CN102124146B - 碱性电解槽 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碱性电解电池结构(AECC)具有氢半电池；氧半电池；GSM(气体隔离膜)；两个内部氢半电池隔屏；外部氢半电池隔屏；氢电极；两个内部氧半电池隔屏；外部氧半电池隔屏；和氧电极；所述氢半电池包括位于所述两个内部氢半电池隔屏与所述外部氢半电池隔屏之间的所述氢电极，所述氧半电池包括位于所述两个内部氧半电池隔屏与所述外部氧半电池隔屏之间的所述氧电极，所述GSM设置在所述氢半电池的所述两个内部氢半电池隔屏与所述氧半电池的所述两个内部氧半电池隔屏之间以形成所述电解装置。

Description

碱性电解槽
相关申请的交叉引用
本申请主张由与本发明相同的发明人在2008年6月16日递交的序列号为61/061,939的美国临时申请的权益，该临时申请通过引用结合在本申请中。
发明背景
发明领域
本发明总体上涉及一种碱性电解槽结构，其显著的特征在于与现有的基于PEM的电解槽结构相比在非常低成本的情况下具有更高的功率密度、更高的效率以及更高的操作压力性能。
相关技术说明
在先技术的设计结构不符合美国能源部（DOE）关于$/kW($400/kW),$/gge氢产量($2.50/gge),或者效率(69%)的2012年目标。
发明目的
本发明公开了一种大有效面积、大功率密度、高效率、极低成本的平板电解槽结构，其压力在200巴，成本小于$333/kW；H2产量$0.96/gge，以及81%的效率。所产生的结构用在一种尤其能负担非常高功率密度的用于民用、商业或者工业应用的UPS系统。所产生的H2和O2气体的储存压力最高可达200巴，并且预期用于高性能PEM燃料电池堆。作为选择，电解槽结构能够作为低成本/高功率密度能量储存的主要装置，用于可再生能源发电。在该替代应用中，电解槽可以作为用于混合动力车辆的非常低成本的氢燃料的生产和分配的加氢站，或者被存储而后续用于风力发电厂内外部燃烧燃气涡轮发电机组件，当风力弱或不存在的情况下，用作补充的或备份的发电。
附图说明
图1a是具有108平方英寸有效面积的碱性电解槽结构氧半电池（1）的主视图。
图1b为具有108平方英寸有效面积的碱性电解槽结构氧半电池（2）的主视图。
图1c所示为部分组装的电解电池的侧视图，显示图1a与图1b被相对地组装。
图2描述了组装的单电池结构的主视图，显示连接杆紧固件（15），单倍宽度加强条（16）和三倍宽度复合/加强条（17和18)。
图3所示为具有复合/加强条（16,17和18)的组装的电解电池的侧视图。
图4图示了通过用延长连接杆（19）替换单连接杆（15）而连接六个或更多电池组形成一个较大的模块。
图5提供0.28倍等级的单电池电解槽结构的测试数据。
图6提供没有强制回流的标准54平方英寸电解电池的测试结果，显示应用电压下的总效率，和在工作温度下效率的变化。
图7说明电解电池组件在大约130华氏温度工作下的预期耐久寿命。
具体实施方式
本发明公开一种碱性电解电池结构（AECC），其通过使用层流强制回流实现高效率。图1a是具有108平方英寸有效面积碱性电解槽结构氢半电池（1）的主视图。氢半电池（1）平板具有用于放入静态平面环形密封圈（11）的安装槽结构。0.125”精密厚度的塑料衬垫（3a和3b）引导来自KOH回流入口（8a）的KOH回流流体一致进入到氢电极（4）和GSM“图框”（6）之间的空间中以及由位于暴露的GSM“图框”（6）表面和氢电极（4）之间的两个隔屏形成的间隙中。流体利用0.125”精密厚度的塑料衬垫3b，随后从间隙区域向双氢出口（9a和9b）转移。第三隔屏（7）位于氢电极（4）的背面，其上设有每12个开口形成的2排以连接12点分散的电源配置。由于每个流体通道各自的矩形环特征中的层流条件，背面隔屏（7）提供相对于位于电极正面的双隔屏（7）的大约1/8th的回流流体。
