Перекрестная ссылка на родственные заявки
[0001] Эта заявка утверждает преимущество предварительных заявок США на патент №№61/153253, поданной 17 февраля 2009 г., 61/237476, поданной 27 августа 2009 г. и 61/304403, поданной 13 февраля 2010 г., каждая из которых целиком включена сюда путем ссылки на нее.
Уровень техники
[0002] Обновляемые ресурсы для производства электричества не всегда доступны. Солнечная энергия доступна лишь в дневное время, да и концентрация солнечной энергии в дневное время меняется в зависимости от времени года. Ветровая энергия очень непостоянна. Энергия падающей воды меняется от сезона к сезону и подвержена влиянию продолжительных засух. Биомасса меняется от сезона к сезону и подвержена влиянию засух. Потребность в энергии в жилых зданиях сильно меняется в зависимости от времени суток, времен года и возникновения случайной потребности в энергии. По всему миру энергия, которую могут производить гидроэлектростанции, ветряные электростанции, предприятия по производству электроэнергии из биомассы и солнечные коллекторы, расходуется впустую или рассеивается, поскольку отсутствуют практические пути сохранения энергии или электричества до тех пор, пока не возникнет потребность в его использовании. Спрос в энергии, обусловленный ростом населения земли, вырос до того уровня, когда требуется больше нефти и других ископаемых ресурсах, чем удается добывать. Города страдают от смога и глобальных изменений климата, вызванных сжиганием ископаемых видов топлива.
[0003] Наблюдается также растущий спрос на водород, кислород, углерод и другие продукты, которые можно получать в результате термохимической или электролитической диссоциации такого сырья, как вода, отходы биомассы или органические кислоты, полученные из биоотходов. Например, глобальный спрос на водород превышает 40 млрд. долларов США и охватывает производство аммиака, нефтеперерабатывающие заводы, химическую промышленность и пищевую промышленность.
[0004] Развитие электрохимического производства топлива, металлов и других ценных химических продуктов сдерживалось дороговизной электричества, низкой эффективностью электролизеров, высокими расходами на техническое обслуживание и большой потребностью в энергоемких операциях, таких как сжатие полученных газов до давления, используемого при их транспортировке, хранении и использовании. Усилия, прилагаемые к разработке технологии, способной устранить эти недостатки, рассмотрены во включенных здесь публикациях, таких как "Hydrogen Production From Water By Means of Chemical Cycles," by Glandt, Eduardo D., and Myers, Allan L., Department of Chemical and Biochemical Engineering, University of Pennsylvania, Philadelphia, PA 19174; Industrial Engineering Chemical Process Development, Vol.15, No.1, 1976; "Hydrogen As A Future Fuel, by Gregory, D.P., Institute of Gas Technology; и "Adsorption Science and Technology": Proceedings of the Second Pacific Basin Conference on Adsorption Science and Technology: Brisbane, Australia, 14-18 May 2000, By D. Do Duong, Duong D. Do, Contributor Duong D. Do, Published by World Scientific, 2000; ISBN 9810242638, 9789810242633.
[0005] Электролизеры, которые позволяют водороду смешиваться с кислородом, являются пожаро- или взрывоопасными объектами. Попытки использовать электролизеры низкого давления и высокого давления, в которых дорогостоящая полупроницаемая мембрана разделяет электроды, провалились, и создать рентабельное производство водорода не удалось из-за наблюдавшегося ухудшения потребительских качеств и склонности к отравлению примесями. Даже в тех случаях, когда использовали мембрану, существовала опасность прорыва мембраны и возникновения пожара или взрыва в результате контактирования кислорода и водорода под высоким давлением.
[0006] В некоторых промышленных электролизерах используются дорогостоящие пористые электроды, между которыми находится электролитическая протонообменная мембрана, которая пропускает одни лишь ионы водорода (Смотри Proton Energy Company и Electrolyzer Company of Canada). Это ограничивает эффективность действия электрода из-за поляризационных потерь, накопления газа и сокращения поверхности электрода, доступной для диссоциации той воды, которая может достигнуть поверхности раздела электродов и электролита протонообменной мембраны. Наряду с ограниченной эффективностью действия электрода существуют и другие затруднения, в том числе разрывы мембраны из-за разности давления между выпускными патрубками кислорода и водорода, отравление мембраны под действием примесей в подпиточной воде, необратимое ухудшение потребительских качеств мембраны под действием загрязнений или небольшого перегрева мембраны, ухудшение потребительских качеств или разрыв мембраны в случае высыхания мембраны во время простоя и ухудшение потребительских качеств электродов на поверхности раздела мембраны вследствие коррозии, вызванной одним или несколькими факторами, такими как образование концентрационных пар, гальванические элементы между катализаторами и основным материалом электрода и контуры заземления. Расслоение материалов электрода и протонообменной мембраны приводит к дезактивации реагентов или продуктов реакции, которая служит причиной малоэффективной работы. Электрохимические ячейки протонообменной мембраны нуждаются в дорогостоящем материале, поверхностно-активных веществах и катализаторах для изготовления мембраны. Ячейки протонообменной мембраны легко отравляются, перегреваются, переувлажняются или пересыхают и создают эксплуатационные опасности из-за появления утечек или прорыва мембраны.
[0007] Помимо низкой эффективности, подобные системы обладают такими недостатками, как паразитная мощность, дорогостоящие электроды или катализаторы и мембраны, низкая эффективность преобразования энергии, дорогостоящее техническое обслуживание и большие эксплуатационные расходы. Для сжатия водорода, кислорода и других продуктов электролиза нужны в зависимости от ситуации компрессоры или более дорогостоящие мембранные системы. Этот указанный последним недостаток обуславливает неприемлемо высокие требования к техническому обслуживанию, большие расходы на ремонт и значительные затраты на прекращение эксплуатации.
[0008] Поэтому целью некоторых вариантов осуществления данного изобретения является создание электрохимической или электролитической ячейки и способа ее применения, предназначенных для раздельного производства газов, в том числе сжатых водорода и кислорода, которые допускают наличие примесей и образовавшихся продуктов и устраняют один или несколько недостатков известных способов, изложенных выше.
Сущность изобретения
[0009] В одном варианте осуществления данного изобретения предлагается электролитическая ячейка, содержащая герметизирующую оболочку; первый электрод; второй электрод; источник электрического тока, имеющий электрическое сообщение с первым электродом и вторым электродом; электролит, имеющий жидкостное сообщение с первым электродом и вторым электродом; газ, который образуется во время электролиза на первом электроде или возле него; и сепаратор, причем сепаратор имеет наклонную поверхность, позволяющую направлять электролит и газ за счет разности между плотностью электролита и суммарной плотностью электролита и газа таким образом, чтобы газ перемещался в сторону от второго электрода.
[00010] В другом варианте осуществления предлагается электролитическая ячейка, содержащая герметизирующую оболочку; первый электрод; второй электрод; источник электрического тока, имеющий электрическое сообщение с первым электродом и вторым электродом; электролит, имеющий жидкостное сообщение с первым электродом и вторым электродом; газ, который образуется во время электролиза на первом электроде или возле него; зону отделения газа; и сепаратор, причем сепаратор имеет две наклонные поверхности, расположенные друг относительно друга в форме буквы "V"; причем сепаратор направляет поток электролита и газа за счет разности между плотностью электролита и суммарной плотностью электролита и газа таким образом, чтобы газ перемещался в сторону от второго электрода, и причем сепаратор имеет такую конфигурацию, способствующую циркуляции электролита между первым электродом, зоной отделения газа и вторым электродом и обеспечивать поступление свежего электролита к первому электроду и второму электроду.
[00011] Еще в одном варианте осуществления предлагается электролитическая ячейка, содержащая герметизирующую оболочку; первый электрод; второй электрод; источник электрического тока, имеющий электрическое сообщение с первым электродом и вторым электродом; электролит, имеющий жидкостное сообщение с первым электродом и вторым электродом; газ, который образуется во время электролиза на первом электроде или возле него; и сепаратор, причем сепаратор имеет наклонную поверхность, позволяющую направлять электролит и газ за счет разности между плотностью электролита и суммарной плотностью электролита и газа таким образом, чтобы газ перемещался в сторону от второго электрода.
[00012] Другие особенности и преимущества данного изобретения будут выявлены из подробного описания, приведенного ниже. Но следует иметь в виду, что подробное описание и конкретные варианты осуществления данного изобретения, которые являются предпочтительными, служат лишь для раскрытия сущности изобретения, поскольку сведущим в данной области из этого подробного описания станут очевидны различные изменения, которые можно внести, не выходя за объем и не искажая сущности данного изобретения.
Краткое описание фигур
[00013] На фиг.1 показана электролитическая ячейка в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.
[00014] На фиг.2 приведено увеличенное изображение участка электролитической ячейки, показанной на фиг.1.
[00015] На фиг.3 показана модификация участка электролитической ячейки, показанного на фиг.2.
[00016] На фиг.4 показана электролитическая ячейка в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.
[00017] На фиг.5 приведено увеличенное изображение другого варианта осуществления участка электролитической ячейки, показанного на фиг.4.
[00018] На фиг.6 показано поперечное сечение спирального электрода, используемого в реверсивном топливном элементе.
[00019] На фиг.7 показана система превращения органического сырья, такого как сырье, образуемое с использованием фотосинтеза, в метан, водород и/или двуокись углерода.
Подробное описание изобретения
[00020] Для полного понимания, каким образом были достигнуты указанные выше особенности и другие преимущества и цели настоящего изобретения, более подробное описание данного изобретения будет представлено со ссылкой на конкретные варианты его осуществления.
[00021] В одном варианте осуществления предлагаются электролитическая ячейка и способ ее применения. Хотя эту электролитическую ячейку можно использовать по разному назначению, в этом варианте осуществления описано ее применение для производства водорода и кислорода. Электролитическая ячейка согласно данному варианту осуществления предназначена для реверсивного раздельного производства сжатых водорода и кислорода, и она не чувствительна к примесям и образующимся продуктам. Этот вариант осуществления предоставляет также возможность проведения процесса электролиза, содержащего стадию подачи вещества, подвергаемого диссоциации, под давлением, которое значительно меньше давления, необходимого для хранения в сжатом состоянии, стадию приложения электродвижущую силу между электродами, чтобы можно было получать текучие продукты, имеющие меньшую плотность, чем вещество, подвергнутое диссоциации, и стадию ограничения расширения текучих продуктов с меньшей плотностью, пока не будет достигнуто давление, необходимое для хранения в сжатом состоянии. Этот и другие варианты осуществления могут повысить эффективность использования энергии в таких строениях, как жилые дома, рестораны, отели, госпитали, консервные заводы и другие коммерческие заведения, за счет установки тепловых двигателей или топливных элементов и использования тепла из подобных источников для приготовления пищи, стерилизации воды и передачи тепла другим веществам, для отопления помещений или для анаэробного или электрически индуцированного получения топлива для подобных машин или топливных элементов. Кроме того, сведущим в данной области понятно, что раскрытые здесь особенности вариантов осуществления можно использовать и для других типов электрохимических ячеек, чтобы добиться аналогичных преимуществ.
