背景技術(shù)：

1、本發(fā)明涉及發(fā)生在流體溶液(諸如電解質(zhì))與反應(yīng)性表面(諸如電極或催化材料)之間的接觸區(qū)域處的氣體形成化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，并且其中在氣體(諸如在上述反應(yīng)期間產(chǎn)生的氣體)與相同反應(yīng)性表面之間的接觸區(qū)域處不可能發(fā)生相同的化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、氣候變化是當(dāng)今世界面臨的最大威脅之一。諸如洪水、颶風(fēng)、火災(zāi)和熱浪等極端天氣事件變得越來越普遍，因?yàn)榇髿饫^續(xù)被燃燒化石燃料產(chǎn)生的溫室氣體污染。因此，必須為地球提供污染能源的替代方案，并且具有高排放的國家必須從污染化石燃料的使用轉(zhuǎn)變。

2、21世紀(jì)中后期實(shí)現(xiàn)凈零排放對發(fā)展中國家和發(fā)達(dá)國家來說是最重要的。這些雄心勃勃的目標(biāo)的一個組成部分是無碳燃料和能源。諸如太陽能和風(fēng)能的可再生能源能夠提供綠色電力，然而，當(dāng)消費(fèi)者需要使用電力時，所產(chǎn)生的電力并不總是能夠被存儲和可用，并且這些能源單獨(dú)不能快速、有效且低成本地替代化石燃料。

3、氫是具有儲存能量供以后使用的能力的燃料。氫具有許多優(yōu)點(diǎn)，諸如不產(chǎn)生任何污染(其副產(chǎn)物是水)、其被壓縮成能量密集的燃料的能力、以及其在世界上民主化能量可用性的潛力。此外，氫可以儲存能量作為大規(guī)模電池或其他儲存電力的方法的替代方案。強(qiáng)大的氫經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將使目前依賴于其他國家的國家自由獲得化石燃料，并且如果與可再生能源結(jié)合，將大大降低利用燃料的任何國家的碳足跡。

4、在涉及在表面上形成氣泡的化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)期間，通常在反應(yīng)的流體溶液(諸如電解質(zhì))與感興趣的表面(諸如電極)的接觸區(qū)域處發(fā)生氣體形成反應(yīng)。隨著氣泡在反應(yīng)性表面上生長，當(dāng)氣泡上的浮力和/或其他力超過毛細(xì)力時，它們最終以概率分布的尺寸被移除。然而，當(dāng)氣泡在感興趣的表面上形成時，隨后在上述反應(yīng)期間產(chǎn)生的氣體與感興趣的表面之間的接觸區(qū)域處不再可能發(fā)生反應(yīng)。此外，如果反應(yīng)的流體溶液不與感興趣的表面接觸足以允許反應(yīng)動力學(xué)發(fā)生的持續(xù)時間(諸如如果溶液以高流速流過表面，則是這種情況)，則氣體將不會形成或可能次優(yōu)地產(chǎn)生。

5、當(dāng)向上作用的主要浮力(fb)、氣體動量力(fm)和毛細(xì)管剪切力(fs)克服向下作用的主要毛細(xì)力(fσ)以及阻力(fd)和慣性力(fi)時，氣泡將從反應(yīng)性表面分離。

6、已知的是系統(tǒng)電解質(zhì)的穩(wěn)定流動對電解系統(tǒng)的效率有影響。在涉及在兩個不同電極的表面處形成氫氣和氧氣氣泡的電解期間，氣泡的形成將阻斷電極表面上的反應(yīng)動力學(xué)，直到氣泡自然地破壞毛細(xì)力或電解質(zhì)跨電極的流動中移除。相反，高流量的電解質(zhì)將降低可用的反應(yīng)時間并顯著降低系統(tǒng)的效率。

