專利名稱：電化學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電化學(xué)槽和電化學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，較具體地涉及適用于單堆和多堆電化學(xué)系統(tǒng)的電極支撐板。
背景技術(shù)：
電合成是一種化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)方法，該化學(xué)反應(yīng)由讓電流，典型地讓直流電流(DC)，通過位于一個(gè)陽電極與一個(gè)陰電極之間的電解液來驅(qū)動(dòng)。電化學(xué)槽用于化學(xué)反應(yīng)，它包括浸沒在電解液內(nèi)的一些陰、陽電極，并且由外部電源產(chǎn)生流過這些電極之間的電流。不存在寄生反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)率將正比于電流的大小。例如，在液體堿性水電解槽中，直流電流(DC)在兩個(gè)位于水電解液中的電極之間流過，把水(反應(yīng)劑)分解成兩個(gè)成份的氣體產(chǎn)物；氫和氧，它們分別在兩電極的表面上生成。
為了達(dá)到預(yù)定的產(chǎn)率，將涉及到增大工作電流密度與增加電解槽數(shù)目之間的權(quán)衡。由于電解過程的物理特性，電流密度愈大，則每單位產(chǎn)量的能耗將愈高，所以電解槽設(shè)計(jì)者面臨的權(quán)衡將是準(zhǔn)備承受因槽數(shù)增多而增大的成本，還是準(zhǔn)備為因能量效率的降低而支付較高的操作費(fèi)用。增大電流密度還將導(dǎo)致更嚴(yán)格的操作條件，例如較高的電解液溫度將要求額外的設(shè)計(jì)和成本。權(quán)衡的最終決定將根據(jù)一些外部因素分別對(duì)各個(gè)具體情況分析而定，這些外部因素中電費(fèi)是一個(gè)重要考慮。
在普通的雙權(quán)電解槽中，電壓施加在一堆電極板的端電極之間。電解時(shí)一側(cè)的電極板起陽極作用并產(chǎn)生氧氣，另一側(cè)則起陰極作用并產(chǎn)生氫氣。這里關(guān)于電流的關(guān)鍵是，電流是垂直于電極平面(由產(chǎn)生氣體的電極表面所定義的電極平面)地流經(jīng)電極堆的，并且重要的是，電流被限制在槽堆之內(nèi)。電極中的電流從電極的所有邊緣流向電極板的中央。
在目前商業(yè)上廣泛使用的普通的單極槽設(shè)計(jì)中，一個(gè)槽或一列(平行的)槽被含在一個(gè)功能性電解槽、或一個(gè)槽艙、或單個(gè)槽箱內(nèi)。因此，每個(gè)槽由一個(gè)位于各槽箱內(nèi)的電極對(duì)組件構(gòu)成，其中每個(gè)電極對(duì)組件中的各電極對(duì)互相并聯(lián)，起著單個(gè)電極對(duì)的作用。對(duì)槽的連接是用一個(gè)互連總線桿通過有限面積的接觸實(shí)現(xiàn)的，如授予A.T.Stuart(斯圖亞特)(1930)的加拿大專利NO.302,737中所公開的那樣。利用位于各個(gè)槽箱之間的上述總線桿組件，通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電連接從一個(gè)槽中的陰極的一部分取出電流給相鄰槽的陽極。通常，從一個(gè)電極的幾個(gè)點(diǎn)上取出電流，并借助于螺栓、焊接等這類方法連接到下一個(gè)電極的幾個(gè)點(diǎn)上，并且每個(gè)連接點(diǎn)都必須能通過較大的電流密度。電流從一個(gè)連接點(diǎn)散布到電極面積上。電極中的電流僅在電極平面中流動(dòng)。由于各個(gè)槽分別在各個(gè)分開的槽箱中，各個(gè)槽之間的電流在名義槽堆的外部。這種連接的一個(gè)缺點(diǎn)是連接點(diǎn)易于被氧化，而且其他類型的降質(zhì)將在各槽之間造成明顯的電位降，從而降低了電解槽的效率。
大多數(shù)壓濾型(filter press)電解槽用各種材料來隔離槽的陽極部分和陰極部分，這些材料可以是金屬、塑料、橡膠、陶瓷和各種纖維結(jié)構(gòu)。在許多情形中，在框架中加工成了一些O形環(huán)狀凹槽，或者框架被模鑄得能插入O形環(huán)。典型地，為了形成一個(gè)能包圍槽中的電極并生成電解液循環(huán)通道、反應(yīng)劑饋送通道和產(chǎn)物取出通道的組件，至少需要用兩種不同的材料。例如，一種材料是硬工程塑料，另一種材料應(yīng)足夠地軟，以便實(shí)現(xiàn)密封。在大型雙極壓濾系統(tǒng)中，槽堆的長(zhǎng)度可能有幾十米。這樣的系統(tǒng)需要硬的和剛性的材料，同時(shí)其熱漲系數(shù)需要能互容，并且因溫度或壓力造成的爬行要最小化。
如果能提供下述這樣的一種電化學(xué)系統(tǒng)，將是十分有益的，該系統(tǒng)能不需要連接相鄰電極的外部接觸點(diǎn)，能避免普通單極和雙極系統(tǒng)的缺點(diǎn)但同時(shí)又保留它們的優(yōu)點(diǎn)，并能減少組成系統(tǒng)的元件數(shù)目。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種電化學(xué)系統(tǒng)，它具有緊湊性和類似于雙極電化學(xué)系統(tǒng)所固的低槽間電阻的連接。本發(fā)明的又一個(gè)目的是，提供具有單堆結(jié)構(gòu)和多堆結(jié)構(gòu)的緊湊型電化學(xué)系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種帶有單塊雙電極板的電化學(xué)系統(tǒng)，其中的單塊雙電極板適用于上述單堆和多堆電化學(xué)系統(tǒng)，用來支撐一個(gè)槽艙中的陽極和相鄰槽艙中的陰極。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種電化學(xué)槽或一種電化學(xué)系統(tǒng)，它們帶有電解液循環(huán)框，這種框?yàn)榱嗣獬龑?duì)分立密封墊的需要，還同時(shí)起到密封墊的作用。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供上述電化學(xué)系統(tǒng)一端或兩端處的多用途剛性容槽，它們與各個(gè)槽艙有液流交換。這些容器除了起到電解液蓄液池的作用和為使反應(yīng)產(chǎn)物與電解液分開而提供場(chǎng)地之外，還為系統(tǒng)提供結(jié)構(gòu)上的剛性。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種雙電極板，它帶有一個(gè)導(dǎo)電框，用來持撐兩個(gè)被導(dǎo)電框電連接在一起的電極。雙電極板可以用作電化學(xué)系統(tǒng)中的一個(gè)元件，這些電化學(xué)系統(tǒng)例如有，但不局限于，電池等儲(chǔ)能器件以及酸性和/或堿性燃料池等產(chǎn)能器件，電化學(xué)系統(tǒng)可以用于各種電合成反應(yīng)。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它提供了一種具有緊湊的槽設(shè)計(jì)的單極電解槽結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，同時(shí)又減小了雙極電解槽所典型具有的槽間電阻因子。根據(jù)本發(fā)明可以以單個(gè)槽單元的形式構(gòu)筑出功率從小于1kw到幾MW的多堆電解槽。本發(fā)明電解槽的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們不像普通電解槽那樣需要分立的密封墊。