[00022] В отличие от обычных электрохимических электродов, которые в значительной степени зависят от сравнительно медленных процессов диффузии, конвекции и концентрационного градиента, обеспечивающих массопередачу и/или доставку ионов для получения требуемых компонентов, данный вариант осуществления обеспечивает более эффективную массопередачу, в том числе быстрое восполнение ионов и их доставку к требуемым электродам за счет откачивающего действия газов низкой плотности, выходящих из более плотной жидкой среды, как описано здесь. При этом обеспечиваются более высокий электрический кпд, более быстрая диссоциация и большая эффективность разделения наряду с предотвращением нежелательных побочных реакций. Увеличение скорости и эффективности образования ионов и их доставки к электродам повышает эффективность действия системы и предельное значение тока на поверхности электрода.
[00023] На фиг.1 показана электролитическая ячейка 2, в которой сосуд 4, такой как металлическая труба, служит в качестве герметизирующей оболочки. По необходимости сосуд 4 может служить и в качестве электрода, как показано на фиг.1. Соосно с трубчатым электродом 4 расположен пористый электрод 8, такой как электрод в виде цилиндрического проводящего проволочного экрана, причем он отделен от трубчатого электрода 4 запасом электролитической жидкости, такой как кислота или щелочь. Жидкий электролит заполняет внутреннее пространство сосуда 4 до поверхности раздела жидкость-газ в изоляторе 24. Внутри сосуда 4 может находиться электрод 4' (не показан на фигуре) в виде слоя электродного материала, нанесенного на диэлектрическую гильзу или на проводящий цилиндрический вкладыш гальваническим способом, плазменным напылением или путем композитирования, чтобы он мог служить в качестве электрически отделенного элемента узла, который легко можно заменить на запасную деталь при техническом обслуживании, или чтобы он мог служить в качестве одного из элементов сегментированного электрода при перемене полярности и/или переключении последовательного, параллельного или последовательно-параллельного соединений. В данном варианте осуществления реверсивного электролиза воды электрод 8 можно считать источником электронов или катодом, так что на электроде 8 образуется водород, а электрод 4 можно считать анодом, так что на электроде 4 образуется кислород. Сосуд 4 может работать под давлением. Герметизация содержимого сосуда 4 происходит в пространстве, ограниченном уплотненными крышками 30 и 46. Крепление, электрическая изоляция и стабилизация компонентов, в том числе электрода 8, газосепаратора 10 и электрического соединения 32, обеспечивается изоляторами из диэлектрического материала таким образом, как показано на этой фигуре. Давление в электролитической ячейке 2 может подниматься самопроизвольно в результате образования газа или газов во время электролиза или под действием внешнего источника, такого как насос, или обоими путями одновременно.
[00024] Сепаратор 10 имеет такую конфигурацию, чтобы он был проницаем для жидкости, но не пропускал газ с катодной стороны сепаратора на анодную сторону сепаратора, и наоборот, в том числе чтобы он не пропускал газ, растворенный в электролите или после зарождения пузырьков газа. По необходимости электрод 8 может иметь такую конфигурацию, чтобы он служил в качестве сепаратора 10, и не было потребности в отдельном сепараторе. Иначе сепаратор 10 может включать в себя электрод 8 или электрод 8 может включать в себя сепаратор 10. Кроме того, сепаратор 10 может включать в себя анодный электрод 4 или анодный электрод 4 может включать в себя сепаратор 10.
[00025] Изолятор 24 имеет такую форму, как показано на этой фигуре, которая необходима, чтобы отделять, собирать и/или отводить газы, образовавшиеся на электродах, таких как 4 и 8, в том числе на электродах, совмещенных с сепаратором 10. В случае концентрической цилиндрической конструкции узла изолятор 24 имеет центральную полость конической формы, в которой скапливаются газы, образовавшиеся на электроде 8. Вокруг этой центральной полости расположена концентрическая кольцевая зона, в которой скапливаются газы, выделяющиеся на поверхности электрода 4' или внутри трубчатого электрода 4.
[00026] По необходимости в верхнем накопительном канале изолятора 24 может быть установлен каталитический фильтр 48, как показано на этой фигуре. Кислород, которому удалось добраться до каталитического фильтра 48 сквозь сепаратор 10, может подвергаться каталитической реакции с водородом, образуя воду, которую затем можно возвращать в электролит. Быстрый доступ водорода может обеспечивать отвод тепла, чтобы тепло, выделяющееся при протекании этой каталитической реакции, не оказывало воздействие на электролитическую ячейку. Очищенный водород поступает в патрубок 26, как показано на этой фигуре. Аналогичным образом может понадобиться установить каталитический фильтр 49 в верхней части концентрического кольца, в котором скапливается кислород, как показано на этой фигуре, чтобы превращать в воду водород, добравшийся до кислородного кольца. Кислород выводится через патрубок 22, как показано на этой фигуре. Или же можно также устанавливать каталитические фильтры на патрубках 22 и 26, возле или внутри этих патрубков.
[00027] Если для наглядности вода является веществом, подвергающимся диссоциации на водород и кислород, то готовят подходящий электролит, такой как водный раствор бикарбоната натрия, гидроокиси натрия, гидроокиси калия или серной кислоты, и поддерживают его уровень, как показано на этой фигуре, с помощью датчика 50, который проверяет наличие жидкости и подает сигнал в контроллер 52, чтобы можно было включать насос 40 и в случае необходимости доливать воду из подходящего источника, такого как резервуар 42, чтобы обеспечивать или поддерживать требуемый запас или требуемое давление. Контроллер 52 реагирует, соответственно, на сигнал датчика температуры или давления 58, который можно устанавливать в интегрированном блоке вместе с датчиком уровня жидкости 50 или датчиком запаса жидкости 51, и управляет работой насосов 36 и 40, а также теплообменника 56, такого как радиатор или нагреватель (не показан на этой фигуре), снабженного циркуляционным насосом системы, чтобы можно было получать или отдавать тепло. Аналогичным образом, в сочетании с подобными операциями можно использовать нагревающий или охлаждающий вентилятор, чтобы усиливать получение или отвод тепла от источников, связанных с электролитической ячейкой 2.
[00028] В тех вариантах осуществления, в которых электролитическая ячейка 2 должна использоваться циклически, например, когда избыток электричества дешевый и не потребляется для других целей, электролитическая ячейка 2 может работать при значительном колебании запасов воды. В то время, когда избыток электричества отсутствует или отключен, может проводиться подача водорода и кислорода из сосуда 4, и в системе может снова установиться атмосферное давление. В это время можно добавлять воду под атмосферным давлением, чтобы полностью заполнить систему, которая может иметь большую вместимость кольцевого пространства вокруг изолятора 24, чтобы способствовать подобному циклическому заполнению при низком давлении и проведению электролиза с целью подачи водорода или кислорода, сжатого до требуемого высокого давления, необходимого для преобразования энергии давления или химической энергии в работу, компактного хранения и обеспечения быстрой доставки в транспортные средства, инструменты или приемники потребителей.
[00029] После подачи тока и образования больших объемов водорода и кислорода из гораздо меньшего по объему запаса жидкости система может быть сжата до требуемого давления и может оставаться под этим давлением, пока запас воды в растворе не будет исчерпан до уровня, определяемого датчиками 50 или 51, что позволяет контроллеру 52 либо прервать цикл электролиза, либо добавить воды нагнетательным насосом 40 из резервуара 42, как показано на этой фигуре. Может потребоваться добавлять воду через клапан, такой как запорный клапан 44, как показано на этой фигуре, чтобы можно было производить подачу в разном режиме или проводить техническое обслуживание насоса 40 в случае необходимости.
[00030] Обращаясь к фиг.1, 2 и 3, можно увидеть, что на фиг.2 показан вариант осуществления сепаратора 10 согласно фиг.1, на котором сепаратор имеет две наклонные поверхности 14, расположенные относительно друг друга в виде буквы V. Если электролит представляет собой водный раствор, электроны поступают на пористый электрод 8, такой как плетеный проволочный цилиндр, через контакт 32 и отводятся с трубчатого электрода 4 через электрический контакт 6, непрерывно превращая ионы водорода в атомы водорода, а затем в двухатомные молекулы, которые могут образовывать зародыши, вырастающие в пузырьки на электроде 8 или возле него. Пузырьки водорода и кислорода обычно обладают гораздо меньшей плотностью, чем водные электролиты и всплывают вверх. Пузырьки кислорода также всплывают вверх и оказываются отделенными от водорода благодаря особой геометрической форме коаксиального сепаратора 10, как показано в увеличенном виде сечения на фиг.2. Конфигурацию, изображенную на фиг.2, можно использовать всюду, где требуется создавать поток газа при работе электролитической ячейки 2. Более того, сепаратор такой конфигурации можно использовать в известных электрохимических ячейках другой конструкции. Если же материал, образующийся в процессе электролиза, обладает большей плотностью, чем электролит, тогда сепаратор 10 можно перевернуть, чтобы наклонные поверхности 14 располагались относительно друг друга в виде буквы Λ. Аналогичным образом, если один материал, образующийся в результате электролиза на катоде, имеет меньшую плотность, чем электролит, а другой материал, образующийся на аноде, имеет большую плотность, чем электролит, тогда сепаратор 10 может состоять из элементов, наклонных влево или вправо («/» или «\»), чтобы он мог отделять материал с меньшей плотностью от материала с большей плотностью.
[00031] Смешение водорода с кислородом, который выделяется на внутреннем электроде 4' или внутри трубчатого электрода 4, предотвращается проницаемым для жидкости газобарьерным сепаратором 10, который успешно разделяет газы, отклоняя их от поверхностей 12' и 14, которые наклонены, перекрывая доступ для кислорода и водорода, не допуская их протекания или просачивания, как показано на этой фигуре. Или же сепаратор 10 может содержать винтовую спираль, изготовленную из электрически изолированного проводника или из инертного диэлектрического материала, такого как 30%-ное стекловолокно, наполненное сополимером этилена и хлортрифторэтилена, в котором поперечное сечение спирального полосового материала имеет форму буквы V, как показано на этой фигуре, чтобы он мог служить в качестве и электрического изолятора, и газосепаратора.
[00032] В случае необходимости, чтобы улучшить циркуляцию и распределение текучей среды, каналы можно расширить путем случайного или систематического гофрирования полосы, особенно на ее концах, чтобы создать зазор между витками спирали или же слоями формованных дисков в стопке, которые образуют участок, показанный на фиг.2 в виде гофр увеличенного размера под номером 13. Вообще будет лучше, если каждый из гофр будет проходить зигзагообразно относительно соответствующей наклонной радиальной оси, показанной на фигуре под номерами 15 и 15'. Это позволяет пористо-проницаемой для жидкости газобарьерной стенке сепаратора 10 иметь общую толщину требуемой величины, например не более 0,2 мм.
