CN104246018A - 用于生产气体的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电解设备10，其适于生产在传送至设备10中的电解质溶液的电解过程中形成的氧化和加氢流体。设备10包括第一外端构件12和第二外端构件14，和彼此间隔开的第一可渗透电极16和第二可渗透电极18。各个可渗透电极16和18由有孔的或穿孔的材料制备。入口腔室20具有两个入口26，以允许电解质溶液传送至所述腔室20中。设备10也具有氧出口28以及氢出口30。通过可渗透电极16和18的电解质溶液流将随其携带分别在正极和负极(第一和第二)可渗透电极上产生的氧气和氢气。

Description

用于生产气体的方法和设备
本发明领域
本发明涉及用于生产气体的方法和设备。更具体但是不排他地，本发明涉及电解池和方法，其中可燃气体，例如氢气和氧气通过电解质水溶液的电解产生并且在生产时保持分离。
本发明背景技术
电解池将电用于将水转化为气体相中的氢和氧。
已知的电解池由以下的任一者构成：液体碱性电解槽，其利用电极之间的多孔膜以分离氢气和氧气；或聚合物电解质电解槽，其利用质子交换膜以便分离通过电解工艺生产的氢气和氧气。电解池进一步包括沿着质子交换膜的第一面放置的阳极和沿着质子交换膜的第二相对面放置的阴极。
液体碱性电解槽中已知的膜通常由多孔塑料制备，而聚合物电极电解槽中，已知的质子交换膜为通常由离聚物制备并设计用于传导质子同时对于气体(例如氧和氢)来说不可渗透的半透膜。质子交换膜可以由纯的聚合物膜制备或由复合材料膜制备，所述复合材料膜中其它材料嵌入聚合物基体中。
所有类型的膜的第一缺点是其带来的电流限制。
膜带来的进一步的缺点是电极之间距离的增加，其导致了增加的电阻。
已知的液体碱性膜的进一步的缺点是随着电流密度的增加效率降低。已知的质子交换膜的效率随着横跨电解池施加的电压的增加而降低，这归因于从膜除去气体的不佳。而且，电极不可以过于接近地堆放在一起，因为这将抑制气体的除去。
已知的液体碱性膜的进一步的缺点是其不能够在高温和高压下有效地起作用。
已知的质子交换膜的进一步的缺点是膜的高成本，因为其要求将贵金属催化剂(通常为铂)用于分离氢的电子和质子。铂催化剂还对一氧化碳中毒极其敏感，使得如果氢源自醇或烃燃料，则需要采用另外的反应器以减少燃料气体中的一氧化碳。这再次增加了使用已知的质子交换膜的成本。
已知的质子交换膜的进一步的缺点是其在较低相对湿度下不良的导电性和在高于大约100℃的温度下其不良的机械特性。这些膜的操作温度相对低并且接近100℃的温度对进行有用的热电联产(cogeneration)来说不是足够高的。
HYDROX HOLDINGS LIMITED名下的现有技术文件PCT/IB2011/053050，名为“Method and apparatus for producinggas”，描述了液体碱性电解槽的用途，其采用流体动力遮挡件替代多孔或质子交换膜以实现电解。本发明带来就制造和操作成本及尺寸而言的巨大改进。
在本说明书中，术语“可燃流体”在其范围内包括主要包含气体相中的氢和/或氧的可燃气体。
本发明目的
因此本发明的目的是提供用于生产气体的方法和设备，使用所述方法和设备可以克服以上缺点，并且所述方法和设备是用于生产气体的已知的电解池和方法的有用的替代。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了用于在电解工艺过程中由液体碱性电解质溶液生产可燃流体的方法，其包括以下步骤：
-提供电解质溶液；
-提供具有第一间隔开的得可渗透电极和第二间隔开的得可渗透电极的电解设备，所述电极浸入具有至少一个入口和两个出口的腔室中；
-经由入口将溶液传送至腔室中；和
横跨电极将电压施加至该设备以电解电极之间的溶液，使得在第一电极上形成第一可燃流体并且在第二电极上形成第二可燃流体，并且从第一电极传送第一可燃流体并且将其传送至第一出口中，并且从第二电极传送第二可燃流体并且将其传送至第二出口中，并且其中以彼此相对接近的1mm-6mm的近距离(proximity)提供第一电极和第二电极。
电解质溶液可以为氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)。
可燃流体可以为加氢和氧化流体并且更具体地可燃流体可以为氢气和氧气。
各个可渗透电极可以是穿孔的或有孔的。
各个可渗透电极进一步可以由网格或泡沫材料制备。
各个可渗透电极可以由选自不锈钢、镍、钯、钴或铂材料的材料制备。
第一电极和第二电极可以基本上平行。
