CN116547412A - 用于电解产生氢的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电解产生氢的设备，包括：‑填充有水的第一室(26)；‑下部(23)；‑上部(28)；‑位于下部(23)内并包括电解池和氢喷嘴(4)的气体产生单元(1)；‑位于上部(28)内的发电机(12)；‑位于第一室(26)内的第一驱动机构(5‑9)；‑位于第一室(26)的顶部部分中的氢出口(18)；第一室(26)位于下部和上部(23，28)之间并经由氢喷嘴(4)与气体单元(1)连通，使得氢气泡能够在第一室(26)的水中生成并且由于作用在气泡上的浮力而在向上方向上被引导；第一驱动机构(5‑9)适于由上升的气泡致动；发电机(12)适于由第一驱动机构(5‑9)致动；并且电解池连接到发电机(12)。本发明还涉及一种产生氢的方法，包括以下步骤：‑经由电解在水中生成氢，‑用在电解期间生成的氢气泡致动向上定向的驱动机构，‑将驱动机构的机械能转换成电能，‑使用电能进行所述电解。

Description

用于电解产生氢的设备

技术领域

本发明总体上涉及氢的产生，并且更准确地涉及用电解池产生氢。

背景技术

电解池用于从电能引发化学反应。

电解池通常用于在称为电解的过程中分解化合物。在电解水的情况下，分解产生氢气和氧气。为了发起这样的反应，必须施加足够的电能使分子内的键断裂，这导致离子(阴离子和阳离子)的产生。通过与电解质接触的电极供应电力。带负电的电极称为阴极，而带正电的电极称为阳极。气体形式的离子根据其正电荷或负电荷被引导到并聚集在其相应的电极附近。在水分子(其由两个氢原子和一个氧原子通过共价键组成)的情况下，气体形式的氢将出现在阴极，而氧出现在阳极。因此，为了产生氢气和/或氧气，电解池需要填充水并被提供足够的电力。

对于现有的电解池，电力由诸如核能、热能、水力、风能或太阳能的常见能源提供。

然而，使用这些能源可能会显示出一些缺点。它们可能并不总是可用的，尤其是可再生的能源。有些产生相对大量的二氧化碳。它们的大小，尤其是对于氢的产生，可能也相对重要。

此外，目前用于电解的电力通常远高于实际需要的电力。因此，氢产生(例如用作能量矢量运输)的产率非常低。

因此，需要改进现有用电解池进行的气体产生，尤其是氢的产生。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种具有高度能量自主性的用于工业产生绿色氢的设备和方法，以克服其当前的局限。

本发明的第二目的是优化用于电解产生氢的电的使用。

本发明的构思基于利用施加在由水电解产生的氢气和氧气气泡上的浮力来为所述电解发电。

更准确地说，本发明包括一种用于电解产生氢的设备，该设备包含：

-填充水的第一室；

-下部；

-上部；

-位于下部中并包括电解池和氢喷嘴的气体产生单元；

-位于上部中的发电机；

-位于第一室内的第一驱动机构；

-位于第一室的顶部部分中的氢出口；

第一室位于下部和上部之间并经由氢喷嘴与气体单元连通，使得氢气泡可以在第一室的水中生成并且由于作用在气泡上的浮力而在向上方向上被引导；

第一驱动机构适于由上升的气泡致动；

发电机适于由第一驱动机构致动；并且

-电解池连接到发电机。

本发明还涉及一种用于产生氢的方法，包括以下步骤：

一种用于产生氢的方法，包括以下步骤：

-经由电解在水中生成氢，

-用在所述电解期间生成的氢气泡致动向上定向的驱动机构，

-将驱动机构的机械能转换成电能，

-使用所述电能进行所述电解。

在从属权利要求中公开了本发明的更具体的实施例。

如前所述，本发明基于以下观察：液体介质中的气体以与气体环境中的液体相同的力移动。两种物质之间的密度差使它们移动到彼此中，直到达到密度平衡，就好像它们是两种流体，无论它们的状态(气态或液态)如何。对于密度非常不同的两种液体或两种气体，也会发生同样的情况。密度差与产生流体移动的力成比例。

