CN117651791A - 用于电化学产生氢气和二氧化碳的高流体速度电池设计 - Google Patents
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Abstract
公开了用于从具有碳酸盐物质的水中产生二氧化碳和氢气的设备。该设备包括阳极隔室和阴极隔室，该阳极隔室具有设置在该阳极隔室的第一侧上的阳极，该阴极隔室具有设置在该阴极隔室的第一侧上的阴极。该设备还包括设置在阳极隔室的第二侧上的第一阳离子可渗透流体隔板和设置在阳离子隔室的第二侧上的第二阳离子可渗透流体隔板。在第一阳离子可渗透流体隔板和第二阳离子可渗透流体隔板之间界定中央隔室。该设备还包括流量控制系统，该流量控制系统被配置成独立地控制水通过阳极隔室、阴极隔室和中央隔室中的每一个的流量。还公开了使用该设备从海水中产生氢气、二氧化碳和氧气的方法。
Description
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2021年5月11日提交的标题为“HIGH FLUIDVELOCITY CELL DESIGN FOR THE ELECTROCHEMICAL GENERATION OF HYDROGEN ANDCARBON DIOXIDE”的美国临时申请序列号63/186,905以及于2021年5月12日提交的标题为“METHOD OF OPERATING ELECTROCHEMICAL HYDROGEN AND CARBON DIOXIDE GENERATOR”的美国临时申请序列号63/187,519的优先权。这些申请中的每个申请出于所有目的都通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本文公开的方面和实施方案涉及用于酸化海水以产生和捕获二氧化碳(CO2)和氢气(H2)的装置和方法。
概述
根据一个方面，提供了一种用于从具有碳酸盐物质的水中产生二氧化碳和氢气的设备。设备可以包括阳极隔室和阴极隔室，该阳极隔室具有设置在阳极隔室的第一侧上的阳极，该阴极隔室具有设置在阴极隔室的第一侧上的阴极。设备可以包括设置在阳极隔室的第二侧上的第一阳离子可渗透流体隔板。设备还可以包括设置在阴极隔室的第二侧上的第二阳离子可渗透流体隔板。设备还可以包括界定在第一阳离子可渗透流体隔板和第二阳离子可渗透流体隔板之间的中央隔室。设备另外可以包括流量控制系统(flow controlsystem)，该流量控制系统被配置成独立地控制水通过阳极隔室、阴极隔室和中央隔室中的每一个的流量。
在另外的实施方案中，设备可以包括可流体地连接至阳极隔室、阴极隔室和中央隔室中的每一个的水源，例如海水。
在另外的实施方案中，设备可以包括pH传感器，该pH传感器设置在中央隔室的下游并且被配置成测量来自中央隔室的流出物的pH。在某些实施方案中，设备可以包括控制器，该控制器被配置成从pH传感器接收来自中央隔室的流出物的pH的测量值，并且调节通过中央隔室的水的流量或跨阳极和阴极施加的电流中的一个或两者，以将来自中央隔室的流出物的pH保持在预定水平。预定水平是来自中央隔室的流出物中的大部分的碳酸盐物质作为碳酸即H2CO3存在的水平。
在一些实施方案中，控制器可以被配置成将来自中央隔室的流出物的pH保持在从约2.5至约6.5的范围内。
在另外的实施方案中，设备还可以包括电导率传感器，该电导率传感器被构造和布置成测量来自阳极隔室、阴极隔室和中央隔室的一种或更多种流出物的电导率。在另外的实施方案中，控制器可以被配置成响应于来自电导率传感器的电导率测量值来调节通过阴极隔室的水的流量。在另外的实施方案中，控制器可以被配置成响应于来自电导率传感器的电导率测量值来调节从阳极隔室到阴极隔室的流出物的流量。在另外的实施方案中，控制器可以被配置成将通过阴极隔室的水的流量调节到不会导致在阴极上形成垢的流量。在另外的实施方案中，控制器可以被配置成响应于来自电导率传感器的电导率测量值来调节通过阳极隔室的水的流量。在另外的实施方案中，控制器可以被配置成将通过阳极隔室的水的流量最小化到不会导致阳极遮蔽的流量。
在另外的实施方案中，设备可以包括再循环管线，该再循环管线被配置成将来自阳极隔室的流出物的至少一部分再循环到阳极隔室的入口。
在另外的实施方案中，设备可以包括再循环管线，该再循环管线被配置成将来自阴极隔室的流出物的至少一部分再循环到阴极隔室的入口。在另外的实施方案中，设备可以包括第二再循环管线，该第二再循环管线被配置成将来自阳极隔室的流出物的至少一部分再循环到阴极隔室的入口。
在另外的实施方案中，设备可以包括再循环管线，该再循环管线被配置成将来自中央隔室的流出物的至少一部分再循环到中央隔室的入口。在另外的实施方案中，设备可以包括再循环管线，该再循环管线被配置成将来自中央隔室的流出物的至少一部分再循环到阳极隔室和阴极隔室中的一个或两者的入口。
在另外的实施方案中，设备可以包括气体回收系统，该气体回收系统被配置成从来自阳极隔室、阴极隔室或中央隔室中的一个或更多个的流出物中的一种或更多种中去除氢气、二氧化碳或氧气中的一种或更多种。在一些实施方案中，气体回收系统可以包括一个或更多个真空汽提器(vacuum stripper)。