7、在已知的研究中沒有解決的是在電化學(xué)反應(yīng)期間移除時氣泡尺寸的分布、流體效率低下、氣泡生長速率與流體壓力的關(guān)系、氣泡和電極之間的毛細(xì)力的影響、并且特別是流體溶液流動的任何周期性、反應(yīng)動力學(xué)對所用流速的不利影響、或氣泡尺寸與可用反應(yīng)性表面積的比率考慮。

8、流體壓力影響氣泡的生長速率。隨著壓力增加，氣泡生長速率成比例地降低，這提供了用脈動流體流成功地對最佳尺寸的氣泡的移除進(jìn)行定時的更大可能性。

9、在彎曲通道內(nèi)流動的流體將在通道的內(nèi)部曲線上經(jīng)歷相對于通道的外部曲線上的流體速度更高的流體速度；并且因此，彎曲通道在通道的內(nèi)部曲線上經(jīng)歷相對于外部曲線上的流體壓力更低的流體壓力。該壓差已被公式化為：

10、

11、其中r是曲線半徑，v是流體速度，并且ρ是流體粘度。

12、當(dāng)氣泡在這種彎曲的流體流動環(huán)境中生長時，產(chǎn)生跨氣泡的壓差。這導(dǎo)致浮力從高壓指向低壓，這可以降低對破壞將氣泡從其反應(yīng)性表面移除所需的毛細(xì)力的附加力的要求。

13、本發(fā)明包括通過控制反應(yīng)性表面上氣泡的形成來降低系統(tǒng)能量需求的新方法。與期望的化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)相關(guān)的流體以與期望比例的氣泡作為反應(yīng)的一部分生長到特定直徑并且處于特定流體壓力所需的平均時間一致的流速或頻率跨反應(yīng)性表面周期性地流動或脈動。所使用的流體流速足以破壞氣泡在上述特定直徑的反應(yīng)性表面上的毛細(xì)力。在周期性流體流動或脈動之間的時間段期間，流體不流動或處于足夠低的流速以允許足夠的反應(yīng)動力學(xué)。

14、本文描述了用于以流動流體的最佳流速、脈動頻率和持續(xù)時間以及流體通道設(shè)計(jì)特性為目標(biāo)的系統(tǒng)和方法，以降低對于任何給定的流體壓力和粘度支持氣態(tài)產(chǎn)物反應(yīng)所需的能量。這些特性的優(yōu)化可以通過在表面上形成氣泡的氣態(tài)產(chǎn)物的反應(yīng)動力學(xué)的計(jì)算、隔離調(diào)整每個特性對能量輸入對輸出的影響的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)、以及調(diào)整動態(tài)可控輸入特性以優(yōu)化能量輸出對能量輸入的反應(yīng)的系統(tǒng)性控制來全部或部分地確定。

15、在一些實(shí)施例中，確定流體壓力或流體粘度中的至少一個。例如，放置在流體內(nèi)的一個或多個傳感器可以提供測量，根據(jù)該測量可以確定流體的壓力和/或粘度。然后選擇氣泡尺寸的概率分布，并且基于所確定的壓力和/或粘度，計(jì)算在所選擇的氣泡尺寸的概率分布下從反應(yīng)性表面移除氣泡所需的流體跨表面的最佳流速。然后將流體跨反應(yīng)性表面的流速調(diào)整到最佳流速。在一些情況下，響應(yīng)于優(yōu)化相對于測量的能量輸入測量的能量輸出而調(diào)整流體的流速。

16、在一些實(shí)施例中，在其上形成氣泡的反應(yīng)性表面可以是凹曲面。流體可以在腔或流體通道內(nèi)持續(xù)泵送，所述腔或流體通道靠近凹曲面的彎曲方向并且在方向上平行于凹曲面的彎曲方向。腔或流體通道可以具有足夠的橫截面空間，以允許流體在與彎曲表面區(qū)域平行的方向上流動，使得流體在腔或流體通道的不最靠近反應(yīng)性表面的區(qū)域中更快地流動。

