[发明专利]用于产生气泡的装置和方法、所述装置的用途及包括所述装置的燃料电池

说明书

本发明涉及用于产生气泡的装置，并且更具体地，涉及用于产生微气泡的装置及其各种用途。本发明还提供产生气泡的方法和包括所述装置的燃料电池。

在各种不同领域都需要气泡形成并且充分研究并报道了其研究领域。近来，已关注利用直径为微米水平的微气泡的各种方法，并且已经提出用于产生微气泡的各种设备。微气泡对于给定的气体体积是特别有利的，更多较小的气泡与少许较大的气泡相比形成更大的表面积。

用于形成气泡的一些常用技术包括：使空气溶解于液体流中的压缩气体，然后其通过喷嘴释放以经由空化形成气泡；在液体表面下传送的空气流，其中以机械方式任选地通过搅动或剪切力使气泡脱离；以及超声波诱发的空化。

在通过使用叶片和气泡喷射流由剪切力将空气引入水流而产生空气气泡的系统中，经常需要采用较高转数以产生空化。然而，产生了问题，例如通过产生空化所导致的能量消耗增加、叶片腐蚀或振动。此外，此类技术自身并不适于产生大量微气泡。

之所以需要小气泡，是因为它们提供了各种优异的作用，这些作用已经用于许多工业领域，包括植物栽培、水产养殖、废水处理等。减小气泡的直径以增加它们相对于其体积的表面积是有效的，由此扩大气泡与周围液体之间的接触面积。因此，当气泡尺寸减小时，可以发生更快速的质量传递过程。

在废水处理厂中，已知的是，使污水或污泥充气，作为废水纯化过程的一部分。通常，通过管和/或软管的系统，在含有废水和细菌絮状物的曝气槽的底部附近引入空气。随着空气以空气气泡形式上升至表面，空气中的一些氧气被转移到废水中，并且被呼吸菌(respiring bacteria)在消化期间消耗，这有助于污水处理。供应给细菌的氧气越多，消化过程越有效。因此，需要提供较小的气泡，由此进一步增强消化过程的效率。

在出于曝气目的而进行喷雾的情况下，在生物反应器和发酵器中存在类似的需要。具体地，在生长和增殖的酵母细菌因呼吸目的需要恒定的氧补充的情况下，酵母制造业具有这种需求。

然而，在使用常规型微气泡产生系统的曝气系统(例如，基于注射的扩散系统)中，当在压力下通过孔隙注射空气气泡时，每个气泡的体积扩大，并且每个气泡的直径由于注射期间空气气泡的表面张力而增加至数毫米，甚至在提供微孔隙时。因此这种方法在产生小直径的微气泡中遇到了困难。与此类方法有关的另一问题在于，孔隙的堵塞，这降低了系统的效率。

小气泡的另一应用是，在油剩余很少或者油被锁定在沙地中的一些场所中对难以提升(hear-to-lift)的油储存物(oil reserves)进行提取。向上通过此类含油储存物(oil-bearing reserves)的鼓泡气体具有提升油的作用，因为气泡在重力下上升并由其携带油。气泡在水中形成，并且被泵入井或者储存物中，并且当气泡通过储存物时，油被携带于每一气泡的气体与水之间的界面处。因此，气泡越小，用于运输油的相对表面积越大。

气泡还用于利用液体催化剂/介质系统的燃料电池中。在这些系统的一些中，需要氧化还原对在其于阴极还原后的氧化。为了做到这一点，诸如氧气或空气的氧化剂以气泡形式通过氧化还原对溶液。

考虑到氧气在溶液中足够的可用性，建议这种氧化反应是快速的(Atherton等人，2010)。然而，在实际中，总的反应速率受到氧气传递进入溶液的限制。氧气质量传递的速率与气体与液相之间的界面面积呈正比。小气泡具有大的共同界面面积，由此改善对液体的氧气质量传递。

燃料电池具有许多应用，其中许多(例如在汽车工业)需要燃料电池具有小体积和短的停留时间以及低的能量消耗。优选的气体/液体接触方法涉及空气喷射进入再生器区域内的快速移动液体流中。燃料电池的体积部分地取决于再生器区域的必要尺寸，在所述再生器区域中氧化还原对被氧化。这进而取决于在小体积内产生大的界面面积，以使氧气质量转移最大化。实现这一点的关键为产生小气泡。

在某些应用中，气泡形成于液体流动越过的装置的表面上。液体流动在气泡上提供了剪切力，由此在允许它们充气至较大尺寸之前，过早地从多孔表面剪切它们。

因此，期望以比迄今已知方式更方便且有效的方式产生微气泡。耐久性和能量效率也是重要的。为了用于许多应用中，装置必须承受足够低的附加载荷并且在诸多小时内维持性能(例如，对于汽车燃料电池，在多次启动-停止循环的情况下，需要约10,000小时)。

一般的理解是，为了减小气泡尺寸，唯一的要求是减小形成气泡的孔隙尺寸。然而，这种理解是考虑不周到的，原因有许多。