本發(fā)明涉及采用單塊電極板的電化學(xué)槽堆組件的設(shè)計(jì)，以下把該單塊電極板稱作雙電極板(DEP)，其上支撐了一個(gè)陽極和一個(gè)陰極。雙電極板用來電連接兩個(gè)相鄰的槽單元，其中電極中的電流平行于電極板的工作表面。在這里所公開的槽設(shè)計(jì)中，一些單極槽被組裝成一個(gè)相連的槽堆，看來與壓濾型電解槽相似，其中相鄰堆之間的電連接是用雙電極板實(shí)現(xiàn)的。
按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用來支撐兩個(gè)電極的雙電極板。雙電極板包括一個(gè)導(dǎo)電框，它的一個(gè)第一部分支撐第一電極，它的一個(gè)第二部分支撐第二電極。第一電極和第二電極被導(dǎo)電框電連接。
按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種電化學(xué)系統(tǒng)，它至少包括兩個(gè)槽，每個(gè)槽定義了一個(gè)陽極液室和一個(gè)陰極液室，鄰近陽極液室至少有一個(gè)陽極，鄰近陰極液室至少有一個(gè)陰極。陽極液室和陰極液室各自有一個(gè)入口和一個(gè)出口。電化學(xué)系統(tǒng)至少含有一個(gè)帶有一個(gè)導(dǎo)電框的雙電極板，位于至少兩個(gè)槽的一個(gè)槽中的陽極由導(dǎo)電框的第一部分支撐，位于至少兩個(gè)槽的另一個(gè)槽中的陰極由導(dǎo)電框的與第一部分分開的第二部分支撐。
本發(fā)明還提供了一種電化學(xué)系統(tǒng)，它至少包括一個(gè)至少含有兩個(gè)槽的槽堆，在至少一個(gè)槽堆中，每個(gè)槽都含有一個(gè)陽極和一個(gè)鄰近于該陽極的陽極液室，以及一個(gè)陰極和一個(gè)鄰近于該陰極的陰極液室。該電化學(xué)系統(tǒng)含有位于槽堆相對(duì)兩端處的剛性支撐元件，剛性支撐元件至少含有第一和第二剛性容槽。陽極室與第一剛性容槽有液流交換，陰極液室與第二剛性容器有液流交換。
本發(fā)明還提供了一種電化學(xué)系統(tǒng)，它至少包括一個(gè)至少含有兩個(gè)槽的槽堆，每個(gè)槽都含有一個(gè)支撐一個(gè)陽極的第一導(dǎo)板和一個(gè)支撐一個(gè)陰極的第二導(dǎo)板。第一和第二導(dǎo)板各含有兩個(gè)相對(duì)的周邊表面。每個(gè)槽都至少含有一個(gè)第一框元件，該元件與規(guī)定了一個(gè)陽極液室的第一導(dǎo)板的兩相對(duì)周邊表面中的一個(gè)周邊表面相密封嚙合。每個(gè)槽都至少含有一個(gè)第二框元件，該元件與規(guī)定了一個(gè)陰極液室的第二導(dǎo)板的兩相對(duì)周邊表面中的一個(gè)周邊表面相密封嚙合。第一和第二框元件用可壓縮人造橡膠類材料做成，并且其中在裝配了電化學(xué)系統(tǒng)后第一和第二框元件被緊壓得形成緊密液封。
本發(fā)明提供了一種單堆電化學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括n個(gè)串連排列成一個(gè)槽堆的槽，其中n是大于或等于2的整數(shù)，每個(gè)槽都至少含有一個(gè)陽極和一個(gè)與之鄰近的陽極液室以及一個(gè)陰極和一個(gè)與之鄰近的陰極液室。兩個(gè)槽位在槽堆的相對(duì)兩端，其中一個(gè)槽至少含有一個(gè)接觸陽極，另一個(gè)槽至少含有一個(gè)接觸陰極。接觸陽極和接觸陰極適合于連接到一個(gè)電源上。設(shè)置了用來隔離槽堆中相鄰槽的隔離元件。該系統(tǒng)至少含有n-1個(gè)雙電極板，每個(gè)雙電極板都至少含有一個(gè)導(dǎo)電框，導(dǎo)電框有一定的長(zhǎng)度和寬度，具有一個(gè)用來支撐一個(gè)位于一個(gè)槽內(nèi)的陽極的第一部分和一個(gè)用來支撐一個(gè)位于相鄰槽內(nèi)的陰極的第二部分，還具有一個(gè)位于陽極和陰極之間用來電連接兩電極的幅板部分。幅板部分的至少一部分位在含有被雙電極板支撐的陽極和陰極的兩個(gè)槽的外部。雙電極板被基本上沿著幅板部分的中央線折迭，并且當(dāng)兩個(gè)接觸電極之間有電壓降時(shí)，電流將沿著導(dǎo)電框的長(zhǎng)度匯集，并在雙電極板的平面內(nèi)通過導(dǎo)電框和陽、陰極的寬度從一個(gè)槽流向另一個(gè)槽。
這里所公開的利用雙電極板的電化學(xué)槽堆設(shè)計(jì)比基于各個(gè)單個(gè)槽箱的普通單極設(shè)計(jì)對(duì)于電解槽單位體積電化學(xué)反應(yīng)有高得多的表面面積率，因此相對(duì)于目前的系統(tǒng)來說本電解槽堆實(shí)施例的空間要求和系統(tǒng)重量都要明顯地小。在不改變電流密度和因增大了電極高度而對(duì)槽電壓有最小影響的情況下，該電化學(xué)系統(tǒng)所占的地面面積也可進(jìn)一步減小。
根據(jù)本發(fā)明利用雙電極板構(gòu)筑的電化學(xué)槽或系統(tǒng)提供了尺寸緊湊和普通雙極電解槽所具有的槽間電阻因子小的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又提供了較低成本的單極電解槽。本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是利用多堆電解槽(MSE)結(jié)構(gòu)可以以單個(gè)槽單元構(gòu)筑出1MW或更高功率的槽組件。


現(xiàn)在將僅借助于一些例子參考

根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)槽和電化學(xué)系統(tǒng)，在附圖中圖1是一個(gè)多堆電化學(xué)(MSE)系統(tǒng)的分解透視圖，該MSE系統(tǒng)由4個(gè)由并聯(lián)的兩個(gè)槽組成的堆的連接而成；圖2是沿圖1的2-2線的水平截面圖，示出了槽單元中的電流路徑；圖3a是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)筑的氣體分離器組件的透視圖。
圖3b是沿圖3a的3b-3b線的視圖；圖4a是一個(gè)電解液框的透視圖，該電解液框用于圖1的多堆電化學(xué)(MSE)系統(tǒng)或圖7的單堆電解槽(SSE)；圖4b是一個(gè)隔離密封墊的透視圖，該密封墊用于圖1MSE系統(tǒng)；圖5是一個(gè)雙電極板(DEP)的透視圖，該DEP用于圖1MSE系統(tǒng)；圖6示出一個(gè)用于圖1MSE系統(tǒng)的單電極板(SEP)；
圖6a是一個(gè)槽單元的一部分的截?cái)嗤敢晥D，示出載有氣體的電解液通過槽艙并進(jìn)入通道的流動(dòng)路徑；圖6B是沿圖6a的6b-6b線的視圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)筑的雙槽單堆電解槽(SSE)的分解透視圖；圖8a是用于圖7所示SSE的雙電極板的透視圖；圖8b示出圖8a的雙電極板經(jīng)過沿其中線折迭180°后的情形；圖9示出一個(gè)用于圖7SSE的單電極板(SEP)；圖10是用于圖7SSE的一個(gè)電解液框/隔離壁組件的分解透視圖；圖11是用于圖7SSE的一個(gè)端壁的透視圖；圖12是沿圖7的12-12線的水平截面圖，示出了通過SSE槽單元的電流路徑；圖13(a)和13(b)示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)筑的其他不同的電解槽結(jié)構(gòu)；圖14是帶有一個(gè)頭盒的MSE電解槽的另一個(gè)實(shí)施例的分解透視圖；圖15是安裝在圖14所示MSE電解槽的支架上的頭盒的截面圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及以壓濾型布局對(duì)一些電化學(xué)槽陣列(槽堆)進(jìn)行電連接以形成一個(gè)槽單元的設(shè)計(jì)和方法。具體地說，本發(fā)明涉及電化學(xué)槽、電化學(xué)系統(tǒng)和槽電極的設(shè)計(jì)，包括對(duì)它們的支撐和反應(yīng)劑/產(chǎn)物的運(yùn)送管道，以及涉及對(duì)各個(gè)槽、堆和/或單元進(jìn)行電連接以形成功能性電化學(xué)系統(tǒng)，例如電解情形中的電解槽，的一些方法。此外，本發(fā)明為用于電化學(xué)系統(tǒng)的各種元件提供了獨(dú)特和有優(yōu)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。本發(fā)明公開了構(gòu)筑電化學(xué)系統(tǒng)的方法學(xué)，在它在提供幾種電(總線)連接結(jié)構(gòu)方面具有較大的靈活性，從而在選擇直流(DC)電源的尺寸上提供了靈活性。