在一些实施方案中，阳极包括析氧包覆层(oxygen evolving coating)，该析氧包覆层包含氧化铱或Magneli相钛低氧化物中的一种。在一些实施方案中，阳极可以包括合金，该合金包括不锈钢、铱钴(Ir-Co)、铱钽(Ir-Ta)或其他铱物质或钽物质中的一种。
根据一个方面，提供了从海水中产生氢气、二氧化碳和氧气的方法。方法可以包括将海水引入至电解池的阳极隔室、阴极隔室和中央隔室中的每一个中。方法可以包括将通过中央隔室的流量或跨阳极和阴极的电流中的一个或两者保持在导致来自中央隔室的流出物表现出在预定范围内的pH的水平。方法还可以包括将通过阴极隔室的流量保持在减轻阴极上形成垢的水平。方法还可以包括将通过阳极隔室的流量保持在减轻阳极遮蔽的水平。方法另外可以包括从分别来自阳极隔室、中央隔室或阴极隔室中的一个或更多个的流出物中去除氢气、二氧化碳或氧气中的一种或更多种。电解池可以包括阳极，阴极，与阳极间隔开并界定阳极隔室的第一阳离子可渗透流体隔板，与阴极间隔开并界定阴极隔室的第二阳离子可渗透流体隔板，界定在第一阳离子可渗透流体隔板和第二阳离子可渗透流体隔板之间的中央隔室，以及被配置成独立控制海水通过阳极隔室、阴极隔室和中央隔室中的每一个的流量的流量控制系统。
在另外的实施方案中，方法可以包括将通过阴极隔室的流量保持在减轻阴极上形成垢的最低水平。
在另外的实施方案中，方法可以包括将通过阳极隔室的流量保持在减轻阳极遮蔽的最低水平。
在另外的实施方案中，方法可以包括将来自阳极隔室的流出物的一部分引入至阳极隔室的入口中，同时将海水引入至阳极隔室中。
在另外的实施方案中，方法可以包括将来自阳极隔室的流出物的一部分引入至阴极隔室的入口中，同时将海水引入至阳极隔室中。
在另外的实施方案中，方法可以包括将来自中央隔室的流出物的一部分引入至中央隔室的入口中，同时将海水引入至中央隔室中。
在另外的实施方案中，方法可以包括将通过阳极隔室、阴极隔室或中央隔室中的至少一个的流量保持在与通过阳极隔室、阴极隔室或中央隔室中的至少另一个的流量不同的水平。
在另外的实施方案中，方法可以包括将通过阴极隔室的流量保持在比通过中央隔室的流量高的流量。
附图简述
附图不按比例绘制。在附图中，在各个图中图示出的每个相同的部件或几乎相同的部件由类似的数字表示。为了清楚的目的，并非每个部件都可以在每个附图中被标记。在附图中：
图1图示出了用于从具有碳酸盐物质的水中产生二氧化碳和氢气的包含离子交换介质的现有电化学电池；
图2图示出了根据一种实施方案的用于从具有碳酸盐物质的水中产生二氧化碳和氢气的设备；
图3图示出了根据可选择的实施方案的用于从具有碳酸盐物质的水中产生二氧化碳和氢气的设备；以及
图4A-图4C图示出了根据不同实施方案的设备的阳极和阴极配置。图4A图示出了平行板布置。图4B图示出了同心管布置。图4C图示出了螺旋缠绕布置。
详述
世界海洋的总碳含量为约38,000十亿吨(GT)。超过95％的这种碳呈溶解的碳酸氢根离子(HCO3 -)的形式。这种碳酸氢根离子和碳酸根离子(CO3 2-)一起负责缓冲和维持海洋的pH，该pH在海洋深度的第一个100米以下相对恒定。海洋中存在的溶解的碳酸氢根离子和碳酸根离子是有效结合的CO2，并且这些物质与溶解的气态CO2的浓度之和代表海水的二氧化碳总浓度[CO2]T。
在典型的海洋pH 7.8(通过复杂的碳酸氢盐-碳酸盐缓冲体系保持相对恒定)，在地表附近的[CO2]T为约2000微摩尔/kg，并且在300米以下的深度的[CO2]T为约2400微摩尔/kg。这相当于约100mg/L的[CO2]T。海洋中总CO2的约2％-3％是溶解的气态CO2，约1％作为溶解的碳酸根离子存在，并且约96％剩余部分作为溶解的碳酸根离子存在。已知包含CO2及其各种离子形式的水的平衡形式和浓度取决于水的pH。例如，在海水pH为4.5时，海水中所有碳酸盐物质的99％作为碳酸H2CO3存在。因此，为了将HCO3 -转化为H2CO3，可以降低海水的pH。
溶解在水中的CO2与H2CO3平衡，如方程1所示：
水合平衡常数为1.70×10-3。这指示H2CO3在水中不稳定，并且气态CO2在pH 4.5容易解离，一旦海水被酸化以确保不稳定的H2CO3被去质子化为主要的碳酸盐物质，使得CO2通过脱气或汽提容易被去除。
电化学电池在海洋实施方式、离岸实施方式、市政实施方式、工业实施方式以及商业实施方式中使用。电化学电池的设计参数，例如电极间间距、电极厚度和包覆层密度、电极面积、电连接方法等等可以针对不同的实施方式来选择。本文公开的方面和实施方案不限于电极的数目、电极之间的空间、电极材料、电极之间的任何隔板的材料、电化学电池内通道的数目或电极包覆层材料。
在由膜界定(bounded)的隔室中包括离子交换介质的电化学电池已经用于从具有碳酸盐物质的水中产生二氧化碳和氢气，诸如图1中图示出的现有的电化学电池。在操作中，当通电时，当水流过形成包含阳离子交换树脂的隔室的两个阳离子交换膜时，水中存在的钠离子被交换为氢离子。电化学电池的阴极侧产生氢氧化钠和氢气，并且阳极侧产生氧气。氢离子进入电化学电池的中央隔室以提高阳离子交换膜的离子转移效率并且引起海水的酸化，中央隔室包括惰性介质，例如陶瓷颗粒。
本公开内容描述了电化学电池和电化学装置的各种实施方案，然而，本公开内容不限于电化学电池或电化学装置，并且本文公开的方面和实施方案可应用于被用于多种目的中的任何一种的电解池和电化学电池。
