用于使用被配置为捕获电解产物的动能的发电机来维持电解器中的气体压力的设备和方法与流程

背景技术：

1、本发明涉及被配置为从压缩气体产生电力的发电机来维持电解系统内的气体压力。具体地，本发明将被集成到能够在地平面上或浸没在水体中从淡水或海水产生氢气和氧气的氢气生成系统中。该系统将具有电解淡水或海水的能力。

技术实现思路

1、气候变化是当今世界面临的最大威胁之一。诸如洪水、飓风、火灾和热浪等极端天气事件变得越来越普遍，因为大气继续被从化石燃料的燃烧生成的温室气体污染。因此，必须为地球提供污染能源的替代方案，并且具有高排放的国家必须转变远离污染化石燃料的使用。

2、到21世纪中后期实现净零排放对发展中国家和发达国家来说是最重要的。这些宏伟目标的一个组成部分是无碳燃料和能源。诸如太阳能和风能的可再生能源能够提供绿色电力，然而，所生成的电力并不总是能够被存储并且在消费者需要使用电力时可用，并且仅凭这些能源无法快速、有效且低成本地代替化石燃料。

3、氢气是具有储存能量供以后使用的能力的燃料。氢气具有许多优点，诸如不产生任何污染(其副产物是水)、其能够被压缩成能量密集的燃料、以及其在世界上民主化能量可用性的潜力。此外，氢气可以储存能量作为大规模电池或其他储存电力的方法的替代方案。强大的氢经济的发展将使目前依赖于其他国家获取化石燃料的国家摆脱困境，并且如果与可再生能源结合，将大大减少利用燃料的任何国家的碳足迹。

4、目前的氢气产生技术产生温室气体，因为大多数氢气是使用碳基原料产生的，或需要非常纯的水(越来越稀缺的资源)，其中当将外部能量转化为氢气时两者都是低效的。在美国产生的大部分氢气是使用蒸汽-甲烷重整(使用碳基燃料(甲烷)并且产生二氧化碳(温室气体)的过程)制得的。另一方面，不产生温室气体的过程(诸如纯水电解)在其将电力转化为氢气的效率方面受到限制，并且具有附加的能量需求来净化用于原料的水。当该氢气必须被压缩、储存并递送给用户时，观察到效率的进一步损失。利用从电解器产生的气体的动能将提高整个系统的效率。

5、能够电解淡水或海水的水下氢气电解系统将解决在生成氢气方面的许多现有问题。水下系统在其操作中不会产生温室气体，将不必需要纯水，并且通过捕获所产生气体的动能来增加其操作效率。这样的系统将具有电解淡水或海水的能力。

6、因此，在电解领域内需要一种能够从由电解器产生的气体生成电力的发电机，特别是如果这样的气体在固有的高压下产生。这样的系统将能够生成其自身的电力，以允许系统的更大能量效率。

7、本发明包括在电解系统内使用的发电机，以通过利用所产生的氢气和/或氧气高压气体的能量来改善系统的能量效率。发电机包括从作为水电解的副产物产生的压力差或从作为高压水电解的副产物产生的压力差产生能量的装置。容纳在水中深处的腔室中的电解器将使其阳极部分连接到一个管，并且使其阴极部分连接到第二管。管将通过不透水密封件向上延伸到容纳电解器的腔室的外部，并将由电解过程产生的氧气和氢气副产物运送到水面。

8、包含在腔室内或加压腔室内的水电解过程将分别产生将溶解在用于电解过程的一种或多种水溶液中的氢气(h2)和氧气(o2)，或将分别以其自然气态形式产生此类气体。在任一种情况下，由于在电解阴极或阳极处形成相对于电解腔室的相邻一种或多种水溶液的密度更低密度的氢气(h2)和氧气(o2)气体或水溶液，将产生作为电解过程的副产品的差压。密度的差异将产生水溶液或气体压力的差异，这将引起更低密度的氢气(h2)和氧气(o2)水溶液或气体从电解腔室流出，前提是电解腔室具有一个或多个出口管，并且一个或多个管的相对端在比腔室压力更低的压力下。

9、如果电解在高压环境中进行，诸如在海床底部进行，则可以观察到附加的气体压力差，其中所产生的气体略大于高压环境。假定产生气体(h2和o2)，在连接的管道内从底部(例如，10,000英尺)到顶部(海平面)的对气体压力的重力影响最小的情况下，推断出在海平面(大约1巴)处系统将提供300巴。利用对h2和o2气体压力能量的捕获，已经估计这样的系统可以贡献电解器的电力需求的高达25％。这是基于压缩机(气体涡轮机的倒数)能量需求，具有高度保守的50％系统效率。在300巴下，对于30nm3/hr的气流，可以实现大约35kw，或每千克氢气接近6kw。其中，o2气体的比例当量体积(其附加3kw被估计)计算为每千克产生的h2总计9kw。

