外部加固的水電解槽模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于在高壓下生產(chǎn)氫氣和氧氣的水電解槽的設(shè)計(jì)，且更確切地說(shuō)，涉及具有在高壓下操作的增強(qiáng)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(duì)應(yīng)的組件。
【背景技術(shù)】
[0002]電解槽使用電來(lái)通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)(即，在與電解液接觸的電極處發(fā)生的反應(yīng))將反應(yīng)物化學(xué)品轉(zhuǎn)變成所希望的產(chǎn)物化學(xué)品。氫氣是在化學(xué)工藝中的使用，且還潛在地在氫汽車以及通過(guò)氫氣燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)或氫氣內(nèi)燃機(jī)(或同樣部分通過(guò)電池供電的混合動(dòng)力氫汽車)供電的設(shè)備中的使用需求不斷增加的產(chǎn)物化學(xué)品。利用水和電產(chǎn)生氫和氧的水電解槽是用于產(chǎn)生氣態(tài)氫作為主要產(chǎn)物的最常見類型的電解槽。最常見類型的商業(yè)水電解槽是堿性水電解槽(AWE)和聚合物電解膜(PEM)水電解槽。
[0003]如本文中所用的術(shù)語(yǔ)“半電池”、“半電解電池”以及其等效變體是指包括一個(gè)電極及其相應(yīng)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(jié)構(gòu)。術(shù)語(yǔ)“陰極半電池”是指含有陰極的半電池，且術(shù)語(yǔ)“陽(yáng)極半電池”指代含有陽(yáng)極的半電池。
[0004]如本文中所用的術(shù)語(yǔ)“電池”、“電解電池”以及其等效變體是指包括陰極半電池和陽(yáng)極半電池的結(jié)構(gòu)。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(yáng)極之間并且緊密接近陰極和陽(yáng)極、接觸陰極和陽(yáng)極或與陰極和陽(yáng)極成一體。隔膜的功能性是使產(chǎn)生的氫氣和氧氣保持分離且具有高純度，同時(shí)允許陽(yáng)極與陰極之間的離子電傳導(dǎo)。隔膜因此界定每一半電池的一側(cè)。每一半電池的另一側(cè)由電子導(dǎo)電的固體板界定，該固體板通常由金屬、碳、碳聚合物復(fù)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(shí)在鄰近電池之間電子地傳導(dǎo)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(dǎo)組件，以在電極與雙極板之間使電流傳導(dǎo)通過(guò)半電池腔室。
[0005]如本文中所用的術(shù)語(yǔ)“電池堆”、“電解槽堆”、“堆”或其等效變體是指用于包括多個(gè)電池的實(shí)用(商用)水電解槽的結(jié)構(gòu)，其中電池通常串聯(lián)電連接(盡管使用并聯(lián)連接和/或串聯(lián)連接的電池的設(shè)計(jì)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(dòng)通路(頂部流歧管)中從個(gè)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(dòng)通路沿著堆在電池上方縱向延伸。頭端流動(dòng)通路與對(duì)應(yīng)的氣液排放通路流體聯(lián)通，該氣液排放通路延伸穿過(guò)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(jìn)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(zhí)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(jīng)脫氣液體通過(guò)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(guò)電解槽堆的對(duì)應(yīng)經(jīng)脫氣液體返回通路流體連通。