在某些非限制性实施方案中，本公开内容描述了用于连续酸化具有碳酸盐物质的水以及在连续产生氢气的情况下回收溶解的二氧化碳的电化学电池。电化学电池的流入物是具有碳酸盐物质的水，例如盐水，例如海水、微咸水或工艺用水，而不需要在酸化之前进行上游处理以降低水中的物质诸如盐的浓度。如本文使用的，“盐”水是包含高浓度的溶解固体或盐的水，例如，溶解的盐的浓度在约500ppm和约35,000ppm之间。如在本公开内容中描述的电化学电池包括阳极隔室和阴极隔室，该阳极隔室具有设置在阳极隔室的第一侧上的阳极，该阴极隔室具有设置在阴极隔室的第一侧上的阴极。阳极隔室和阴极隔室是无电解质和无介质的，允许较高流量的具有碳酸盐物质的水通过隔室。通过隔室的具有碳酸盐物质的水的较大流速(flow velocity)降低了在隔室的结构元件诸如阳极和阴极上形成垢的可能性。如本文使用的，流速是以每单位时间的距离测量的被引导至一个或更多个隔室的入口的水多快地移动的量度。流量(flow rate)是每单位时间输送的水的体积的量度。包含碳酸盐物质的水的流速通常控制离子穿过可渗透隔板的分配，即水的酸化以及从设备产生O2、H2及CO2。通常，可以测量或量化的其他变量，诸如流量、不同设备部件的纵横比以及待处理的水和不同设备部件之间的摩擦系数，影响水通过设备的隔室的流速。
电化学电池包括设置在阳极隔室的第二侧上的第一阳离子可渗透流体隔板和设置在阴极隔室的第二侧上的第二阳离子可渗透流体隔板。中央隔室被界定在第一阳离子可渗透流体隔板和第二阳离子可渗透流体隔板之间。中央隔室可以是无介质的。电化学电池可以是包括流量控制系统的设备的一部分，该流量控制系统被构造并且布置成独立地控制具有碳酸盐物质的水通过阳极隔室、阴极隔室和中央隔室中的每一个的流量。
在操作中，施加至设备的电流与作为流入物的具有碳酸盐物质的水经由水分解，在不需要任何介质例如存在于任一隔室中的离子交换树脂的情况下在阴极隔室中产生氢气(H2)并且在阳极隔室中产生氢离子(H+)。H+离子通过第一阳离子可渗透流体隔板并且进入中央隔室，引起在其中流动的具有碳酸盐物质的水的pH降低。中央隔室不需要使用惰性介质诸如陶瓷颗粒来增加第一阳离子可渗透流体隔板或第二阳离子可渗透流体隔板的离子转移能力或性能，因为具有碳酸盐物质的水通过设备的流速足以减少结垢和性能降低。具有碳酸盐物质的水的pH的这种降低导致具有碳酸盐物质的水中存在的碳酸根(CO3 2ˉ)和碳酸氢根(HCO3ˉ)离子转化为二氧化碳(CO2)气体，如由方程1中定义的平衡所控制的。额外的电流或电或离子交换介质对降低具有碳酸盐物质的水的pH和产生CO2不是必要的。
在阳极隔室、阴极隔室和中央隔室内发生的反应，方程(2)-方程(4)，分别地包括：
2 H2O → 4 H+ + O2 + 4 eˉ (2)
4 H2O + 4 Na+ + 4 eˉ → 4 NaOH + 2 H2 (3)
4 NaHCO3 + 4 H+ → 4 Na++ 4 H2CO3 (4)
因此，设备的总反应(方程5)为：
2 H2O + 4 NaHCO3 → 4 CO2 + 4 NaOH + 8 H2 + O2 (5)
其中CO2在中央隔室中形成，经历方程1的平衡，NaOH和H2在阴极隔室中形成，并且O2在阳极隔室中形成。这些反应产物可以被捕获或以其他方式收集并且用作相关工艺的原料，该相关工艺诸如能量产生、有机合成和水的氧化，例如水生用途。
在图2中图示出了用于从具有碳酸盐物质源的水产生二氧化碳和氢气的设备的实施方案。在图2中，设备100包括阳极隔室102和阴极隔室104，该阳极隔室102具有设置在阳极隔室102的第一侧上的阳极102a，该阴极隔室104具有设置在阴极隔室的第一侧上的阴极104a。第一阳离子可渗透流体隔板106设置在阳极隔室102的第二侧上，并且第二阳离子可渗透流体隔板108设置在阴极隔室104的第二侧上。设备100包括界定在第一阳离子可渗透流体隔板106和第二阳离子可渗透流体隔板108之间的中央隔室110。
如本文使用的阳极和阴极通常被理解为是指由一种或更多种金属形成、包含一种或更多种金属或由一种或更多种金属组成的电极，所述一种或更多种金属例如钛、铝、镍、其他金属或其合金。在一些实施方案中，阳极和/或阴极可以包括多层不同的金属。在本文公开的实施方案中的任一种或更多种中使用的金属电极可以包括高导电性金属例如铜或铝的芯，该芯包覆有对具有碳酸盐物质的水的化学侵蚀具有高抗性的金属或金属氧化物，例如钛、铂、混合金属氧化物(MMO)、Magneli相钛(例如Ti4O7)、磁铁矿、铁素体、钴尖晶石、钽、钯、铱、银、金或其他包覆材料的层。阳极或阴极可以包覆有抗氧化包覆层，例如但不限于铂、MMO、磁铁矿、铁素体、钴尖晶石、钽、钯、铱、银、金或其他包覆层材料。在本文公开的实施方案中使用的混合金属氧化物可以包括以下中的一种或更多种的一种或更多种氧化物(an oxide or oxides)：钌、铑、钽(任选地与锑和/或锰合金化)、钛、铱、锌、锡、锑、钛-镍合金、钛-铜合金、钛-铁合金、钛-钴合金或其他合适的金属或合金。