10、通过将涡轮机发电机或若干涡轮机发电机包括在一个或多个管内或在一个或多个管的任一端处，通过一个或多个管从氢(h2)和氧气(o2)水溶液或气体的产物中捕获电力形式的能量。在两个管中的一个或两个内，可以存在一个或多个发电机，如果多于一个，则发电机将被串联放置在管中。发电机可以由转子提供动力，所述转子将由向上移动通过管的氢气和氧气的力旋转。在每个发电机之前，管可以变窄以收缩气体的流动并增加使转子转动并为发电机提供动力的气体的力。在这种情况下，管的直径将在每个发电机之后再次变宽。

11、本文描述了用于利用电解系统内的发电机监测气体压力并使用发电机捕获动力学来维持气体压力从而通过在电解器产生压缩氢气和/或氧气时利用压缩氢气和/或氧气的能量来改善系统的能量效率的系统和方法。在电解期间，在电解器的气体流出端口处监测至少一种气态产物的气体压力。如果气体压力已经达到阈值压力，则从气体流出端口释放至少一种气态产物。使用被定位在气体流出端口下游的可旋转构件捕获释放气体的动能。可以是例如风扇或涡轮机的可旋转构件被机械地耦接到发电机。可旋转构件被配置为响应于从电解器释放的气体而旋转，并且所述旋转引起发电机产生电力。电力管理系统管理来自发电机和至少一个外部功率源的功率以向电解器提供电力。可以同时从多于一个功率源向电解器提供电力。

12、在一些实施例中，变速器介于可旋转构件和发电机之间。例如，可旋转构件被机械地耦接到变速器的输入轴，并且发电机由变速器的输出轴驱动。用于变速器的齿轮比可以被选择并应用于变速器，以控制涡轮机的转速和/或控制由发电机产生的电量。涡轮机旋转速度的控制也可以用于控制和维持电解器内的压力。

13、在一些实施例中，来自发电机的电力被传输到电池组。然后使用来自发电机的电力对电池组充电。电池组可以用作用于电解器的补充功率源。

14、附加的可旋转构件(例如，风扇或涡轮机)可以被定位在彼此的下游。每个可旋转构件可以耦接到不同的发电机。可以控制每个可旋转构件的配置(诸如叶片节距角)以增加或减小每个可旋转构件的旋转速度。

技术特征：

1.一种能量捕获设备，用于从在电解期间所产生的气体生成电力，所述设备包括：

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述可旋转构件包括风扇。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述可旋转构件包括涡轮机。

4.根据权利要求1所述的设备，还包括：

5.根据权利要求1所述的设备，其中

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述功率调节器还被配置为：将电力从所述发电机和所述外部功率源这两者同时传输到所述电解器。

7.根据权利要求1所述的设备，还包括：

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述功率调节器还被配置为：

9.根据权利要求1所述的设备，还包括：

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述控制电路还被配置为：控制所述至少一个附加的可旋转构件。

11.一种用于捕获能量的方法，用以从在电解期间所产生的气体生成电力，所述方法包括：

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述可旋转构件包括风扇。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述可旋转构件包括涡轮机。

14.根据权利要求11所述的方法，还包括：

15.根据权利要求11所述的方法，其中所述可旋转构件还包括多个可调整叶片，所述方法还包括：

16.根据权利要求11所述的方法，其中还包括：将电力从所述发电机和所述外部功率源这两者同时传输到所述电解器。

17.根据权利要求11所述的方法，还包括：

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：

19.根据权利要求11所述的方法，其中：

20.根据权利要求19所述的方法，其中还包括：控制所述至少一个附加的可旋转构件。

技术总结本文描述了系统和方法，用于监测电解系统内的气体压力，并且当压缩氢气和/或氧气由电解器产生时使用发电机捕获压缩氢气和/或氧气的动能来维持气体压力。所述发电机利用旋转设备(诸如风扇或涡轮机)来捕获气体的能量并且生成电力。由所述发电机产生的任何电力都被反馈回到电解器，以补充其能量需求。技术研发人员：艾伦·J·加尔丰克尔,塞缪尔·A·汤普森,布鲁斯·桑托斯,克劳斯·法尔兰德受保护的技术使用者：海事海豚企业有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/18