[00033] Сепаратор 10 может иметь любые подходящие размеры, в том числе и очень маленькие, но с точки зрения энергии поверхностного натяжения достаточные, чтобы жидкий электрод мог поступать к электроду 8 и отходить от него, не допуская просачивания газов за счет гидростатической тяги и всплывания газа. Альтернативный вариант осуществления, пригодный, например, для сравнительно маленьких топливных элементов и электролизеров, представляет собой множество близко расположенных друг от друга притупленных резьбовых элементов, имеющих поперечное сечение, показанное на фиг.2, причем подобные резьбовые элементы переплетены или сцеплены друг с другом таким образом, чтобы обеспечивался максимально свободный доступ для жидкости, и направлены почти в вертикальном направлении по одну или по обе стороны V-образного профиля. Благодаря этому создается пористо-проницаемая для жидкости газобарьерная стенка сепаратора 10 общей толщины не более 0,1 мм.
[00034] Направленная вверх гидростатическая тяга предотвращает столкновения пузырьков газа с наклонными поверхностями 12 и 14. Эта особенность помогает устранить недостатки, присущие известным техническим решениям, которые приводят к низкой эффективности, обусловленной электрическим сопротивлением, загрязнением, торможением, коррозией и/или поляризационными потерями. Кроме того, некоторые конфигурации могут способствовать циркуляции электролита в концентрических витках спирали благодаря гидростатическому подъемному действию всплывающих пузырьков, которые создают восходящий поток электролита, а после удаления газа на поверхности жидкости создают нисходящий поток сравнительно обезгаженного и более плотного электролита, возвращающегося, чтобы заменить менее плотный электролит, смешанный с пузырьками или содержащий растворенный газ. В случае необходимости можно подключить теплообменник 56, чтобы можно было подводить или отводить тепло из электролита, который циркулирует вниз от вершины трубчатого электрода 4, как показано на фигуре. В случае необходимости можно использовать насос 36, чтобы увеличить скорость циркуляции электролита, или использовать его совместно с насосом 40, чтобы пополнять запас воды.
[00035] В некоторых вариантах осуществления используется большая плотность тока, в том числе в системах с быстрым вводом органического материала. В подобных вариантах осуществления лучше обеспечивать циркуляцию электролита с помощью насоса 36, который возвращает сравнительно обезгаженный электролит через патрубок 28 по линии 34 в насос 36, чтобы вернуть в трубчатый электрод 4 по линии 38 через патрубок 16, как показано на фигуре. Лучше будет вводить возвращенный электролит через патрубок 16 по касательной, чтобы создавать закрученный поток, который продолжает крутиться и таким образом синергетически усиливает действие сепаратора 10, который можно использовать, как было описано выше. В зависимости от величины рабочего давления плотность водорода примерно в четырнадцать раз меньше плотности кислорода, и выталкивающая сила водорода больше выталкивающей силы кислорода, так что водород легче направляется сепаратором 10 и всплывает с большей скоростью, где его можно собирать через фильтр 48 в патрубке 26. При очень большой плотности тока и в тех случаях, когда электролитическая ячейка 2 подвергается наклону или перегрузке (под действием ускорения силы тяжести), что случается во время транспортировки, скорость циркуляции электролита увеличивают с помощью насоса 36, чтобы усилить вихревое отделение и таким образом предотвратить смешение газов, образовавшихся на аноде, с газами, образовавшимися на катоде.
[00036] Некоторые варианты осуществления газобарьерной и проницаемой для жидкости непроводящей мембраны, в частности сепаратора 10, позволяют производить менее дорогие и гораздо более прочные и эффективно действующие реверсивные электролизеры по сравнению с прежними, в которых использовались, в частности, протонообменные мембраны для разделения газов, таких как водород и кислород. В одном отношении сепаратор 10 можно спроектировать так, чтобы улучшить протекание электролита во время электролиза. Например, сепаратор 10 может иметь такую конфигурацию, чтобы способствовать спиральному перемещению ионов в запасах жидкого электролита, поступающих снизу вверх от впускного патрубка 16 к выпускному патрубку 28. Благодаря этому каждый участок электродов подвергается действию освеженной плотности ионов, что необходимо для достижения максимального электрического кпд. При подобном смывании электродов могут также быстро удаляться пузырьки водорода и кислорода, образующиеся на соответствующих электродах электрохимической ячейки.
[00037] На фиг.3 приведен вид с ребра характерных участков составных пластин или спиральных полос другой разновидности сепаратора 10, предназначенного для обеспечения электрической изоляции смежных электродов в узлах, представляющих собой структуры из пластины и концентрического электрода, обеспечивающих разделение газов, как было описано выше. В узле 11 листы 12' и 14' образуют поперечное сечение, которое сходно с поперечным сечением сепаратора 10 и имеет сходное функциональное назначение. Плоский проводящий или непроводящий полимерный лист 12' имеет множество мелких отверстий на параллельных средних линиях, которые наклонены, образуя углы существенной величины, такие как показано на фигуре первым углом 15 величиной в диапазоне от 35° до 70°, относительно продольной оси листа 12'. Полимерный лист 14' также имеет множество мелких отверстий на параллельных средних линиях, которые наклонены, образуя углы существенной величины, такие как показано на фигуре вторым углом 15' величиной в диапазоне от 35° до 70°, относительно продольной оси листа 14'.
[00038] В других вариантах осуществления углы 15 и 15' могут менять свою величину в зависимости от материала, подвергаемого разделению в процессе электролиза. Например, углы могут быть спадающими в случае электролиза соединений, которые не имеют газообразных составляющих или только одну газообразную составляющую. Если такое соединение, как Al2O3, диссоциирует при электролизе в криолит-глиноземном электролите, образуя алюминий и кислород, то алюминий имеет большую плотность, чем криолит-глиноземный электролит, и отделяющий алюминий катодный электрод или связанный с ним сепаратор должны иметь такую конфигурацию (например, углы наклона), чтобы направлять алюминий вниз и в сторону от всплывающего кислорода.
[00039] Множество таких маленьких отверстий, диаметр которых составляет от 1/12 до 1/3 от толщины листа, легко можно проделать в листах 12' и 14' с применением подходящей технологии, в том числе с помощью лазерной прошивки, прошивки в горячем состоянии или пробивки быстрыми частицами. Листы 12' и 14', каждый из которых обычно имеет толщину от 0,025 мм до 0,25 мм, можно соединять друг с другом с помощью сварки, резьбового соединения, гибких связок или одним или несколькими витками спиральной навивки проводящей или непроводящей проволоки поверх всего узла, чтобы образовать единое целое с электродом 8. Листы 12' и 14' можно также местами и целиком склеивать или соединять пайкой или сплавлением в растворителе. Таким образом, когда наклонные отверстия листа 12' совпадают с отверстиями листа 14', то образуются каналы, пропускающие жидкость и/или электролит, но не позволяющие газу проникать сквозь образовавшуюся газобарьерную мембрану. Согласно фиг.1 и 4 трубчатые конструкции можно изготовлять из газобарьерных листов подходящего для вариантов осуществления 2 или 100 диаметра путем склеивания или сварки стыковым швом или же производя сварку внахлестку, позволяющую создать требуемый газобарьерный сепаратор.
[00040] Для электролиза воды пригодно множество электролитов. В одном варианта осуществления можно использовать гидроокись калия в трубчатом электроде 4 из низкоуглеродистой стали. Увеличение срока службы и повышение коррозионной стойкости можно обеспечить, используя никелированный трубчатый электрод 4 или подходящий нержавеющий сплав. Что касается других аспектов, то увеличение вместимости трубчатого электрода можно обеспечить путем обертывания трубчатого электрода 4 высокопрочным армирующими материалами, такими, как стекло, керамика, углеродные волокна или их смесь.
[00041] В зависимости от конкретного назначения и требований прочности лучше будет использовать для изоляции сепараторов 20 и 24 30%-ное стекло, заполненное сополимером этилена и хлортрифторэтилена. Электрод 8 может быть изготовлен из тканой проволочной сетки из никеля или нержавеющей стали типа 316. Сепаратор 10 может быть изготовлен из полосы 30%-ного стекла, заполненного сополимером этилена и хлортрифторэтилена.
[00042] В другом варианте осуществления намеревались использовать контролируемую подачу электричества для производства из органических электролитов метана или водорода порознь или в виде предпочтительных смесей. В некоторых аспектах этот вариант осуществления может работать совместно с вариантами осуществления одновременно поданной заявки на патент №09/969860, которая включена сюда путем ссылки. Процессы анаэробного сбраживания органических материалов, которые обычно сопровождаются образованием метана, можно отрегулировать так, чтобы получать электролит, который выделяет водород при значительно меньшем напряжении или при менее продолжительном включении рабочего цикла с широтно-импульсной модуляцией и меньшем расходе электричества, чем при диссоциации воды.
[00043] Кислотность или pH органического раствора, который образуется при микробном сбраживании, может поддерживаться природным взаимодействием, буферизованным бикарбонатом. Бикарбонатный буфер может пополняться за счет попутного образования двуокиси углерода в процессе сбраживания. Различные стадии процесса анаэробного сбраживания органических веществ можно показать на варианте разложения простого углевода или глюкозы, которое включает множество параллельных и дополнительных стадий, таких как:
[00044] В тех случаях, когда требуется выделять метан из таких растворов, может потребоваться поддерживать pH около 7,0. Метаногенезу способствует атмосферное давление, pH около 7,0 и т-ра 35-37°C. Большинство бытовых сточных вод содержат биооотходы с питательными макро- и микроэлементами, необходимыми для организмов, обеспечивающих метаногенез. Поддержание сравнительно высоких концентраций растворенных и распределенных углеводов или моносахаридов, присутствующих в анаэробном реакторе, может угнетать метанообразующие микроорганизмы.
[00045] В другом аспекте возросшее производство топлива из органических веществ может сопровождаться использованием электрического поля для диссоциации таких веществ, как уксусная кислота (СН3СООН), которые образуются путем бактериального расщепления глюкозы и других органических веществ и проведения других кислотообразующих процессов, которые создают ионы водорода.
[00046] Ионы водорода мигрируют или движутся к отрицательно заряженному электроду и присоединяют электроны, образуя газообразный водород.
[00047] Два электрона подаются отрицательно заряженным электродом. На другом электроде происходит электрохимическая реакция окисления ацетат-иона в двуокись углерода и ионы водорода, как показывает уравнение 6.