這里所用的術(shù)語“槽”或“電化學(xué)槽”是指這樣一種結(jié)構(gòu)，其中至少包括一對(duì)電極，即一個(gè)陽極和一個(gè)陰極，每個(gè)電極被適當(dāng)?shù)刂卧谝粋€(gè)容槽內(nèi)，電解液即通過該容槽循環(huán)，產(chǎn)物則通過該容槽取出。槽含有一個(gè)分離器組件，該組件具有適當(dāng)?shù)拿芊馐侄魏桶逊蛛x器機(jī)械支撐在容槽內(nèi)的手段。多個(gè)槽可以串聯(lián)地或并聯(lián)地連接在一起以形成槽堆，而且用來形成槽堆的槽的數(shù)目沒有限制。在一個(gè)槽堆中，各個(gè)槽以相同的方式或是并聯(lián)或是串聯(lián)地互相連接。槽單元是這樣一個(gè)單元，它包括一個(gè)或多個(gè)槽堆，并且多個(gè)槽單元用外部總線桿互相連接。功能性電解槽包括一個(gè)槽或多個(gè)并聯(lián)地、串聯(lián)地、或兩者結(jié)合地連接在一起的槽。
多堆電化學(xué)(MSE)系統(tǒng)圖1和2示出一個(gè)根據(jù)本發(fā)明構(gòu)筑的優(yōu)選的電化學(xué)系統(tǒng)，總的由代號(hào)20表示，以下稱該系統(tǒng)為多堆電化學(xué)(MSE)系統(tǒng)。圖2所示的截面圖示出了電極的極性和通過各單個(gè)槽堆的電流的方向以及各個(gè)槽堆之間的電流方向，后者是這種電解槽結(jié)構(gòu)作為單極電化學(xué)槽系統(tǒng)的特征。電化學(xué)系統(tǒng)20被示為一個(gè)槽單元，它包括4個(gè)槽堆22，各槽堆之間是串聯(lián)連接的，而每個(gè)槽堆中的兩個(gè)槽24則是并聯(lián)連接的。從圖2可以清楚看出每個(gè)槽堆22有兩個(gè)槽24，但應(yīng)該理解，每個(gè)槽堆也可以沿箭頭A方向包括任意數(shù)目的槽。槽堆的高度是可以改變的。
相鄰兩槽24(除了兩端的槽堆22中的槽)中的陽極和陰極由雙電極板110提供，其中包括由雙極板的一半所支撐的一個(gè)陽極114和由雙電極板的另一半所支撐的一個(gè)陰極116。圖2電解槽右端的槽堆中的各個(gè)槽包括位于雙電極板110的一半上的陽極114和安裝在單電極板30上的陰極144。圖2電化學(xué)系統(tǒng)20左端的槽堆中的各個(gè)槽包括支撐在雙電極板110一半上的陰極116和支撐在單電極板31上的陽極142。下面將更詳細(xì)地說明雙電極板110和單電極板30、31的結(jié)構(gòu)。
如圖2所示，每個(gè)堆22都包括兩個(gè)槽，含有兩個(gè)陽極和兩個(gè)陰極，但也可以沿箭頭A的方向有任何數(shù)目的槽，箭頭A的方向垂直于電流流經(jīng)單元20的方向。在每個(gè)槽艙中，有一個(gè)陽極液框38位于陽極鄰近，它定了一個(gè)陽極液室，還有一個(gè)陰極液框40位于陰極鄰近，定義了一個(gè)陰極液室。在結(jié)構(gòu)上陽極液框38與陰極液框40基本相同，總的可以叫做電解液循環(huán)框，下面將有更詳細(xì)的討論。應(yīng)該指出，在這里所說明和示出的實(shí)施例中，陰極液框的結(jié)構(gòu)不一定要與陽極液框的相同，但當(dāng)它們相同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較低的單位產(chǎn)量成本。
在一個(gè)給定的槽中的每個(gè)陽極和陰極室(沿箭頭A的方向，見圖2)都被一個(gè)分離器36分開。分離器36的作用是減少陽極和陰極室中產(chǎn)生的不同電解產(chǎn)物之間的混合，對(duì)此后面有進(jìn)一步說明。從圖2可以明顯看出，具有相同極性的相鄰電極被兩個(gè)電解液框分開。例如，電化學(xué)系統(tǒng)最右側(cè)的堆22的中央艙中含有兩個(gè)陽極框38，它們把位于兩個(gè)雙電極板110中的兩個(gè)相鄰陽極114分開。在每個(gè)堆中含有多于兩個(gè)槽的電化學(xué)系統(tǒng)中，這些雙重的框?qū)⒏淖優(yōu)橐恍┡c沿A方向的堆的單電極板電極相關(guān)連的單框。應(yīng)該理解，比所示的框38和40厚的單框也可以用來分離相鄰的陽極或陰極。
電化學(xué)系統(tǒng)20在每個(gè)堆22的兩端都有一個(gè)端盒44。具體參見圖1，每個(gè)端盒44的鄰近于陽極液或陰極液室的側(cè)面上都設(shè)有一個(gè)下開口46和一個(gè)上開口48。位于每個(gè)端盒44的頂部的氣體輸出端50提供了收集在電解反應(yīng)中生成的各種氣體的輸出端，例如當(dāng)反應(yīng)為水電解時(shí)這些氣為H2和O2。槽堆22和整個(gè)槽單元20必須用足夠大的力保持在一起，以達(dá)到緊密的液封防止電解液或氣體泄漏。使用剛性結(jié)構(gòu)元件，例如形成端盒44的矩形管夾板52、拉桿和相關(guān)的固緊元件(未示出)，將給出一種極好的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以在一般的夾緊壓力下得到均勻負(fù)載分布的表面以密封堆22。在端盒44的外表面與夾板52之間夾有電絕緣板54，防止各個(gè)端盒被夾板互相電連接在一起。或者，也可以用單塊橫過所有端盒的縱向絕緣板(未示出)來代替圖1、2所示的幾塊絕緣板54。
參見圖2，在每個(gè)堆端部的電解液框38或40與端盒44之間設(shè)有一個(gè)隔離平面襯墊26，用來防止端盒44的表面與電解液接觸。襯墊26上的分別對(duì)齊于端盒44的開口48和46(見圖1)的位置處設(shè)有一個(gè)上開口59和一個(gè)下開口59’(見圖4b)，用于液流循環(huán)。
剛性的端盒44有幾個(gè)功能，其中除了用作氣/液分離器件之外還包括給從槽頂流出的電解液提供一個(gè)返回通道。它們也可以為一些用來控制電解液液面高度(液面?zhèn)鞲衅?和溫度(例如加熱器、致冷器、或熱交換器)的器件提供位置。此外，利用位在端盒內(nèi)的適當(dāng)傳感器可以監(jiān)視各個(gè)槽堆的電解液和氣體純度。還有，雖然大部分電解液是在電解槽內(nèi)循環(huán)的，但可以從各個(gè)端盒44中取出一些電解液液流來提供外部的液面控制以及電解液濃度、溫度、槽壓力和氣體純度的控制與監(jiān)視。這些液流可以返回給同一個(gè)端盒，也可以與其他類似液體相混合然后返回給各個(gè)端盒?；蛘?，也可以把一個(gè)探頭插入到端盒內(nèi)來控制這些參數(shù)。應(yīng)該理解，也可以通過改裝來修改已知的電化學(xué)系統(tǒng)使之含有這里所公開的端盒。
對(duì)于用于電合成的電解槽，可以利用兩個(gè)槽單元的相鄰端盒把液體從一個(gè)槽單元向前饋送給下一個(gè)槽單元，以幫助每次通過時(shí)的轉(zhuǎn)換。剛性端盒44可以用各種適合于堿性或酸性的電化學(xué)系統(tǒng)的材料做成，這些材料包括鋼、不銹鋼、鎳、或必要時(shí)經(jīng)過了強(qiáng)化處理的塑料。
