[发明专利]内部加固的水电解槽模块

说明书

相关申请案的交叉参考

本申请主张2012年9月13日提交的第61/700,534号美国临时申请案的权益。以上申请案的公开内容以引用方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于在高压下生产氢气和氧气的水电解槽的设计，且更确切地说，涉及能够在高压下操作的碱性和聚合物电解膜(PEM)类型的电解槽堆和电解槽模块以及其组件。

背景技术

电解槽使用电来通过电化学反应(即，在与电解液接触的电极处发生的反应)将反应物化学品转变成所希望的化学产物。氢是在化学工艺中的使用，且在氢汽车以及通过氢燃料电池发动机或氢内燃机(或还部分地通过电池供电的混合动力氢汽车)供电的设备中的使用需求也潜在地增加的化学产物。利用水和电产生氢和氧的水电解槽是用于生产气态氢作为主要产物的最常见类型的电解槽。最常见类型的商用水电解槽是碱性水电解槽(AWE)和聚合物电解膜(PEM)水电解槽。

如本文中所用的术语“半电池”、“半电解电池”以及其等效变体是指包括一个电极以及为气液(或气体)流出半电池提供空间的其对应半电池腔室的结构。术语“阴极半电池”是指含有阴极的半电池，且术语“阳极半电池”是指含有阳极的半电池。

如本文中所用的术语“电池”、“电解电池”以及其等效变体是指包括阴极半电池和阳极半电池的结构。电池还包含分离器隔膜(下文称为“隔膜”)，所述分离器隔膜通常位于阴极与阳极之间并且紧密接近阴极和阳极、接触阴极和阳极或与阴极和阳极成一体。隔膜的功能性是使产生的氢气和氧气维持分离且具有高纯度，同时允许阳极与阴极之间的离子电传导。隔膜因此界定每一半电池的一侧。每一半电池的另一侧由电子传导的固体板界定，该固体板通常由金属、碳、碳聚合物复合材料或其组合组成并且一般称为双极板。双极板的功能性是使邻近电池的邻近半电池腔室中的流体维持分离，同时在邻近电池之间电子地传导电流。每一半电池腔室还含有一般称为集电器或载流子的电子传导组件，以在电极与双极板之间使电流传导通过半电池腔室。

如本文中所用的术语“电池堆”、“电解槽堆”、“堆”或其等效变体是指用于包括多个电池的实际(商用)水电解槽的结构，其中电池通常串联电连接(尽管使用并联连接和/或串联连接的电池的设计也是已知的)，而双极板物理地分隔但在邻近电池之间提供电连通。在头端流动通路(顶部流歧管)中从单个(individual)半电池中收集气液(即，氢气液体和氧气液体)混合物，该头端流动通路沿着堆在电池上方纵向延伸。头端流动通路与相应气液排放通路流体连通，该气液排放通路延伸穿过电解槽堆并且与外部管路或管道流体连通，该外部管路或管道进而与外部气液分离容器流体连通。在外部气液分离容器中执行的操作包含气液分离以及任选地给水添加和液体混合。经脱气液体通过外部管路或管道返回到电池堆，该外部管路或管道与延伸穿过电解槽堆的相应经脱气液体返回通路流体连通。经脱气液体通过尾端流动通路(底部流歧管)分布到单个(individual)半电池，所述尾端流动通路沿着堆在电池下方纵向延伸。在一些聚合物电解膜(PEM)电解槽堆中，对氢气一侧进行操作而无需循环液体，在此情况下氢气一侧头端流动通路和排放通路将携载氢气，并且在此情况下氢气一侧上将不需要气液分离回路。

如本文中所用的术语“电解槽模块”是指电解槽堆和气液分离空间在同一结构中的组合，该结构通常是压滤机类型的。此外，如本文中所用的术语“电解槽模块”可以指碱性电解槽模块或聚合物电解膜(PEM)电解槽模块。我们先前在US 8,308,917中公开用于碱性电解槽模块的设计以及在US 2011/0042228中公开用于聚合物电解膜(PEM)电解槽模块的设计，这两者以引用方式并入本文中。