[00048] При протекании этой электродной реакции ацетат-ионы теряют электроны, а следовательно, реагируют с водой, расщепляясь на газообразную двуокись углерода и ионы водорода. Двуокись углерода насыщает раствор и выходит через поверхность раздела жидкого раствора, как было указано в предыдущих вариантах осуществления. Ионы водорода циркулируют и/или мигрируют, пока не получат электроны с противоположного электрода и не образуют атомы водорода, а затем двухатомные молекулы, как показано в уравнении 5 для раздельного накопления в подобных системах. Лучше всего проводить раздельное накопление, например раздельное накопление с целью повышения давления, а чтобы создать высокое давление лучше накачивать жидкость, а не сжимать газ, причем такой подход очень эффективен и сильно понижает потребность в основном оборудовании, необходимом для разделения и последующего механического сжатия образовавшихся водорода, метана и двуокиси углерода.
[00049] Разложение путем анаэробного сбраживания таких соединений, как уксусная кислота, до водорода и двуокиси углерода требует гораздо меньше энергии, чем электролиз воды, поскольку в результате протекания реакций разложения образуются ионы водорода и экзотермическая энергия. Запуск и поддержание экзотермического разложения кислот, таких как уксусная кислота, можно провести при более низком напряжении или путем прерывистого или временного электролиза вместо непрерывного электролиза, обычно используемого для разложения воды. Свободная энергия образования воды при температуре окружающей среды довольно велика (по крайней мере, 1 кВт·ч для выделяющегося водорода) по сравнению с электролизом продуктов сбраживания и кислот, таких как мочевина и уксусная кислота, до водорода и двуокиси углерода, который требует минимальное количество энергии для активации и/или каталитического действия, особенно при использовании органических катализаторов. Соответственно, выбранные катализаторы, в частности видоизмененные никелевые катализаторы Ренея, никелеоловоалюминиевые сплавы, металлы платиновой группы, платиноникелевые сплавы и монокристаллы сплавов металлов платиновой группы и разные органические катализаторы, используемые в сочетании с представленными здесь электродными системами, еще более увеличивают скорость и/или повышают эффективность производства водорода.
[00050] В другом отношении лучше использовать множество ячеек с электродными парами, подключаемых последовательно, или параллельно, или последовательно-параллельно с целью согласования силы тока и напряжения доступных источников с напряжением, требуемым для диссоциации при последовательном соединении ячеек, таких, как показано на фиг.1. Одной особенностью этого варианта осуществления является то, что для каждой ячейки может потребоваться от 0,2 до 2 В в зависимости от водного электролита, выбранного или биохимически полученного из органических веществ, так что бытовой фотоэлектрический источник на 6 В может обслуживать от 3 до 30 ячеек, а промышленная сеть на 220 В может обслуживать от 100 до 1000 электродных ячеек, включенных последовательно. Образовавшиеся газы можно легко удалять с помощью подключенных параллельно или последовательно газосборных устройств. В зависимости от требуемой гибкости при настройке нескольких последовательных и/или параллельных соединений может иметься опора и регулятор расхода 18, изготовленные по выбору из изоляционного или неизоляционного материала.
[00051] Предпочтительными могут оказаться разные плотности тока, в том числе средние и низкие плотности тока, лишь бы они обеспечивали всплывание пузырьков образовавшихся газов и циркуляцию электролита во избежание уменьшения концентрации ионов и замедления процесса. Во время запуска и при высоких плотностях тока можно включать насос 36 и теплообменник 56, чтобы обеспечить требуемую рабочую температуру и подачу обогащенного ионами электролита на поверхность электрода. Благодаря этому обеспечиваются очень высокая скорость преобразования энергии в тех случаях, когда такая энергия, как внепиковая электроэнергия, доступная от источников солнечной, ветровой и волновой энергии, гидроэлектроэнергии используются для быстрого и эффективного производства газов высокого давления: кислорода и водорода, или водорода и двуокиси углерода, или водорода и метана, а также двуокиси углерода для отдельного ее хранения и использования.
[00052] Еще одним аспектом этого варианта осуществления является проблема регенеративного торможения транспортных средств или остановки электростанции, когда внезапный выброс большого количества энергии требует быстрого ее превращения в потенциал химического топлива. Обычный топливный элемент для грузовика, автобуса или поезда не рассчитан на высокие плотности тока, которые внезапно прикладывают к электродам топливного элемента. Данный вариант осуществления преодолевает это ограничение и обеспечивает очень высокую устойчивость к сильному току, позволяющую достичь высокой эффективности электролиза без возникновения затруднений, связанных с ухудшением потребительских качеств протонообменной мембраны или порчей поверхности раздела электрода, которые присущи топливным элементам с регенеративной протонообменной мембраной. Благодаря надежной конструкции и вполне достаточной способностью подвергаться охлаждению этот вариант осуществления пригоден для работы с очень большой силой тока. И наоборот, этот вариант осуществления легко запускается и эффективно работает в очень холодных и жарких условиях, не испытывая различных затруднений, ограничений и неисправностей, связанных с протонообменной мембраной.
[00053] С другой стороны, чтобы достичь более высокой рентабельности инвестиций в системах превращения энергии, таких как гидроэлектростанция, ветряная электростанция, система волновых генераторов или обычные электростанции, этот вариант осуществления позволяет быстро и эффективно превращать внепиковую электроэнергию в водород и кислород путем диссоциации воды или в водород и двуокись углерода путем диссоциации веществ, полученных при анаэробном сбраживании или разложении органического материала. Компактная модификация этого варианта осуществления занимает не больше места, чем стиральная машина, и превращает внепиковую электроэнергию, которая в противном случае была бы потеряна, в достаточное количество водорода, чтобы на нем работали два автомобиля семейного класса, и удовлетворялсь домашние потребности в энергии.
[00054] Как было указано выше, некоторые представленные здесь варианты осуществления обеспечивают более эффективный массоперенос, в том числе и быстрое пополнение ионов и их доставку к требуемым электродам за счет откачивающего действия газов низкой плотности, всплывающих из более плотной жидкой среды. Благодаря этому обеспечивается более высокий электрический кпд, более быстрая диссоциация и большая эффективность разделения, а также предотвращение нежелательных побочных реакций. Увеличение скорости и эффективности образования ионов и их доставки к электродам приводит к увеличению эффективности всей системы в целом и предельного значения тока в пересчете на площадь поверхности электрода. Такое использование, когда органические вещества превращают в двуокись углерода и водород или метан, особенно привлекательно тем, что увеличивается скорость доставки органических веществ к микроорганизмам, которые принимают участие в процессе разложения, инкубации и доставки инкубированных микроорганизмов для роста и самовосстановления биопленочной среды, ускоряется разделение образовавшихся газов и доставка органических веществ, а также становится более эффективной доставка промежуточных ионов к электродам.
[00055] На фиг.4 представлен другой вариант осуществления, электролитическая ячейка 100, которая особенно пригодна для использования в тех случаях, когда нежелательно подавать напряжение или пропускать ток через внутренние стенки герметизирующей оболочки 102. Этот вариант осуществления способствует также последовательному соединению биполярных или многоэлектродных блоков или ячеек, таких как 110 и 114, в электролитической ячейке 100, чтобы упростить сбор газа и подбор нужного напряжения.
[00056] В том случае, когда герметизирующая оболочка 102 имеет цилиндрическую форму и компоненты, расположенные внутри нее и соосно друг другу, электродные блоки 110 и 114 могут быть собраны из множества вложенных друг в друга компонентов в виде усеченного конуса, или же один или оба электрода могут иметь спиральную форму, как было описано выше. Электроды 110 и 114 могут иметь одну и ту же, сходную или разную конфигурацию. С другой стороны, электрод 114 может быть собран из вложенных друг в друга секций в виде усеченного конуса или может представлять собой спиральный электрод, который сплошь обвивает электрод 110.
[00057] Электроизоляция электродов 110 и 114, проводимая с целью не допустить короткого замыкания, может выполняться различно, в том числе с помощью контролируемых допусков на рабочие размеры и/или путем использования диэлектрических нитей или волокон, размещенных между электродами 110 и 114, и/или сепаратора 10 или 111 другой формы, как было описано со ссылкой на фиг.2 и 5.
[00058] Электролитическая ячейка 100 может работать под давлением. Герметизация обеспечивается с помощью верхней и нижней крышек 104 и 106, как показано на фигуре. Изоляторы 120 и 122 опираются на крышки 104 и 106, как показано на фигуре. Схемные компоненты и арматура для электрических и жидкостных соединений являются наглядными и могут выполняться путем пропускания сквозь крышки 104 и 106, если необходимо для использования по конкретному назначению.
[00059] В данном варианте осуществления оба электрода 110 и 114 имеют наклонные поверхности, которые направляют образовавшиеся вещества, такие как выделяющийся газ, в соответствующие зоны накопления, как показано на фигуре. Например, если воду нужно подвергать диссоциации из подходящего электролита, электрод 110 может получать электроны, которые поступают на контакт 108, которые герметично пропущен через крышку 106 с помощью штепселя 132. Таким образом, электроны поступают с электрода 114 через штепсель 130, который обеспечивает изоляцию контакта 124, когда газ, такой, как двуокись углерода или кислород, всплывает от электрода 114.
[00060] Затем подобные газы всплывают под действием выталкивающих сил по мере образования на электроде 114 и устремляются вверх вдоль внутренней стенки герметизирующей оболочки 102. Водород всплывает по мере выделения на электроде 110 внутри центрального сердечника, образованного многочисленными витками или коническими слоями электрода 110 и собирается, как показано на фигуре, у изолятора 120. Очищенный водород под расчетным давлением выпускается через патрубок высокого давления 116. Может использоваться каталитический фильтр 134, чтобы превращать любой окислитель, такой как кислород, проникший в центральный сердечник, в воду. Аналогичный каталитический фильтр можно использовать для превращения в воду любого водорода, проникшего в наружное кольцевое пространство в изоляторе 120, как показано на фигуре. Сжатый профильтрованный кислород выпускается через патрубок высокого давления 118.
[00061] По необходимости иногда требуется повысить эффективность действия электролитической ячейки 100, ее связывают жидкостной связью с одним или несколькими сборниками (не показаны на фигурах), чтобы можно было собирать газ, образовавшийся при электролизе. Газосборник может предназначаться для улавливания газа, находящегося при повышенном давлении, прежде чем он подвергнется существенному расширению. Газосборник может далее иметь такую конфигурацию, чтобы можно было использовать работу, совершаемую газом при расширении, известными способами. Или же газосборник может далее иметь такую конфигурацию, чтобы можно было получать газ под давлением, пригодным для его хранения, транспортировки или использования, когда требуется подавать газ под повышенным давлением. Надо полагать, что этот аспект можно использовать в различных электрохимических ячейках.
[00062] Согласно фиг.2 в другом варианте осуществления на патрубке 22, патрубке 26, возле них или внутри них, а также в газосборнике, имеющем жидкостную связь с патрубками 22 или 26, может быть установлен расширитель газа. Аналогичным образом, согласно фиг.4 на патрубке 116, патрубке 118, возле них или внутри них, а также в газосборнике, имеющем жидкостную связь с патрубками 116 или 118, может быть установлен расширитель газа.