在圖3a和3b中可更清楚地看出分離器組件36的結(jié)構(gòu)。分離器組件36含有一對(duì)相同的周邊人造橡膠或類人造橡膠框62和一個(gè)電解產(chǎn)物分離器64，后者夾在兩個(gè)框之間用焊接或其他方法連接在一起。每個(gè)框62都帶有一對(duì)相鄰的上開口66、68和一對(duì)下開口66’、68’，當(dāng)裝配分離器組件36時(shí)兩個(gè)框的相應(yīng)開口互相對(duì)齊。應(yīng)該理解，分離器組件36的兩個(gè)周邊人造橡膠框可以用單個(gè)人造橡膠代替，這時(shí)后者被模壓有一條凹槽以接納分離器64。
制作分離器64的材料的選擇取決于電化學(xué)系統(tǒng)中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。對(duì)于產(chǎn)生氣體產(chǎn)物的電解反應(yīng)，分離器64是一個(gè)氣體分離器隔膜(diaphram)，它可以是也可以不是一個(gè)薄膜(membrane)。能得到低電極間電阻因子(歐姆—平方厘米)的分離器64對(duì)于固定的槽電壓將允許較大的電流密度。對(duì)于堿性水電解，氣體分離器隔膜片64最好是多孔的，并用例如硫酸聚苯撐硫或其他類似的抗電解液材料做成，這些材料可以經(jīng)過表面處理以減小電極間電阻和減小氣體滲透性。對(duì)于其中的電化學(xué)反應(yīng)易于在電解液循環(huán)系統(tǒng)中產(chǎn)生化學(xué)梯度，例如水電解槽中的H2和O2，的應(yīng)用情況，電化學(xué)系統(tǒng)中的隔離膜片64最好是多孔的。多孔的分離器隔膜片允許電解液能來回穿過陽極和陰極艙之間的薄膜以減小濃度梯度，但禁止每個(gè)艙內(nèi)產(chǎn)生的電化學(xué)產(chǎn)物通過。利用具有足夠多孔性的隔膜材料來讓電解液混合同時(shí)又防止過多的產(chǎn)物混合，避免了需要給電解槽增加專門的電解液混系統(tǒng)。這對(duì)已知的電化學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)重大的改進(jìn)，后者使用了低多孔性的分離器，例如石棉，需要用于混合陽極液和陰極液的設(shè)備。
框62最好用有彈性恢復(fù)的或可壓縮的人造橡膠或類似材料(或具有等價(jià)功能的材料)做成，以使框能有利地起到密封襯墊的作用。利用有適當(dāng)硬度的人造橡膠材料可以在裝配時(shí)容易地形成緊密液封，從而避免了多個(gè)分立的襯墊，而在商業(yè)電解槽中因使用了較硬的不可壓縮材料做框，所以典型地需要分立襯墊。所以，如果使用適當(dāng)可壓縮的人造橡膠材料就可以不用襯墊而直接把槽框62密封在雙電極板110上。
圖4a示出一種電解液框，它既可用作陽極液框38，又可用作陰極液框40。框38的兩端都設(shè)有幅板56，它們定義了一個(gè)上開口58和相鄰的縫隙56”以及一個(gè)下開口58’和相鄰的縫隙56”框的中央?yún)^(qū)56’定義了鄰近于實(shí)際陽極或陰極的反應(yīng)室，縫隙56”和56”提供了液體進(jìn)出反應(yīng)室的入口和出口。類似地，上述圖4b中的隔離板或襯墊26上帶有開口59和59’，在裝配后的電解槽中它們與框38(40)上的開口58、58’和縫隙56”、56”對(duì)齊。
框38的構(gòu)筑材料最好同時(shí)具有橡膠襯墊的性質(zhì)和合適工程塑料的硬度性質(zhì)，并且可以是與氣體分離器隔膜組件36中用來構(gòu)筑框62相同的人造橡膠材料。這種材料可以用許多方法加工，其中包括對(duì)擠壓材料進(jìn)行模切或者注模鑄造。圖4a所示的電解液框38和分離器36的框62都可以容易地再生制造。用人造橡膠類的材料做成的電解液循環(huán)框可以同時(shí)起到隔離框和襯墊的作用，以支撐必要的電極板和分離器，采用這種電解液循環(huán)框可以降低電解槽系統(tǒng)的元件量和材料量，并可進(jìn)行低成本的材料加工。這種設(shè)計(jì)的又一優(yōu)點(diǎn)是人造像膠框/襯墊與金屬電極板的相容性。不需要另外的襯墊。把元件翻轉(zhuǎn)(把表面旋轉(zhuǎn)180°)就可以使兩組開口的位置，從而開口通道的位置，換位。這樣，用同樣的框元件就可得到陽極框和陰極框。應(yīng)該理解，通過改型可以把已知的電化學(xué)系統(tǒng)修改得含有這里所公開的人造橡膠類的電解液循環(huán)框。
圖5較詳細(xì)地示出了圖1中的雙電極板(DEP)110。雙電極板110最好是一個(gè)具有適當(dāng)厚度并用對(duì)電解液和電解反應(yīng)產(chǎn)物有足夠化學(xué)惰性的材料做成的單塊金屬薄板。雙電極板110的設(shè)計(jì)滿足幾個(gè)目的，其中包括支撐陽極114和陰極116。雙電極板110包括一個(gè)第一支撐框112和一個(gè)與之相連的第二支撐框112’，兩個(gè)支撐框共有一條邊界113(圖中以點(diǎn)劃線表示)。雙電極板110例如可以用鍍鎳鋼做成，支撐框112上支撐陽極114，支撐框112’上支撐陰極116。支撐框112有一個(gè)平面周邊108，支撐框112’有一個(gè)平面周邊108’。當(dāng)槽堆被組裝和夾緊在一起時(shí)，陽極液框38和40環(huán)繞周邊108和108’密封在雙電極板110的一側(cè)，而氣體分離器組件36則環(huán)繞周邊密封在雙電極板的另一側(cè)。
雙電極板110在其上端有一對(duì)開口118和120，在其下端有一對(duì)開口118’和120’。陽極114與陰極116之間的距離最好是盡量地短，典型地為約1mm至約10cm，最好小于5cm，這個(gè)距離稱為槽間距，與圖2的縫隙28相關(guān)連。雙電極板110在陰極和陽極區(qū)之間的非開口部分中沿著電極的長(zhǎng)度方向設(shè)有幾個(gè)分開的孔106。在裝配好的電解槽中各個(gè)孔106與圖2的各個(gè)縫隙28對(duì)齊，夾緊桿(未示出)將穿過這些孔和夾板52上的孔104。夾緊桿的兩端可以帶有螺紋，使得可以通過擰緊夾緊桿兩端上的螺母束壓緊槽堆。
開口118和118’比開口120和120’大，其中帶有人造橡膠插入件122。插入件122的作用是使在由開口118和118’所規(guī)定的通道中流動(dòng)的液流密封于電極所產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物，并防止與相鄰電極形成電回路，從而防止在通道中發(fā)生電解的可能性。另兩個(gè)較小的開口120和120’規(guī)定了讓來自電解液框38和40的氣體通過的通道開口。把該元件翻轉(zhuǎn)(使表面旋轉(zhuǎn)180°)就可以改變兩組開口的位置，從而改變開口通道的位置。這樣，用單個(gè)雙電極板就實(shí)現(xiàn)了圖1所示槽單元的電極連接。
參見圖5，在雙電極板110上帶有金屬通道支架117，用來防止框38(圖4a)中的縫隙56”和56”因組裝槽堆時(shí)為了實(shí)現(xiàn)液封而加以足夠的壓力而被擠壓合攏。這些支架也可以插入并保持在框38和40的縫隙56”內(nèi)。
對(duì)于陽極和陰極是安裝在框112和112’上的分立元件的情況，雙電極板110可以用較廉價(jià)的導(dǎo)電材料，例如低碳鋼，做成，并為得到適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)惰性可進(jìn)行例如鍍鎳等表面處理。然后把分立的電化學(xué)活性陽極114連接到框112上，把陰極116安裝到框112’上。在本圖中示出的導(dǎo)線柵格是陽極和陰極的基底。由于陽極和陰極占據(jù)著雙電極板上不同的面積，需要時(shí)可以采用例如電淀積、浸漬或?yàn)R射等方法較容易和低成本地對(duì)兩種電極的一個(gè)或兩個(gè)側(cè)面施加不同的表面活性。
