[發明專利]外部加固的水電解槽模塊

有效

• 申請號: 201380047580.3
• 申請日: 2013-09-11
• 公開（公告）號: CN104641020B
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發明（設計）人: C·威爾遜;邁克爾·施特普;J·錫納茨
• 申請（專利權）人: 下一氫公司
• 主分類號: C25B9/00
• 分類號: C25B9/00;C25B15/08
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司11127
• 代理人: 王濤

技術領域

本發明涉及用于在高壓下生產氫氣和氧氣的水電解槽的設計，且更確切地說，涉及具有在高壓下操作的增強能力的堿性和聚合物電解膜(PEM)類型電解槽堆和電解槽模塊以及其對應的組件。

背景技術

電解槽使用電來通過電化學反應(即，在與電解液接觸的電極處發生的反應)將反應物化學品轉變成所希望的產物化學品。氫氣是在化學工藝中的使用，且還潛在地在氫汽車以及通過氫氣燃料電池發動機或氫氣內燃機(或同樣部分通過電池供電的混合動力氫汽車)供電的設備中的使用需求不斷增加的產物化學品。利用水和電產生氫和氧的水電解槽是用于產生氣態氫作為主要產物的最常見類型的電解槽。最常見類型的商業水電解槽是堿性水電解槽(AWE)和聚合物電解膜(PEM)水電解槽。

如本文中所用的術語“半電池”、“半電解電池”以及其等效變體是指包括一個電極及其相應半電池腔室以提供用于氣液(或氣體)流出半電池的空間的結構。術語“陰極半電池”是指含有陰極的半電池，且術語“陽極半電池”指代含有陽極的半電池。

如本文中所用的術語“電池”、“電解電池”以及其等效變體是指包括陰極半電池和陽極半電池的結構。電池還包含分離隔膜(下文稱為“隔膜”)，該分離隔膜通常位于陰極與陽極之間并且緊密接近陰極和陽極、接觸陰極和陽極或與陰極和陽極成一體。隔膜的功能性是使產生的氫氣和氧氣保持分離且具有高純度，同時允許陽極與陰極之間的離子電傳導。隔膜因此界定每一半電池的一側。每一半電池的另一側由電子導電的固體板界定，該固體板通常由金屬、碳、碳聚合物復合材料或其組合組成并且通常稱為雙極板。雙極板的功能性是使鄰近電池的鄰近半電池腔室中的流體保持分離，同時在鄰近電池之間電子地傳導電流。每一半電池腔室還含有一般稱為集電器或電流載體的電子傳導組件，以在電極與雙極板之間使電流傳導通過半電池腔室。

如本文中所用的術語“電池堆”、“電解槽堆”、“堆”或其等效變體是指用于包括多個電池的實用(商用)水電解槽的結構，其中電池通常串聯電連接(盡管使用并聯連接和/或串聯連接的電池的設計也是已知的)，而雙極板物理地分離但在鄰近電池之間提供電連通。在頭端流動通路(頂部流歧管)中從個別半電池中收集氣液(即，氫氣液體和氧氣液體)混合物，該頭端流動通路沿著堆在電池上方縱向延伸。頭端流動通路與對應的氣液排放通路流體聯通，該氣液排放通路延伸穿過電解槽堆并且與外部管路或管道流體連通，該外部管路或管道進而與外部氣液分離容器流體連通。在外部氣液分離容器中執行的操作包含氣液分離以及任選地給水添加和液體混合。經脫氣液體通過外部管路或管道返回到電池堆，該外部管路或管道與延伸穿過電解槽堆的對應經脫氣液體返回通路流體連通。經脫氣液體通過尾端流動通路(底部流歧管)分布到個別半電池，尾端流動通路沿著堆在電池下方縱向延伸。在一些聚合物電解膜(PEM)電解槽堆中，對氫氣一側進行操作而無需循環液體，在此情況下氫氣一側頭端流動通路和排放通路將攜載氫氣，并且在此情況下在氫氣一側上將不需要氣液分離回路。

如本文中所用的術語“電解槽模塊”是指電解槽堆和氣液分離空間在同一結構中的組合，該結構通常是壓濾機類型的。此外，如本文中所用的術語“電解槽模塊”可以指堿性電解槽模塊或聚合物電解膜(PEM)電解槽模塊。我們先前在US 8,308,917中公開了用于堿性電解槽模塊的設計以及在US 2011/0042228中公開了用于聚合物電解膜(PEM)電解槽模塊的設計，這兩者以引用的方式并入本文中。

如本文中所用的術語“結構板”是指具有在相對端面之間延伸的側壁的主體，半電池腔室開口以及在電解槽模塊的情況下另外至少一個脫氣腔室開口在相對端面之間延伸穿過結構板。電解槽堆或電解槽模塊通常使用一系列結構板來構造以交替地界定陰極和陽極半電池腔室、流體流動通路、以及在電解槽模塊的情況下至少一個脫氣腔室、以及在一個或多個脫氣腔室與相應半電池腔室之間延伸的對應氣液流動通路和對應經脫氣液體流動通路。結構板在相對的末端壓力板之間布置成面對面并置，任選地有至少一個中間壓力板沿著電解槽堆或電解槽模塊的長度間置在結構板之間以形成壓濾機類型的結構。末端壓力板和中間壓力板可以由例如鋼、不銹鋼、鍍鎳鋼、鍍鎳不銹鋼、鎳和鎳合金中的一個或多個制成。結構板還將功能組件固持于其適合的空間位置和布置中，該功能組件可包含例如陰極、陽極、分離隔膜、集電器和雙極板。