空气中的氢气极易挥发。由于其密度远低于空气密度，因此氢气显示出非常快的上升速度。如果用水代替空气，密度差会大得多。因此，在水中的氢气泡上施加力是相对重要的，以至于氢气泡的上升移动所产生的力可以启动驱动机构，例如轮式机构，并且从而可以向发电机提供机械能。

在本发明的优选实施例中，气体产生单元和发电机驱动机构处于相同的体积中，浸没在供给电解的相同液体中。在氢产生的情况下，该液体是水，根据电极的性质或所选技术，有或没有催化剂或溶解元素。

气体产生单元优选位于室的底部。该单元本质上是电解系统，其通过将电流传送到电解池的电极(阴极和阳极)的电导体供电。产生的离子根据其正电荷或负电荷在电解系统内分离。在水的情况下，氢与氧分离。当离子以气体形式分离时，它们通过其对应的喷嘴离开电解系统，优选地分离成使得气体不可能混合。

一旦气体以气泡的形式离开气体产生单元，它们就会迅速上升并被引导朝向驱动机构的下部。后者可以有利地包括碗或类似中空容器形状的桨叶，其可以固定到链条或皮带。由于来自气体产生单元的氢气和氧气产生的向上推力，位于来自气体产生单元的氢气和氧气的喷嘴正上方的碗开始上升，因为这些气体被捕获在里面，向上移动并允许后续的碗捕获更多浮力气体，从而驱动机构。

固定到每个链条或皮带的碗的数量可以因室的高度/深度而异。当填充气体的第一碗到达驱动机构的顶部时，其绕上轴旋转并倒置，从而释放气体，并留下空腔以在碗浸没回到液体时被液体填充。该点标记了利用设备内的最大浮力所需的液位。只要浮力气体继续流动，向上推动碗通过该机构，此动作就会继续。

可从驱动机构的上部回收气体用于储存，或按新路线输送用于进一步使用。

每个链条优选承载沿着其整个长度固定的碗，两个相邻碗之间的间距被优化，以捕获尽可能多的浮力气体而不阻挡或干扰挨着的碗。它们的长度应确定为维持生成尽可能多的电解系统在生成氢和氧时消耗的电力所需的机械能。这种能量当然可以用于驱动其他器具或辅助系统，例如压缩气体进行储存或驱动从潮湿的环境空气进行提取以用于电解的大气水生成器。

由于在通过电解分离流体时产生两种气体，因此可以安装两个链条或皮带，该两个链条或皮带都连接到同一发电机，但分别由单独的竖直管道内的一种气体驱动。在大多数情况下，产生的两种气体的体积和密度不相同，因此碗的大小或数量可能相应地发生变化。在水的情况下，氧的体积是产生的氢的体积的一半。

根据设备的效率，气体沿着机构施加的浮力可能不足以产生与电解系统消耗的电量完全相同的电量。在这样的情况下，可以例如通过飞轮、电池或蓄热器集聚电量，随后用于驱动电解系统。

在另一实施例中，电解系统不浸入水中，具有支撑竖直管道的下部。而是，电解系统位于附近，其中，气体喷嘴连接到所述室的下部，以便可以填充碗。该系统允许电解系统的供给流体不同于竖直管道中包含的流体。这是有利的，因为其允许进行海水电解，海水电解代表了在不依赖(净化)淡水且不使设备暴露于海水腐蚀的情况下进行碳中性氢能的电网规模产生的潜在解决方案。当使用消耗净化淡水的电解系统时，竖直管道可以填充有相同的液体，因为蒸馏水和去离子水对金属材料(例如机构的链条)的腐蚀作用非常低，即使含氧量很高。