或者，雙電極板和電極可以做成為單塊元件，其中的兩個(gè)部分電化學(xué)激話以形成陽極和陰極。例如，雙電極板110可以含有一些穿孔部分，這些部分可用適當(dāng)?shù)牟牧霞せ钜缘玫疥枠O和陰極。不論哪種類型的結(jié)構(gòu)都明顯地優(yōu)越于目前的單極和雙極系統(tǒng)。在雙極系統(tǒng)中，典型地陽極活性是施加給陽極活性基底的，然后再把基底結(jié)合在雙極壁上；類似地陰極活性是施加給陰極活性基底的，然后再把該基底結(jié)合或連接在雙極壁上。這樣的連接往往會(huì)導(dǎo)致電極組件化學(xué)整體性的丟失。在普通的單極系統(tǒng)中，需要另外的支撐物來把電荷導(dǎo)向或?qū)щx電極。因此，當(dāng)把電極說成是由單極板或雙電極板“支撐”時(shí)，應(yīng)該把這個(gè)詞匯理解為包括了所有可能的結(jié)構(gòu)，其中包括，但不局限于，分立的電極被直接結(jié)合在SEP和/或DEP導(dǎo)電框上，并且DEP和/或SEP都由能自身起到電極作用的材料做成，或者DEP和/或SEP可以由易于被鍍上或用其他方法加上能起到不同電極作用的材料的材料做成。
由雙電極板造成的歐姆損耗直接正比于電極的厚度。對(duì)于每個(gè)垂直的電極腳可提供100安培或更多電流的電極，該厚度可以小達(dá)約0.25mm。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，對(duì)于典型單極槽連接一般具有的歐姆級(jí)電壓降，可以得到電流導(dǎo)體厚度的80％的減小。薄的導(dǎo)體有不少重要優(yōu)點(diǎn)，其中包括低成本的材料加工(一般的壓印、分步壓印(progressive stamp)、數(shù)控壓印、滾動(dòng)模壓成形等)，它具有較小的質(zhì)量從而在后續(xù)加工步驟中更易于處理，并且同樣的體積它能承載更大的電流密度。
由于下述原因，為了得到每平方米電極表面面積的最佳氫氣產(chǎn)量，雙電極板的形狀比(高度比寬度)最好大于1，在實(shí)踐中最好盡量地大。由于電流平行于電極板，所以對(duì)于給定的電阻，板的厚度應(yīng)隨有效電極區(qū)域的變寬而變大。此外，對(duì)于給定的工作電流密度，隨著板的變寬整個(gè)雙電極板的電流率將增大。對(duì)于陽極和陰極部分之間的給定歐姆損耗，板的厚度必需增大。這樣，為了在保持相同的歐姆損耗和電流密度的條件下增大板的總電流率，最好采用高而窄的結(jié)構(gòu)；或者，通過增大形狀比(高度比寬度)，可以使用較薄的電極材料。對(duì)于需用昂貴材料并且電流密度受限(或歐姆損耗有限制)的電化學(xué)裝置來說，這是特別有益的。
圖6示出單電極板30和31，它們分別用來支撐兩個(gè)端部堆的槽中的陰極144和陽極142，并把電源29連接到多堆電解槽上。單電極板30和31有相同的結(jié)構(gòu)，唯一的區(qū)別是陰極144被安裝在板30上，而陽極142則被安裝在板31上。單電極板30包括一塊帶有一個(gè)平面框140的金屬薄板，該框上連接了通向電源29的導(dǎo)線。電極板30上設(shè)有上開口121、123和相應(yīng)的下開口121’、123’?？?40上還焊有金屬的通道支架117，防止框38(圖4a)中的縫隙56”和56”在裝配電解槽時(shí)被擠壓合攏。在圖1的多堆電解槽(MSE)20中，單電極板30位于最外部的堆或端堆處，兩個(gè)最外部堆22中每個(gè)堆22所需的電極板30的數(shù)目等于一個(gè)堆中的槽數(shù)。沿著框140邊緣設(shè)置的一些孔106’與靠近夾板52兩端的各個(gè)孔104(圖1)對(duì)齊，用來讓槽堆固緊在一起。
再次參見圖2，電解槽20被裝配后各個(gè)槽堆22被空氣隙28互相絕緣。每個(gè)電極板110(圖5)上陽極與陰極之間的幅板部分108和108’有預(yù)定的寬度，該寬度由相鄰槽堆之間的距離決定。電源29連接在單元端部的單電極板30的框140上，并標(biāo)明了通過單元的不同電極的極性。
應(yīng)該理解，相似的元件使用了不同的數(shù)字代號(hào)表示，其目的是想反映元件的多種功能用途，不一定表示它們有不同的結(jié)構(gòu)。例如，陽極液框38與陰極液框40是相同的，但框38定義了一個(gè)陽極液室而框40定義了一個(gè)陰極液室，例如，在圖1中右面的那個(gè)堆中，中央的陽極液框38是其兩側(cè)的陰極液框繞垂直軸旋轉(zhuǎn)180°。類似地，單電極板30與31是相同的，只是板30上結(jié)合的是陰極144，板31上結(jié)合的是陽極142。
在每個(gè)槽堆中，電極板、電極液框、和氣體分離器隔膜組件上的兩個(gè)分開的開口是對(duì)齊的，從而確定了液體流過堆的兩條路徑，其中第一個(gè)通道通過堆一端的端盒44中的開口48交換液體，第二個(gè)通道通過堆另一端的端盒44中的開口48交換液體。例如，參見圖1，單元右側(cè)端堆22中的第一通道，即右上方通道，是這樣確定的堆中最右側(cè)處端盒22(O2從此收集)中的開口48、板26中的開口59(圖4b)、陰極液框40中的開口58’，單電極板30中的開口121、氣體分離隔模64中的開口68，雙電極板110中的開口120，陽極液框38中的縫隙56”、DEP110中的開口120，氣體分離器隔膜64中的開口68、單電極板30中的開口121，陰極液框40中的開口58’。在多于兩個(gè)槽的堆中，所有另外的陽極液室都可以用與該第一通道相同的方式連接。
這個(gè)右上方通道是載O2電解液(對(duì)于水電解情況)的流出通道，該電解液通過縫隙56”從中央陽極液室流出，經(jīng)過通道，再通過開口48流到端盒44。陽極液通過開口46從圖右側(cè)的端盒44進(jìn)入各個(gè)槽，它通過由各個(gè)槽元件中的開口所定義的下通道(在上通道的對(duì)角位置)一直到達(dá)陽極液框38，在那里它通過縫隙56”(圖1中看不到)進(jìn)入陽極室。O2在堆的工作中產(chǎn)生，當(dāng)它返回到端盒44時(shí)被從電解液中取出。注意，這第一通道不與堆另一端處的端盒發(fā)生液流交換，由于H2在另一端的端盒處收集，所以載氧電解液不能進(jìn)入另一端的端盒就不會(huì)與氫混合。
各個(gè)堆元件中的各另一個(gè)相鄰的上開口定義了由框40到縫隙56”所定義的陰極液室流出的載H2電解液的通道。與H2返回的位于端盒44之間的上通道相對(duì)角的并穿過各槽的下通道把電解液運(yùn)到陰極液槽艙中。再次參見圖1，離開堆22的最左方端盒中的開口46(虛線所示)的電解液沿著圖的底部進(jìn)入各個(gè)由框40到縫隙56”所定義的陰極液室，并通過上開口48(虛線所示)返回到同一個(gè)端盒44中。當(dāng)H2滯留在端盒中時(shí)將被從電解液中取出。
在上述各個(gè)堆元件中，定義了把電極液輸送到端盒中去的上(或下)開口位置是一種“小角(kitty corner)”設(shè)計(jì)，換言之，如圖6a所示，在一個(gè)特定循環(huán)框中的液流在一側(cè)的底部流入而從對(duì)側(cè)的頂部流出。應(yīng)該理解，也可以采用其他形式的布局，例如，可以采用這樣的設(shè)計(jì)，其中流入和流出通道在框/電極/氣體分離器組件的同一側(cè)，使液體在組件的同一側(cè)流出和流入。
充分利用雙電極板110的最小的可能電解槽只需要兩個(gè)槽和一個(gè)22電極板，電極板的一個(gè)支撐框上安裝了位于一個(gè)槽內(nèi)的陰極，另一個(gè)支撐框上安裝了位于相鄰的第二個(gè)槽內(nèi)的陽極。此外，應(yīng)該理解，在可以使用這里所公開的雙電極板、人造橡膠類循環(huán)框、或端盒的所有電化學(xué)系統(tǒng)中，分離器不是最重要的。僅僅對(duì)于必須減小電合成產(chǎn)物(或陽極和陰極液中出現(xiàn)的其他成份)之間的混合的那些應(yīng)用，分離器才是重要的。上面給出的非限制性例子是水的電解，其中需要仔細(xì)處理以使氫、氧的混合量最小化。其他的電化學(xué)處理不受必須使用分離器的限制。沒有分離器時(shí)，陽極和陰極實(shí)際上共用同一個(gè)槽艙。
