气收集腔室和氢气收集腔室22和24中流出氧气出口和氢气出口28和30，经出口通路46和48进入氧气收集容器和氢气收集容器中。布置是这样的，从而在进入相应容器中的流体内的氢气和氧气通过重力释放，并且经氧气出口和氢气出口从各容器中流出，并且电解溶液经第二电解溶液出口从各容器中流出。第二电解溶液出口连接至进口通路44，并且溶液借助于泵循环回到设备10。气体继而被存储以便以后使用。
预期到的是，存在有从第一腔室20去往设备10的氧气收集腔室和氢气收集腔室22和24的正流动（positive flow）。电解溶液从第一腔室20、穿过各可透过电极到氧气收集腔室和氢气收集腔室22和24中的加压流动（pressurised flow），对于氧气和氢气在第一可透过电极和第二可透过电极16和18上形成之后进入第一腔室20构成限制。
还预期到的是，电解设备实质上不像在现有技术设备的情况下那样具有膜。这带来很多优点，例如，减省了湿式或干式膜的成本、以及膜的维护成本。也摆脱了通常伴随膜的使用而存在的压力和温度限制。在本发明中，使用可透过电极，这些可透过电极不允许借助于气体跨过电极表面的运动而产生被遮蔽的传导区域。这增大了电极的有效传导面积，降低了有效电压要求，并由此增进了效率。
可以知晓的是，根据本发明的用来生产氢气和氧气的方法和设备的细节可以变化，而不脱离所附的权利要求书的范围。

Claims (29)

1.一种用来在电解过程期间从电解溶液生产可燃流体的方法，该方法包括如下步骤：提供电解溶液；提供电解设备，该电解设备具有间隔开的第一可透过电极和第二可透过电极，在所述第一可透过电极和第二可透过电极之间限定腔室，该腔室具有至少一个进口；使溶液经所述进口进入所述腔室中；以及跨过各电极将电压施加至所述设备，以使在所述腔室中的溶液电解，从而第一可燃流体形成在第一电极上，并且第二可燃流体形成在第二电极上，并且所述第一可燃流体经第一电极从所述腔室中流出，并且所述第二可燃流体经第二电极从所述腔室中流出。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述可燃流体是氢化和氧化流体，更具体地说，所述可燃流体是氢气和氧气。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一可透过电极和第二可透过电极都是开孔的或有孔的。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述第一可透过电极和第二可透过电极都是网状或泡沫材料的。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述第一可透过电极和第二可透过电极都是由316不锈钢或镍泡沫材料制成的。
6.根据以上权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第一可透过电极和第二可透过电极相互非常接近地设置并且大致平行。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述第一可透过电极和第二可透过电极具有正确和预定的敞开与封闭面积比值（也称作PPI（每平方英寸微孔数）），该比值随所述进口的尺寸以及提供给所述设备的溶液的压力而改变。
8.根据以上权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第一可透过电极和第二可透过电极是一个可透过电极组，并且所述设备包括多个可透过电极组，所述多个可透过电极组都具有类似构造。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述电解设备限定至少一个进口通路，该进口通路与全部进口流体流动连通，并且所述方法包括如下步骤：使溶液经所述进口通路进入全部可透过电极组的腔室中。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述第一可燃流体出口通路与全部可透过电极组的全部第一可燃流体出口流体流动连通，并且所述第二可燃流体出口通路与全部可透过电极组的全部第二可燃流体出口流体流动连通，布置是这样的，从而在第一电极上形成的第一可燃流体经所述第一可燃流体出口通路从所述设备流出，并且在第二电极上形成的第二可燃流体经所述第二可燃流体出口通路从所述设备流出。