經(jīng)脫氣液體通過(guò)尾端流動(dòng)通路(底部流歧管)分布到個(gè)別半電池，尾端流動(dòng)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(duì)氫氣一側(cè)進(jìn)行操作而無(wú)需循環(huán)液體，在此情況下氫氣一側(cè)頭端流動(dòng)通路和排放通路將攜載氫氣，并且在此情況下在氫氣一側(cè)上將不需要?dú)庖悍蛛x回路。
[0006]如本文中所用的術(shù)語(yǔ)“電解槽模塊”是指電解槽堆和氣液分離空間在同一結(jié)構(gòu)中的組合，該結(jié)構(gòu)通常是壓濾機(jī)類型的。此外，如本文中所用的術(shù)語(yǔ)“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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，這兩者以引用的方式并入本文中。
[0007]如本文中所用的術(shù)語(yǔ)“結(jié)構(gòu)板”是指具有在相對(duì)端面之間延伸的側(cè)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(gè)脫氣腔室開口在相對(duì)端面之間延伸穿過(guò)結(jié)構(gòu)板。電解槽堆或電解槽模塊通常使用一系列結(jié)構(gòu)板來(lái)構(gòu)造以交替地界定陰極和陽(yáng)極半電池腔室、流體流動(dòng)通路、以及在電解槽模塊的情況下至少一個(gè)脫氣腔室、以及在一個(gè)或多個(gè)脫氣腔室與相應(yīng)半電池腔室之間延伸的對(duì)應(yīng)氣液流動(dòng)通路和對(duì)應(yīng)經(jīng)脫氣液體流動(dòng)通路。結(jié)構(gòu)板在相對(duì)的末端壓力板之間布置成面對(duì)面并置，任選地有至少一個(gè)中間壓力板沿著電解槽堆或電解槽模塊的長(zhǎng)度間置在結(jié)構(gòu)板之間以形成壓濾機(jī)類型的結(jié)構(gòu)。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(gè)或多個(gè)制成。結(jié)構(gòu)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(yáng)極、分離隔膜、集電器和雙極板。
[0008]結(jié)構(gòu)板由合適的電絕緣塑料或纖維增強(qiáng)塑料制成，該塑料對(duì)電解液(例如，在堿性電解槽模塊的情況下，在高溫下25%至35%的KOH水溶液)或水(在聚合物電解膜(PEM)電解槽模塊的情況下)和氣體(例如，氧氣、氫氣、氮?dú)?為惰性的。合適的塑料的實(shí)例包含聚甲醛(POM)、聚丙烯、聚苯醚(PPO)、聚苯硫醚(PPS)以及其類似者，且具體來(lái)說(shuō)包含聚砜。結(jié)構(gòu)板的制造方法例如機(jī)械加工，更為優(yōu)選的，注射模法，有時(shí)使用一些后加工。因此，該板重量輕、不導(dǎo)電，耐操作環(huán)境，并且可適用于簡(jiǎn)單且相對(duì)低成本的制造。
[0009]通常預(yù)期的電解槽模塊和電解槽堆的操作壓力取決于應(yīng)用要求處于大氣壓力與30巴之間，且更通常達(dá)至10巴。例如，在17巴至30巴的范圍內(nèi)的較高壓力操作是有利的，因?yàn)槠鋵?shí)現(xiàn)了常用氣體存儲(chǔ)容器的直接填充或當(dāng)填充較高壓力存儲(chǔ)裝置時(shí)機(jī)械壓縮級(jí)數(shù)目的減少。早期的電解槽堆設(shè)計(jì)利用鋼結(jié)構(gòu)板，該鋼結(jié)構(gòu)板實(shí)現(xiàn)在高壓(例如，30巴)下的操作，但也呈現(xiàn)出其它挑戰(zhàn)，例如，非常重、需要電絕緣以及腐蝕的可能性。