專利名稱：用來生產(chǎn)氣體的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用來生產(chǎn)氣體的方法和設備。更具體地、但不是排它地，本發(fā)明涉及電解槽和電解方法，其中，可燃氣體(如氫氣和氧氣)通過含水電解溶液的電解而生產(chǎn)，并且在生產(chǎn)時保持分離。
背景技術：
電解槽使用電力將水轉換成氣相的氫和氧。一種已知的電解槽包括質子交換膜，以便分離通過電解過程生產(chǎn)的氫氣和氧氣。電解槽還包括陽極和陰極，該陽極沿質子交換膜的第一正面定位，該陰極沿質子交換膜的相對的第二正面定位。一種已知的質子交換膜是半滲透膜，該半滲透膜一般由離子交換聚合物制成，并且設計成，在對于氣體(如氧氣和氫氣)是不可透過的同時，傳導質子。質子交換膜可由純聚合物膜或由復合膜制成，其中，其它材料嵌在聚合物基體中。已知質子交換膜的首要缺點是膜的高成本，因為它要求使用貴金屬催化劑(典型地是鉬)來分離氫的電子和質子。鉬催化劑對于一氧化碳中毒也極為敏感，使得如果氫氣是從乙醇或烴燃料中導出的，則必須采用另外的反應器，以減少燃料氣體中的一氧化碳。這又增大了已知質子交換膜的使用成本。已知質子交換膜的另一些缺點是它們在較低濕度下的傳導性不良、而且它們在高于近似100° C的溫度下的機械性能不良。這些膜的操作溫度比較低，并且接近100° C的溫度并非高得足以進行有用余熱發(fā)電(cogeneration)。已知質子交換膜的另一個缺點是，當跨過槽施加的電壓升高時，由于不能良好地從膜除去氣體，質子交換膜的效率降低。而且，電極不能太近地堆疊在一起，因為這將阻止從膜除去氣體。在本說明書中，術語“可燃流體”在其范圍內(nèi)包括可燃氣體，該可燃氣體主要包含氣相的氫氣和/或氧氣。發(fā)明目的相應地，本發(fā)明的目的是提供用來生產(chǎn)氣體的方法和設備——借助于所述方法和設備可以克服以上缺點，并且所述方法和設備對于用來生產(chǎn)氣體的已知電解槽和電解方法而言是有用的替代方案。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用來在電解過程期間從電解溶液生產(chǎn)可燃流體的方法，該方法包括如下步驟:-提供電解溶液；-提供電解設備，該電解設備具有間隔開的第一可透過電極和第二可透過電極，所述第一可透過電極和第二可透過電極之間限定腔室，該腔室具有至少一個進口 ；-使溶液經(jīng)進口 進入腔室中；以及
-跨過各電極將電壓施加至設備，以使在腔室中的溶液電解，從而第一可燃流體形成在第一電極上，并且第二可燃流體形成在第二電極上，并且第一可燃流體經(jīng)第一電極從腔室中流出，并且第二可燃流體經(jīng)第二電極從腔室中流出。可燃流體可以是氫化和氧化流體，更具體地說，可燃流體可以是氫氣和氧氣。各可透過電極都可以是開孔的或有孔的。各可透過電極都還可以是網(wǎng)狀或泡沫材料的。各可透過電極都可以由316不銹鋼或鎳材料制成。第一電極和第二電極可以相互非常接近地設置并且可以大致平行。第一可透過電極和第二可透過電極可以具有正確和預定的敞開與封閉面積比值(也稱作PPI (每平方英寸微孔數(shù)))，該比值可以隨進口尺寸以及提供給設備的溶液的壓力而改變。 第一可透過電極和第二可透過電極可以是一個可透過電極組，并且設備可以包括多個可透過電極組，所述多個可透過電極組都具有類似構造。電解設備可以限定至少一個進口通路，該至少一個進口通路與全部進口流體流動連通，并且所述方法可以包括如下步驟:使溶液經(jīng)進口通路進入全部可透過電極組的腔室中。第一可燃流體出口通路可以與全部可透過電極組的全部第一可燃流體出口流體流動連通，并且第二可燃流體出口通路可以與全部可透過電極組的全部第二可燃流體出口流體流動連通，布置是這樣的，從而在第一電極上形成的第一可燃流體經(jīng)第一可燃流體出口通路從設備流出，并且在第二電極上形成的第二可燃流體經(jīng)第二可燃流體出口通路從設備流出。