在本文公开的实施方案中使用的阳极可以包覆有铂、和/或铱、钌、锡、铑或钽(任选地与锑和/或锰合金化)中的一种或更多种的一种或更多种氧化物。在本文公开的实施方案中使用的阴极可以包覆有铂、和/或包覆有铱例如IrO2、钌、和钛例如Magneli相钛(例如Ti4O7)中的一种或更多种的一种或更多种氧化物。在本文公开的电化学电池实施方案中的任何一种中使用的电极可以包括钛、钽、锆、铌、钨和/或硅中的一种或更多种的基底。用于本文公开的设备内的电化学电池中的任何一种中的电极可以被形成为或形成自：板、片材、箔、挤出物和/或烧结物。阳极和阴极可以是固体电极、网状电极或图案化的电极。
继续参考图2，阳极102a和阴极104a可以在设备100内呈任何合适的布置。例如，阳极102a和阴极104a可以被布置成板和框架配置、同心管布置或螺旋缠绕布置，分别在图4A-图4C中图示出。图4A中的板和框架配置包括在每个端点并联电连接的电极组，其中一组连接至DC电源的正输出，并且另一组连接至负输出。之间的电极是双极性的。在图4B中的同心管布置包括阳极和阴极(或阳极-阴极对)，所述阳极和阴极被构造和布置成在大体上或完全轴向地通过活性区域的方向上引导大体上所有具有碳酸盐物质的水或所有具有碳酸盐物质的水穿过活性区域或在阳极和阴极之间的间隙。大体上或完全轴向地通过活性区域的方向可以平行于或大体上平行于电化学电池和/或阳极和阴极(或阳极-阴极对)的中央轴。流过并且通过阳极102a和阴极104a的活性区域的具有碳酸盐物质的水仍然可以被认为在大体上或完全轴向通过活性区域的方向上流动，即使在流过活性区域期间，具有碳酸盐物质的水的流动表现出湍流和/或涡流。
第一阳离子可渗透流体隔板106和第二阳离子可渗透流体隔板108可以是任何合适的分离介质，该分离介质可以在设备100的使用期间为高流量和高压力提供合意的离子传输和物理性质。例如，用于制造第一阳离子可渗透流体隔板106和第二阳离子可渗透流体隔板108中的一个或两者的材料可以针对高耐磨性、柔韧性和选择性离子交换来选择，并且用于制造流体隔板的材料可以结合一种或更多种不同的材料。可以通过结合陶瓷或氧化物材料来赋予高耐磨性，可以通过结合聚合物物质来赋予柔韧性，并且可以通过特定的化学官能化来实现选择性阳离子交换。在一些实施方案中，阳离子可渗透流体隔板106和第二阳离子可渗透流体隔板108中的一个或两者可以是阳离子交换膜。可选择地，阳离子可渗透流体隔板106和第二阳离子可渗透流体隔板108中的一个或两者可以是使用诸如低温水热液相致密化的工艺制造的刚性陶瓷隔板。使用这些工艺制造的流体隔板可以形成几何形状，该几何形状提供功能表面积与体积的不同比率，以提高具有碳酸盐物质的水的酸化和产物气体产生的设备效率。
设备100还包括流量控制系统101，该流量控制系统101被构造和布置成独立地控制具有碳酸盐物质的水通过阳极隔室102、阴极隔室104和中央隔室110中的每一个的流量。流量控制系统101可以可操作地联接至用于控制流体流动的元件，诸如定位于整个设备100内的泵105或阀。设备100包括定位于阳极隔室102、阴极隔室104和中央隔室110的上游或下游中的一个或两者的流量计或流量传感器111，所述阳极隔室102、阴极隔室104和中央隔室110可操作地联接至流量控制系统。如示出的，流量计或流量传感器111定位于阳极隔室102、阴极隔室104和中央隔室110的上游，但是本公开内容设想了定位于阳极隔室102、阴极隔室104和中央隔室110下游的大体上等效的流量计或流量传感器。
继续参考图2，设备100可连接至作为到阳极隔室102、阴极隔室104和中央隔室110中的每一个的流入物的具有碳酸盐物质的水源，例如盐水，例如海水、微咸水、处理过的水滞留物或工艺用水。具有碳酸盐物质的水源可以是分别可连接至阳极隔室102、阴极隔室104和中央隔室110的独立的水源107a、107b或107c。可选择地，阳极隔室102、阴极隔室104和中央隔室110可以各自可连接至具有碳酸盐物质的单独的水源，在这种情况下，源107a、107b和107c可以各自是相同的具有碳酸盐物质的水源。
设备100包括定位于阳极隔室、阴极隔室和中央隔室上游或下游的一个或更多个传感器，所述一个或更多个传感器被构造并布置成测量具有碳酸盐物质的水，流入物107a、107b或107c和/或流出物109a、109b和109c的一个或更多个参数。一个或更多个传感器可以包括例如流量计、水位传感器、电导率计、电阻率计、化学浓度计、浊度监测器、化学物质特定浓度传感器、温度传感器、pH传感器、氧化还原电位(ORP)传感器、压力传感器或任何其他传感器、探针或科学仪器，它们可用于提供进入阳极隔室、阴极隔室和中央隔室中任一个或更多个的具有碳酸盐物质的水或离开阳极隔室、阴极隔室和中央隔室中任一个或更多个的流出物的合意的特性或参数的指标。如图2图示出的，设备100包括设置在中央隔室110下游并且被配置成测量来自中央隔室110的流出物109c的pH的pH传感器120。pH传感器120是任何类型的合适的pH传感器。设备100还包括被构造和布置成测量阳极102a和阴极104a之间的电导率的电导率传感器122。
