[發明專利]用于產生氣泡的裝置和方法、所述裝置的用途及包括所述裝置的燃料電池

在審

• 申請號: 201580073411.6
• 申請日: 2015-11-11
• 公開（公告）號: CN107710485A
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發明（設計）人: 大衛·沃德;羅伯特·朗曼
• 申請（專利權）人: 切斯特大學
• 主分類號: H01M8/04186
• 分類號: H01M8/04186;H01M8/18;B01F3/04
• 代理公司: 北京英賽嘉華知識產權代理有限責任公司11204
• 代理人: 王達佐,洪欣

本發明涉及用于產生氣泡的裝置，并且更具體地，涉及用于產生微氣泡的裝置及其各種用途。本發明還提供產生氣泡的方法和包括所述裝置的燃料電池。

在各種不同領域都需要氣泡形成并且充分研究并報道了其研究領域。近來，已關注利用直徑為微米水平的微氣泡的各種方法，并且已經提出用于產生微氣泡的各種設備。微氣泡對于給定的氣體體積是特別有利的，更多較小的氣泡與少許較大的氣泡相比形成更大的表面積。

用于形成氣泡的一些常用技術包括：使空氣溶解于液體流中的壓縮氣體，然后其通過噴嘴釋放以經由空化形成氣泡；在液體表面下傳送的空氣流，其中以機械方式任選地通過攪動或剪切力使氣泡脫離；以及超聲波誘發的空化。

在通過使用葉片和氣泡噴射流由剪切力將空氣引入水流而產生空氣氣泡的系統中，經常需要采用較高轉數以產生空化。然而，產生了問題，例如通過產生空化所導致的能量消耗增加、葉片腐蝕或振動。此外，此類技術自身并不適于產生大量微氣泡。

之所以需要小氣泡，是因為它們提供了各種優異的作用，這些作用已經用于許多工業領域，包括植物栽培、水產養殖、廢水處理等。減小氣泡的直徑以增加它們相對于其體積的表面積是有效的，由此擴大氣泡與周圍液體之間的接觸面積。因此，當氣泡尺寸減小時，可以發生更快速的質量傳遞過程。

在廢水處理廠中，已知的是，使污水或污泥充氣，作為廢水純化過程的一部分。通常，通過管和/或軟管的系統，在含有廢水和細菌絮狀物的曝氣槽的底部附近引入空氣。隨著空氣以空氣氣泡形式上升至表面，空氣中的一些氧氣被轉移到廢水中，并且被呼吸菌(respiring bacteria)在消化期間消耗，這有助于污水處理。供應給細菌的氧氣越多，消化過程越有效。因此，需要提供較小的氣泡，由此進一步增強消化過程的效率。

在出于曝氣目的而進行噴霧的情況下，在生物反應器和發酵器中存在類似的需要。具體地，在生長和增殖的酵母細菌因呼吸目的需要恒定的氧補充的情況下，酵母制造業具有這種需求。

然而，在使用常規型微氣泡產生系統的曝氣系統(例如，基于注射的擴散系統)中，當在壓力下通過孔隙注射空氣氣泡時，每個氣泡的體積擴大，并且每個氣泡的直徑由于注射期間空氣氣泡的表面張力而增加至數毫米，甚至在提供微孔隙時。因此這種方法在產生小直徑的微氣泡中遇到了困難。與此類方法有關的另一問題在于，孔隙的堵塞，這降低了系統的效率。

小氣泡的另一應用是，在油剩余很少或者油被鎖定在沙地中的一些場所中對難以提升(hear-to-lift)的油儲存物(oil reserves)進行提取。向上通過此類含油儲存物(oil-bearing reserves)的鼓泡氣體具有提升油的作用，因為氣泡在重力下上升并由其攜帶油。氣泡在水中形成，并且被泵入井或者儲存物中，并且當氣泡通過儲存物時，油被攜帶于每一氣泡的氣體與水之間的界面處。因此，氣泡越小，用于運輸油的相對表面積越大。

氣泡還用于利用液體催化劑/介質系統的燃料電池中。在這些系統的一些中，需要氧化還原對在其于陰極還原后的氧化。為了做到這一點，諸如氧氣或空氣的氧化劑以氣泡形式通過氧化還原對溶液。

考慮到氧氣在溶液中足夠的可用性，建議這種氧化反應是快速的(Atherton等人，2010)。然而，在實際中，總的反應速率受到氧氣傳遞進入溶液的限制。氧氣質量傳遞的速率與氣體與液相之間的界面面積呈正比。小氣泡具有大的共同界面面積，由此改善對液體的氧氣質量傳遞。

燃料電池具有許多應用，其中許多(例如在汽車工業)需要燃料電池具有小體積和短的停留時間以及低的能量消耗。優選的氣體/液體接觸方法涉及空氣噴射進入再生器區域內的快速移動液體流中。燃料電池的體積部分地取決于再生器區域的必要尺寸，在所述再生器區域中氧化還原對被氧化。這進而取決于在小體積內產生大的界面面積，以使氧氣質量轉移最大化。實現這一點的關鍵為產生小氣泡。

在某些應用中，氣泡形成于液體流動越過的裝置的表面上。液體流動在氣泡上提供了剪切力，由此在允許它們充氣至較大尺寸之前，過早地從多孔表面剪切它們。

因此，期望以比迄今已知方式更方便且有效的方式產生微氣泡。耐久性和能量效率也是重要的。為了用于許多應用中，裝置必須承受足夠低的附加載荷并且在諸多小時內維持性能(例如，對于汽車燃料電池，在多次啟動-停止循環的情況下，需要約10,000小時)。

一般的理解是，為了減小氣泡尺寸，唯一的要求是減小形成氣泡的孔隙尺寸。然而，這種理解是考慮不周到的，原因有許多。