图1b为具有108平方英寸有效面积碱性电解槽结构氧半电池（2）的主视图。氧半电池板（2）设有相应的光滑表面用于为安装在配套的氧半电池（1）上的静态平面密封环形圈（11）提供密封面。板（1）和（2）具有高强度和由G-10的玻璃纤维材料制成。0.125”精密厚度塑料衬垫（3a）引导来自回流入口（8a）的KOH回流流体一致进入到氧电极（5）和GSM“图框”（6）之间的空间以及由位于暴露的GSM“图框”（6）表面和氧电极（5）之间的两个隔离网形成的间隙中。流体利用0.125”精密厚度的塑料衬垫（3a），随后从间隙区域向单氧出口（10）转移。第三隔屏（7）位于氧电极（5）的背面，以及具有每12个开口形成的2排，与那些氢半电池一样用以连接12点分散的电源。由于每个流体通道各自的矩形环特征的层流条件，背面隔屏（7）提供相对于位于电极正面的双隔屏（7）的大约1/8th的回流流体。
图1c所示为部分组装的电解电池的侧视图，显示图1a与图1b被相对的组装。电解电池的组装从氢半电池（1）和氧半电池(2)开始。环形密封垫（12）位于接触按钮（13）上，24个合成的组件被压入到紧密配合孔中均匀隔开氢半电池（1）和氧半电池（2）。公差为未压缩环形组件的安装自由高度使接触按钮（13）的外表面低于半电池的背面大约0.030”到0.045”之间。由于拧紧以进一步连接任意外接线凸耳和/或内连接插头使该间隙被占去，环形圈此时将被挤压到其预期的25%到30%的静态压缩量，因此密封使电池的压力达到200巴.其后，氢半电池为最后装配做准备。精密塑料垫片（3a）和（3b）如图所示。第一隔屏（7）的方位利用塑料隔件的凸起表面特征有效对准。6.00”X18.00”Ni-200的氢电极（4）和两个附加的隔屏同样放置在堆块中。用于密封防止电池组合泄露的主静态密封面环形圈（11）随后压入到环形槽中。GSM“图框”（6）再放置进入到氢半电池（1）的缓解结构(relief feature)中以完成氢半电池（1）的预装配。
剩下的氧半电池（2）的组件继续将两个隔屏（7）放置在GSM“图框”的顶部，沿一套四个精密塑料衬垫（3a）对准。6.00”X18.00”CRESSS-316L的氧电极（5）然后沿第三隔屏（7）放置在堆块上。氧半电池（2）随后与氢半电池（1）的配合部对中，为了下一个安装步骤两半部分集中在一起，并被临时夹紧。
氢阴极（4）由Ni-200CRES、具有0.38mm的线径30X30网丝的网制成，氧阳极（5）由SS-316L CRES、具有0.38mm的线径30X30网丝的网制成。这些电极网材料具有非常高的实际浸湿表面积（在大约2.828倍的投影表面“有效面积”）。类似于因特公司ON-3350型号的大约0.032英寸厚度聚丙烯双隔离网（7）的应用，借助于每个面板与其各电极之间的单隔屏（7），为建立所需的流环（WXH），和氢、氧电极（4和5）与气体隔离膜（GSM）“图框”（6）之间的路径长度（Lp)几何量提供所要求的特征，以及允许气泡从任意氢或氧电极表面的两侧产生。这些元件促进形成最理想的流动路径几何量，适于统一片状的“层流”体在电极表面与GSM“图框”（6）的隔离间隙中形成。较佳的GSM“图框”（6）是非常低成本的类似于Sefar Nitex3-1/1（699/470网丝；37线径；75μm厚度的聚酰胺）的微孔材料，可应对疏水性的浸湿化学表面活性剂，该活性剂利用杜邦公司的醋酸乙烯共聚物、乙烯-乙烯基-醋酸盐耐热薄板或具有大约1mm沉积厚度的类似材料被安装到“图框”（6）内。
大约四分之一等级的标准组合的测试结果表明优选的尺寸为108平方英寸的有效面积的电解电池的性能在2.18额定电压（大约68%热中性效率）的电池电势下工作时能达到306安培70华氏温度，或当相同电势电压下工作时能达到430安培130华氏温度.该结构在1.83额定电压（大约81%热中性效率）的电池电势下工作时也能达到92安培70华氏温度，或在相同电势电压下工作时能达到165.6安培130华氏温度.