17、在一些實(shí)施例中，調(diào)整流速包括使流體以最佳流速周期性地跨反應(yīng)性表面脈動。在周期性脈動之間，流體流速的速度處于或接近零速度。當(dāng)反應(yīng)性表面處的流體壓力增加時，脈動流體的周期性可以增加，以與增加的流體壓力內(nèi)氣泡的減小的生長速率一致或補(bǔ)償增加的流體壓力內(nèi)的氣泡的減小的生長速率。

18、在一些實(shí)施例中，流體的脈動通過使用活塞泵、閥致動流體通道、蠕動泵或能夠周期性地使流體脈動的其他系統(tǒng)來完成。

19、在一些實(shí)施例中，流體的速度由系統(tǒng)的入口和/或出口中的一個或兩個處的流量計(jì)監(jiān)測。

20、在一些實(shí)施例中，通過監(jiān)測與反應(yīng)的流體壓力成比例的電能(伏特、電流和瓦特)和熱能(開爾文)形式的系統(tǒng)的能量消耗來控制脈動頻率的定時。

技術(shù)特征：

1.一種優(yōu)化氣體形成化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)的方法，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述反應(yīng)性表面是凹曲面，所述方法還包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中調(diào)整所述流體的所述流速包括：使所述流體以所述最佳流速跨所述氣泡形成反應(yīng)性表面周期性地脈動，以從所述反應(yīng)性表面移除氣泡，并且其中所述周期性脈動之間的所述流速為零速度或接近零速度。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述脈動的流體的周期性隨著所述反應(yīng)性表面處的流體壓力增加而增加，以與所增加的流體壓力內(nèi)氣泡的降低的生長速率相一致。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述流體的脈動使用活塞泵來完成。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述流體的脈動使用閥致動的流體通道來完成。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述流體的脈動使用蠕動泵來完成。

9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，還包括：通過監(jiān)測與所述流體壓力成比例的電能和熱能形式的能量消耗，來控制所述流體的脈動的周期性。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括：

11.一種用于優(yōu)化氣體形成化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)，包括：

12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述控制電路還被配置為：

13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述反應(yīng)性表面是凹曲面，并且其中所述控制電路還被配置為：

14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中被配置為調(diào)整所述流體的所述流速的所述控制電路還被配置為：使所述流體以所述最佳流速跨所述氣泡形成反應(yīng)性表面周期性地脈動，以從所述反應(yīng)性表面移除氣泡，并且其中所述周期性脈動之間的所述流速為零速度或接近零速度。

15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述控制電路還被配置為：隨著所述反應(yīng)性表面處的流體壓力增加而增加所述脈動的流體的周期性，以與所增加的流體壓力內(nèi)氣泡的降低的生長速率相一致。

16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述流體的脈動使用活塞泵來完成。

17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述流體的脈動使用閥致動的流體通道來完成。

18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述流體的脈動使用蠕動泵來完成。

19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述控制電路還被配置為：通過監(jiān)測與所述流體壓力成比例的電能和熱能形式的能量消耗，來控制所述流體的脈動的周期性。

20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述控制電路還被配置為：

技術(shù)總結(jié)
與期望的化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)相關(guān)的流體，以與期望比例的氣泡作為反應(yīng)的一部分生長到特定直徑所需的平均時間相一致的流速或頻率，跨反應(yīng)性表面持續(xù)地流動或周期性地脈動。所使用的流體流速足以破壞氣泡在上述特定直徑處的反應(yīng)性表面上的毛細(xì)力。如果是脈動的，則在周期性流體流動或脈動之間的時間段期間，流體不流動或處于足夠低的流速以允許足夠的反應(yīng)動力學(xué)。使反應(yīng)性表面和流體流動通道彎曲還可以降低氣泡的表面張力，降低以最佳尺寸移除氣泡所需的流體流動力，從而降低泵送流體的能量需求。

技術(shù)研發(fā)人員：布魯斯·桑托斯,邁克爾·肯尼,克勞斯·法爾蘭德
受保護(hù)的技術(shù)使用者：海事海豚企業(yè)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19