继续参考图2，设备100包括通常被构造和布置成控制设备100的操作的控制器103。在一些实施方案中，控制器103被配置成从pH传感器120接收来自中央隔室110的流出物109c的pH的测量值。控制器103被配置成调节对于中央隔室来自具有碳酸盐物质的水源107c的具有碳酸盐物质的水通过中央隔室110的流量(例如通过与流量控制系统101连通)或跨阳极102a和阴极104a施加的电流中的一个或两者，以将来自中央隔室110的流出物109c的pH保持在预定水平。该预定pH水平通常在约2.5至约6.5之间，例如约2.5、约3、约3.5、约4、约4.5、约5、约5.5、约6或约6.5。具有碳酸盐物质的水，流出物109a、109b和109c包含碳酸盐物质，并且预定水平是来自中央隔室110的流出物109c中的大部分的碳酸盐物质作为碳酸H2CO3存在的水平，碳酸H2CO3如方程1中所示与CO2和H2O处于平衡。不希望受任何特定理论束缚，阳极隔室中氢离子的产生和中央隔室中氢离子的消耗与通过相应隔室的水的流量相关。因此，控制通过这些隔室的水的流量可以控制中央隔室的流出物109c的pH。
在一些实施方案中，来自电导率传感器122的输出被传输到控制器103，并且由控制器103用于确定是否调节通过设备100的一种或更多种具有碳酸盐物质的水的流量。调节进入或流出设备100的具有碳酸盐物质的水的流量可以调节通过中央隔室110的具有碳酸盐物质的酸化的水的产生，即pH，提高设备100的效率，减少设备100的能量消耗，并且减少维护停机时间。在一些实施方案中，控制器103被配置成响应于来自电导率传感器122的电导率测量值来调节来自阴极流入物107b的具有碳酸盐物质的水通过阴极隔室104的流量。
在一些实施方案中，控制器103可以从被定位为分别测量来自阳极隔室、阴极隔室和中央隔室的流出物109a、109b和109c中的一种或更多种的流出物的电导率的一个或更多个电导率传感器接收电导率测量值。来自阳极隔室、阴极隔室和中央隔室的流出物109a、109b和109c的电导率测量值可以分别由控制器103用来确定如何调节单独地通过每个隔室或通过单独隔室的组合的水的流量以控制中央隔室中水的酸化和CO2的产生。
来自电导率传感器122的测量值将指示阴极104a上离子垢的形成，并且增加通过阴极隔室104的流量将降低阴极104a上进一步结垢的可能性。在一些实施方案中，控制器103被配置成响应于来自电导率传感器120的电导率测量值来调节从阳极隔室102到阴极隔室104的流出物109a的流量。来自电导率传感器122的测量值将指示阴极104a上离子垢的形成，并且增加从阳极隔室102到阴极隔室104的流出物109a的流量将减少阴极104a上进一步结垢的可能性。此外，并且如在方程2-方程4中所示出的，在阴极隔室104中的化学反应产生NaOH，NaOH是腐蚀性的并且可以引起第二阳离子可渗透流体隔板108的降解或阴极104a的降解。从再循环管线118进入阴极隔室104的再循环的水降低了其中的NaOH浓度，减少了在阴极104a上的垢并增加了设备100的寿命。在一些实施方案中，控制器103被配置成将来自阴极流入物107b的具有碳酸盐物质的水通过阴极隔室104的流量最小化到不会导致在阴极上形成垢的流量。如在本公开内容的上下文中所使用的，阴极上的垢通常可以包括电极上由沉淀的物质形成的任何包覆层，诸如在处理期间随着水的pH变化而形成的沉淀的碳酸盐和氧化物。阴极上垢的形成可以减小阴极的活性区域的表面区域，降低阴极经由水还原形成H2气体的效率。通过阴极隔室的水的流量和/或流速可以被调节，即降低至平衡H2气体和随后在中央隔室中CO2气体形成的速率，同时保持通过设备的足够的流量以减少可能吸附至阴极上的垢的沉淀。
在一些实施方案中，控制器103被配置成响应于来自电导率传感器120的电导率测量值来调节来自阳极流入物107a的具有碳酸盐物质的水通过阳极隔室102的流量。在一些实施方案中，控制器103被配置成将来自阳极流入物107a的具有碳酸盐物质的水通过阳极隔室102的流量最小化到不会导致阳极102a被在阳极102a处产生的气体例如O2遮蔽的流量。如本文使用的，电极上的遮蔽通常是指电极(例如阳极)的活性区域，其活性区域的部分具有粘附至活性区域的气体的气泡，当通电时降低进一步气体产生的效率。通常，可以通过测量由电化学工艺产生的气体的体积并且将测量的体积与基于相关半反应的理论预期体积进行比较，或者通过测量阳极/阴极对上的电导来评估阳极遮蔽。通过阳极隔室的水的流量和/或流速可以被调节，即降低至平衡O2气体的形成和随后在中央隔室中CO2气体的形成的速率，同时保持通过设备的足够的流量以减少可能吸附到阳极上的气泡的形成。
不希望受任何特定理论束缚，流量的增加通常将减少具有碳酸盐物质的水在阴极隔室中的停留时间，并且从而减少具有碳酸盐物质的水中的离子接触阴极的带电表面的时间量。这还适用于阳极，因为减少通过阳极隔室的停留时间将减少阳极上O2的形成。例如，具有碳酸盐物质的水通过设备的流量可以为从约0.1m/s至约10m/s,例如，从约0.1m/s至约10m/s、从约0.5m/s至约9m/s、从约1m/s至约8m/s、从约2m/s至约7m/s、从约3m/s至约6m/s、或从约4m/s至约5m/s、例如，约0.1m/s、约0.5m/s、约1m/s、约1.5m/s、约2m/s、约2.5m/s、约3m/s、约3.5m/s、约4m/s、约4.5m/s、约5m/s、约5.5m/s、约6m/s、约6.5m/s、约7m/s、约7.5m/s、约8m/s、约8.5m/s、约9m/s、约9.5m/s或约10m/s。在某些实施方案中，具有碳酸盐物质的水通过设备的流量可以为约2m/s至3m/s。
