[发明专利]电解器装置及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及电解，并且更具体地涉及用于将水电解分离成氢气和氧气的电解器装置。

背景技术

氢气是用于诸如石油提炼、化肥制造、玻璃制造等等的各种制造工艺中的商业化学制品。氢气也可用于储存诸如风电能和太阳电能的间隙性可再生能源。电解的氢和氧能够使用核能产生的电来生产并在管道中被输送到远离核反应堆的地方。

一种制氢的工业化制造过程是从烃蒸汽重整。然而，蒸汽重整可使用不可再生能源。一氧化碳和二氧化碳是基于化石燃料的制氢方法的副产物。对寻找诸如电解水的大规模制氢的无污染方法有相当大的兴趣。

太阳能光伏发电和风力发电是可再生能源的技术活动领域。这些技术可能患有间歇性问题：太阳能和风能不是持续可用的。水的电解可通过储存氢气并且当太阳能和风能不可用时将其用作燃料电池的备用品来解决这个问题。然而，传统电解器可以是需要大量劳动力来建造，其使用材料上需要大量金属的复杂结构以及/或可能不足以使它们本身适用于大规模能源应用的模块化工业放大。全世界政府过去20年已经花了超过50亿美元努力解决引进先进制造技术以扩大大规模能源应用的电解器供应链的问题。然而，这个长期存在且重要问题的解决方案，廉价电解器的实际大规模制造的先进制造技术的使用可能还未实现。解决问题的障碍在能源部能源效率&可再生能源办公室的《2011NREL/DOE氢和燃料电池制造研发专题讨论报告，2011年8月11-12日》(《2011NREL/DOE Hydrogen and Fuel Cell Manufacturing R&D Workshop report,August 11-12,2011》)中提出，其全部内容以引用的方式并入本文。工作室的总体目的是确定和优先考虑：(1)氢气和燃料电池系统及部件的制造障碍，以及(2)政府可能支持以解决障碍的高优先级需求和研发活动。工作室报告的关键结果是关于解决障碍的补充研究的计划。工作室参与者对电极策略的一致决议是如何将油墨直接施加到薄膜。由于上述原因，有保持对解决长期存在的将先进制造技术集成到制造工艺的廉价电解器的大规模制造问题的需求。2012燃料电池技术和先进制造联合办公室在线研讨会的报告材料全部以引用方式并入本文。2011年报告和2012年在线研讨会材料作为PDF文件可从能源部能源效率&可再生能源办公室在http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/wkshp_h2_fc_manufa cturing.html得到。

水的电解是制氢的途径。此外，气态氧可作为副产物制造，该副产物可以是有用和有价值的工业和医疗产品。通过诸如风、水力发电、太阳能和核能的可再生能源产生的电可用于氢气和氧气的电解制造而没有伴随化石燃料制氢产生的一氧化碳和二氧化碳。涉及电解技术的专利参考包括，例如，美国专利8,277,620、8,273,495、8,075,750、8,075,749、8,066,784、7,964,068、7,959,773、7,951,274、7,922,879、7,906,006、7,901,549、7,892,6947、704,353、7,323,090、7,132,190、6,797,136、6,582,571、6,282,774、5,728,485、5,660,698、5,606,488、5,599,430、5,171,644、5,130,006、5,080,963、4,773,982、4,636,291、4,615,783、4,541,91、4,474,612、4,432,859、4,367,134、4,311,577、4,250,002、4,206,030、4061,557、4,014,776、3,976,550、3,855,104、3,554,893、RE34,233，以及美国申请公开号2012/0193242、2012/0149789、2011/0243294、2010/028034、2010/0032221、2009/0026089、2008/0067078、2004/0182695、2003/0057088、2002/0157958、2002/0037422。

水的电解可包括通过施加到隔着相反极性的电极的水的电压的作用而将水分解成氧气和氢气。氢气可在负电极(阴极)处产生，而氧气可在正电极(阳极)处产生，如通过下列反应所示：

阴极(还原)：4H⁺(aq)+4e^-→2H₂(g)