第一可渗透电极和第二可渗透电极可以具有适当(correct)和预定的开放与封闭面积的比例，所述比例也称为PPI(每平方英寸的孔)，其可以受出口的尺寸和将溶液提供至设备所用压力的影响。
第一可渗透电极和第二可渗透电极可以为一组可渗透电极，并且该设备可以包括多组可渗透电极，全部具有相似构造。
电解设备可以限定与所有入口流体流动连通的至少一个入口，并且该方法可以包括经由入口歧管将溶液传送至所有可渗透电极的组的腔室的步骤。
第一可燃流体出口通道可以与所有可渗透电极的组的所有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道可以与所有可渗透电极的组的所有第二可燃流体出口流体流动连通，该排布使得第一电极上形成的第一可燃流体经由第一可燃流体出口传送出设备并且第二电极上形成的第二可燃流体经由第二可燃流体出口传送出设备。
根据本发明的第二方面，提供了电解设备，其中在液体碱性电解工艺中可燃流体由电解质溶液(即，氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH))生产，所述设备包括：
-浸入入口腔室中的第一间隔开的得可渗透电极和第二间隔开的得可渗透电极；
-至少一个进入入口腔室的入口，用于将电解质溶液传送至所述入口腔室中；和
-第一可燃流体出口和第二可燃流体出口；
该排布使得电解质溶液经由入口传送至入口腔室中，其中发生电解；和使得在第一电极上形成第一可燃流体；并且使得在第二电极上形成第二可燃流体；并且进一步使得从第一电极传送第一可燃流体至第一可燃流体出口中；并且从第二电极传送第二可燃流体至第二可燃流体出口中，并且其中以彼此相对接近的1mm-6mm的近距离提供第一电极和第二电极。
电解质可以为20％-50％的浓度下的氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)。
可燃流体可以为加氢和氧化流体并且更具体地可燃流体可以为氢气和氧气。
各个可渗透电极可以是穿孔的或有孔的。
各个可渗透电极可以进一步由网格或泡沫材料制备。
各个可渗透电极可以由选自不锈钢、镍、钯、钴或铂材料的材料制备。
第一电极和第二电极可以基本上平行。
第一电极和第二电极各自可以包括至少一个接头薄片用于连接至电源以在电解设备上提供电压，用于将电解质溶液电解。
第一电极和第二电极可以贴附至不锈钢连接器，所述连接器固定至接头薄片，用于在电极周围分布电流。
PVC套管使各个电极保持牢固地贴附至连接器，并且使连接器与电解质电绝缘。
第一可渗透电极和第二可渗透电极可以具有适当和预定的开放与封闭面积的比例(或PPI)，其可以受出口的尺寸和将溶液提供至设备所用压力的影响。
设备可以包括第一外端构件和第二外端构件，其各自由聚乙烯制备。
设备的形状可以为圆柱形、方形或多边形(multi-agonal)。
设备可以包括循环装置，例如泵，以使溶液循环通过设备并且强制使溶液进入入口腔室。
设备可以包括连接至第一可燃流体出口的第一可燃流体收集容器和连接至第二可燃流体出口的第二可燃流体收集容器。
附图简要说明
现在将要通过非限制性实例的方式参照附图进一步描述本发明，其中:
图1为根据本发明第一优选实施方案的电解设备的剖面图；
图2为根据本发明第二优选实施方案的电解设备的部分的分解透视图；和
图3为图2设备的单个电极的剖面图。
本发明优选实施方案说明
参照附图，根据本发明优选实施方案的电解设备一般由参照数10指定。
电解设备10适于生产传送至设备10中的电解质溶液的电解过程中形成的氧化和加氢流体。
设备10包括第一外端构件12，其由聚乙烯制备，和第二外端构件14，其也由聚乙烯制备。
参照图1，第一外端构件12和第二外端构件14都是方形的并且基本上彼此平行排布并且彼此间隔开。预见到设备的形状可以是多边形的或环状的并且不需要是方形的，例如图2中所示。
设备10进一步包括两个间隔开的可渗透电极，第一可渗透电极16和第二可渗透电极18。可渗透电极16和18各自由有孔的或穿孔的材料制备。具体地，各个可渗透电极为不锈钢316网格(例如荷兰编织线网格)。两个可渗透电极16和18也基本上彼此平行排布，彼此相对接近地间隔开1mm-6mm。入口腔室20围绕第一可渗透电极16和第二可渗透电极18。
可渗透电极16和18彼此间隔开得越接近，导致它们之间的电阻越低，这意味着所需要的施加至设备10的电压更小，这导致设备10更有效。