可以使用一个或更多个计算机系统来实现控制器103。计算机系统可以是例如通用计算机，诸如基于Intel型处理器、Intel/>型处理器、Intel/>型处理器、AMD FX型处理器、AMD/>型处理器、AMD/>型处理器和AMD R系列或G系列处理器、或任何其他类型的处理器或其组合的计算机。可选择地，计算机系统可以包括可编程逻辑控制器(PLC)、专门编程的特殊用途的硬件，例如，意图用于分析系统的专用集成电路(ASIC)或控制器。在一些实施方案中，控制器103可以可操作地连接至或可连接至用户界面，该用户界面被构造和布置成允许用户或操作者查看设备100的相关操作参数、调整所述操作参数和/或根据需要停止设备100的操作。用户界面可以包括图形用户界面(GUI)，该图形用户界面包括被配置成由用户或服务提供商与之交互并输出设备100的状态信息的显示器。
控制器103可以包括通常连接至一个或更多个存储装置的一个或更多个处理器，该一个或更多个存储装置可以包括例如磁盘驱动存储器、闪速存储装置、RAM存储装置或用于储存数据的其他装置中的任一种或更多种。一个或更多个存储装置可以用于在设备100的操作期间储存程序和数据。例如，存储装置可以用于储存一段时间内与参数相关的历史数据。包括实施本发明的实施方案的编程代码的软件可以被储存在计算机可读和/或可写的非易失性记录介质上，并且然后通常被复制到一个或更多个存储装置中，在所述存储装置中软件然后可以被一个或更多个处理器执行。这样的编程代码可以以多于一种编程语言中的任何一种来编写，例如梯形逻辑、Python、Java、Swift、Rust、C、C#或C++、G、Eiffel、VBA或其多种组合中的任何一种。
继续参考图2，设备100包括一个或更多个再循环管线，该再循环管线被构造和布置成将来自阳极流出物109a、阴极流出物109b和中央流出物109c中的一种或更多种的流出物的一部分转移回阳极隔室102、阴极隔室104和/或中央隔室110的一个或更多个入口。在一些实施方案中，设备100包括被配置成将来自阳极隔室102的流出物109a的至少一部分再循环到阳极隔室102的入口的再循环管线112。在可选择的实施方案中，诸如图3所示出的，来自中央隔室110的流出物109c的一部分可以经由导管115a被引导至阳极隔室102和经由导管115b被引导至阴极隔室104中的一个或两个的入口。来自中央隔室110的流出物109c可以用于降低进入阳极隔室102的流入物的pH，从而提高阳极隔室102内的析氧效率，例如，提高H+利用率。来自中央隔室110的流出物109c可以用于降低阴极隔室104中的总碳酸盐物质浓度，从而减少阴极104a上垢的形成。
在一些实施方案中，设备100包括被配置成将来自阴极隔室104的流出物109b的至少一部分再循环到阴极隔室104的入口的再循环管线114。来自阴极隔室104的流出物109b到阴极隔室104的入口的再循环管线114还可以包括在线处理系统124以降低阴极隔室流出物109b中存在的二价物质的浓度。例如，在线处理系统124可以包括但不限于纳滤、反渗透、离子交换处理、纳米珠处理、电去离子和电容去离子中的一种或更多种。如果确定通过阴极隔室104的高的水速度不能充分降低结垢可能性，则在线处理系统可以用于降低阴极104a的结垢可能性。在一些实施方案中，设备100包括被配置成将来自阳极隔室的流出物109a的至少一部分再循环到阴极隔室104的入口的第二再循环管线116。在一些实施方案中，设备100包括被配置成将来自中央隔室109c的流出物的至少一部分再循环到中央隔室110的入口的再循环管线117。
在一些实施方案中，设备100包括气体回收系统113a、113b、113c，该气体回收系统113a、113b、113c被构造和布置成从来自阳极隔室102、阴极隔室104或中央隔室110中的一个或更多个的流出物中去除一种或更多种溶解的气体。如图2图示出的，来自阳极隔室102、阴极隔室104或中央隔室110的流出物109a、109b和109c具有气体回收系统113a、113b和113c。可选择地，设备100可以包括一个气体回收系统，该气体回收系统可连接至分别来自阳极隔室102、阴极隔室104或中央隔室110的流出物109a、109b和109c的出口中的每一个。气体回收系统113a、113b、113c可以是能够从水中去除溶解的气体的任何合适的系统，包括但不限于强制通风脱气器、断流水箱、真空汽提器、空气汽提器或膜脱气器。在某些实施方案中，气体回收系统包括一个或更多个真空汽提器。气体回收系统被构造和布置成从来自阳极隔室102、阴极隔室104和/或中央隔室110的流出物109a、109b、109c中的一种或更多种中去除H2、CO2、和O2中的一种或更多种。气体回收系统可以被配置成从来自阳极隔室102、阴极隔室104或中央隔室110中的一个或更多个的流出物109a、109b、109c中的一种或更多种中去除至少80％的H2、CO2、和/或O2。在特定的实施方案中，气体回收系统可以被配置成从来自阳极隔室102、阴极隔室104或中央隔室110中的一个或更多个的流出物109a、109b、109c中的一种或更多种中去除至少90％、至少95％、至少99％、至少99.9％、至少99.99％、99.999％或100％的H2、CO2和O2。