[00063] С другой стороны, создан способ и устройство для электролиза, позволяющее сжимать текучую среду и спаренное с устройством для использования работы, выполняемой подобной сжатой текучей средой. Текучая среда может представлять собой сжатую жидкость, абсорбировавшую газ жидкость, пар или газ. Превращение сжатой текучей среды в пар или газ может происходить в патрубке 116 или позади него, а устройство, обеспечивающее превращение давления потока из подобных патрубков, можно выбрать из группы, в состав которой входят турбина, генератор, лопастной гидро- или пневмодвигатель и разные поршневые двигатели, которые вдыхают воздух и впрыскивают сжатый водород из патрубка 116. Аналогичным образом превращение сжатой текучей среды в пар или газ может происходить в патрубке 118 или позади него, а устройство, обеспечивающее превращение давления потока из подобных патрубков, можно выбрать из группы, в состав которой входят турбина, генератор, лопастной гидро- или пневмодвигатель и разные поршневые двигатели, которые расширяют и/или сжигают сжатую текучую среду, такую как кислород, из патрубка 118.
[00064] С другой стороны, создано устройство и способ, позволяющий преодолеть высокую стоимость и потери мощности, наблюдаемые в цепи с трансформатором и выпрямителем. Добиться этого удается путем регулируемого согласования напряжения нагрузки с напряжением источника, осуществляемого последовательным соединением электродных ячеек или электродов в ячейке, осуществляемым путем подключения отрицательного вывода источника постоянного тока к самым нижним трем виткам электрода 110, к следующим трем виткам электрода 114, к следующим трем виткам электрода 110, к следующим трем виткам электрода 114, к следующим трем виткам электрода 110 и т.д. и, начиная с противоположного (самого высокого) конца, путем подключения положительного вывода источника постоянного тока к трем виткам электрода 114, к следующим трем виткам электрода 110, к следующим трем виткам электрода 114, к следующим трем виткам электрода 110, к следующим трем виткам электрода 114 и т.д. Число витков и/или усеченных конусов можно регулировать, чтобы достичь площади поверхности, соответствующей силе тока источника.
[00065] Помимо того, что этот вариант осуществления обеспечивает разделение газов, образовавшихся при электролизе, он оказывает еще и откачивающее действие, обеспечивающее доставку питательных веществ к микроорганизмам, которые в зависимости от проводимой стадии населяют подходящие среды, таких как ткань из углеродного волокна, гранулы активированного угля, вспученный кремнезем, графитовый войлок, ископаемый уголь, древесный уголь, фруктовые косточки, древесная стружка, обрезки бумаги, древесные опилки и/или их смеси, подобранных таким образом, чтобы они помещались внутри участков электрода 110 и/или между участками электрода 114 и герметизирующей оболочки 102. Соответствующие функции и преимущества, в том числе термическая стабилизация системы, циркуляция сырья и удаление продуктов, таких как двуокись углерода, и образование водорода из кислот, могут обеспечиваться инкубацией, питанием и выращиванием подобных микроорганизмов.
[00066] При низкой и средней плотности тока выталкивающие силы, создаваемые растворами низкой плотности и пузырьками, могут обеспечивать циркуляцию электролита в герметизирующей оболочке 102. При большой плотности тока лучше проводить адаптивное регулирование температуры, давления и циркуляции электролита, как было описано ранее. Внешняя циркуляция электролита может проводиться от патрубка 126 к патрубку 138, как показано на фигуре. Она используется в тех ситуациях, когда одна или несколько электродных ячеек, произвольно соединенных друг с другом последовательно и/или последовательно-параллельно, заключены в герметизирующую оболочку 102.
[00067] С другой стороны, этот вариант осуществления можно оптимизировать при высокой плотности тока, чтобы можно было подавать электролит с соразмерно более высокой скоростью через одно или несколько отверстий или прорезей 139, которые вводят текучую среду в кольцевое пространство между электродами 110 и 114 по касательной. Электролит поступает вверх по спиральному пространству, образованному электродами и заполняемому электролитом, поступающим по спиральному каналу, образованному электродами 110 и 114, из кольцевого пространства между электродами 110 и 114. Угловой момент электролита, поступающего в пространство между электродами 110 и 114, увеличивает движущую силу всплывающих пузырьков, заполненных продуктами электролиза, такими как водород и кислород, образующимися, соответственно, на электродах 110 и 114, и суммируется с нею.
[00068] Эта циркуляция электролита оказывает очень благоприятное влияние, обеспечивая быстрое замещение ионов, которые превратились в атомы водорода и кислорода или другие газы, такие как двуокись углерода, после обмена зарядами на электродах 110 и 114 и способствуя удалению подобных газов, их накоплению и выводу с минимальными поляризационными потерями во время электролиза. Таким образом, очень высокая плотность тока вполне приемлема и обеспечивает эффективный электролиз циркулирующей текучей среды. С другой стороны, дальнейшее увеличение высокой плотности тока обусловлено способностью конструкции к очень быстрому охлаждению, обеспечиваемому улучшенной циркуляцией электролита, которая устраняет вредное замедление отвода продуктов электролиза и/или фазовые превращения, такие как зародышеобразование пара, и уменьшение эффективной площади электрода.
[00069] С другой стороны, электроды 110 и 114 могут принимать пружинящие формы, которые могут успешно работать на резонансной частоте или подвергаться различным побуждающим воздействиям, в том числе действию пьезоэлектрических приводов, вращающихся эксцентриков, и действию образующихся пузырьков и ускоряющему действию менее плотных смесей электролита и пузырьков при подаче более плотного электролита на поверхность электродов 110 и 114 в результате создаваемого откачивающего действия. В ответ на побуждающее воздействие электроды 110 и 114 вибрируют с собственной или индуцированной частотой, еще более способствуя отрыву пузырьков от поверхности, в том числе от мест зародышеобразования, и тем самым обеспечивая увеличение плотности тока и повышая эффективность преобразования энергии.
[00070] Индуцированная вибрация электродов, имеющих форму винтовой пружины, таких, как 110 и 114, оказывает также перистальтическое механическое действие, ускоряя всплывание пузырьков к местам их скопления и выпускным отверстиям электролитической ячейки 100. Во время этой вибрации циклическое увеличение и уменьшение среднего расстояния и угла между соседними слоями электродных витков создает стоячие или движущиеся узлы в зависимости от величины и частоты побуждающих воздействий.
[00071] На фиг.5 показано характерное сечение блока электродов 110' и 114', предназначенных для работы в сочетании с электроизоляционной прокладкой 111 между 110' и 114', в том числе с такой прокладкой, как изолятор 10, показанный на фиг.2, который имеет конфигурацию, предусматривающую подачу спиралевидного потока разных электролитов для использования по разному назначению. Узел, содержащий концентрический электрод 110', прокладку 111 и электрод 114', представляет собой очень прочную, самоупрочненную систему, обеспечивающую эффективную диссоциацию текучих сред, таких как вода, жидкости из анаэробных сбраживателей или морская вода, с улучшенной эффективностью и устойчивостью против засорения. Электроды 110' и 114' можно изготовлять из проводящей копировальной бумаги, ткани или войлока; плетеных или сваляных углеродных или металлических волокон, графитовых гранул, уложенных между плетеными или сваляными углеродными или металлическими волокнами; или стопки полимерных листов с металлическим покрытием или металлических листов, таких как малоуглеродистая сталь, никелированная сталь или нержавеющая сталь, в которых просверлено, как было указано выше, множество отверстий на параллельных средних линиях, которые наклонены, как было показано, для соответствующего отделения водорода от одновременно образующихся газов, таких как кислород, хлор или двуокись углерода, в зависимости от химического состава электрода.
[00072] В тех случаях, когда электрод 110', прокладка 111 и электрод 114' используются в концентрических электродных узлах, таких, как показано на фиг.4, водород поступает в патрубок 116, а такие продукты, как кислород, хлор или двуокись углерода (в зависимости от вещества, подвергаемого диссоциации), поступают в патрубок 118. В некоторых случаях предпочитают создать множество отверстий в электродах 110' и 114' таким образом, чтобы каждое отверстие было слегка скошено на конус в направлении от отверстия меньшего диаметра на поверхности прилегающей прокладки 111 к отверстию большего диаметра на выходе из прокладки 111.
[00073] Предпочтительно выбирать шаг спирали, расстояние между электродами и толщину состоящей из полос прокладки 111 такими, чтобы доставка электролита из патрубка 138 к электродам 110' и 114' и через них в патрубок 126 происходила со скоростью, соразмерной с доступной электрической мощностью и требованиями к теплопередаче системы, чтобы можно было оптимизировать достигнутое расстояние между электродами. Это приводит к обильной подаче ионов для электролиза, протекающего на электродах 110' и 114', и в то же время обеспечивает разделение водорода, поступающего в зону внутри электрода 110', от одновременно образующихся газов, таких как кислород, двуокись углерода или хлор, поступающих в пространство снаружи электрода 114'.
[00074] С другой стороны, можно обеспечить работу системы в регенеративном режиме, прокладывая газопроточные каналы в водородном электроде и газопроточные каналы в кислородном электроде и создавая соответствующие патрубки для дополнительного ввода водорода в нижнюю часть водородного электрода и кислорода в нижнюю часть кислородного электрода. В этом случае предпочитают использовать концентрические спиральные электроды, особенно в мелких топливных элементах, когда однокорпусный узел удовлетворяет потребность в энергии.
[00075] На фиг.6 приведено поперечное сечение спирального электрода, используемого в тех случаях, когда нужно показать работу реверсивного топливного элемента. Он обеспечивает улучшение отношения поверхности к объему, момента сопротивления сечения и продольной устойчивости электрода 114 или аналогичной спиральной модификации электрода 110. Электрод 114 показан в сечении, на котором газ 152, текущий по спиральным каналам, образованным путем гофрирования стопки листов, которая используется для образования спирали. Он обеспечивают подачу кислорода для обеспечения работы топливного элемента, а при проведении пиролиза - для подачи кислорода в кольцо 136 и патрубок 118. Такая же конфигурация пригодна и для электрода 110 при работе в режимах топливного элемента и электролиза для превращения органических кислот в двуокись углерода и водород, а в режиме электролиза обеспечивает обильную подачу газа в требуемый сборник или выпускной патрубок, как было описано выше.
[00076] Еще в одном отношении улучшение эксплуатационных качеств электрода обеспечивается путем облегчения роста и сохранения микроорганизмов, которые превращают водные производные органических веществ, такие как угольная кислота, уксусная кислота, масляная кислота и молочная кислота, вместе с такими соединениями как мочевина, в водород. На электроде, выбранном для получения ионов водорода и/или выделения двуокиси углерода, повышение микробной продуктивности обеспечивается путем подготовки такой поверхности электродов с использованием топографического увеличения, чтобы можно было увеличить эффективную площадь поверхности, в том числе увеличить долю волокон или усов, которые уменьшают электрическое сопротивление на субстратном электроде и помогают удерживать микробы и биопленку на месте вместе с требуемыми пленочными веществами, образовавшимися в процессе брожения.