在另一实施例中，链条用容纳用于利用由电解产生的气体量生成最大可能的电力的尽可能多的碗的足够尺寸的轮代替。

在另一实施例中，设备是模块化系统，由一系列互连的模块组成，这些模块配备有驱动位于每个模块顶部的发电机的相同类型的机构。这种模块化系统是有利的，因为其允许在不增加设备的高度/深度的情况下提高性能，并且其使用一个气体产生单元来产生流经第一模块并随后从顶部室按新路线输送到下一模块的底部室而不会在此过程中被消耗的气体。

在另一实施例中，驱动机构略微倾斜以减少由于气泡未被捕获在碗下方而造成的功率损失，并且发电机位于上部轴内，该发电机具有扩大的直径以在其被链条或皮带驱动旋转时增加角动量。这种配置还通过减少机构的摩擦来提高效率。

第一，本发明不限于任何特定的地理或天气条件。其可以在白天或夜晚、全年、在地表之上甚至之下操作。第二，本发明的整个设备可以浸没在诸如湖泊或海洋的大水体中。如此大的水体中充足的电解质(水)供应也减轻了泵送或再循环电解质的任何可能问题。此外，在高压下(例如在大水体下)执行的电解预计将有助于支持和接受氢作为可再生能源和清洁能源消费者之间的能源载体的技术。第三，电解池可以变成模块化系统以在不增加设备的高度/深度的情况下提高其性能。无论如何，本发明的整个设备需要非常有限的空间并且按比例比类似容量的光伏或风力站小得多。第四，与光伏电站和风力站不同，本发明不会造成噪音或视觉污染。

附图说明

通过一些示例和以下附图，可以在本章中更好地理解本发明：

图1是根据本发明的设备的示例的侧视图。

图2是图1的设备的前视图。

图3示出了来自产生单元并被引导朝向碗的气体的退出。

图4示出了前面图的设备的上部。

图5示出了凹口如何允许碗在不接触来自气体产生单元的喷嘴的情况下旋转。

图6是作为模块化系统的本发明的设备的另一示例的前视图。

图7是略微倾斜并且发电机置于上轴内的驱动机构的侧视图。图中使用的附图标记：

1.气体产生单元

2.进水口

3.氧喷嘴

4.氢喷嘴

5.链条

6.链轮

7.碗(7'氢气碗，7”氧气碗)

8.凹口

9.旋转轴

10.液体最低液位

11.发电机齿轮

12.发电机

13.旋转倍增器(Revolution multiplier)

14.启动电池

15.充电控制器

16.外部电源

17.壁

18.氢出口

19.液体最高液位

20.液位检测器

21.下部传感器

22.上部传感器

23.下部

24.氧出口

25.电线

26.第一室

27.第二室

28.上部

29.气体管线

30.进水口

具体实施方式

除非另有限定，否则本文使用的所有技术和科学术语与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。此外，材料、方法和示例仅是说明性的而不是限制性的。

在图1和2所示的示例中，根据本发明的设备主要由柱组成，该柱包括填充有水的竖直定向的第一室26、填充有水的竖直定向的第二室27、与第二室27连通的上部28和下部23，气体产生单元1位于所述下部中。气体产生单元1包括由浸没在由水组成的电解质中的阴极和阳极(未示出)组成的电解池。气体产生单元1通过氢喷嘴4与第一室26连通并且通过氧喷嘴3与第二室27连通。可以在单元1内引发电解，这导致氢气和氧气的产生。优选使用质子交换膜(PEM)技术，因为具有不规则电荷的更好性能，并且能够与蒸馏水一起使用。

优选地，使用PEM类型的膜电极组件(MEA)多电极系统。电极被封装在避免与外部水接触的聚合物中，因为它旨在被浸没。为此，需要电气连接与外部绝缘和密封。

气体产生单元1需要热能，因为发生吸热反应。如果单元1被空气包围，其温度会下降，从而降低其性能。使单元1浸没，如本例中的情况，增加其导热性，并因此促进了温度稳定，而无需实现冷却系统。