根据一个方面，提供了一种从海水中产生氢气、二氧化碳和氧气的方法。方法可以包括将海水引入至电解池的阳极隔室、阴极隔室和中央隔室中的每一个中。方法可以包括将通过中央隔室的流量或跨阳极和阴极的电流中的一个或两者保持在导致来自中央隔室的流出物表现出预定范围内的pH的水平。方法还可以包括将通过阴极隔室的流量保持在减轻阴极上形成垢的水平。方法还可以包括将通过阳极隔室的流量保持在减轻阳极遮蔽的水平。方法另外可以包括从分别来自阳极隔室、中央隔室或阴极隔室中的一个或更多个的流出物中去除氢气、二氧化碳或氧气中的一种或更多种。电解池可以包括阳极，阴极，与阳极间隔开并界定阳极隔室的第一阳离子可渗透流体隔板，与阴极间隔开并界定阴极隔室的第二阳离子可渗透流体隔板，界定在第一阳离子可渗透流体隔板和第二阳离子可渗透流体隔板之间的中央隔室，以及被配置成独立控制海水通过阳极隔室、阴极隔室和中央隔室中的每一个的流量的流量控制系统。
在一些实施方案中，方法还可以包括将通过阴极隔室的流量保持在减轻阴极上形成垢的的最低水平。在一些实施方案中，方法还可以包括将通过阳极隔室的流量保持在减轻阳极的气体遮蔽的最低水平。
从海水中产生氢气、二氧化碳和氧气的方法还可以包括将来自阳极隔室的流出物的一部分引入至阳极隔室的入口中，同时将海水引入至阳极隔室中以减少气体的产生和析出的气体对阳极的遮蔽。在一些实施方案中，方法可以包括将来自阳极隔室的流出物的一部分引入至阴极隔室的入口中，同时将海水引入至阳极隔室中以降低阴极隔室中产生的腐蚀性物质的浓度。在一些实施方案中，方法还可以包括将来自阴极隔室的流出物的一部分引入至阴极隔室的入口中，同时将海水引入至阴极隔室中以减少阴极上垢的形成。在一些实施方案中，方法另外可以包括将来自中央隔室的流出物的一部分引入至中央隔室的入口中，同时将海水引入至中央隔室中以将平衡转向析出CO2气体。
从海水中产生氢气、二氧化碳和氧气的方法可以包括将通过阳极隔室、阴极隔室或中央隔室中的至少一个的流量保持在与通过阳极隔室、阴极隔室或中央隔室中的至少另一个的流量不同的水平。在一些实施方案中，方法还可以包括将通过阴极隔室的流量保持在比通过中央隔室的流量高的流量，以减少阴极上的垢并且降低在阴极隔室中形成的腐蚀性物质例如NaOH的浓度。
本文使用的措辞和术语是为了描述的目的并且不应当被认为是限制性的。如本文使用的，术语“多于一个/种(plurality)”是指两个或更多个项目或部件。术语“包括(comprising)”、“包括(including)”、“携带(carrying)”、“具有(having)”、“包含(containing)”和“涉及(involving)”无论在书面描述还是权利要求及类似物中，都是开放式术语，即意指“包括但不限于”。因此，这样的术语的使用意指涵盖在其后列出的项目及其等同物，以及另外的项目。关于权利要求，仅过渡措辞“由......组成”和“基本上由......组成”分别是封闭的或半封闭的过渡措辞。在权利要求中修饰权利要求要素的序数术语诸如“第一”、“第二”、“第三”及类似术语的使用，本身并不暗示一个权利要求要素相对于另一个的任何优先、在先或顺序或者其中方法的动作被进行的时间顺序，而是仅仅用作标记以区分具有某个名称的一个权利要求要素与具有相同名称(但使用序数术语)的另一个要素以区分开权利要求要素。
已经如此描述了至少一种实施方案的若干个方面，应理解，本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。在任何实施方案中描述的任何特征可以被包括在任何其他实施方案中或替代任何其他实施方案的任何特征。这样的改变、修改和改进意图是本公开内容的一部分，并且意图在本发明的范围内。因此，前述描述和附图仅是作为实例。
本领域技术人员应当理解，本文描述的参数和配置是示例性的，并且实际的参数和/或配置将取决于其中使用所公开的方法和材料的具体应用。本领域技术人员还应当认识到或能够仅使用常规实验确定所公开的具体实施方案的等效物。
Claims (29)
1.一种用于从具有碳酸盐物质的水中产生二氧化碳和氢气的设备，所述设备包括：
阳极隔室；
阳极，其设置在所述阳极隔室的第一侧上；
阴极隔室；
阴极，其设置在所述阴极隔室的第一侧上；
第一阳离子可渗透流体隔板，其设置在所述阳极隔室的第二侧上；
第二阳离子可渗透流体隔板，其设置在所述阳离子隔室的第二侧上；
中央隔室，其被界定在所述第一阳离子可渗透流体隔板和所述第二阳离子可渗透流体隔板之间；以及
流量控制系统，其被配置成独立地控制水通过所述阳极隔室、所述阴极隔室和所述中央隔室中的每一个的流量。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括可流体地连接至所述阳极隔室、所述阴极隔室和所述中央隔室中的每一个的水源。
3.根据权利要求1所述的设备，还包括pH传感器，所述pH传感器设置在所述中央隔室的下游并且被配置成测量来自所述中央隔室的流出物的pH。
4.根据权利要求3所述的设备，还包括控制器，所述控制器被配置成从所述pH传感器接收来自所述中央隔室的所述流出物的pH的测量值，并且调节通过所述中央隔室的水的流量或跨所述阳极和所述阴极施加的电流中的一个或两者，以将来自所述中央隔室的所述流出物的pH保持在预定水平。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述预定水平是来自所述中央隔室的所述流出物中的大部分的碳酸盐物质作为H2CO3存在的水平。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述控制器被配置成将来自所述中央隔室的所述流出物的pH保持在从约2.5至约6.5的范围内。