[00077] Не ограничиваясь никакой теорией, полагаем, что специфические особенности электрода и/или сепаратора, такие как топографическая обработка или усовершенствование, способствуют турбулизации, в том числе кавитации или суперкавитации, электролита в требуемом месте, которая в свою очередь способствует зародышеобразованию в этом месте. И наоборот, специфическая конфигурация электрода и/или сепаратора может подавлять турбулентность, в том числе кавитацию или суперкавитацию, в требуемом месте, например в точке переноса электронов, что в свою очередь может замедлять зародышеобразование в этом месте. Полагают, что элементы, в том числе и эти особенности, могут быть осуществлены в любом месте электролитической ячейки, в котором желательно зародышеобразование. Более того, те же самые особенности и принципы можно применять к газосборнику, находящемуся в жидкостной связи с электролитической ячейкой, или жидкостной связи с каналами или клапанами между ними.
[00078] Подходящими волокнами и/или усами являются металлы или легированные полупроводники, такие как углеродные, кремниевые волокна или нановолокна углерода или нитрида бора, предназначенные для увеличения площади поверхности, уменьшения переноса ионов и омических потерь, увеличения продуктивности микробов и активации более эффективного зародышеобразования, чтобы обеспечить более эффективное выделение двуокиси углерода. Подобные волокна могут также использоваться для закрепления графитовых гранул, которые еще более увеличивают продуктивность микробов, повышают эффективность использования энзима и катализатора и благоприятствуют соответствующим процессам образования ионов водорода. Аналогичным образом, на том электроде, на котором ионы водорода получают электроны, превращаясь в атомы водорода и образуя зародыши пузырьков двухатомного водорода, волокна и усы могут использоваться для увеличения активной зоны и уменьшения напряжения, необходимого для всего процесса в целом.
[00079] Кроме усов углерода, оказались пригодными волокна, выращенные из металлов, таких как олово, цинк, никель, и тугоплавких металлов, осажденных из пара или выращенных из покрытия на подходящем субстрате, таком как электроды из сплавов железа, чтобы можно было уменьшать электрическое сопротивление и увеличивать эффективность процесса. Подобные волокна и усы можно сделать более пригодными в качестве опоры для биопленки и для интенсификации процесса путем добавления подходящих поверхностно-активных веществ и/или поверхностного покрытия с подходящими веществами, такими как углерод, нитрид бора или карбид кремния, осажденные путем напыления или разложения вещества, такого как донор углерода, из характерных предшественников, таких как ацетилен, бензол или парафиновые газы, в том числе метан, этан, пропан и бутан.
[00080] Вариант осуществления на фиг.4 и его модификации могут обеспечить успешное разделение газообразных производных с низкой плотностью, полученных путем диссоциации текучих сред, в том числе отделение водорода от органических жидкостей, как показано в уравнениях 1-6, с целью его подачи или отделения обогащенных водородом смесей в патрубок 116, тогда как двуокись углерода или обогащенные двуокисью углерода смеси, в том числе и соединения фиксированного азота, подаются в патрубок 118. В некоторых вариантах осуществления может потребоваться смесить полярность этих электродов, чтобы сменить выпускные отверстия для разделенных газов. Подобное обращение может быть продолжительным по времени или перемежающимся выполнением разных процедур. В зависимости выбранного шага спирали электродов 110 и 114 и резонансной или индуцированной частоты колебаний каждого электрода и относительной скорости текучей среды на каждом электроде, водород может подаваться в патрубок 116, но система может работать с образованием метана и двуокиси углерода. Однако двуокись углерода, поступающая в патрубок 118, может содержать метан и другие газы с большей плотностью, чем у водорода. В тех случаях, когда желательно создать высокоприемистые смеси водорода и метана, чтобы обеспечить качественное управление мощностью двигателей внутреннего сгорания, различными горелками, топками или топливными элементами, вариант осуществления на фиг.4, работающий с гидравлической и электрической системой управления, обеспечиваемой, например, насосом 36 и контроллером 52, способствует получению и отделению требуемой топливной смеси с регулируемым соотношением водорода и метана, выпускаемой через патрубок 116.
[00081] Неожиданно особенно подходящим для производства активных анаэробных колоний микробов, которые обеспечивают требуемое превращение органического сырья в водород и/или метан, оказалось устройство, созданное путем добавления таких сред, как коллоидный углерод, углеродные волокна, в том числе и нановолокна, отщепленные кристаллы углерода, графеновые пластинки, активированный уголь, цеолиты, керамика и/или гранулированный нитрид бора, к электрохимической ячейке. Подобные среды можно легировать или смешивать с разными агентами, чтобы обеспечить повышенную каталитическую продуктивность. Показательно, что требуемую функциональность можно обеспечить путем легирования выбранными агентами, имеющими электронную структуру, более или менее сходную со структурой у бора, азота, марганца, серы, мышьяка, селена, кремния, теллура и/или фосфора. Циркуляция, создаваемая выделяющимися в процессе электролиза газами, может способствовать сортировке подобных сред по благоприятным местам расположения и плотности, чтобы обеспечить более эффективное использование тока.
[00082] Не ограничиваясь никакой теорией, предполагают, что подобный синергизм обусловлен увеличением площади поверхности в наиболее ответственных местах и образованием строчечных включений, участков или волокон, которые усиливают процессы зародышеобразования и/или проводят электроны или ионы водорода наряду с благоприятной адсорбцией энзимов, водорода, метана или двуокиси углерода в биопленке и образовавшихся реакционных зонах. Показательно, что микробы подвергаются инкубации путем циркуляции в эффективно используемые места при проведении операций и по протокам, образованным в разных вариантах осуществления, описанных здесь.
[00083] Помимо усов и волокон, таких как углерод, графит, разные карбиды металлов, карбида кремния других неорганических веществ и частиц, которые каталитически увеличивают производительность, можно с успехом использовать активированные вещества и частицы, которые предоставляют питательные вещества или катализаторы, требуемые для поддержания микробных процессов. Например, пористые и/или расслоенные субстраты полимеров, керамика или активированный уголь могут поглощать проводящие органические катализаторы, такие как ко-тетраметоксифенилпорфирин (СоТрМРР) или поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT), и/или успешно ориентировать и представлять другие каталитические вещества, в том числе энзимы и графт-полимеры, которые могут также использоваться для введения и представления каталитических веществ, в том числе и дополнительных энзимов.
[00084] Подходящими веществами или графт-полимерами могут являться те обычные дендримеры, изоляционные материалы «файберформ» и другие органические функциональные материалы, способные уменьшать количество или полностью заменять платину и другие дорогостоящие катализаторы и проводники. Подобная замена и использование подобных веществ охватывает смеси и определенные места в отношении циркуляции текучей среды, вытекающей из некоторых рассмотренных здесь вариантов осуществления. Различные специализированные проводящие и/или каталитические структуры включают игольчатые осадки и волокна, которые могут расти или примыкать к электродам 3, 8, 110 и 114 и/или ложиться на углеродные сваляные или переплетенные структуры или диспергироваться в образующихся биопленках. Например, проводящие и/или каталитические функциональные свойства могут обеспечиваться волокнами, которые удерживают и предоставляют гидрогеназу и другие энзимы, СоТМРР и/или другие катализаторы, такие как поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT), являясь волокнами, синтезированными из водных растворов поверхностно-активного вещества в виде самоорганизованных нановолокон с отношением длины к диаметру более 100 и имеющих низкое сопротивление зарядной проводимости. Синтез в водных растворах, содержащих анионогенный поверхностно-активный додецилсульфат натрия (ДСН), может быть приспособлен для производства различных конфигураций путем изменения концентрации ДСН и добавления FeCl3 для того, чтобы получать полимеризованные структуры. (Вариант такой процедуры описан в Moon Gyu Han et al., Facile Synthesis of Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) Nanofibers from an Aqueous Surfactant Solution, Small 2, No.10, 1164-69 (2006), включенной сюда путем ссылки на нее.) Другими вариантами являются функциональные катализаторы и микропроводники в виде нанокомпозитов, полученных из целлюлозных нановолокон и полупроводниковых сопряженных полимеров, в том числе полианилина (PANI) и производного поли(p-фениленэтинилена) (РРЕ) с четвертичным аммонием в боковых цепях. Целлюлозу, углерод или керамические усы с анионными поверхностными зарядами можно комбинировать с положительно заряженными сопряженными полимерами, чтобы получать стойкие суспензии, которые можно лить из раствора в полярных растворителях, таких как муравьиная кислота.
[00085] Препараты содержат графт-полимеры и концевые органометаллические алкоксиды, алкилы металлов и используют каталитические преимущества уксусной кислоты и полимерного катализатора, содержащего концевую СООН-группу. Можно выбрать особые функциональные и бифункциональные группы вместе со смесью концевых групп, чтобы создать многофункциональные характеристики, в том числе каталитические функции, стабилизаторы реакционной способности, прививающие агенты и активаторы дисперсионной полимеризации. Аналогичным образом, специализированная активация углерода или других субстратов водородом и/или энзимами, образованными анаэробными микроорганизмами, создает локально обогащенную водородом среду, позволяющую усиливать или подавлять образование метана и усиливать дополнительное образование водорода из разных органических веществ.
[00086] Согласно фиг.1-3 по необходимости можно создать один или несколько добавочных валяных или плетеных экранов из углеродных волокон на внутренней и наружной поверхности цилиндрических компонентов 8, 10, 11, 110 и/или 114. Подобные добавочные валяные или плетеные экраны могут соразмерно собирать или распределять электроны по электродам 4, 8, 110 и/или 114 и/или сепараторам 10 или 11 и помогают закреплять или локализовать гранулы, волокна и/или другие структуры, чтобы уменьшить потери давления или более равномерно распределять потоки жидкости, и усиливают микробные функции при проведении требуемого превращения энергии.
[00087] В число побочных и конкурирующих реакций и процессов, обеспечивающих получение водорода и двуокиси углерода, входят разные стадии, сведенные в обобщенное уравнение 8.
[00088] Углерод расходуется согласно уравнению 8, в том числе и углерод, который может поступать в виде составных компонентов или углеродистого вещества, смешанного с жидкостью из анаэробного сбраживателя или электролизера, или в виде различных промышленных продуктов. Например, углерод может содержаться в ломе шлифования, механической обработки, электроэрозионного шлифования и различных термохимических операций, проводимых для производства электродов, нанесения покрытия на электрод, в том числе футеровки, или частиц, или волокон, или флокулянтов, или выбранных карбидов, путем термической диссоциации и реакционных процессов, в том числе коллоидных или иных суспензий в качестве продуктов разной степени дегидрогенизации органических веществ.