层流强制回流装置提供低静压头输送泵（大约6.0流量6英尺.TDH或大约2.7磅/平方英寸），大约16瓦特下工作的12额定电压规格型号20R的仓底泵，通过仅使用“起泡”诱发流来增强低量被动“起泡”回流达到目前为止尽可能高的水平。利用该层流强制回流技术表明测试性能提高：比起施加电压在1.83额定电压下的被动“起泡”的可能的性能能够达到600%的更高流量，施加电压在1.90额定电压下能达到500%的更高流量，以及施加电压在2.18额定电压下能达到350%的更高流量。该非线性的工作特性的取得是利用电解电池自身消耗大约3.5%的功率。
图1c表示包含两个单层板的隔离板7的层叠，所述两个单层板分别靠近氢电极4和氧电极5的背面，紧挨各自的外玻璃纤维板1和2.夹层的GSM6可为每两个独立的单层网或隔离网7的独立双层网形成的两个隔离板。
图2描述组装的单电池结构的主视图，显示连接杆紧固件（15），单倍宽度加强条（16）和三倍宽度复合/加强条（17和18)。该组合具有双重功能：通过加固最外面的半电池块使内压力提升到200巴以及具有适用于外部高压管道系统的环形面密封结构和多种3/4-16SAE环形部，外部高压管道系统用于电解槽组件的其余部分。
图3所示为具有组装的电解电池复合/加强条（16、17和18)的侧视图。条（17）位于图2所示在电池氢侧的两个位置，而条（18）位于电池的氧侧。
因此，附加特征包括在变化输出压力达到200巴（大约3000表压力）下工作的性能以及具有铝重钢的强度的加固板（16、17和18）。为了保持面板的变形量在最大工作压力200巴时处于或低于0.003英寸，多个独立M形单宽度陶瓷加固板（16）和三倍宽度复合加固板（17和18）用于从拉杆组合的上到下桥接电池的各面板。这些加固元件允许每个电池在200巴下工作最低增重24#。
图4阐述了通过用延长连接杆（19）替换单个连接杆（15）而连接六个或更多电池形成一个较大模块。各电池之间的连接通过每12个对应连接蕉形插座连接器组合的螺管（21）的安装完成。
最后，电池容易插入到一起形成多电池堆块（图4）。产生多个用于外部电线的平行导电供应路径（12、13和14），以及用于电池到电池的连接(20和21)。因此，金属电线的损耗从电源到电池以及最小化串联互相连接点之间。该结构包含12条平行导电路径，减少各电池之间的接触电压压降损耗以及保持总电阻损耗低于1%。12条独立导电路径的应用，电流通过任一独立导电元件保持在低于21安培/元件，以及当在标准施加电压1.95额定电压每电池（或78%热中性效率）和250安培电流平均温度大约130华氏温度的工作条件下，能够产生额定4.00标准立方英尺/小时的氢和2.00标准立方英尺/小时的氧。
利用单电池108平方英寸有效面积平板结构能够提供H2和O2的输送压力达到200巴,提供一种能串联成6个或更多电池的模块（图4）的“构造块”电池结构。由于网材料具有非常大的浸湿表面积，实际有效面积大于投影表面积2.828倍，产生的实际有效面积大约为2000cm2。因此，实际电流密度是250安培/2000cm2，或0.125安培/cm2，在达到50%的电极腐蚀点的之前连续不断地工作24/7的耐久寿命大约为11.2年，或在50%工作周期比下运行可有大于22.5年的寿命。举例说明，在40%的KOH溶液中，大约0.35安培/cm2、2.828倍表面积倍数的表观电流密度下，具有0.381mm线径尺寸的30X30网丝Ni-200金属丝网电极，或大约0.125安培/cm2的实际电流密度和130华氏温度的工作温度中，用于氢阴极（1）的Ni-200电极的腐蚀率小于0.017mm/年。氧阳极（2）腐蚀率大约小于氢阴极的10倍，极少受到腐蚀作用的影响。
