電解器裝置及其制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及電解，并且更具體地涉及用于將水電解分離成氫氣和氧氣的電解器裝 置。
【背景技術】
[0002] 氫氣是用于諸如石油提煉、化肥制造、玻璃制造等等的各種制造工藝中的商業(yè)化 學制品。氫氣也可用于儲存諸如風電能和太陽電能的間隙性可再生能源。電解的氫和氧能 夠使用核能產(chǎn)生的電來生產(chǎn)并在管道中被輸送到遠離核反應堆的地方。
[0003] -種制氫的工業(yè)化制造過程是從烴蒸汽重整。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氫方法的副產(chǎn)物。對尋找諸如電解水的大規(guī) 模制氫的無污染方法有相當大的興趣。
[0004] 太陽能光伏發(fā)電和風力發(fā)電是可再生能源的技術活動領域。這些技術可能患有間 歇性問題：太陽能和風能不是持續(xù)可用的。水的電解可通過儲存氫氣并且當太陽能和風能 不可用時將其用作燃料電池的備用品來解決這個問題。然而，傳統(tǒng)電解器可以是需要大量 勞動力來建造，其使用材料上需要大量金屬的復雜結構以及/或可能不足以使它們本身適 用于大規(guī)模能源應用的模塊化工業(yè)放大。全世界政府過去20年已經(jīng)花了超過50億美元努 力解決引進先進制造技術以擴大大規(guī)模能源應用的電解器供應鏈的問題。然而，這個長期 存在且重要問題的解決方案，廉價電解器的實際大規(guī)模制造的先進制造技術的使用可能還 未實現(xiàn)。解決問題的障礙在能源部能源效率&可再生能源辦公室的《2011NREL/D0E氫和燃 料電池制造研發(fā)專題討論報告，2011年8月11-12日》(《2011NREL/D0E Hydrogen and Fuel Cell Manufacturing R&D Workshop report, August 11-12,2011》）中提出，其全部內(nèi)容以 引用的方式并入本文。工作室的總體目的是確定和優(yōu)先考慮：（1)氫氣和燃料電池系統(tǒng)及 部件的制造障礙，以及（2)政府可能支持以解決障礙的高優(yōu)先級需求和研發(fā)活動。工作室 報告的關鍵結果是關于解決障礙的補充研宄的計劃。工作室參與者對電極策略的一致決議 是如何將油墨直接施加到薄膜。由于上述原因，有保持對解決長期存在的將先進制造技術 集成到制造工藝的廉價電解器的大規(guī)模制造問題的需求。2012燃料電池技術和先進制造 聯(lián)合辦公室在線研討會的報告材料全部以引用方式并入本文。2011年報告和2012年在線 研討會材料作為PDF文件可從能源部能源效率&可再生能源辦公室在http://wwwl. eere. energy. gov/hydrogenandfuelcells/wkshp_h2_fc_manufa cturing. html 得到。
[0005] 水的電解是制氫的途徑。此外，氣態(tài)氧可作為副產(chǎn)物制造，該副產(chǎn)物可以是有用和 有價值的工業(yè)和醫(yī)療產(chǎn)品。通過諸如風、水力發(fā)電、太陽能和核能的可再生能源產(chǎn)生的電可 用于氫氣和氧氣的電解制造而沒有伴隨化石燃料制氫產(chǎn)生的一氧化碳和二氧化碳。涉及 電解技術的專利參考包括，例如，美國專利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,以及美國申請公開號 2012/0193242、2012/0149789、2011/0243294、 2010/028034、2010/0032221、2009/0026089、2008/0067078、2004/0182695、2003/0057088、 2002/0157958、2002/0037422。