[00089] Подобное углеродное и/или углеродсодержащее сырье может быть возобновляемым бактериями, фитопланктоном или более крупными водорослями, которые получают двуокись углерода и другие питательные вещества из подаваемой жидкости, или путем циркуляции двуокиси углерода к гидропонным и/или наземным растениям. Лучше использовать подобные формы углерода с большим отношением поверхности к объему и прикладывать градиент напряжения к тем зонам, куда они подаются с целью проведения указанной реакции и подачи ионов водорода на поверхность электрода, в том числе дополнительные проводящие среды, такие как волокна, и проводящие фильтрующие вещества для производства, зародышеобразования и выпуска пузырьков водорода, чтобы можно было увеличить общую скорость производства водорода.
[00090] Подходящими средствами увеличения активной поверхности и/или флокулянтов являются средства с органическими составляющими, такие как бактерии, протеины, простые и сложные сахара, целлюлоза, термически диссоциированная целлюлоза, живой или диссоциированный фитопланктон совместно с разными формами коллоидного углерода, активированного угля и карбидами. Например, фитопланктон и/или более крупные водоросли можно выращивать, сушить, смешивать со связующим, таким как кукурузный сироп, подвергать термическому разложению в разной степени и размалывать, чтобы получить тонкоизмельченный флокулянт. Или же активированный уголь можно измельчать, чтобы получить тонкоизмельченные частицы, которые используют в качестве носителя энзима или флокулянта, или же его можно использовать совместно с ранее указанными веществами, чтобы достичь требуемой продуктивности или эффективности энзима, обеспечить инкубацию требуемых микроорганизмов или увеличить производство водорода или метана и/или расход углерода, чтобы получать ионы водорода для электролиза, показанного уравнением 8.
[00091] В случае необходимости случайное использование морской воды или добавление небольшого количества соли в водный электролит может привести к образованию хлора, чтобы можно было провести дезинфекцию или предотвратить вредное загрязнение электролизной системы. Использование некоторых вариантов осуществления, например, показанного на фиг.5, позволяет получить систему, не склонную к вредному загрязнению даже при использовании таким электролитов, как сточная вода, техническая вода, зольная вода, морская вода, канальная и дренажная вода или жидкость из анаэробных сбраживателей. Далее, подобные системы в случае необходимости легко подвергаются очистке путем пропускания в обратном направлении электролита или чистой воды из патрубка 118 в патрубок 138, чтобы вымыть частицы, которые могли проникнуть к электродам.
[00092] Использование некоторых вариантов осуществления простирается от крупномасштабной обработки бытовых сточных вод до наноэлектролизеров, в том числе обеспечивает совершенствование обычных сбраживателей, из которых растворы или «жидкость», содержащая органические вещества, направляется на производство водорода и/или метана и двуокиси углерода и других питательных веществ для растений. При такой вместимости некоторые варианты осуществления могут обеспечивать быстрое и эффективное превращение полупродуктов анаэробного сбраживания и превращать ионы водорода в водород и предотвращать кислотное снижение производительности метанового производства. Во время работы жидкость из анаэробного сбраживателя используется для производства водорода и двуокиси углерода, восстанавливающего и/или поддерживающего pH около 7,0 вместо кислотной среды, которая могла тормозить производство метана. Благодаря этому удается повысить общий кпд превращения энергии, исключив дорогостоящее добавление химических агентов с целью регулирования pH в сбраживателе. При подобном среднемасштабном и крупномасштабном применении важно спроектировать мультифункциональные компоненты системы, в том числе электронораспределительные цепи, которые способны также обеспечивать требуемое удержание гранул, таких как углерод, нитрид бора, цеолиты, полимеры и керамика, в том числе и подобные вещества в активированном в разной степени состоянии с целью повышения производительности.
[00093] Еще в одном отношении электролизер, описанный выше, можно использовать для быстрого превращения кислот, которые обычно образуются при анаэробном сбраживании, в том числе при сбраживании бытовых сточных вод и мусора на свалках наряду с отходами, образующимися на скотобойнях, маслобойнях, птицефабриках и других животноводческих центрах. Производство метана сдерживается или тормозится, если кислоты, образующиеся в анаэробных условиях, вызывают понижение pH ниже 7. Подобные кислоты могут образоваться, если скорость подачи органического материала превышает вместимость метангенетической колонии микроорганизмов. Путем удаления водорода из подобных кислот можно увеличить скорость обработки органического материала путем анаэробного сбраживания. Сочетание метана и водорода обеспечивает гораздо большее производство полезной энергии в пересчете на тонну отходов, и отходы обрабатываются быстрее, что увеличивает производительность процесса.
[00094] Особенно полезным является применение некоторых вариантов осуществления для превращения отходов в энергию, при котором органические вещества, такие как нечистоты, используются вместе с гидролизованными отбросами, отходами сельскохозяйственного производства и отходами при лесозаготовках в анаэробном электросбраживающем процессе, изображенном с помощью уравнений 1-6, для производства водорода при минимальном производстве кислорода или совсем без него. Надежная конфигурация и рециркуляционные операции обеспечивают большую устойчивость к суспендированным твердым веществам и частицам при анаэробном сбраживании жидкостей, используемых в качестве электролитов. Производство водорода без соразмерного выделения кислорода, как при электролизе воды, обеспечивает большую эффективность и безопасность при использовании полученного из отходов водорода в качестве хладагента в электрическом оборудовании, таком как электрогенератор.
[00095] В еще одном использовании рассмотренных здесь некоторых вариантов осуществления электролизная система 900, показанная на фиг.7, предназначена для разрушения тканей и/или клеток биомассы под энзимным, механическим, термическим, акустическим, электрическим и/или химическим действием в кондиционеров 950, обеспечивающем более быструю и более полную обработку, сбраживание и/или обеспечение инкубации. Текучая среда, содержащая такие разрушенные клетки, из кондиционеры 950 и соответствующее сырье, которое образуется в преобразователе 902, поступают в электролизер 914 через кольцевой распределитель 922 основания 910, как показано на фигуре. Анаэробные микроорганизмы обитают в средах 940 и 942 и получают жидкость, циркулирующую из сепаратора водорода 904 по трубе 910, и жидкость, циркулирующую из сепаратора двуокиси углерода 906 по трубе 908, как показано на фигуре. Электрод 918 и/или среда 942 выделяют водород, а электрод 916 и/или среда 940 выделяют двуокись углерода. На электродах 916 и 918 по цепи 926 источником 924 создается электродвижущее смещение, которое может составлять от 0,1 до 3 В постоянного тока в зависимости от требований к диссоциации соединений и случайной потребности в увеличении напряжения при создании изолирующих пленок. Водород поступает на участок скопления и поступает в сепаратор 904, перемещаясь вдоль более или менее конической поверхности 925, которая может являться проводящей поверхностью в зависимости от требуемого последовательного/параллельного переключения или наличия изолятора 930, как показано на фигуре.
[00096] В рабочем режиме жидкости смешиваются в распределительном кольце 922 и поднимаются вверх, доставляя реагенты и питательные вещества микроорганизмам, обитающим в ткани и/или гранулах активированного угля 940 и 942 и/или на проводящем войлоке, который вмещает и удерживает такие гранулы вблизи от электрода 916 и/или 918. Можно добавлять более мелкие частицы и волокна на инфильтрационных участках через электролизную систему, чтобы увеличить электрозарядную проводимость, энзимную и каталитическую функции, в том числе и описанные выше функции. Сепаратор 902 может представлять собой обратноосмотическую мембрану или катионо- или анионообменную мембрану или он может иметь конструкцию согласно вариантам осуществления, показанным на фиг.2, 3, 4 или 5, а в некоторых случаях подобные сепараторы могут использоваться совместно друг с другом, что может потребоваться, чтобы создавать разные циркуляционные каналы жидкости и/или производить водород и двуокись углерода под разными давлениями или создавать разность давлений между водородом и двуокисью углерода.
[00097] Аналогичным образом, доступно множество вариантов циркуляции, если электрод 916 вместе с прилегающим войлоком или средой 940 служит в качестве источника электронов, чтобы получать водород из ионов, поступающих из жидкости, циркулирующей под действием всплывающего газа, конвекционных потоков или подачи насосом, как показано на фигуре. В этой модификации двуокись углерода выделяется, когда ионы водорода образуются из кислот, поступающих из 902 и 950, или образуются микроорганизмами, обитающими в волокнистой или гранулированной среде 942 или связанного с ней войлочных материалов, которые электрически смещены электродом 918, чтобы противостоять электроду 916, как показано на фигуре. Другая модификация получается, если электроны подаются электродом 918 для образования водорода, который скапливается изолятором 930 для подачи в газосборник 904, как показано на фигуре. В этом случае электрод 916 и электрически связанная с ним среда являются коллекторами электронов, когда выделяется двуокись углерода за изолятором 930 в сборник 906, как показано на фигуре.
[00098] Согласно фиг.7 систему 900 можно использовать для превращения органического сырья, такого как сырье, образовавшееся при фотосинтезе и/или микроорганизмами, в метан, водород и/или двуокись углерода. В зависимости от обитающих микроорганизмов жидкости, которые обычно содержат кислоты, такие как уксусная кислота и масляная кислота, вместе с такими соединениями как мочевина, подвергаются в электролизере 914 диссоциации. Электролизер 914 подает ток под достаточно высоким напряжением, чтобы производить водород из таких соединений и кислот, и может служить в качестве сбраживателя и электролизера или может использоваться в анаэробном сбраживателе (не показан) или может использовать жидкости, образовавшиеся в анаэробном сбраживателе 914, как показано на фигуре. Подобная операция особенно пригодна для превращения бытовых и/или промышленных органических отходов с целью снабжения населения топливом, а промышленности - сырьем для производства усиленных углеродом товаров длительного пользования.
[00099] Хотя данное изобретение было описано со ссылкой на конкретные варианты осуществления, сведущим в данной области понятно, можно вносить изменения и дополнения без отклонения от сущности и объема данного изобретения. Соответственно, объем данного изобретения ограничивается лишь приведенной ниже формулой.
Предложена электролитическая ячейка, содержащая герметизирующий сосуд, первый электрод, второй электрод, источник электрического тока, находящийся в электрическом сообщении с первым электродом и вторым электродом, электролит, имеющий жидкостное сообщение с первым электродом и вторым электродом; газ, причем этот газ образуется во время электролиза на первом электроде или вблизи него; при этом ячейка снабжена сепаратором, который имеет наклонную поверхность, и включает в себя электрод, чтобы можно было направлять поток электролита и газа за счет разности между плотностью электролита и суммарной плотностью электролита и газа таким образом, чтобы газ перемещался в направлении в сторону от второго электрода. Повышение циркуляции электролита при помощи наклонного сепаратора, а также увеличение эффективности массопередачи в процессе электролиза, является техническим результатом предложенного изобретения. Предложенная ячейка работает при отсутствии протоннообменной мембраны и позволяет быстро удалять пузырьки водорода и кислорода, образующиеся на соответствующих электродах электрохимической ячейки. 8 н. и 12 з.п. ф-лы, 7 ил.