11.一种电解设备，在该电解设备中，在电解过程中从电解溶液生产可燃流体，该电解设备包括：间隔开的第一可透过电极和第二可透过电极，在所述第一可透过电极和第二可透过电极之间限定进口腔室；进入所述进口腔室中的至少一个进口，用来使所述电解溶液进入所述进口腔室中；在电极组的第一侧上的第一可燃流体腔室、和在电极组的第二侧上的第二可燃流体腔室；以及来自所述第一可燃流体腔室的第一可燃流体出口、和来自所述第二可燃流体腔室的第二可燃流体出口，布置是这样的，从而电解溶液经所述进口进入所述进口腔室中，在该处发生电解；并且从而第一可燃流体形成在所述第一电极上；并且从而第二可燃流体形成在所述第二电极上；并且进一步从而所述第一可燃流体通过所述第一电极进入所述第一可燃流体腔室中；并且从而所述第二可燃流体通过所述第二电极进入所述第二可燃流体腔室中；并且从而所述第一可燃流体经所述第一可燃流体出口从所述第一可燃流体腔室中流出；并且所述第二可燃流体经所述第二可燃流体出口从所述第二可燃流体腔室中流出。
12.如权利要求11所述的设备，其中，所述可燃流体是氢化和氧化流体，更具体地说，所述可燃流体是氢气和氧气。
13.如权利要求11或12所述的设备，其中，所述第一可透过电极和第二可透过电极都是开孔的或有孔的。
14.如权利要求13所述的设备，其中，所述第一可透过电极和第二可透过电极都还是网状或泡沫材料的。
15.如权利要求14所述的设备，其中，所述第一可透过电极和第二可透过电极都是由316不锈钢或镍泡沫材料制成的。
16.如权利要求11至15任一项所述的设备，其中，所述第一可透过电极和第二可透过电极相互非常接近地设置并且大致平行。
17.如权利要求11至16任一项所述的设备，其中，所述第一可透过电极和第二可透过电极都包括至少一个连接器接片，该连接器接片用来连接至电源，以将电压施加至所述电解设备而使电解溶液电解。
18.如权利要求17所述的设备，其中，所述第一可透过电极和第二可透过电极包括实心外部环，该实心外部环用于流体密封、所述连接接片的连结以及绕所述电极的电流分布的目的。
19.如权利要求11至16任一项所述的设备，其中，所述第一可透过电极和第二可透过电极具有正确和预定的敞开与封闭面积比值（也称作PPI（每平方英寸微孔数）），该比值随所述进口的尺寸以及提供给所述设备的溶液的压力而改变。
20.如权利要求11至16任一项所述的设备，所述设备包括垫片，该垫片定位在形成电极组的两个电极之间的周缘区域中。
21.如权利要求20所述的设备，其中，所述垫片是第一垫片，并且所述电解设备包括多个第二垫片，每个第二垫片定位在相邻电极组之间的周缘区域中。
22.如权利要求11至21任一项所述的设备，所述设备包括第一外部端部部件和第二外部端部部件，所述第一外部端部部件和第二外部端部部件都是聚乙烯的。
23.如权利要求11至22任一项所述的设备，所述设备的形状是圆柱形的或多边形的。
24.如权利要求11至23任一项所述的设备，所述设备包括循环装置，诸如泵，用以使溶液在设备中循环，并且强迫溶液进入到第一腔室中。
25.如权利要求24所述的设备，其中，各第一可燃流体出口对准以限定第一可燃流体出口通路，从而在全部第一可燃流体腔室中生产的第一可燃流体经所述第一可燃流体出口通路从所述设备流出。
26.如权利要求25所述的设备，其中，各第二可燃流体出口对准以限定第二可燃流体出口通路，从而在全部第二可燃流体腔室中生产的第二可燃流体经所述第二可燃流体出口通路从所述设备流出。
27.如权利要求26所述的设备，所述设备包括第一可燃流体收集容器和第二可燃流体收集容器，该第一可燃流体收集容器连接至所述第一可燃流体出口通路，该第二可燃流体收集容器连接至所述第二可燃流体出口通路。
28.一种基本如在此描述并且如在附图中所示的生产可燃流体的方法。
29.一种电解设备，在该电解设备中生产可燃流体，该电解设备基本如这里描述并且如在附图中所示。
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