[0006] 水的電解可包括通過施加到隔著相反極性的電極的水的電壓的作用而將水分解 成氧氣和氫氣。氫氣可在負電極（陰極）處產(chǎn)生，而氧氣可在正電極（陽極）處產(chǎn)生，如通 過下列反應所示：
[0007] 陰極（還原）：4H+(aq)+4e--2H2(g)
[0008] 陽極（氧化）：2H20(1) - 02 (g)+4H+(aq)+4e-
[0009] 在某些電解電池中，通過離子而阻止氣體通過的隔膜可將陰極和陽極室分隔。隔 膜可允許隔室之間的離子電導性，而保持在其相應的隔室中形成的氫氣和氧氣隔開。陽極 反應在所施加的外部電壓的影響下可將電子從水分子中移除。電子的移除可從水放出氧氣 和質(zhì)子H+。質(zhì)子可移動穿過隔膜并與移除的電子結合形成氫氣。結合的總陰極和電極反應 可以是：2H 20 - 2H2+02。
【附圖說明】
[0010] 附圖是說明性實施例。它們不示出所有實施例。此外或相反地，可使用其它實施 例。可能是明顯或不必要的細節(jié)可被省略以節(jié)省空間或更有效率地說明。某些實施例可在 具有另外部件或步驟和/或不具有所示出的所有部件或步驟的情況下實踐。當相同附圖標 記出現(xiàn)在不同附圖中時，其指代相同或相似的部件或步驟。
[0011] 圖IA和IB分別示出了包括連續(xù)區(qū)段半罩的電解器裝置的實施例的分解圖和組裝 圖。
[0012] 圖2A和2B分別示出了包括離散部件區(qū)段半罩的電解器裝置的實施例的分解圖和 組裝圖。
[0013] 圖3A和3B是包括在隔膜的第一和相反的第二側的附近的多個電極的電解裝置的 實施例的中間區(qū)段的前透視圖和后透視圖。
[0014] 圖4示出了用于電解器裝置的實施例的防漏緊固的軟管夾的使用。
[0015] 圖5A示出了軟管夾，并且圖5B示出了用于電解器裝置的實施例的半罩的中間區(qū) 段以及用于防漏緊固的密封墊片。
[0016] 圖6A示出了帶夾，并且圖6B示出了西德福夾，兩者都用于電解器裝置的實施例的 防漏緊固。
[0017] 圖7A和7B示出了將隔膜密封在不可滲透框架中的定向能（directed energy)的 使用。
[0018] 圖8A和8B示出了用于電解器裝置的實施例的防漏緊固的定向能的使用。
[0019] 圖9A和9B示出了將電力施加到在隔膜的相反兩側的附近的多個陽極和陰極電極 的電力源的陽極側和陰極側透視圖。
[0020] 圖10示出了電解器裝置的實施例的組裝透視圖，其中，半罩包括部分半球狀離散 端部區(qū)段部件。
[0021] 圖IlA和IlB分別示出了電解器裝置的包括過渡件端部區(qū)段實施例的半罩的剖視 透視圖和立面圖。
[0022] 圖12A和12B分別示出了電解器裝置的實施例的剖視透視圖和立面圖，其中，氣體 移除流管在裝置的外部和內(nèi)部。
[0023] 圖13示出了圖12的實施例的組裝立面圖，示出電解器裝置用根據(jù)需要添加的替 換水來制造氫氣和氧氣流。
[0024] 圖14示出了圖13的實施例如何能夠用作大規(guī)模制造、儲存和使用系統(tǒng)的一部分 的流程圖、系統(tǒng)級概覽。
[0025] 圖15示出了包括熱沉的電解器裝置的實施例的詳細透視圖。
[0026] 圖16A、16B和16C分別示出了電接觸第一多個電極并包括熱沉的匯流條的透視 圖、俯視圖和前視立面圖。