對(duì)于利用由塑料制成的結(jié)構(gòu)板的現(xiàn)代“先進(jìn)”電解池堆和電解槽模塊設(shè)計(jì)，較高壓力操作呈現(xiàn)出關(guān)于結(jié)構(gòu)板的機(jī)械完整性的挑戰(zhàn)，特別是在長(zhǎng)時(shí)間以及對(duì)于大型電解槽模塊和電解槽堆。例如壓力容器或完全圍繞電解槽堆的承載加固支撐件等壓力控制裝置在本領(lǐng)域中是已知的(例如，US 6，153，083、US 7，314，539)，但優(yōu)選地避免使用以便維護(hù)固有的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單性、實(shí)施的簡(jiǎn)易性、緊湊性、輕質(zhì)以及低資金成本。結(jié)構(gòu)板可以制成明顯更大規(guī)模的，但是這種方法由于相應(yīng)地明顯增加成本、尺寸、重量和注射模法的難度，因此是不切實(shí)際的并且還優(yōu)選地要避免。如果可以簡(jiǎn)單地實(shí)施加固每一結(jié)構(gòu)板的方法，而不會(huì)對(duì)組裝的簡(jiǎn)易性、緊湊性、重量和成本產(chǎn)生明顯不良影響，那么該方法可以是優(yōu)選的。
[0010]US 7，332，063公開了一種加固電解槽堆中的個(gè)別結(jié)構(gòu)板的方法，其中每一結(jié)構(gòu)板通過(guò)周圍的外部卷繞玻璃纖維增強(qiáng)在外部得到支撐，以便承受更高的操作壓力。在結(jié)構(gòu)板的外圍周圍施加緊密配合的外部支撐的方法最適合于圓形形狀，例如在US7，332,063中預(yù)期的圓形形狀。然而，對(duì)于具有復(fù)雜的不規(guī)則形狀的較大結(jié)構(gòu)板，這種類型的外部支撐不太有效并且安裝起來(lái)更困難且更昂貴。
[0011]因此，需要一種簡(jiǎn)單、容易實(shí)施、節(jié)省成本的方法來(lái)加固用于電解槽模塊和電解槽堆的結(jié)構(gòu)板，尤其是用于大型電解槽模塊和電解槽堆的結(jié)構(gòu)板，以便使該電解槽模塊和電解槽堆能夠在較高壓力下操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]一種電解槽模塊，其包括多個(gè)結(jié)構(gòu)板，所述結(jié)構(gòu)板各自具有在相對(duì)端面之間延伸的側(cè)壁，半電池腔室開口和至少兩個(gè)脫氣腔室開口在所述相對(duì)端面之間延伸通過(guò)所述結(jié)構(gòu)板。所述結(jié)構(gòu)板在相對(duì)的末端壓力板之間布置成面對(duì)面并置。每一所述半電池腔室開口至少部分地容納電解的半電池組件，所述半電池組件至少包括電極、與所述電極電連通的雙極板以及與所述電極連通以提供離子傳導(dǎo)的隔膜。所述結(jié)構(gòu)板和所述半電池組件界定由至少一個(gè)所述脫氣腔室覆蓋在頂上的串聯(lián)連接的電解電池陣列。至少當(dāng)面對(duì)面并置時(shí)，所述結(jié)構(gòu)板界定用于所述電解槽模塊內(nèi)的流體流動(dòng)的通路。所述電解槽模塊進(jìn)一步包括至少一個(gè)外部加固裝置，所述外部加固裝置接觸所述結(jié)構(gòu)板中的至少一些以減輕所述結(jié)構(gòu)板的向外位移。所述結(jié)構(gòu)板中的所述至少一些進(jìn)一步界定用于接觸的裝置，其用于實(shí)現(xiàn)與所述至少一個(gè)外部加固裝置接觸。
[0013]一種用于電解槽模塊的結(jié)構(gòu)板，其具有在相對(duì)端面之間延伸的側(cè)壁，半電池腔室開口和至少兩個(gè)脫氣腔室開口在所述相對(duì)端面之間延伸穿過(guò)所述結(jié)構(gòu)板。至少當(dāng)與另一所述結(jié)構(gòu)板、末端壓力板和中間壓力板面對(duì)面并置時(shí)，所述結(jié)構(gòu)板界定用于所述電解槽模塊內(nèi)的流體流動(dòng)的通路。所述結(jié)構(gòu)板進(jìn)一步界定用于接觸的裝置，其用于實(shí)現(xiàn)與一個(gè)或多個(gè)外部加固裝置接觸。
[0014]一種電解槽堆，其包括多個(gè)結(jié)構(gòu)板，所述結(jié)構(gòu)板各自具有在相對(duì)端面之間延伸的側(cè)壁，半電池腔室