一种在电解池中制备氢气的方法和装置

要求优先权

本申请要求2021年6月1日提交的美国临时专利申请第63/195,543号的优先权，其全部内容通过引用纳入本文。

技术领域

本发明涉及在电解池中制备氢气。

背景技术

电解池包括一对电极和液体电解质，通常是水。操作时，电解池电解液体，在阴极产生氢气，在阳极产生氧气。产生的氢气和氧气可以作为燃料供应给燃料电池。

在电解过程中，电极处会形成气泡。虽然气泡浓度不高，但这些气泡被认为是不可取的，因为它们会阻塞电极表面和离子传导通路，导致能量损失。参见Argulo等人，“气泡对电化学反应器能量转换效率的影响”(Influence of Bubbles on the Energy ConversionEfficiency of Electrochemical Reactors)，Joule，4(3):555-579(2020年3月18日)。已经提出了几种通过促进气泡分离来解决这个问题的方法，包括改变电极表面、调整电解质组成、诱导电解质中的流动以及向电池施加磁能或超声能量。出处同上。

发明内容

发明人发现，将高浓度纳米气泡引入电解池中令人惊讶地提高了氢气生产效率。不受理论束缚，认为高纳米气泡浓度的存在增加了可电解液体体积中的电荷密度，从而在空间上扩展了受电势影响的区域。高纳米气泡浓度也会增加电极和电解质之间的相互作用。因此，电阻降低，产生氢气所需的能量减少，从而降低了总体成本。因此，本发明在第一个方面描述了一种制备氢气的方法，该方法包括：(a)将浓度为至少10

纳米气泡浓度表示为纳米气泡数/cm

纳米气泡发生器可以位于电解池内(例如，浸入可电解液体中)或电解池外(例如，作为与电解池液体连通的单独模块)。在一些实施方式中，纳米气泡发生器和电解池位于共用壳体内。

在一些实施方式中，该方法还包括随着氢气的产生或在预定时间后从电解池中提取氢气。将氢气储存在电解池中并在需要时提取氢气的能力使电解池能够充当储能设备。

电解池产生的氢气可以作为“燃料”提供给燃料电池，然后燃料电池产生能量。通过减少生产氢气“燃料”所需的能量，该方法提高了燃料电池能量生产的整体效率。

在一些实施方式中，电解池还产生氧气，其可以随着氧气的产生或在预定时间后从电解槽中提取。

纳米气泡充满气体。在一些实施方式中，气体选自下组：空气、氮气、二氧化碳、NO

含氢的可电解液体可包括水、氨、废水或其组合。液体可包含盐。本文所用的“废水”包括但不限于城市废水、工业废水、雨水、黑水、灰水、发酵或采矿过程的工艺用水，或它们的组合。在一些实施方式中，废水包括氨。使用废水作为可电解液体提供了一种方便的处理废水以去除污染物的方法，同时为电解池提供了易于水解的氢源。

纳米气泡发生器可以具有多种构造，采用多种装置来产生纳米气泡。在一个示例中，所述纳米气泡发生器包括：(a)具有第一端和第二端的细长壳体，该壳体界定了液体入口、液体出口和适于接收来自液体源的液体载体的内腔；(b)至少部分设置在壳体内腔内的透气构件，所述透气构件具有适于从气源接收加压气体的开口端、封闭端和在开口端和封闭端之间延伸的多孔侧壁，所述透气构件限定出内表面、外表面和腔室(lumen)。对壳体和透气构件进行构造使得来自液体源的液体载体从液体入口向液体出口平行于透气构件的外表面流动时的流速大于液体的湍流阈值，以产生湍流条件，从而使液体从透气构件的外表面剪切气体，在液体载体中形成纳米气泡。例如，壳体和透气构件可以被构造为产生至少2m/s的流速。该发生器在美国专利号10,591,231和10,598,447中进行了描述，标题为“液体载体中含有纳米气泡的组合物”(Compositions Containing Nano-Bubbles in a LiquidCarrier)，这些专利被转让给与本申请相同的受让人，通过引用将其全文纳入本文。