单元1被浸没并且进水口2打开时不需要入口通道，以其周围的水为供给。在MEA(膜电极)电池的每一端，存在用于传导到相应的喷嘴3、4的气体(在本示例中为氢气和氧气)的出口。每个喷嘴3、4与竖直室26、27连通，两个室26被壁分隔，以防止气泡混合。

如图3所示，壁17不完全分隔两个室26、27，因此，水可以从一个室26、27流到另一室并填充它们。在这个示例中，水经由气体产生单元1进入室26、27，后者经由入口2连接到外部水源。

驱动机构在每个室26、27内部，该驱动机构包括固定到形成竖直环路的链条5的若干碗7'、7”。链条5围绕两个齿轮6(一上一下)转动。每个碗7'、7”包含位于与接触链条5的碗内侧相对的碗侧外部的凹口8。设置凹口8在链条5移动时有助于并最大化气泡进入碗中。

图2示出了两排碗7'、7”。小碗7”(左列)用于氧，而大碗7'(右列)用于氢。该图还示出了齿轮6，11的轴以及两排如何在具有最大直径的齿轮11上相互作用，后者作用在发电机12和速度倍增器13上。还示出了氢出口18(参见图1和2)和氧出口24(参见图2)。

如前所述，氢气碗7'比氧气碗7”大。这是由于生成的氢体积高于氧体积。氧气碗7”的体积可以与氢气碗7'的体积相同。然而，更有利的是减小它们的体积，而不是它们的形状。通过这样做，减少了摩擦并最小化能量损失。

两个齿轮6在上部28中，它们固定到公共旋转轴9并与链条5相互作用。旋转轴9位于最低水位10下方。位于第二室26中的另一齿轮11也固定在旋转轴9上。其经由皮带和旋转倍增器13与发电机12相互作用。该另一齿轮11具有不同的大小以校正发电机12所需的旋转转数，因为连接到碗7'、7”的齿轮6的旋转速度比发电机12所需的速度慢。这使得需要包括所述旋转倍增器13。倍增因数取决于发电机及其最佳转数。

启动电池14用于启动气体产生单元1内的电解。使用直流发电机可以促进对启动电池14的充电，但其也可以很好地与交流发电机一起工作。启动电池14通过充电控制器15连接。如果系统中的能量高于电解所需的能量，则外部电能电源16也是可能的。

在上部28中存在用于齿轮机构和发电机12的空间。该空间没有液体。其也与第一室隔离，具有水平和竖直壁17。氢出口18相对于所述空间尽可能靠近。

氢出口18刚好位于水可达到的最高水位19上方。水位也必须保持在旋转轴9上方。为了保证正确的水位，提供了液体检测器20。当水位低于最低水位10时，经由进水口30激活对室的填充。最低水位10和最高水位19分别由下部传感器21和上部传感器22检测。为了简化填充，两个室在下部23连通，但保持喷嘴3，4在上方，以防止气体在室中混合。重要的是保持氢气的纯度以便用于反向电解池。

第二室通过出口24与外部环境连通。这些出口24位于包含发电机12的空间内。通过使气态氧流出外部，因为其比空气密度大，因此其沿着池外壁下降，稍微加热壁并将部分热量从上部传输到下部区域，在此处热量被电解过程吸收。该氧气会扩散在装置附近的表面上方，从而改善可呼吸空气的质量。

发电机12经由充电控制器15由气体产生单元1外部的电线25连接，充电控制器15根据电池充电调节气体产生。以这样的方式，当电池14充满电时，可将所有电能分配到氢的产生。

图6示出了作为模块化系统的设备，该模块化系统由一系列互连的模块组成，这些模块配备有相同类型的机构5-8、11、13、17，该机构驱动位于每个模块顶部的发电机12。这种模块化系统是有利的，因为它使用放置在第一模块内部的单个气体产生单元1来产生气体，该气体流经其机构，随后通过气体管线29从顶部室按新路线传输到下一个模块的底部室，而在过程中不被消耗。