GSM“图框”（6）位于氢阴极（1）和氧阳极（2）之间，促进减少离子交换以及用于避免任何H2和O2气泡从一个电解区域穿越到另一个。从最初的成核到提离直径的过程中，沿各金属线网电极（4和5）的所有浸湿电线表面，产生大约0.012mm直径的H2气泡的虚拟“云”，从焊丝表面以大约1mm/秒的自由流速靠近电极表面流动。这些气泡可在10mm/秒的自由流速下尺寸长大到10倍。在大约10cm/秒时，随着它们过渡边界层进入强制回流流动通道的完全发展流态。斯托克斯定律中速度根据气泡的尺寸得到：
平均速度=直径2Xg,万有引力常数/（12X运动粘度）
Sefar Nitex3-1/1的孔径大小是1μm或大约小于初始条件12倍。当压力增加到200巴时，H2和O2气泡的密度成比例增加，迫使较大气泡体提供必需的初始提升力以克服表面张力效应，或大约气泡尺寸的6倍大。因此明显地，当工作压力增加时，H2和O2气泡在工作压力200巴时的穿越不太可能。
图5提供0.28倍等级的单电池电解槽结构的检测数据。检测数据概括了正常模式（没有强制回流）和强制模式（有强制回流），利用能耗大约16瓦特的12额定电压回流泵和显示了与使用被动“起泡”回流相比的提升了大约500%的性能。
图6提供没有强制循环的标准54平方英寸电解电池的测试结果，显示与应用电压相对的总效率和在工作温度下效率的变化。可伸缩性的取得与电解槽的有效面积的尺寸成正比；有效面积增加2倍导致在相同应用电压下可达到电流增加2倍。氢产量在每63.2安培的电流（法拉第定律）1标准立方英尺每小时的比例产生，氧产量是氢产量的50%。
图7说明电解电池组件在大约130华氏温度工作下的耐久寿命。图表表示耐久寿命在腐蚀损坏电极量达到大约50%之前将有至少11.2年（或大约22.5年在50%的工作周期下运行），或对30网丝0.382mm线径尺寸的电极网材料以0.017mm/年的损耗。
连同组装电池所用材料的选择，本结构在此揭示能大大降低每公斤氢气制造的成本。本电池结构适用于利用形成比实际物理表面积高的多的表面电极表面积（2.828倍）达到高效率。气泡在强制回流下从表面成核站更快移动，大大减少用于电解过程的遮蔽效应，从而利用明显较小的电极区域能产生大量气体。成本的节省与电解槽的尺寸成正比。通过低有效电流密度和工作温度能实现进一步节约，由于减少腐蚀作用电势，使耐久寿命在24/7工作时延长到11.2年。此外，为了适用由例如那些住宅供应的单相交流电路驱动的COTS低电压电源供应，可串联2个或更多电池（较佳的为6个）（图4）。组装成更大串/平行列也可以并且能够容纳各种多相高电压/高电流电源，例如那些在工业或公共设施中应用的。最终，能在200巴高压下工作的性能清除对外部气体压缩机的需求。