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種電解設備，在該電解設備中，在電解過程中從電解溶液生產(chǎn)可燃流體，該電解設備包括:-間隔開的第一可透過電極和第二可透過電極，在這些電極之間限定進口腔室；-進入進口腔室中的至少一個進口，用來使電解溶液進入所述進口腔室中；-在電極組的第一側上的第一可燃流體腔室、和在電極組的第二側上的第二可燃流體腔室；以及-來自第一可燃流體腔室的第一可燃流體出口、和來自第二可燃流體腔室的第二可燃流體出口 ；布置是這樣的，從而電解溶液經(jīng)進口進入進口腔室中，在該處發(fā)生電解；并且從而第一可燃流體形成在第一電極上；并且從而第二可燃流體形成在第二電極上；并且進一步從而第一可燃流體通過第一電極進入第一可燃流體腔室中；并且從而第二可燃流體通過第二電極進入第二可燃流體腔室中；并且從而第一可燃流體經(jīng)第一可燃流體出口從第一可燃流體腔室中流出；并且從而第二可燃流體經(jīng)第二可燃流體出口從第二可燃流體腔室中流出?？扇剂黧w可以是氫化和氧化流體，更具體地說，可燃流體可以是氫氣和氧氣。 各可透過電極都可以是開孔的或有孔的。各可透過電極都還可以是網(wǎng)狀或泡沫材料的。各可透過電極 都可以由316不銹鋼或鎳材料制成。
第一電極和第二電極可以相互非常接近地設置并且可以大致平行。第一電極和第二電極都可以包括至少一個連接器接片，該至少一個連接器接片用來連接至電源，以將電壓施加至電解設備而使電解溶液電解。第一電極和第二電極可以包括實心外部環(huán)，該實心外部環(huán)用于流體密封、連接接片的連結以及繞電極的電流分布的目的。第一可透過電極和第二可透過電極可以具有正確和預定的敞開與封閉面積比值(也稱作PPI (每平方英寸微孔數(shù)))，該比值可以隨進口尺寸以及提供給設備的溶液的壓力而改變。電解設備可以包括墊片，該墊片定位在兩個電極之間的周緣區(qū)域中，這兩個電極形成電極組。上述墊片可以是第一墊片，并且電解設備可以包括多個第二墊片，每個第二墊片定位在相鄰電極組之間的周緣區(qū)域中。設備可以包括第一外部端部部件和第二外部端部部件，所述第一外部端部部件和第二外部端部部件都是聚乙烯的。設備的形狀可以是圓柱形的或多邊形的。設備可以包括循環(huán)裝置，諸如泵，用以使溶液通過設備循環(huán)，并且強迫溶液進入到
第一腔室中。各第一可燃流體出口可以對準，以限定第一可燃流體出口通路，從而在全部第一可燃流體腔室中生產(chǎn)的第一可燃流體經(jīng)第一可燃流體出口通路從設備流出。
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各第二可燃流體出口可以對準，以限定第二可燃流體出口通路，從而在全部第二可燃流體腔室中生產(chǎn)的第二可燃流體經(jīng)第二可燃流體出口通路從設備流出。設備可以包括第一可燃流體收集容器和第二可燃流體收集容器，該第一可燃流體收集容器連接至第一可燃流體出口通路，該第二可燃流體收集容器連接至第二可燃流體出口通路。


現(xiàn)在參照附圖，以非限制性例子的方式進一步描述本發(fā)明，在附圖中:圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的電解設備的部分的分解立體圖；而圖2是圖1的電解設備的立體圖。
具體實施例方式參照附圖，根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的電解設備由附圖標記10總體地指代。電解設備10適于生產(chǎn)氧化和氫化流體，所述氧化和氫化流體在進入設備10中的電解溶液的電解期間形成。設備10包括第一外部端部部件12和第二外部端部部件14，該第一外部端部部件12是聚乙烯的，該第二外部端部部件14也是聚乙烯的。第一外部端部部件和第二外部端部部件12和14都是盤形的，大致相互平行地布置、并且相互間隔開。預期到的是，設備的形狀可以是多邊形的，并非必須是圓柱形或圓形的。設備10還包括間隔開的兩個可透過電極:第一可透過電極16和第二可透過電極18。各可透過電極16和18都是有孔的或開孔材料的。具體地說，可透過電極都可以是鎳泡沫片，但也可以是316不銹鋼片。兩個可透過電極16和18也大致相互平行地布置，彼此比較靠近地間隔開。因而在第一可透過電極和第二可透過電極16和18之間限定進口腔室