图7示出了略微倾斜配置的驱动机构，以减少由于气泡未被捕获在每个碗7'、7”下方而导致的功率损失。皮带的角取向增加了碗7'、7”内捕获的气泡数量。此外，位于上轴内部的发电机12具有扩大的直径，以在其由链条驱动旋转时增加角动量。这种配置还通过减少机构的摩擦来提高效率。

本发明当然不限于那些示例和附图，而是涵盖权利要求中限定的任何替代方案。

Claims (15)

1.一种用于电解产生氢的设备，所述设备包括：

-填充有水的第一室(26)；

-下部(23)；

-上部(28)；

-位于所述下部(23)内并包括电解池和氢喷嘴(4)的气体产生单元(1)；

-位于所述上部(28)内的发电机(12)；

-位于所述第一室(26)内的第一驱动机构(5-9)；

-位于所述第一室(26)的顶部部分中的氢出口(18)；

所述第一室(26)位于所述下部(23)和所述上部(28)之间并经由所述氢喷嘴(4)与气体单元(1)连通，使得氢气泡能够在所述第一室(26)的水中生成并且由于作用在气泡上的浮力而在向上方向上被引导；

所述第一驱动机构(5-9)适于由上升的气泡致动；

所述发电机(12)适于由所述第一驱动机构(5-9)致动；并且

所述电解池连接到所述发电机(12)。

2.根据权利要求1所述的设备，还包括：

-填充有水的第二室(27)，所述第二室与所述上部(28)连通但与所述第一室(26)分隔；

-位于所述第二室(27)内的第二驱动机构(5-9)；

-位于上室(28)内的至少一个氧出口(24)，

所述气体产生单元(1)还包括氧喷嘴(3)；

所述第二室(27)经由所述氧喷嘴(3)与气体单元(1)连通，使得氢气泡能够在所述第二室(27)的水中生成并且由于作用在气泡上的浮力而在向上方向上被引导；

所述第二驱动机构(5-9)适于由上升的气泡致动；

所述发电机(12)适于由所述驱动机构(5-9)致动。

3.根据权利要求1或2所述的设备电池，其中，所述气体产生单元(1)浸没在水中。

4.根据权利要求3所述的设备，其中，两个室(26、27)通过位于所述下部(23)中、在喷嘴(3、4)下方的通道连通，以避免氢气泡和氧气泡之间的混合。

5.根据权利要求2、3或4所述的设备，其中，所述发电机(12)被设计成由两个驱动机构(5-9)致动。

6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述驱动机构包括竖直链条或皮带(5)和若干碗(7'、7”)，所述竖直链条或皮带形成围绕上和下齿轮(6)转动的闭环，所述若干碗(7'、7”)固定到所述链条或皮带(5)。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，每个碗(7'、7”)包含位于与接触所述链条或皮带(5)的碗内侧相对的碗侧外部的凹口(8)。

8.根据权利要求6或7所述的设备，包括使用单个且相同的链条或皮带(5)的两个驱动机构。

9.根据前述权利要求5至7中任一项所述的设备，其中，所述链条或皮带(5)倾斜于竖直方向，以便增加由所述碗(7'、7”)捕获的气泡的数量。

10.根据前述权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，所述驱动机构包括轮和固定到所述轮的若干碗。

11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，包括启动电池。

12.根据前述权利要求中任一项所述的设备，包括由至少一个下部传感器(21)和一个上部传感器(22)组成的液体检测器。

13.根据前述权利要求中任一项所述的设备，包括一系列互连的模块，其中，第一模块与前述权利要求中任一项限定的设备相同，并且其中，每个后续模块也相同但没有气体产生单元。

14.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述第一室是井、池、湖、海或任何其他类似的液体容器。

15.一种产生氢的方法，包括以下步骤：

-经由电解在水中生成氢，

-用在所述电解期间生成的氢气泡致动向上定向的驱动机构，

-将所述驱动机构的机械能转换成电能，

-使用所述电能进行所述电解。