7.根据权利要求1所述的设备，还包括电导率传感器，所述电导率传感器被配置成测量来自所述阳极隔室、所述阴极隔室和所述中央隔室的一种或更多种流出物的电导率。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述控制器还被配置成响应于来自所述电导率传感器的电导率测量值来调节通过所述阴极隔室的水的流量。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述控制器还被配置成响应于来自所述电导率传感器的电导率测量值来调节从所述阳极隔室到所述阴极隔室的流出物的流量。
10.根据权利要求7所述的设备，其中所述控制器还被配置成将通过所述阴极隔室的水的流量调节到不会导致在所述阴极上形成垢的流量。
11.根据权利要求7所述的设备，其中所述控制器还被配置成响应于来自所述电导率传感器的电导率测量值来调节通过所述阳极隔室的水的流量。
12.根据权利要求7所述的设备，其中所述控制器还被配置成将通过所述阳极隔室的水的流量最小化到不会导致所述阳极遮蔽的流量。
13.根据权利要求1所述的设备，还包括再循环管线，所述再循环管线被配置成将来自所述阳极隔室的流出物的至少一部分再循环到所述阳极隔室的入口。
14.根据权利要求1所述的设备，还包括再循环管线，所述再循环管线被配置成将来自所述阴极隔室的流出物的至少一部分再循环到所述阴极隔室的入口。
15.根据权利要求14所述的设备，还包括第二再循环管线，所述第二再循环管线被配置成将来自所述阳极隔室的流出物的至少一部分再循环到所述阴极隔室的所述入口。
16.根据权利要求1所述的设备，还包括再循环管线，所述再循环管线被配置成将来自所述中央隔室的流出物的至少一部分再循环到所述中央隔室的入口。
17.根据权利要求1所述的设备，还包括再循环管线，所述再循环管线被配置成将来自所述中央隔室的流出物的至少一部分再循环到所述阳极隔室的入口和所述阴极隔室的入口中的一个或两者。
18.根据权利要求1所述的设备，还包括气体回收系统，所述气体回收系统被配置成从来自所述阳极隔室、所述阴极隔室或所述中央隔室的所述流出物中的一种或更多种中去除氢气、二氧化碳或氧气中的一种或更多种。
19.根据权利要求18所述的设备，其中所述气体回收系统包括一个或更多个真空汽提器。
20.根据权利要求1所述的设备，其中所述阳极包括析氧包覆层，所述析氧包覆层包含铱低氧化物、Magneli相二氧化钛、不锈钢、铱钴(Ir-Co)、铱钽(Ir-Ta)或其他铱物质或钽物质中的一种。
21.一种从海水中产生氢气、二氧化碳和氧气的方法，所述方法包括：
将所述海水引入至电解池的阳极隔室、阴极隔室和中央隔室中的每一个中，所述电解池包括：
阳极；
阴极；
第一阳离子可渗透流体隔板，其与所述阳极间隔开并界定所述阳极隔室；
第二阳离子可渗透流体隔板，其与所述阴极间隔开并界定所述阴极隔室；
中央隔室，其被界定在所述第一阳离子可渗透流体隔板和所述第二阳离子可渗透流体隔板之间；以及
流量控制系统，其被配置成独立地控制海水通过所述阳极隔室、所述阴极隔室和所述中央隔室中的每一个的流量；
将通过所述中央隔室的流量或者跨所述阳极和所述阴极的电流中的一个或两者保持在导致来自所述中央隔室的流出物表现出在预定范围内的pH的水平；以及
将通过所述阴极隔室的流量保持在减轻在所述阴极上形成垢的水平；
将通过所述阳极隔室的流量保持在减轻所述阳极遮蔽的水平；以及
分别从来自所述阳极隔室、所述中央隔室或所述阴极隔室中的一个或更多个的流出物中去除氢气、二氧化碳或氧气中的一种或更多种。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括将通过所述阴极隔室的所述流量保持在减轻在所述阴极上形成垢的最低水平。
23.根据权利要求21所述的方法，还包括将通过所述阳极隔室的所述流量保持在减轻所述阳极遮蔽的最低水平。
24.根据权利要求21所述的方法，还包括将来自所述阳极隔室的流出物的一部分引入至所述阳极隔室的入口中，同时将所述海水引入至所述阳极隔室中。
25.根据权利要求21所述的方法，还包括将来自所述阳极隔室的流出物的一部分引入至所述阴极隔室的入口中，同时将所述海水引入至所述阳极隔室中。
26.根据权利要求21所述的方法，还包括将来自所述阳极隔室的流出物的一部分引入至所述阳极隔室的入口中，同时将所述海水引入至所述阳极隔室中。
27.根据权利要求21所述的方法，还包括将来自所述中央隔室的所述流出物的一部分引入至所述中央隔室的入口中，同时将所述海水引入至所述中央隔室中。
28.根据权利要求21所述的方法，还包括将通过所述阳极隔室、所述阴极隔室或所述中央隔室中的至少一个的所述流量保持在与通过所述阳极隔室、所述阴极隔室或所述中央隔室中的至少另一个的流量不同的水平。
29.根据权利要求28所述的方法，还包括将通过所述阴极隔室的所述流量保持在比通过所述中央隔室的所述流量高的流量。
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