20。第一氧化流體收集腔室22布置在第一可透過電極16與第一端部部件12之間，而第二氫化流體收集腔室24布置在第二可透過電極18與第二端部部件14之間。相互間隔開的可透過電極16和18相距較近，使得在它們之間的阻力較低，這意味著，需要施加至設備10的電壓較低，這導致設備10更為高效。進口腔室20具有兩個進口 26，用來允許電解溶液進入所述腔室20中。氧氣收集腔室和氫氣收集腔室22和24都設有流體出口。氧氣收集腔室22設有氧氣出口 28，而氫氣收集腔室24設有氫氣出口 30。電解溶液穿過可透過電極16和18的流動，將隨著它攜帶分別在正和負(第一和第二)可透過電極上產(chǎn)生的氧氣和氫氣。因而，氫氣和氧氣自然地分離。電極16和18非常接近(close proximity),也使得能夠在非常低的電壓下水解,從而能夠獲得高的效率和高純度的氫氣和氧氣。第一可透過電極和第二可透過電極16和18 (在它們之間限定第一腔室20)形成一個可透過電極組。設備10可以包括多個可透過電極組，所述多個可透過電極組按前后排列布置并且相互連接。圖2和3表示設備10，該設備10在第一外部電極和第二外部電極12和14之間包括3組可透過部件。設備包括多個中間隔板部件42，這些多個中間隔板部件42定位在相鄰的組之間。電解設備10還包括進口環(huán)32和出口環(huán)34，所述進口環(huán)32限定兩個進口 26，所述出口環(huán)34限定氧氣出口 28和氫氣 出口 30，它們分別位于兩個可透過電極16和18的相對側上。進口環(huán)32定位在周緣區(qū)域中并且在第一可透過電極和第二可透過電極16和18之間，以將兩個電極16和18彼此密封，而出口環(huán)34定位在可透過電極16和18的相對側上的周緣區(qū)域中。第一電極和第二電極16和18包括導電連接器接片(一個是正端子，另一個是負端子)，這些導電連接器接片用來連接至電源(未示出)，例如連接至電池。從而，電源將在IV與6V之間的電壓施加至電解設備10，以對溶液加以電解。本設備10通過將純直流電壓或脈沖直流電壓施加至設備而生產(chǎn)氫氣和氧氣。設備10的各進口環(huán)的相應各進口 26對準，以限定進口通路44，從而電解溶液經(jīng)進口通路44流入到設備10的全部腔室20中。各氧氣出口 28也對準，以限定氧氣出口通路46,從而在全部氧氣收集腔室22中積累的氧化流體經(jīng)氧氣出口通路46流出。類似地,各氫氣出口 30也對準，以限定氫氣出口通路48，從而在全部氫氣收集腔室24中積累的氫化流體經(jīng)氫氣出口通路48流出。設備10還包括循環(huán)裝置，諸如泵(未示出)，用以使溶液通過設備10循環(huán)。經(jīng)進口26流入腔室20中的電解溶液借助于由泵泵送到設備10中而被加壓，從而溶液被迫通過可透過電極16和18進入到氫氣和氧氣收集腔室22和24中。布置是這樣的，從而電解溶液經(jīng)進口 26流入第一腔室20中，分別通過可透過電極16和18進入到氧氣收集腔室和氫氣收集腔室22和24中。電解反應分別發(fā)生在第一可透過電極和第二可透過電極16和18之間。氧化流體經(jīng)氧氣出口 28從氧氣收集腔室22中流出，而氫化流體經(jīng)氫氣出口 30從氫氣收集腔室24流出。設備10還可包括氫氣收集容器(未不出)和氧氣收集容器(未不出),該氫氣收集容器連接至氫氣出口通路48，該氧氣收集容器連接至氧氣出口通路46。氧氣收集容器和氫氣收集容器各具有第二電解溶液出口以及氧氣出口和氫氣出口，所述第二電解溶液出口向著容器的操作底部端部布置，所述氧氣出口和氫氣出口分別向著氧氣收集容器和氫氣收集容器中的操作頂部端部布置。電解溶液與相應氣體一起，從氧氣收集腔室和氫氣收集腔室22和24中流出氧氣出口和氫氣出口 28和30，經(jīng)出口通路46和48進入氧氣收集容器和氫氣收集容器中。布置是這樣的，從而在進入相應容器中的流體內(nèi)的氫氣和氧氣通過重力釋放，并且經(jīng)氧氣出口和氫氣出口從各容器中流出，并且電解溶液經(jīng)第二電解溶液出口從各容器中流出。第二電解溶液出口連接至進口通路44，并且溶液借助于泵循環(huán)回到設備10。氣體繼而被存儲以便以后使用。