再次參見圖1，其中示出兩個(gè)相鄰槽X和Y共用一個(gè)雙電極板110，槽X中的陰極116和槽Y中的陽極114共用雙電極板110，所以該板位在兩個(gè)相鄰的單極槽之間。這一結(jié)構(gòu)不需要另外的槽間總線板來連接兩個(gè)單極槽。于是，使用雙電極板110使得電流在許多相鄰單極槽堆之間易于流動(dòng)，而不需要復(fù)雜的槽間連接器。
這種相鄰槽之間的連接比普通的或以往技術(shù)的槽布局有高度的優(yōu)點(diǎn)，在一般的槽布局中，相鄰單極槽陽、陰極之間的連接是用電纜或硬金屬總線板實(shí)現(xiàn)的。這將需要制作并在槽的工作壽命內(nèi)始終保持一個(gè)接觸點(diǎn)，為此不得不增加設(shè)計(jì)和原料供應(yīng)的費(fèi)用。采用本雙電極板設(shè)計(jì)可以不要這樣的連接。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，采用雙電極板設(shè)計(jì)后可減小與以往技術(shù)相關(guān)連的工作效率降低。例如，接觸電阻和導(dǎo)體自身的損耗都將減小，槽的質(zhì)量減小，并且因焊接或其他材料結(jié)合技術(shù)所造成的板應(yīng)力也將減小。接觸電阻必須是不隨時(shí)間變化的，而且也不應(yīng)因氧化，熱循環(huán)或栓/焊失效而降質(zhì)。
較具體地說，雙電極板110，氣體分離器隔膜組件36、和電解液框38的設(shè)計(jì)使每個(gè)電極背面的深度有明顯減小，從當(dāng)前技術(shù)的約12.7mm減小到小于約3.75mm。這除了提供明顯的經(jīng)濟(jì)效益之外還提供了另外的好處，即含有幾個(gè)并聯(lián)雙電極板的堆的總厚度將減小。例如，對(duì)于額定值為1000A的雙電極板110，則只需要50個(gè)并聯(lián)的雙電極板就可以達(dá)到50000A的直流電流。當(dāng)如這里所提出的減小了雙電極板之間的距離時(shí)，用人造橡膠做框?qū)⑹股鲜鲭娏鞲菀走_(dá)到。在同樣的電化學(xué)產(chǎn)量下這可以減小堆的厚度，為槽的防泄漏所需的彈簧器件的數(shù)量也可減少。
這里所公開的雙電極板提供了任何相鄰槽的電極對(duì)中的均勻電流分布，這是因?yàn)殡娏髦苯釉谝粋€(gè)槽中的電極板的內(nèi)部陽極邊緣與相鄰槽中的同一電極板的內(nèi)部陰極邊緣之間流過。對(duì)一組總共66英寸高的被分成32段2英寸的陽極進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣體生成電極背后的縫隙高度為0.318cm至2.5cm之間時(shí)都有均勻的電流分布?？p隙是陽極與陰極液室的深度。因此，電流分布與電極高度無關(guān)。
參見圖14和15，其中示出了MSE電解槽的另一個(gè)實(shí)施例，它含有適合于與水平頭盒300相耦合的端盒44’。頭盒300有一個(gè)通氣口302，用來產(chǎn)生氣體。端盒44’分別帶有上、下開口316和318。在頭盒300與端盒44’之間夾有一個(gè)襯墊310，后者帶有一些分開的上開口和下開口對(duì)312和314。具體參見圖15，當(dāng)頭盒300被固緊在端盒44’上時(shí)，頭盒中的分開的上、下開口324和326分別對(duì)齊于襯墊310中的開口312和314以及端盒44’中的開口316和318?？梢杂靡粋€(gè)檔板328來減少或防止進(jìn)入頭盒300的電解液直接通過輸出口302釋放。設(shè)置在室330中的一個(gè)熱交換螺管320用來按需要對(duì)頭盒300中的電解液加熱或冷卻。端盒44’的隔板336保證了流出電解槽堆的液體被向上導(dǎo)引到頭盒300的進(jìn)口中。
跟隨著代表液流方向的箭頭，載氣電極液從槽單元的上部液流通道溢出到端盒44’中，并在端盒中上升，通過由相互對(duì)齊的開口316、312和324所定義的上進(jìn)入口進(jìn)入頭盒300。被分離出了氣體產(chǎn)物的電解液通過由開口318、314和326所定義的下部出口重新返回端盒44’。含有頭盒300的電解槽300有利地提供了各MSE槽堆之間的電解液混合，從而防止了在電解槽各處建立起化學(xué)梯度。還有，這個(gè)設(shè)計(jì)允許只在一個(gè)地點(diǎn)既控制電解液水平334又控制電解液溫度。
停工時(shí)，電解液將流回各個(gè)端盒44’，由此切斷了各槽堆之間的液體、電解液通路。此外，使用頭盒300將不再需要把電解液從一個(gè)分開的容槽泵浦到電解槽中，并且在電解槽停工時(shí)將可有利地避免在其中出現(xiàn)危險(xiǎn)的低液面水平。
單堆電化學(xué)(SSE)系統(tǒng)圖7示出電化學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，其中該系統(tǒng)總的由代號(hào)160表示，這種結(jié)構(gòu)稱作單堆電化學(xué)(SSE)系統(tǒng)，其特征為，兩個(gè)或多個(gè)槽艙被一個(gè)接在另一個(gè)后面地放置，形成一系列或“一串”互相電串聯(lián)連接的槽艙。在本發(fā)明中，各槽之間的電連接是利用折迭雙電極板130實(shí)現(xiàn)的，使電流繞過圖10隔離板76的邊緣流動(dòng)。陽極液框70和陰極液框70’與圖4a中相應(yīng)的電解液框38和40相同。每個(gè)槽與其相鄰槽由一個(gè)電解液框組件180分開，該組件180由兩個(gè)框之間夾一個(gè)不透液板76組成，對(duì)此下面有更充分的說明。外部電源(未示出)與電化學(xué)系統(tǒng)160的連接由單電極板30’實(shí)現(xiàn)。
圖7中的電化學(xué)系統(tǒng)160含有兩個(gè)槽，所以有一個(gè)雙電極板130和分別位于槽堆兩端的兩個(gè)單電極板30’和31’。應(yīng)該理解，對(duì)于含有三個(gè)槽的SSE系統(tǒng)將需要兩個(gè)雙電極板130，對(duì)于含有四個(gè)槽的SSE系統(tǒng)將需要三個(gè)雙電極板，等等。在槽堆兩端鄰近端盒44處各使用一個(gè)隔離板26’，其上的開口210和212(見圖11)與端盒中的開口46和48對(duì)齊。
圖8a示出雙電極板130的幾何形狀，圖8b示出該電極板在已組裝好的電化學(xué)系統(tǒng)中折迭了180°的情況。參見圖7，在組裝后的電解槽中，陽極液框70、陰極液框70’、和槽間板76被夾在陽極部分114與陰極部分116之間。雙電極板130上有兩個(gè)上開口132和兩個(gè)下開口132’。在每個(gè)開口132和132’中設(shè)置了一個(gè)雙開口襯墊150(示于圖9)，用來隔開陽極流與陰極流通道。雙電極板130上還有一些開口134，當(dāng)該板折迭后(圖8b)它們將形成縫隙136，使得當(dāng)SSE系統(tǒng)按圖7組裝時(shí)在被夾緊之前可以讓夾緊桿(未示出)通過。
圖9示出單電極板30’和31’。電極板30’中有陰極144’安裝在其框140’上，電極板31’中有陽極142’安裝在其框140’上。板30’和31’在兩端處都有一個(gè)擴(kuò)大的開口148，人造橡膠襯墊150即插入在這些開口中，以定義兩個(gè)通道或液流管道。開口148的尺寸與圖8a雙電極板130中的開口1 32相同。區(qū)域140’中的一些孔146在組裝后的SSE系統(tǒng)中與一些縫隙136對(duì)齊，使夾緊桿(未示出)可以插入其中以把電化學(xué)系統(tǒng)固緊在一起。