[0027] 圖17A和17B分別示出了具有與在隔膜的相反兩側上的多個電極接觸的結合凸片 的接觸條的分解和組裝中間區(qū)段透視圖。
[0028] 圖18A、18B、18C和18D分別示出了包括伸出的電接觸區(qū)域的高溫電解器裝置的中 間區(qū)段透視圖、俯視圖、前視立面圖和右視立面圖。
[0029] 圖19A和19B分別示出了與循環(huán)水泵一起使用的電解器裝置的實施例的半罩的剖 視透視圖和立面圖。
[0030] 圖20示出了使用圖19的裝置的系統(tǒng)的實例。
[0031] 圖21A示出了包括可滑動電極的電解器裝置的中間區(qū)段分解圖。圖21B示出了包 括可滑動電極的電解器裝置的中間區(qū)段組裝圖，其中替換電極鄰近待通過滑動來替換的電 極。圖21C示出了用于將電解器裝置中的電極緊固到替換電極以用于裝置中的電極的可滑 動替換的緊固件的詳細正透視圖和后透視圖。
[0032] 圖22A是導線在其使用漸進式軸向旋轉繞線法施加到隔膜時的透視圖。圖22B和 22C分別示出了導線使用漸進式軸向旋轉繞線法施加到隔膜的俯視圖和前視立面圖。
[0033] 圖23A和23B分別示出了第一半罩、第二半罩以及導線已經(jīng)施加到其上的定位在 半罩之間的隔膜的中間區(qū)段透視圖和立面分解圖。圖23C和23D分別示出了第一半罩、第二 半罩以及導線已經(jīng)施加到其上的被夾在半罩之間的隔膜的中間區(qū)段透視圖和立面組裝圖。 圖23E和23F示出了圖23C和23D的視圖，其中導線被從隔膜的邊緣修剪。
[0034] 圖24A、24B、24C和24D分別示出了使用蛇形繞線法將導線施加到隔膜的透視圖、 俯視圖、前視立面圖和右視立面圖。
[0035] 圖25示出了具有額外的間隔件的圖24所示的蛇形繞線。
[0036] 圖26A和26B分別示出了已經(jīng)使用獨立導線股放置的方法施加的導線的透視圖和 俯視圖。
【具體實施方式】
[0037] 現(xiàn)描述說明性實施例。此外或相反地，可使用其它實施例。可能明顯或不必要的細 節(jié)可被省略以節(jié)省空間或更有效率地介紹。某些實施例可實踐成具有另外部件或步驟和/ 或沒有被描述的所有部件或步驟。所公開的實施例不受動作或程序的順序限制。某些動作 可以以不同的順序和/或與例如諸如旋轉和直線運動的動作的其它動作或事件同時發(fā)生。 不是所有說明的動作或事件都要求實施本發(fā)明所述的程序和/或方法。
[0038] 如本文所用的：
[0039] "部件"是指較大結構的零件或元件。
[0040] "隔膜"是指通過離子而阻止氣體通過的屏障。在某些實施例中，隔膜是網(wǎng)狀的。 在其它實施例中，隔膜是能滲透的，其中隔膜基本上不具有在隔膜的第一側和隔膜的第二 側之間形成視線通路的孔、毛孔或通道。在其它實施例中，隔膜不具有將薄膜夾在中間的共 線的孔、毛孔或通道。擁有隔膜的必要性質(zhì)的網(wǎng)狀和/或能滲透材料的實例是聚乙烯、聚 丙烯、聚酰亞胺、聚酰胺亞胺、聚偏二氟乙烯以及聚四氟乙烯。在某些實施例中，隔膜可包括 Nafion?質(zhì)子交換膜和或聚合物電解質(zhì)膜。
[0041] "隔膜電極陣列"是指包括電極陣列的隔膜。
[0042] "電極陣列"是指一組相關的電極。
[0043] "罩"是指將第一空間與第二空間密封開的結構。
[0044] "緊固件"是指關于流體的防漏緊固件。
[0045] "流體"是指液體、氣體或液體和氣體。
[0046] "半罩"是指罩的部件。
[0047] "離子"是指水離子。
[0048] "視線"是指沿直線行進的光。
[0049] "網(wǎng)狀的"是指像網(wǎng)或網(wǎng)絡一樣構造或布置的水通路。