預期到的是,存在有從第一腔室20去往設備10的氧氣收集腔室和氫氣收集腔室22和24的正流動(positive flow)。電解溶液從第一腔室20、穿過各可透過電極到氧氣收集腔室和氫氣收集腔室22和24中的加壓流動(pressurised flow),對于氧氣和氫氣在第一可透過電極和第二可透過電極16和18上形成之后進入第一腔室20構成限制。還預期到的是，電解設備實質上不像在現(xiàn)有技術設備的情況下那樣具有膜。這帶來很多優(yōu)點，例如，減省了濕式或干式膜的成本、以及膜的維護成本。也擺脫了通常伴隨膜的使用而存在的壓力和溫度限制。在本發(fā)明中，使用可透過電極，這些可透過電極不允許借助于氣體跨過電極表面的運動而產(chǎn)生被遮蔽的傳導區(qū)域。這增大了電極的有效傳導面積，降低了有效電壓要求，并由此增進了效率?？梢灾獣缘氖牵鶕?jù)本發(fā)明的用來生產(chǎn)氫氣和氧氣的方法和設備的細節(jié)可以變化，而不脫離所附 的權利要求書的范圍。
權利要求
1.一種用來在電解過程期間從電解溶液生產(chǎn)可燃流體的方法，該方法包括如下步驟提供電解溶液；提供電解設備，該電解設備具有間隔開的第一可透過電極和第二可透過電極，在所述第一可透過電極和第二可透過電極之間限定腔室，該腔室具有至少一個進口 ；使溶液經(jīng)所述進口進入所述腔室中；以及跨過各電極將電壓施加至所述設備，以使在所述腔室中的溶液電解，從而第一可燃流體形成在第一電極上，并且第二可燃流體形成在第二電極上，并且所述第一可燃流體經(jīng)第一電極從所述腔室中流出，并且所述第二可燃流體經(jīng)第二電極從所述腔室中流出。
2.如權利要求I所述的方法，其中，所述可燃流體是氫化和氧化流體，更具體地說，所述可燃流體是氫氣和氧氣。
3.如權利要求I或2所述的方法，其中，所述第一可透過電極和第二可透過電極都是開孔的或有孔的。
4.如權利要求3所述的方法，其中，所述第一可透過電極和第二可透過電極都是網(wǎng)狀或泡沫材料的。
5.如權利要求4所述的方法，其中，所述第一可透過電極和第二可透過電極都是由316不銹鋼或鎳泡沫材料制成的。
6.根據(jù)以上權利要求中的任一項所述的方法，其中，所述第一可透過電極和第二可透過電極相互非常接近地設置并且大致平行。
7.如權利要求6所述的方法，其中，所述第一可透過電極和第二可透過電極具有正確和預定的敞開與封閉面積比值(也稱作PPI (每平方英寸微孔數(shù)))，該比值隨所述進口的尺寸以及提供給所述設備的溶液的壓力而改變。
8.根據(jù)以上權利要求中的任一項所述的方法，其中，所述第一可透過電極和第二可透過電極是一個可透過電極組，并且所述設備包括多個可透過電極組，所述多個可透過電極組都具有類似構造。
9.如權利要求8所述的方法，其中，所述電解設備限定至少一個進口通路，該進口通路與全部進口流體流動連通，并且所述方法包括如下步驟使溶液經(jīng)所述進口通路進入全部可透過電極組的腔室中。
10.如權利要求9所述的方法，其中，所述第一可燃流體出口通路與全部可透過電極組的全部第一可燃流體出口流體流動連通，并且所述第二可燃流體出口通路與全部可透過電極組的全部第二可燃流體出口流體流動連通，布置是這樣的，從而在第一電極上形成的第一可燃流體經(jīng)所述第一可燃流體出口通路從所述設備流出，并且在第二電極上形成的第二可燃流體經(jīng)所述第二可燃流體出口通路從所述設備流出。
11.一種電解設備，在該電解設備中，在電解過程中從電解溶液生產(chǎn)可燃流體，該電解設備包括間隔開的第一可透過電極和第二可透過電極，在所述第一可透過電極和第二可透過電極之間限定進口腔室；進入所述進口腔室中的至少一個進口，用來使所述電解溶液進入所述進口腔室中；在電極組的第一側上的第一可燃流體腔室、和在電極組的第二側上的第二可燃流體腔室；以及來自所述第一可燃流體腔室的第一可燃流體出口、和來自所述第二可燃流體腔室的第二可燃流體出口，布置是這樣的，從而電解溶液經(jīng)所述進口進入所述進口腔室中，在該處發(fā)生電解；并且從而第一可燃流體形成在所述第一電極上；并且從而第二可燃流體形成在所述第二電極上；并且進一步從而所述第一可燃流體通過所述第一電極進入所述第一可燃流體腔室中；并且從而所述第二可燃流體通過所述第二電極進入所述第二可燃流體腔室中；并且從而所述第一可燃流體經(jīng)所述第一可燃流體出口從所述第一可燃流體腔室中流出；并且所述第二可燃流體經(jīng)所述第二可燃流體出口從所述第二可燃流體腔室中流出。