参照图1，在本发明第一实施方案中，两个可渗透膜间隔开4mm，并且网格直径为20mm，网格面积为314mm2且网格厚度为0.8mm。利用50％的KOH作为电解质浓度在60℃的温度下，并且施加1.765VDC的电压，该维度组合导致电流密度为73mA/cm2。申请人预见到通过使用更高电解质温度并且将电极之间的间距降低至低于4mm，可以显著改进该数据。由铂电镀电极也将大大提高电极的催化效果。
第一电极和第二电极可以贴附至固定至接头薄片的不锈钢连接器24，用于在电极周围分布电流。PVC套管22使电极保持牢固地贴附至连接器，并且使连接器与电解质电绝缘。
入口腔室20具有两个入口26，以允许电解质溶液传送至所述腔室20中。设备10也具有氧出口28以及氢出口30。
通过可渗透电极16和18的电解质溶液流将要随其携带分别在正极和负极(第一和第二)可渗透电极上产生的氧气和氢气。因此，存在氢气和氧气的自然分离。电极16和18的接近也允许以非常低的电压水解，允许高效率和高纯度氢和氧。
第一可渗透电极16和第二可渗透电极18形成可渗透电极的组。设备10可以包括以前后倒置(back-to-front)或平行排布的方式排布并且彼此连接的多组可渗透电极。
第一电极16和第二电极18包括导电接头薄片或板(一个为正极端子并且另一个为负极端子)用于连接至电源(未显示)，例如电池。电源因此在电解设备10之上提供1V-6V的电压，以电解溶液。本发明设备10通过向设备施加纯的DC电压或脉冲DC电压生产氢和氧。
设备10进一步包括循环装置，例如泵(未显示)，以使溶液循环通过设备10。通过由泵将经由入口26流动至腔室20中的电解质溶液泵送至设备10中来使其加压，使得溶液强制通过可渗透电极16和18。该排布使得电解质溶液经由入口26流动至第一腔室20中，通过可渗透电极16和18。在第一可渗透电极16和第二可渗透电极18之间分别发生电解作用。氧化流体经由氧出口28传送出并且加氢流体经由氢出口30传送出。
设备10可以进一步包括连接至氢出口30的氢收集容器(未显示)和连接至氧出口28的氧收集容器(也未显示)。氧收集容器和氢收集容器各自分别具有朝向容器的操作性底端定位的第二电解质溶液出口和朝向各个氧收集容器和氢收集容器的操作性顶端定位的氧气出口和氢气出口。电解质溶液与各气体一起传送出氧出口28和氢出口30，至氧收集容器和氢收集容器中。该排布使得传送至各自容器的流体内的氢气和氧气通过重力和表面张力释放，并且经由氧气出口和氢气出口传送出容器并且电解质溶液经由第二电解质溶液出口传送出容器。第二电解质溶液出口连接至入口26并且溶液通过泵的方式循环回至设备10。气体因此储存，用于之后的使用。
预见到从设备10的第一腔室20至氧出口28和氢出口30存在正流量。从第一腔室20至氧出口28和氢出口30，通过可渗透电极的电解质溶液加压流限制氧气和氢气(在第一可渗透电极16和第二可渗透电极18上形成之后)进入第一腔室20。预见到设备中的离子流对抗和随着电解质流出现，这是本设置的独特特征。
进一步预见到电解设备基本上不具有如在现有技术设备的情况中的膜，并且预见到电极上形成的气泡随着电解质流立即去除。这具有多个优点，例如，除去了湿膜或干膜两者的成本，以及维护膜的成本。此外，电流密度通常因为电极上形成气泡而降低，然而，在本设置中，气泡被立即去除，以便维持恒定的电流密度。十分显著的是，伴随11,000mA/cm的电流密度，气泡依然保持分离。
不存在膜的事实也除去了压力和温度限制，所述限制通常伴随膜的使用而存在。在本发明中，使用了可渗透电极，其不允许由气体横跨电极表面的移动导致遮盖的导电面积。这增加了电极的有效导电面积，降低了有效电压要求并且由此改进效率，导致操作成本降低。
还进一步预见到随着电极之间间距的减小，可以实现更高的电流密度和增加的效率。
将要理解，在没有背离所附权利要求书的范围的情况下，根据本发明的用于生产氢气和氧气的方法和设备在细节上可以改变。

Claims (30)

1.用于在电解工艺过程中由液体碱性电解质溶液生产可燃流体的方法，其包括以下步骤：提供电解质溶液；提供具有第一间隔开的得可渗透电极和第二间隔开的得可渗透电极的电解设备，所述电极浸入具有至少一个入口和两个出口的腔室中；经由入口将溶液传送至腔室中；和横跨电极将电压施加至该设备以电解电极之间的溶液，使得在第一电极上形成第一可燃流体并且在第二电极上形成第二可燃流体，并且从第一电极传送第一可燃流体并且将其传送至第一出口中，并且从第二电极传送第二可燃流体并且将其传送至第二出口中，并且其中以彼此相对接近的1mm-6mm的近距离提供第一电极和第二电极。
2.根据权利要求1的方法，其中电解质溶液为氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)。
3.根据权利要求1或2的方法，其中可燃流体为加氢和氧化流体。