如2021年2月18日提交的题为“纳米气泡发生器”(Nano-Bubble Generator)的U.S.S.N.63/150,973所述(该专利被转让给与本申请相同的受让人，通过引用全文并入本文)，所述纳米气泡发生器还可以包括至少一个电导体，当液体载体从液体入口流向液体出口时，该电导体适于产生平行于透气构件(可能是导电的)外表面的磁通量。在一些实施方式中，该电导体为电磁线圈的形式。在一些实施方式中，该纳米气泡发生器可以包括适于使液体载体在从液体入口流向液体出口时旋转的螺旋形部件。在一些实施方式中，螺旋形部件可以包括适于在液体载体从液体入口流向液体出口时产生平行于透气构件外表面的磁通量的电磁线圈。在一些实施方式中，纳米气泡发生器还包括位于壳体内腔的水翼(hydrofoil)。

纳米气泡发生器的另一个例子(也描述于U.S.S.N.63/150,973)包括(a)包括第一端和第二端的细长壳体，该壳体还包括内腔和适于将加压气体从气源引入内腔的气体入口；(b)至少部分设置在壳体内腔内的透气构件，该透气构件包括适于从液体源接收液体的液体入口、液体出口和在液体入口和液体出口之间延伸的多孔侧壁，该透气构件限定出内表面、外表面和液体流经的内腔；(c)至少一个电导体，当液体载体从液体入口流向液体出口时，所述至少一个电导体适于产生平行于透气部件内表面的磁通量。对壳体和透气构件进行构造，使得来自液体源的液体载体从液体入口向液体出口平行于透气构件的内表面流动时的流速大于液体的湍流阈值，以产生湍流条件，从而使液体从透气构件的内表面剪切气体，在液体载体中形成纳米气泡。

2020年3月13日提交的题为“潜水式非气泡发生装置和方法”(Submersible Non-Bubble Generating Device and Method)的U.S.S.N.16/818,217中描述了合适的纳米气泡发生器的另一个示例，该专利转让给与本申请相同的受让人，通过引用将其全部纳入本文。所述纳米气泡发生器包括：(a)具有可旋转轴的电机；(b)可轴向旋转透气构件，包括具有壁和多个孔的主体，通过这些孔引入所述可轴向旋转透气构件的气体可以流动，所述可轴向旋转透气构件可连接到气体入口，用于将气体从气源引入该可轴向旋转透气构件，该可轴向旋转透气构件连接到电机的可旋转轴上并适于与所述可旋转轴一起旋转；(c)可旋转的管支撑体，包括具有壁和限定出内腔的细长体。所述壁限定出多个穿孔。可旋转的管支撑体的内腔构造为容纳所述可轴向旋转透气构件。可旋转的管支撑体连接至电机的可旋转轴并可与电机的可旋转轴一起旋转。可旋转的管支撑体在旋转时适于将液体引入可旋转的管支撑体的内腔，并将液体从可旋转透气构件的主体外表面移除。可轴向旋转透气构件在旋转时适于模拟液体中湍流阈值以上的湍流，使液体从可轴向旋转透气构件的外表面剪切气体，从而在液体中形成纳米气泡。

还描述了一种用于制备氢气的装置，其包括：(a)能够产生至少10

附图和以下说明进一步详细说明了本发明的一种或多种实施方式。从说明书、附图以及权利要求中可以明显看出本发明的其他特征、目的和优点。

附图说明

图1是根据本发明一个实施方式的制备氢气的方法及装置的示意图。

图2是用于生产包括分散在液体载体中的纳米气泡的组合物的示例性装置的示意图。

图3是用于生产包括分散在液体载体中的纳米气泡的组合物的第二示例性装置的分解透视图。

图4A是用于生产包含分散在液体载体中的纳米气泡的组合物的第三示例性装置的顶视图。

图4B是图1A的装置的横截面侧视图。

图4C是图1A的装置的分解图。

图5是用于生产包括分散在液体载体中的纳米气泡的组合物的示例性装置的示意图。

具体实施方式

参考图1，示出了氢气制备系统100，其包括与电解池104连通的纳米气泡发生器102。如图1所示，纳米气泡发生器102和电解池104是包含在共用壳体110内的独立模块。然而，在一些实施方式中，纳米气泡发生器可以包括(例如，浸没)在电解池104的电解质105中。在其它实施方式中，电解池可以包括在纳米气泡发生器内。在又一个其他实施方式中，纳米气泡发生器和电解池是独立的模块，但不包含在共同的壳体内。