12.如權利要求11所述的設備，其中，所述可燃流體是氫化和氧化流體，更具體地說，所述可燃流體是氫氣和氧氣。
13.如權利要求11或12所述的設備，其中，所述第一可透過電極和第二可透過電極都是開孔的或有孔的。
14.如權利要求13所述的設備，其中，所述第一可透過電極和第二可透過電極都還是網(wǎng)狀或泡沫材料的。
15.如權利要求14所述的設備，其中，所述第一可透過電極和第二可透過電極都是由316不銹鋼或鎳泡沫材料制成的。
16.如權利要求11至15任一項所述的設備，其中，所述第一可透過電極和第二可透過電極相互非常接近地設置并且大致平行。
17.如權利要求11至16任一項所述的設備，其中，所述第一可透過電極和第二可透過電極都包括至少一個連接器接片，該連接器接片用來連接至電源，以將電壓施加至所述電解設備而使電解溶液電解。
18.如權利要求17所述的設備，其中，所述第一可透過電極和第二可透過電極包括實心外部環(huán)，該實心外部環(huán)用于流體密封、所述連接接片的連結以及繞所述電極的電流分布的目的。
19.如權利要求11至16任一項所述的設備，其中，所述第一可透過電極和第二可透過電極具有正確和預定的敞開與封閉面積比值(也稱作PPI (每平方英寸微孔數(shù)))，該比值隨所述進口的尺寸以及提供給所述設備的溶液的壓力而改變。
20.如權利要求11至16任一項所述的設備，所述設備包括墊片，該墊片定位在形成電極組的兩個電極之間的周緣區(qū)域中。
21.如權利要求20所述的設備，其中，所述墊片是第一墊片，并且所述電解設備包括多個第二墊片，每個第二墊片定位在相鄰電極組之間的周緣區(qū)域中。
22.如權利要求11至21任一項所述的設備，所述設備包括第一外部端部部件和第二外部端部部件，所述第一外部端部部件和第二外部端部部件都是聚乙烯的。
23.如權利要求11至22任一項所述的設備，所述設備的形狀是圓柱形的或多邊形的。
24.如權利要求11至23任一項所述的設備，所述設備包括循環(huán)裝置，諸如泵，用以使溶液在設備中循環(huán)，并且強迫溶液進入到第一腔室中。
25.如權利要求24所述的設備，其中，各第一可燃流體出口對準以限定第一可燃流體出口通路，從而在全部第一可燃流體腔室中生產(chǎn)的第一可燃流體經(jīng)所述第一可燃流體出口通路從所述設備流出。
26.如權利要求25所述的設備，其中，各第二可燃流體出口對準以限定第二可燃流體出口通路，從而在全部第二可燃流體腔室中生產(chǎn)的第二可燃流體經(jīng)所述第二可燃流體出口通路從所述設備流出。
27.如權利要求26所述的設備，所述設備包括第一可燃流體收集容器和第二可燃流體收集容器，該第一可燃流體收集容器連接至所述第一可燃流體出口通路，該第二可燃流體收集容器連接至所述第二可燃流體出口通路。
28.—種基本如在此描述并且如在附圖中所示的生產(chǎn)可燃流體的方法。
29.一種電解設備，在該電解設備中生產(chǎn)可燃流體，該電解設備基本如這里描述并且如在附圖中所示。
全文摘要
本發(fā)明涉及用來生產(chǎn)氧化和氫化流體的電解方法和電解設備(10)。設備(10)包括都是聚乙烯的第一外部端部部件和第二外部端部部件(12和14)以及間隔開的至少兩個可透過電極(16和18)?？赏高^電極(16和18)都是有孔或開孔材料的，例如鎳泡沫片狀材料。兩個可透過電極(16和18)大致相互平行地布置，并且彼此比較靠近地間隔開。因而在第一可透過電極和第二可透過電極(16和18)之間限定進口腔室(20)。第一氧化流體收集腔室(22)布置在第一可透過電極(16)與第一端部部件(12)之間，第二氫化流體收集腔室(24)布置在第二可透過電極(18)與第二端部部件(14)之間。
文檔編號C25B9/18GK103237924SQ201180033968
公開日2013年8月7日 申請日期2011年7月8日 優(yōu)先權日2010年7月9日
發(fā)明者G·阿納格諾斯托波洛斯 申請人:海德羅克斯控股有限公司