參見圖10，電解液框組件180包括兩個(gè)周邊框70和70’。框70的兩端都設(shè)有矩形幅板73，在框的一端定義了一個(gè)開口72和一個(gè)相鄰的縫隙74，在框的另一端定義了一個(gè)開口72’和相鄰的縫隙74”。類似地，框70’的兩端都設(shè)有矩形幅板73，在框的一端定義了一個(gè)開口72”的相鄰縫隙74”，在框的另一端定義了一個(gè)開口72”和相鄰縫隙74’。周邊框70和70’的設(shè)計(jì)與圖4a多堆電解槽(MSE)系統(tǒng)的電解液框38和40的設(shè)計(jì)類似。在框70和70’中，開口72與72’互相位在對(duì)方的對(duì)角位置上，它們定義了兩個(gè)液流路徑。這兩個(gè)液流路徑與端盒44中的開口46和48對(duì)齊，以提供通過槽堆和從槽堆到端盒44的液流循環(huán)路徑。當(dāng)電極組件被組裝和完成了槽堆之后，框70和70’將提供液封。
不透液板76夾在框70與70’之間，這三個(gè)元件用焊接或其他結(jié)合方法結(jié)合在一起。板76的一端設(shè)有一對(duì)開口78和78’，另一端設(shè)有一對(duì)開口80和80’，它們起著液流管道的作用。在板76的上端，有兩組通道支架82和82’分別結(jié)合在開口78’和78的下方，一組支架82位在板的一個(gè)表面上，另一組支架82’位在相對(duì)表面上并向相反方向伸出。在板76的下端類似地也有兩對(duì)位在開口80和80’上方的通道支架82”和82”。當(dāng)組裝了組件180后，通道支架82和82’將在組件上端分別伸入到縫隙74和74’內(nèi)。類似地，通道支架82”和82”將在組件下端分別伸入到縫隙74”和74”內(nèi)。這樣的組件例如可以用注入模鑄法做成為單件元件。
SSE系統(tǒng)160各個(gè)元件中的開口是對(duì)齊的(類似于圖2MSE系統(tǒng)中的每個(gè)堆)，以提供端盒44與鄰近于陽極142’和陰極144’的陽極液室和陰極液室之間的液流交換。需要指出，圖2MSE系統(tǒng)與圖7SSE系統(tǒng)的差別在于，在SSE系統(tǒng)160中，在整個(gè)堆內(nèi)兩種電極是交替的陽極/陰極/陽極，所以在電極板130上陽極與陰極之間需要有板76；而在MSE系統(tǒng)中，相鄰槽中的相鄰陽極對(duì)或陰極對(duì)可以共用一個(gè)陽極液室或陰極液室。因此，再次參見圖7，從端盒44返回的陰極液將沿箭頭D通過開口72’、80’和由縫隙74”中的通道支架82”所產(chǎn)生的通道進(jìn)行循環(huán)。包括陰極液和產(chǎn)物的液體混合物沿箭頭E從由鄰近于陰極(未示出)的框70所定義的陰極液室注出，通過縫隙74’中的通道支架82’、開口78和72，進(jìn)入端盒44以分離出氣體。
類似地，從槽堆另一端的端盒44返回的陽極液沿著箭頭F通過開口72”、80并向上通過由縫隙74”中的通道支架82”所產(chǎn)生的通道進(jìn)行循環(huán)。包括陽極液和產(chǎn)物的液體混合物沿著箭頭G從由鄰近于陽極(未示出)的框70所定義的陽極液室流出，通過縫隙74中的通道支架82、開口78’和72”，進(jìn)入端盒44以分離出氣體。
除了電極液穿過分離器64的遷移之外，兩條陽極液流動(dòng)路徑與兩條陰極液流動(dòng)路徑是互相獨(dú)立的，以使陽極液和陰極液的混合最小化。此外，在MSE系統(tǒng)中，液流是流過一個(gè)堆的，而不在各個(gè)堆之間流動(dòng)。在電解情形中，分離器64是一個(gè)氣體分離器，以防止產(chǎn)物H2和O2的混合。
框70和70’的構(gòu)筑材料最好既有橡膠襯墊的性質(zhì)又有適當(dāng)工程塑料的硬度，即是類似于氣體分離器36和電解液框38、40的材料，例如聚氨酯/聚醚、聚烯烴和聚四甲基甘醇醚，它們需經(jīng)過硬度計(jì)的選擇以具有同樣的加工處理的優(yōu)點(diǎn)。這些材料可以用多種方法加工，例如對(duì)擠壓材料進(jìn)行模切或注入模鑄。這種加工的另外優(yōu)點(diǎn)是，全表面人造橡膠框/襯墊與金屬電極的互容性。不需要另外的襯墊。由于沿垂直軸把框70旋轉(zhuǎn)180°就可得到框70’，所以它們是相同的。所以可以用同一種框元件來得到陽極液框70和陰極液框70’。隔離板76和26’可以用與電解液循環(huán)框38、40和70、70’相同的材料來制作。
把各個(gè)槽元件組裝起來，然后用足夠大的力把它們夾在一起，以達(dá)到機(jī)械整體性和全槽堆各元件之間的密封。夾緊是借助于穿過夾板52’上的孔104’的夾緊桿系統(tǒng)(未示出)來實(shí)現(xiàn)的，見圖7。
圖12的水平截面圖示出通過槽的電流流動(dòng)，這是這種電化學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為單極槽組件的特征。
當(dāng)在同一個(gè)電化學(xué)系統(tǒng)中串聯(lián)連接兩個(gè)或多個(gè)槽時(shí)，每個(gè)槽中的電極對(duì)必需與下一個(gè)槽中的電極對(duì)完全電絕緣。為了使例如一個(gè)槽艙的陰極液與下一個(gè)槽艙的陰極液有最小的混合量，對(duì)于一個(gè)給定的槽，電極液也必須至少是部分地被限制在這個(gè)槽的“邊界”之內(nèi)。這種混合易于在反應(yīng)室外部形成電回路，導(dǎo)致出現(xiàn)會(huì)造成減小槽的電流效率和影響產(chǎn)物純度的電流路徑。因此，互相串聯(lián)連接的各個(gè)槽必須在它們的功能性組件中含有位于每一側(cè)的分離壁，以控制電解液的混合量。如圖10所示，同一個(gè)分離壁可以由兩個(gè)相繼的槽共用，以形成一個(gè)槽間壁或隔離槽壁76。
采用雙電極板由于幾個(gè)原因而有很大的優(yōu)點(diǎn)。在圖1和7所示的電化學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，可以看到它們都可被看作是單極槽布局，其中的雙電極板110和136分別被一些互相隔離的不同的槽共用，在MSE結(jié)構(gòu)中該隔離由空氣隙提供，在SSE結(jié)構(gòu)中則由隔離壁提供，并且電極中的電流位于電極平面內(nèi)。這種設(shè)計(jì)通過有效地把電流從一些并聯(lián)的堆系列的一端傳送到另一端而有利地利用了并聯(lián)—串聯(lián)結(jié)構(gòu)。
由于電流從沿著雙電極板導(dǎo)電框邊緣注入到一個(gè)槽中的DEP電極中，并由位在兩電極之間的導(dǎo)電框部分被傳送給相鄰槽中的支撐在DEP上的另一個(gè)電極，所以對(duì)于MSE和SSE系統(tǒng)都不需要各槽之間的外部點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。這排除了采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的電解槽中的效率損失特性的一個(gè)重要根源。換言之，在普通的單極設(shè)計(jì)中，電極中的電流僅僅在電極平面中，并且相鄰槽之間的電流出現(xiàn)在槽堆的外部；但在本電化學(xué)系統(tǒng)中，與電流從一個(gè)連接點(diǎn)流到電極表面上的普通單極系統(tǒng)不同，各槽之間的電連接是用DEP板實(shí)現(xiàn)的，其中從連接點(diǎn)處的電極厚度和機(jī)械地連接兩個(gè)元件的費(fèi)用的角度來看，實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明設(shè)計(jì)相對(duì)于普通系統(tǒng)的優(yōu)越性。
本發(fā)明允許使用比普通設(shè)計(jì)中所需的板厚薄的雙電極板，這些普通設(shè)計(jì)的特征是各槽間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。本發(fā)明系統(tǒng)中DEP板的厚度取決于電極處反應(yīng)所需的電流密度。此外，連接支撐兩個(gè)電極的DEP的兩部分的導(dǎo)電框的導(dǎo)電幅板部分的寬度可以根據(jù)使用了DEP的SSE、MSE、或任何其他系統(tǒng)的物理要求而予以改變。