为了产生纳米气泡，气源101和含氢液体源107被输入到纳米气泡发生器102。合适气体的实例包括空气、氮气、二氧化碳、NO

纳米气泡发生器102产生组合物103并将该组合物输入电解池104，该组合物包括分散在液体载体中的高浓度纳米气泡。纳米气泡的浓度为至少10

电解池104包括阳极106a和阴极106b。电解池104在阴极106b处将含氢液体载体中的氢还原为氢气。这样产生的氢气可以通过管路109输入到燃料电池112。或者，可以被回收或引入燃气涡轮机等设备。氢气可以在产生时被提取。或者，可以保持储存在电解池104中，并在需要时提取。此时，电解池104用作能量存储介质。

在电解池104的阳极106a处发生氧化。当液体载体为水性载体时，载体的氧化在阳极106a处生成氧气。氧气可以通过管线108回收，并用作形成纳米气泡的气源。或者，可以将氧气供应给燃料电池112。

多种纳米气泡发生器可用于生产含纳米气泡的组合物。如图2所示并在前述美国专利10,591,231和10,598,447中描述的一个示例的特征在于示例性装置10，其包括圆柱形的外壳12。多孔、透气的陶瓷管20横跨壳体12的端壁22之间，并在两端受到刚性支撑。在管20和端壁22之间设置包括O形圈的密封结构24。

壳体的入口在26处，壳体的出口在28处。泵30连接到入口26，并且压力调节器32在泵30和入口26之间。喷射泵34和压力表36连接到出口28。压力下的气源38通过压力调节器40、流量计42和/或密封结构24连接到管20的入口44。需要注意的是，管20在与入口44相对的端部封闭。装置10可以任选地包括螺旋形部件46，其伸入流动的液体中并增强由入口位置引起的湍流。该装置被构造为产生高于湍流阈值的流量，例如，至少2m/s的流速。高于湍流阈值的湍流具有两个功能：a)从管20的表面剪切新生气泡；b)从管20表面附近除去新形成的气泡。装置10的壳体12内的湍流实现了这两个目标。

合适的纳米气泡发生器的第二个示例对于纳米气泡发生器浸没在电解池内的系统特别有用，如图3所示并在前面提到的U.S.S.N.16/818,217中进行了描述，其通过引用纳入本文。如图3所示，装置300包括底座301、连接到底座301的驱动机构350、连接到底座301的保护壳体302、设置在保护壳体302内的可旋转透气部件303、以及间接连接到可旋转透气部件303的气体入口304(其任选地包括管件304a和/或气体管件304b)(例如，气体入口304可以通过支架307、旋转接头305和/或板308间接连接可旋转透气部件)。在一些实施方式中，装置300还包括与可旋转透气部件303连接的管支撑件306，以减少或消除可旋转透气部件303上的扭转力矩(twisting moment)。驱动机构350可以提供旋转。驱动机构350包括可旋转组件350a。在一些实现方式中，驱动机构350是电机，可旋转组件350a是可旋转轴。在一些实现方式中，驱动机构350是齿轮箱，可旋转组件350a是齿轮轴。

保护壳体302由在第一端302b和第二端302c之间延伸的侧壁302a限定。第一端302b连接到底座301。保护壳体302限定多个穿孔302d，这些穿孔被构造成使液体通过保护壳体302的侧壁302a。

可旋转的透气构件303具有限定纵轴“X1”的主体，并且可以绕纵轴X1轴向旋转。所述可旋转透气构件303与驱动机构350的可旋转组件350a(例如，电机的可旋转轴或齿轮箱的齿轮轴)连接，使得可旋转透气构件303与驱动机构350的可旋转组件350a一起旋转。

合适的纳米气泡发生器的第三个示例示于图4A-4C中，并在前述的U.S.S.N.63/150,973中进行了描述，其通过引用纳入本文。如图4A-4C所示，装置400包括壳体401、透气构件403和电导体405。细长壳体401由第一端401a、第二端401b和适于从液体源接收液体载体的内腔限定。壳体401包括入口和出口。第一端401a可以是入口，第二端401b可以是出口。

