Устройство и способ улавливания газа во время электролиза

Устройство и способ улавливания газа во время электролиза

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Перекрестная ссылка на родственные заявки

[0001] Эта заявка утверждает преимущество предварительных заявок США на патент №№61/153.253, поданной 17 февраля 2009 г., 61/237.476, поданной 27 августа 2009 г. и 61/304.403, 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 сюда 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 примере осуществления данного изобретения предлагается герметизирующая оболочка, работающая под давлением; 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; первый газ, который образуется во время электролиза на втором электроде или возле него; второй газ, причем второй газ образуется во время электролиза на первом электроде или возле него; сепаратор; сборник первого газа и сборник второго газа, причем сепаратор имеет первую наклонную поверхность, позволяющую направлять поток электролита и первого газа за счет разности между плотностью электролита и суммарной плотностью электролита и первого газа таким образом, чтобы газ перемещался в направлении от второго электрода к сборнику первого газа, и вторую наклонную поверхность, позволяющую направлять поток электролита и второго газа за счет разности между плотностью электролита и суммарной плотностью электролита и второго газа таким образом, чтобы газ перемещался в направлении от первого электрода к сборнику второго газа.

[00010] В другом варианте осуществления предлагается герметизирующая оболочка, работающая под давлением; 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; первый газ, причем первый газ образуется во время электролиза на первом электроде или возле него; сепаратор и сборник первого газа, причем сепаратор имеет первую наклонную поверхность, позволяющую направлять поток электролита и первого газа за счет разности между плотностью электролита и суммарной плотностью электролита и первого газа таким образом, чтобы газ перемещался в направлении от второго электрода к сборнику первого газа.

[00011] Еще в одном варианте осуществления предлагается способ повышения эффективности электролитической ячейки, по которому: образуют электролитическую ячейку; проводят электролиз в электролитической ячейке, причем во время электролиза в электролитической ячейке образуются первый газ и второй газ; создают сборник первого газа, отличный от электролитической ячейки и имеющий жидкостное сообщение с электролитической ячейкой; улавливают первый газ в сборник первого газа, прежде чем он подвергнется существенному расширению; подвергают первый газ расширению; используют работу, совершенную при расширении первого газа; создают сборник второго газа, отличный от электролитической ячейки и имеющий жидкостное сообщение с электролитической ячейкой; улавливают второй газ в сборник второго газа, прежде чем он подвергнется существенному расширению; подвергают второй газ расширению; используют работу, совершенную при расширении второго газа.

[00012] Еще в одном варианте осуществления предлагается способ повышения эффективности электролитической ячейки, по которому: образуют электролитическую ячейку; проводят электролиз в электролитической ячейке, причем во время электролиза в электролитической ячейке образуются газ; создают сборник газа, отличный от электролитической ячейки и имеющий жидкостное сообщение с электролитической ячейкой; улавливают газ в сборник газа, прежде чем он подвергнется существенному расширению; подвергают газ расширению; используют работу, совершенную при расширении газа.

[00013] 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

[00014] На фиг.1 показана электролитическая ячейка в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.

[00015] На фиг.2 приведено увеличенное изображение участка электролитической ячейки, показанной на фиг.1.

[00016] На фиг.3 показана модификация участка электролитической ячейки, показанного на фиг.2.

[00017] На фиг.4 показана электролитическая ячейка в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.

[00018] На фиг.5 приведено увеличенное изображение другого варианта осуществления участка электролитической ячейки, показанного на фиг.4.

[00019] На фиг.6 показано поперечное сечение спирального электрода, используемого в реверсивном топливном элементе.

[00020] 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

[00021] 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.

[00022] В одном варианте осуществления предлагается 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 электродвижущей силы 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.

[00023] 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 обеспечивается 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.

[00024] 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 показанный 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.

[00025] 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.

[00026] 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.

[00027] 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.

[00028] 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 показанного 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.

[00029] 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.

[00030] 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.

[00031] 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 друг относительно 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 друг относительно 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.

[00032] 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.

[00033] 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 гофров увеличенного размера под номером 13. Вообще будет лучше, если каждый из гофров 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.

[00034] 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.

[00035] 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.

[00036] 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.

[00037] 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 к.п.д. При подобном смывании электродов могут также быстро удаляться пузырьки водорода и кислорода, образующиеся на соответствующих электродах электрохимической ячейки.

[00038] 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 35º до 70º, 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 35º до 70º, относительно продольной оси листа 14'.

[00039] 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 криолито-глиноземном электролите, образуя алюминий и кислород, то алюминий имеет большую плотность, чем криолито-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.

[00040] 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 менять 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 газо-барьерных листов подходящего для вариантов осуществления 2 или 100 диаметра путем склеивания или сварки стыковым швом или же производя сварку внахлестку, позволяющую создать требуемый газо-барьерный сепаратор.

[00041] Для электролиза воды пригодно множество электролитов. В одном варианте 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 высокопрочными армирующими материалами, такими, как стекло, керамика, углеродные волокна или их смесь.

[00042] 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.

[00043] 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 №09/969.860, 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.

[00044] 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:

[00045] 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 35-37ºС. 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.

[00046] 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