1. Электролитическая ячейка, содержащая:
герметизирующую оболочку;
первый электрод;
второй электрод;
источник электрического тока в электрическом сообщении с первым электродом и вторым электродом;
электролит в жидкостном сообщении с первым электродом и вторым электродом;
газ, причем этот газ образуется во время электролиза на первом электроде или возле него;
зону отделения газа; и
сепаратор, причем сепаратор имеет, по существу, сплошную спиральную конфигурацию с двумя наклонными поверхностями, расположенными относительно друг друга в виде буквы "V";
при этом сепаратор направляет поток электролита и газа за счет разности между плотностью электролита и суммарной плотностью электролита и газа таким образом, чтобы газ, по существу, протекал в направлении вдаль от второго электрода, и при этом сепаратор дополнительно выполнен с возможностью усиливать циркуляцию электролита между первым электродом, зоной отделения газа и вторым электродом, чтобы обеспечить доступ свежего электролита к первому электроду и второму электроду.
2. Электролитическая ячейка по п.1, при этом сепаратор содержит первый электрод.
3. Электролитическая ячейка по п.2, при этом сепаратор дополнительно содержит диэлектрический материал.
4. Электролитическая ячейка по п.3, дополнительно содержащая микроорганизм, при этом сепаратор, по существу, удерживает микроорганизм в требуемом месте.
5. Электролитическая ячейка по п.1, при этом первый электрод и второй электрод выполнены с возможностью менять полярность первого электрода и второго электрода на обратную.
6. Электролитическая ячейка по п.1, при этом сепаратор содержит первый электрод, а первый электрод содержит первый проводящий материал, расположенный ближе к источнику электрического тока, и диэлектрический материал, расположенный дальше от источника постоянного тока.
7. Электролитическая ячейка по п.6, при этом первый электрод дополнительно содержит второй проводящий материал, расположенный ближе к диэлектрическому материалу и дальше от источника электрического тока.
8. Электролитическая ячейка по п.1, при этом первый электрод содержит пружинящую структуру для вибрации, чтобы облегчать отделение образовавшегося газа от электродов.
9. Электролитическая ячейка по п.1, при этом первый электрод выполнен с возможностью вибрировать с частотой, усиливающей циркуляцию электролита.
10. Электролитическая ячейка, содержащая:
герметизирующую оболочку;
первый электрод;
второй электрод;
источник электрического тока в электрическом сообщении с первым электродом и вторым электродом;
электролит в жидкостном сообщении с первым электродом и вторым электродом;
газ, причем этот газ образуется во время электролиза на первом электроде или возле него;
зону отделения газа; и
сепаратор, причем сепаратор имеет две наклонные поверхности, расположенные относительно друг друга в виде буквы "V", и при этом сепаратор содержит первый электрод, при этом сепаратор направляет поток электролита и газа за счет разности между плотностью электролита и суммарной плотностью электролита и газа таким образом, чтобы газ, по существу, протекал в направлении вдаль от второго электрода, и при этом сепаратор дополнительно выполнен с возможностью усиливать циркуляцию электролита между первым электродом, зоной отделения газа и вторым электродом, чтобы обеспечить доступ свежего электролита к первому электроду и второму электроду.
11. Электролитическая ячейка по п.10, при этом сепаратор дополнительно содержит диэлектрический материал.
12. Электролитическая ячейка, содержащая:
герметизирующую оболочку;
первый электрод;
второй электрод;
источник электрического тока в электрическом сообщении с первым электродом и вторым электродом;
электролит в жидкостном сообщении с первым электродом и вторым электродом;
газ, причем этот газ образуется во время электролиза на первом электроде или возле него;
зону отделения газа; и
сепаратор, причем сепаратор имеет две наклонные поверхности, расположенные относительно друг друга в виде буквы "V", и при этом сепаратор имеет, по существу, сплошную многоходовую спиральную конфигурацию,
при этом сепаратор направляет поток электролита и газа за счет разности между плотностью электролита и суммарной плотностью электролита и газа таким образом, чтобы газ, по существу, протекал в направлении вдаль от второго электрода, и при этом сепаратор дополнительно выполнен с возможностью усиливать циркуляцию электролита между первым электродом, зоной отделения газа и вторым электродом, чтобы обеспечить доступ свежего электролита к первому электроду и второму электроду.
13. Электролитическая ячейка, содержащая:
герметизирующую оболочку;
первый электрод;
второй электрод;
источник электрического тока в электрическом сообщении с первым электродом и вторым электродом;
электролит в жидкостном сообщении с первым электродом и вторым электродом;
газ, причем этот газ образуется во время электролиза на первом электроде или возле него;
зону отделения газа; и
сепаратор, причем сепаратор имеет две наклонные поверхности, расположенные относительно друг друга в виде буквы "V", и при этом сепаратор содержит первый электрод, а первый электрод содержит первый проводящий материал, расположенный ближе к источнику электрического тока, и диэлектрический материал, расположенный дальше от источника электрического тока, при этом сепаратор направляет поток электролита и газа за счет разности между плотностью электролита и суммарной плотностью электролита и газа таким образом, чтобы газ, по существу, протекал в направлении вдаль от второго электрода, и при этом сепаратор дополнительно выполнен с возможностью усиливать циркуляцию электролита между первым электродом, зоной отделения газа и вторым электродом, чтобы обеспечить доступ свежего электролита к первому электроду и второму электроду.
14. Электролитическая ячейка по п.13, при этом первый электрод дополнительно содержит второй проводящий материал, расположенный ближе к диэлектрическому материалу и дальше от источника электрического тока.
15. Электролитическая ячейка, содержащая:
герметизирующую оболочку;
первый электрод;
второй электрод;
источник электрического тока в электрическом сообщении с первым электродом и вторым электродом;
электролит в жидкостном сообщении с первым электродом и вторым электродом;
газ, причем этот газ образуется во время электролиза на первом электроде или возле него;
сепаратор, причем сепаратор содержит первый электрод; и
зону отделения газа, причем сепаратор выполнен с возможностью усиливать циркуляцию электролита между первым электродом, зоной отделения газа и вторым электродом, чтобы обеспечить доступ свежего электролита к первому электроду и второму электроду,
при этом сепаратор имеет наклонную поверхность, чтобы направлять поток электролита и газа за счет разности между плотностью электролита и суммарной плотностью электролита и газа таким образом, чтобы газ, по существу, протекал в направлении вдаль от второго электрода.
16. Электролитическая ячейка по п.15, при этом сепаратор дополнительно содержит диэлектрический материал.
17. Электролитическая ячейка, содержащая:
герметизирующую оболочку;
первый электрод;
второй электрод;
источник электрического тока в электрическом сообщении с первым электродом и вторым электродом;
электролит в жидкостном сообщении с первым электродом и вторым электродом;
газ, причем этот газ образуется во время электролиза на первом электроде или возле него;
сепаратор, причем сепаратор имеет две наклонные поверхности, расположенные относительно друг друга в виде буквы "V", при этом сепаратор имеет, по существу, сплошную спиральную конфигурацию с наклонной поверхностью; и
зону отделения газа, причем сепаратор выполнен с возможностью усиливать циркуляцию электролита между первым электродом, зоной отделения газа и вторым электродом, чтобы обеспечить доступ свежего электролита к первому электроду и второму электроду,
при этом сепаратор имеет наклонную поверхность, чтобы направлять поток электролита и газа за счет разности между плотностью электролита и суммарной плотностью электролита и газа таким образом, чтобы газ, по существу, протекал в направлении вдаль от второго электрода.
18. Электролитическая ячейка, содержащая:
герметизирующую оболочку;
первый электрод;
второй электрод;
источник электрического тока в электрическом сообщении с первым электродом и вторым электродом;
электролит в жидкостном сообщении с первым электродом и вторым электродом;
газ, причем этот газ образуется во время электролиза на первом электроде или возле него;
сепаратор, причем сепаратор имеет две наклонные поверхности, расположенные относительно друг друга в виде буквы "V", при этом сепаратор имеет, по существу, сплошную многоходовую спиральную конфигурацию с наклонной поверхностью; и
зону отделения газа, причем сепаратор выполнен с возможностью усиливать циркуляцию электролита между первым электродом, зоной отделения газа и вторым электродом, чтобы обеспечить доступ свежего электролита к первому электроду и второму электроду,
при этом сепаратор имеет наклонную поверхность, чтобы направлять поток электролита и газа за счет разности между плотностью электролита и суммарной плотностью электролита и газа таким образом, чтобы газ, по существу, протекал в направлении вдаль от второго электрода.
19. Электролитическая ячейка, содержащая:
герметизирующую оболочку;
первый электрод;
второй электрод;
источник электрического тока в электрическом сообщении с первым электродом и вторым электродом;
электролит в жидкостном сообщении с первым электродом и вторым электродом;
газ, причем этот газ образуется во время электролиза на первом электроде или возле него;
сепаратор, причем сепаратор содержит первый электрод, а первый электрод содержит первый проводящий материал, расположенный ближе к источнику электрического тока, и диэлектрический материал, расположенный дальше от источника электрического тока; и
зону отделения газа, причем сепаратор выполнен с возможностью усиливать циркуляцию электролита между первым электродом, зоной отделения газа и вторым электродом, чтобы обеспечить доступ свежего электролита к первому электроду и второму электроду,
при этом сепаратор имеет наклонную поверхность, чтобы направлять поток электролита и газа за счет разности между плотностью электролита и суммарной плотностью электролита и газа таким образом, чтобы газ, по существу, протекал в направлении вдаль от второго электрода.
20. Электролитическая ячейка по п.19, при этом первый электрод дополнительно содержит второй проводящий материал, расположенный ближе к диэлектрическому материалу и дальше от источника электрического тока.
| US 4548693 A, 22.10.1985 | |||
| US 4574037 A, 04.03.1987 | |||
| US 4377455 A, 22.03.1983 | |||
| JP 4074879 A, 10.03.1992 | |||
| ЭЛЕКТРОЛИЗНАЯ ЯЧЕЙКА С ГАЗОДИФФУЗИОННЫМ ЭЛЕКТРОДОМ | 2002 |
|
RU2303085C2 |
| СПОСОБ ЭЛЕКТРОЛИЗА ВОДНЫХ ХЛОРНО-ЩЕЛОЧНЫХ РАСТВОРОВ, ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИЗА ХЛОРНО-ЩЕЛОЧНОГО РАСТВОРА И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЛИТНОГО ЭЛЕКТРОДА | 2003 |
|
RU2330124C2 |
| Электролизер | 1980 |
|
SU1665878A3 |
| Модель вспомогательной системы координат головного мозга | 1988 |
|
SU1519679A1 |