装置400包括至少部分设置在壳体401的内腔内的透气构件403。透气构件403限定出内表面、外表面和腔室。透气构件403可以包括适于从气源接收加压气体的第一端403a、第二端403b、以及在第一端和第二端403a、403b之间延伸的多孔侧壁403c。透气构件403的第一端403a可以是开放端，透气构件403的第二端403b可以是封闭端。壳体401可以连接到安装座451，例如，壳体401的第一端401a可以连接到安装座451。安装座451可以为其连接组件提供流体入口和/或出口端口。例如，安装座451可以限定端口451a，该端口与透气构件403的第一端403a流体连通。

对壳体401和透气构件403进行设置，使得来自液体源的液体载体从液体入口向液体出口平行于透气构件403的外表面流动时的流速大于液体的湍流阈值，以产生湍流条件，从而使液体从透气构件的外表面剪切气体，在液体载体中形成纳米气泡。

如图4A-C所示，装置400包括位于壳体401的内腔中的螺旋形部件(例如，螺旋电极)形式的电导体405。当液体载体从壳体401的液体入口流向液体出口时，电导体405适于产生平行于透气构件403的外表面的磁通量。优选地，电导体405适于产生高频振荡磁通量。

装置400可以任选地包括水翼450，其形状可诱导流经装置400的液体载体的旋转。在一些实施方式中，水翼450被成形(例如，具有锥形和/或曲面)以在流经装置400的液体载体中诱导超空化(super-cavitation)。例如，水翼450可以被成形，以在流经装置400的流体中基于水翼450的表面和水翼450下游的湍流后缘产生高湍流区域。在该公开中，术语“下游”和“上游”与液体载体(例如通过装置400)的整体流动方向有关。例如，在图4A-B中，液体载体通过装置400的整体流动方向是从左向右，因此“下游”与“向右”相关，而“上游”与“向左”相关。

合适的纳米气泡发生器的第四个示例示于图5中，并在前述的U.S.S.N.63/150,973中进行了描述，其通过引用纳入本文。如图5所示，装置1200包括适于接收来自气源的气体的壳体1201和适于接收来自液体源的液体载体的透气构件1203。透气构件1203可以与透气构件20(如图2所示)基本相似。液体流入透气构件1203，并且气体在装置1200中围绕透气构件1203的外表面流动。气体通过孔隙流入透气构件1203的腔室，产生纳米气泡，这些纳米气泡被剪切并分散到透气构件1203内流动的液体中。

装置1200的壳体1201包括第一端1201a和第二端1201b，第一端和第二端是封闭端。气体从来源经由壳体1201限定的端口1201c流入壳体1201的内腔。尽管如图5所示位于壳体1201的中间附近，但端口1201c可以位于壳体1201的任何点，只要端口1201c为气体进入壳体1201的内腔提供进入点即可。

透气构件1203具有第一端1203a，其可用作适于接收液体载体的液体入口。透气构件1203包括允许气体通过其壁的孔隙。透气构件1203被封闭在壳体1201的内腔内，使得壳体内的气体流过透气构件1203的壁。施加压力使气体流过透气构件1203的孔隙并进入透气构件1203的腔室。当气体流过透气构件1203的孔隙时，形成纳米气泡。流经透气构件1203的腔室的液体载体在纳米气泡形成时从透气构件1203的内表面剪切纳米气泡。透气构件1203的第二端1203b可以是开放端，或者是用于排出携带形成的纳米气泡的液体载体的出口。

图5的装置1200包括位于壳体1201外部的电磁线圈(例如定子)形式的电导体1205。电导体1205围绕着透气构件1203的至少一部分，并且位于端口1201c的上游。如上所述，一个或多个电导体可以通过多种方式实现。

装置1200可以任选地包括组件(例如，螺旋形部件和/或水翼)以诱导流经透气构件1203的液体旋转，如本文前面所述。任选的组件可以位于壳体1201的内腔内。

描述了本发明的许多实施方式。然而，应理解，可进行各种改进而不背离本发明的精神和范围。因此，其它实施方式包括在所附权利要求书的范围内。