[发明专利]在电解过程中用于控制成核的装置和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年2月17日提交的美国临时专利申请No.61/153,253、2009年8月27日提交的美国临时专利申请No.61/237,476以及与2010年2月13日提交的美国临时专利申请No.61/304,403的权益，所述各申请的全部内容通过引用并入本文。

背景技术

用于发电的可再生资源通常是间断的。太阳能为日间事件，并且日间太阳能集中的潜能随季节而变化。风能可大幅度变化。降雨随季节变化并且经过长久的旱期。生物量随季节可变且经过旱期。住所具有大幅度地变化的包括每天、季节性和偶然的能量消耗率的需求。在全世界，由于缺少保存能量或电直到能量或电被需要的实用方法，可通过水力发电厂、风场、生物量转换和太阳能收集器传递的能量被忽视或浪费。渐增的世界人口对能量的需求已经增长到需要比能够生成的更多的油和其它化石资源的程度。城市遭受着由化石燃料的燃烧导致的烟雾和全球气候变化。

而且，对可通过对诸如水、生物量废料或从生物废料得到的有机酸的原料的热化学或电离作用提供的氢气、氧气、碳和其它产物的需求急剧增长。例如，氢气的全球市场大于4百亿美元，并且包括氨产物、精炼、化学制造和食物处理。

燃料、金属、非金属和其它有价值化学物质的电化学产物已经受到昂贵用电、低电解器效率、高维护成本以及诸如对生成的气体进行压缩泵送以进行期望的传送、存储和施加压力的能量集中操作的繁琐要求的限制。提供用于减少这些问题的技术所做的努力是显著的并且将如下出版物并入本文：“借助于化学周期由水生成氢气”，Glandt，Eduardo D.和Myers，Allan L.，化学和生物化学工程系，宾夕法尼亚大学，费城，PA 19174；工业工程化学处理发展，第15卷第1期，1976；“氢气作为未来燃料”，GregoryD.P.，气体技术学院；以及“吸附科学和技术”：吸附科学和技术第二届太平洋盆地会议的论文集：布利斯班，澳大利亚，2000年5月14-18日，D.Do Duong，Duong D.Do，投稿人Duong D.Do，由世界科学出版，2000年；ISBN 9810242638，9789810242633。

允许氢气与氧气混合的电解器存在瞬间点火或爆炸的潜在危险。包括使用气体生成电极的昂贵半渗透膜分离的低压和高压电解器的努力不能提供成本效益好的氢气产量并且由于杂质的毒化而易于降解和失败。即使在使用膜分离的情况下，膜破裂以及由于高压氧气和氢气的混合引起的着火或爆炸存在潜在危险。

一些商用电解器使用昂贵的多孔电极，在多孔电极之间为仅传导氢离子的电解质交换膜(PEM)。(参见加拿大的质子能量公司和电解器公司。)由于极化损耗、气体聚集以及对于能够到达电极和PEM电解液的界面的水的离解可用电极区域的减小，这限制了电极的效率。伴随着受限电极效率的是其它难题，包括由于氧气和氢气出口之间的压力差引起的膜破裂、由于补充水中的杂质引起的膜毒化、由于污染物或膜的稍微过热引起的不可逆膜降解、如果允许膜变干而不使用引起的膜降解或破裂，以及由于诸如浓差电池形成、催化剂和疏松电极材料之间的原电池以及接地回路的一个或多个诱因的腐蚀引起的膜界面处的电极降解。电极和PEM材料的分层提供了反应物或反应产物的内在滞留而导致无效操作。PEM电化学电池需要昂贵的膜材料、表面活性剂和催化剂。PEM电池易于被毒化、过热、溢流或干燥并且由于膜泄漏或破裂而带来操作危险。

除了效率低之外，这种系统的问题包括寄生损耗、昂贵的电极或催化剂和膜、低的能量转换效率、昂贵的维护以及高操作成本。压缩机或更加昂贵的膜系统根据情况需要对氢气和氧气以及电解作用的其它产物进行增压。最后提到的问题的必然结果是不可接受的维护要求、高的维修花费以及实质上设施退役的成本。

因此，本发明的一些实施方案的目的是提供用于对耐受杂质和操作产物的包括增压的氢气和氧气的气体的分离制造并且解决了上文阐述的当前方法存在的一个或多个问题的电化学或电解槽以及电化学或电解槽的使用方法。

发明概述

在本发明的一个实施方案中，提供电解槽，包括：盛装容器；第一电极；第二电极；与所述第一电极和所述第二电极电连通的电流源；与所述第一电极和所述第二电极流体连通的电解液；气体，其中所述气体在电解过程中形成在所述第一电极处或所述第一电极的附近；以及隔板；其中第一电极构造为通过基本上分离电子转移和成核的位置来控制气体成核的位置。