4.根据权利要求3的方法，其中可燃流体为氢气和氧气。
5.根据前述权利要求中任一项的方法，其中各个可渗透电极是穿孔的或有孔的。
6.根据权利要求5的方法，其中各个可渗透电极进一步为网格或泡沫材料。
7.根据前述权利要求中任一项的方法，其中各个可渗透电极由选自不锈钢、镍、钯、钴或铂材料的材料制备。
8.根据前述权利要求中任一项的方法，其中第一电极和第二电极基本上平行。
9.根据前述权利要求中任一项的方法，其中第一可渗透电极和第二可渗透电极具有适当和预定的开放与封闭面积的比例，所述比例也称为PPI(每平方英寸的孔)，其受出口的尺寸和将溶液提供至设备所用压力的影响。
10.根据前述权利要求中任一项的方法，其中第一可渗透电极和第二可渗透电极为可渗透电极的组，并且该设备包括多组可渗透电极，其全部具有相似构造。
11.根据权利要求10的方法，其中电解设备限定了与所有入口流体流动连通的至少一个入口，并且所述方法包括经由入口歧管将溶液传送至所有可渗透电极的组的腔室的步骤。
12.根据权利要求11的方法，其中第一可燃流体出口通道与所有可渗透电极的组的所有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道与所有可渗透电极的组的所有第二可燃流体出口流体流动连通，该排布使得第一电极上形成的第一可燃流体经由第一可燃流体出口传送出设备并且第二电极上形成的第二可燃流体经由第二可燃流体出口传送出设备。
13.电解设备，其中在液体碱性电解工艺中可燃流体由电解质溶液，即，氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)生产，所述设备包括：浸入入口腔室中的第一间隔开的得可渗透电极和第二间隔开的得可渗透电极；至少一个进入入口腔室的入口，用于将电解质溶液传送至所述入口腔室中；和第一可燃流体出口和第二可燃流体出口；该排布使得电解质溶液经由入口传送至入口腔室中，其中发生电解；和使得在第一电极上形成第一可燃流体；并且使得在第二电极上形成第二可燃流体；并且进一步使得从第一电极传送第一可燃流体至第一可燃流体出口中；并且从第二电极传送第二可燃流体至第二可燃流体出口中，并且其中以彼此相对接近的1mm-6mm的近距离提供第一电极和第二电极。
14.根据权利要求13的电解设备，其中电解质为20％-50％的浓度下的氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)。
15.根据权利要求13或14的电解设备，其中可燃流体为加氢和氧化流体。
16.根据权利要求15的电解设备，其中可燃流体为氢气和氧气。
17.根据权利要求13-16中任一项的电解设备，其中各个可渗透电极是穿孔的或有孔的。
18.根据权利要求13-17中任一项的电解设备，其中各个可渗透电极由网格或泡沫材料制备的。
19.根据权利要求13-18中任一项的电解设备，其中各个可渗透电极由选自不锈钢、镍、钯、钴或铂材料的材料制备。
20.根据权利要求13-19中任一项的电解设备，其中第一电极和第二电极基本上平行。
21.根据权利要求13-20中任一项的电解设备，其中第一电极和第二电极各自包括至少一个接头薄片用于连接至电源以在电解设备上提供电压，用于将电解质溶液电解。
22.根据权利要求21的电解设备，其中第一电极和第二电极贴附至不锈钢连接器，所述连接器固定至接头薄片，用于在电极周围分布电流。
23.根据权利要求22的电解设备，其中PVC套管使各个电极保持牢固地贴附至连接器，并且使连接器与电解质电绝缘。
24.根据权利要求13-23中任一项的电解设备，其中第一可渗透电极和第二可渗透电极具有适当和预定的开放与封闭面积的比例(或PPI)，其受出口的尺寸和将溶液提供至设备所用压力的影响。
25.根据权利要求13-24中任一项的电解设备，其包括第一外端构件和第二外端构件，其各自由聚乙烯制备。
26.根据权利要求13-25中任一项的电解设备，其形状为圆柱形、方形或多边形。
27.根据权利要求13-26中任一项的电解设备，其包括循环装置，例如泵，以使溶液循环通过设备并且强制使溶液进入入口腔室。
28.根据权利要求13-27中任一项的电解设备，其包括连接至第一可燃流体出口的第一可燃流体收集容器和连接至第二可燃流体出口的第二可燃流体收集容器。
29.基本上如本文参照附图所描述的用于生产可燃流体的方法。
30.电解设备，其中基本上如本文参照附图所描述地生产可燃流体。
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