采用這里所公開的DEP的單極槽堆設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是，各個(gè)槽不一定需要強(qiáng)迫的電解液循環(huán)來保持各電極間的電解液供應(yīng)，而這種強(qiáng)迫循環(huán)在其他“壓濾”(雙極)型電解槽中經(jīng)常是需要的。通過仔細(xì)選擇電解液通道的大小和每堆中的槽數(shù)，可以建立起合適的循環(huán)以保證低的電極間電阻因子和不發(fā)生可能導(dǎo)致熱斑和損壞電解槽的空隙(voidage)。在采用DEP的單極槽堆中，通過權(quán)衡通道尺寸和前述的緊湊尺寸優(yōu)點(diǎn)，可以在不需要機(jī)械泵的情況下實(shí)現(xiàn)電解液循環(huán)液動(dòng)力的優(yōu)化。不使用機(jī)械泵后，各個(gè)槽就不再像普通雙極設(shè)計(jì)那樣需要漲滿(flooded)，并且可以在電解槽的頂部而不是在分開的室中進(jìn)行氣體從含氣電解液的分離。
剛性端盒艙的布局有可能改變，例如，可以不像圖13(a)的MSE系統(tǒng)和圖13(b)的SSE系統(tǒng)那樣使端盒位于堆的兩端，而是使兩個(gè)端盒44并列地設(shè)置在一端并在該端收集兩種產(chǎn)物氣體，同時(shí)在另一端設(shè)置一個(gè)剛性板45。
由于兩種類型電解槽中各個(gè)槽的單極性質(zhì)，電極中的電流平行于DEP110和SEP30和31的工作表面(并垂直于在通過電解槽的電解液通道(未示出)中的氣流方向)。
雖然已把堿性或酸性水電解(電解槽)作為本發(fā)明工業(yè)應(yīng)用的非限制性例子對(duì)這里所公開的電化學(xué)槽和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的各個(gè)實(shí)施例進(jìn)行了示例性說明，但應(yīng)該理解，熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們也可以使用這里所公開的各種元件來構(gòu)筑能進(jìn)行其他電化學(xué)處理的系統(tǒng)。因此，本發(fā)明也能應(yīng)用于其他的電化學(xué)處理，其中包括但不局限于如下提出的僅是少許的例子，例如其他電合成反應(yīng)、燃料槽裝置和蓄能電池。雙電極板110的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)可以根據(jù)系統(tǒng)的要求作出改變，例如形成通道的開口的數(shù)目和位置、導(dǎo)電框和電極的尺寸等都可改變。
因此，給出了本發(fā)明方法和設(shè)備的優(yōu)選實(shí)施例的前述說明是為了闡明本發(fā)明的原理而不是為了把本發(fā)明限制于所說明的特定實(shí)施例。希望本發(fā)明的范疇由被后附發(fā)明保護(hù)范圍及其等效物所涵括的所有實(shí)施例來確定。
權(quán)利要求
1.一種電化學(xué)系統(tǒng)，它包括a)至少一個(gè)至少含有兩個(gè)槽的槽堆，在上述至少一個(gè)槽堆中，每個(gè)槽都含有一個(gè)陽極和第一個(gè)鄰近于上述陽極的陽極液室以及一個(gè)陰極和一具鄰近于上述陰極的陰極液室；以及b)位于上述槽堆兩個(gè)相對(duì)端處的剛性支撐元件，上述剛性支撐元件至少含有第一和第二剛性容槽，上述第一和第二剛性容槽中的每個(gè)剛性容槽都含有一個(gè)入口和一個(gè)出口，并且上述陽極液室與上述第一剛性容槽的入口和出口有液流交換，以在上述陽極液室與上述第一剛性容槽之間重復(fù)循環(huán)液體，并且上述陰極液室與上述第二剛性容槽的入口和出口有液流交換，以在上述陰極液室與上述第二剛性容槽之間重復(fù)循環(huán)液體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)系統(tǒng)，它至少含有位于上述第一和第二剛性容槽內(nèi)的溫度傳感裝置，用來探測(cè)每個(gè)容槽內(nèi)的電解液的溫度，上述溫度傳感裝置被連接在位于上述第一和第二剛性容槽內(nèi)的熱交換裝置上，以控制上述電解液的溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)系統(tǒng)，它至少含有第一和第二頭盒，上述第一頭盒與每個(gè)第一剛性容槽有液流交換，并且上述第二頭盒與每個(gè)第二剛性容槽有液流交換。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的電化學(xué)系統(tǒng)，它至少含有位于上述第一和第一頭盒內(nèi)的溫度傳感裝置，用來探測(cè)每個(gè)頭盒內(nèi)的電解液的溫度，上述溫度傳感裝置被連接在位于上述第一和第二頭盒內(nèi)的熱交換裝置上，以控制上述電解液的溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的電化學(xué)系統(tǒng)，其中每個(gè)槽都至少含有一個(gè)位于陰極液與陽極液室之間的分離器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的電化學(xué)系統(tǒng)，其中上述電化學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)用來產(chǎn)生H2和O2的水電解槽，并且其中上述分離器是一個(gè)含有至少一個(gè)氣體分離元件和環(huán)繞著上述氣體分離元件的周邊伸出的上棕周邊框的氣體分離器組件。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的電化學(xué)系統(tǒng)，其中上述氣體分離元件是一個(gè)氣體分離膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的電化學(xué)系統(tǒng)，其中的氣體分離膜是一個(gè)質(zhì)子交換膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)系統(tǒng)，它含有一個(gè)泵，用來使上述電解液通過上述各槽和上述第一和第二剛性容槽循環(huán)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電化學(xué)系統(tǒng)，包括a)至少一個(gè)至少含有兩個(gè)槽的槽堆，在上述至少一個(gè)槽堆中，每個(gè)槽都含有一個(gè)陽極和第一個(gè)鄰近于上述陽極的陽極液室以及一個(gè)陰極和一具鄰近于上述陰極的陰極液室；以及b)位于上述槽堆兩個(gè)相對(duì)端處的剛性支撐元件，上述剛性支撐元件至少含有第一和第二剛性容槽，上述第一和第二剛性容槽中的每個(gè)剛性容槽都含有一個(gè)入口和一個(gè)出口，并且上述陽極液室與上述第一剛性容槽的入口和出口有液流交換，以在上述陽極液室與上述第一剛性容槽之間重復(fù)循環(huán)液體，并且上述陰極液室與上述第二剛性容槽的入口和出口有液流交換，以在上述陰極液室與上述第二剛性容槽之間重復(fù)循環(huán)液體。
文檔編號(hào)C25B9/20GK1519394SQ20031011812
公開日2004年8月11日 申請(qǐng)日期1998年1月2日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月3日
發(fā)明者安德魯·T·B·斯圖爾特, 雷納·G·拉尚斯, 克里斯·T·鮑恩, T 鮑恩, G 拉尚斯, 安德魯 T B 斯圖爾特 申請(qǐng)人:斯圖爾特能源系統(tǒng)公司