本设计防止产生的气体穿越到GSM。电池的有效面积完全在电解液的液面下，气体的核泡从各电极表面分离，快速上升（10cm/秒以上的速度）到在分离媒介的任意一边的收集歧管部（17和18）。GSM采用杜邦公司的醋酸乙烯共聚物、乙烯-乙烯基-醋酸盐具有大约1mm沉积厚度的耐热薄板的“图框”（6），来完全封闭所有暴露在电极组合表面积外的GSM表面面积，具有加固GSM的附加优点。完成的冲孔尺寸标注确保与位于每半个电解电池的各缓解结构（relief features）的紧密配合。
成核、分离以及气泡传输（来自作用在各气泡上的浮力）的过程导致KOH电解液的渗透阻碍，产生低水平的被动回流。这个过程通过使用强制回流泵大大促进产生在高电流密度的实际电池电阻500%的净减少，由于强制电解流的洗涤作用从电极上撞下气泡。分散气流被导入到单电池半块（1和2）通过浸没线进入到各氢气和氧气分离器组件中。气体除去KOH，剩余气体（H2在O2流中的百分比或O2在H2流中的百分比）的分离以及水分离/返回的进一步条件是初级分离器的下游，再汇入到系统中，正如所预期那样的最终达到所需纯度的等级。
低成本/长寿命（抗腐蚀）材料用于针对各电极（4和5）、电池半块（1和2）以及隔屏（7）的最小化成分组件的成本。当考虑使用相对于背景技术使用大约$1.00/cm2的PEM薄膜的Sefar Nitex3-1/1或大约1￠/cm2的类似材料时尤其准确。六个电池（图4）的总预计成本，包括装配工时，外部设备的结算和相关双12额定电压、250安培能源供应，大约低于$4,500。制造成本预算，基于90%的克劳佛学习曲线，假设$6,000（包括33%的生产利润）的初级单位成本产生前10为$4,800/单元的累积平均成本，前100单元为$3,500/单元，前1000单元为$2,500/单元以及前500,000单元为大约$1,000。（DOE使用500,000单元的一部分作为成本预算基础为了迎合当前在2012年达到$2.50/kg的制氢目标）。
在20年（当在50%工作周期下工作时）的最少电极寿命，以及利用大约1.5￠/千瓦时夜间动力成本的过程中，6电池堆块将产生24标准立方英尺/小时X12小时/日X365日/年X20年，或大约2.10X106SCF的H2，或大约5,155公斤。因此，资本成本总计为大约$0.194/kg以及电能消耗成本将为$0.015/千瓦时X3千瓦时/小时X12小时X365日/年X20年,或$3,942/5,155kg或$0.764/kg,或大约$0.96/kg的净成本.该价值低于DOE的2012年制氢目标的2.6倍，这表明甚至在电解堆的资本成本基础上的双倍将仅增加额外$0.194/kg或大约$1.15/kg的净成本。同样再生能源（例如4.5￠/千瓦时）的使用来替换低成本1.5￠/千瓦时夜间电力的使用，将可达到DOE的2012年制氢量低于$2.50/kg的目标。

Claims (3)

1.一种电解装置，其包括：
氢半电池；
氧半电池；
GSM（气体隔离膜）；
两个内部氢半电池隔屏；
外部氢半电池隔屏；
氢电极；
两个内部氧半电池隔屏；
外部氧半电池隔屏；和
氧电极；
其中所述氢半电池包括位于所述两个内部氢半电池隔屏与所述外部氢半电池隔屏之间的所述氢电极，
其中所述氧半电池包括位于所述两个内部氧半电池隔屏与所述外部氧半电池隔屏之间的所述氧电极，
其中所述GSM设置在所述氢半电池的所述两个内部氢半电池隔屏与所述氧半电池的所述两个内部氧半电池隔屏之间以形成所述电解装置。
2.根据权利要求1所述的电解装置，其特征在于所述GSM由具有1μm孔径大小的微孔材料制成。
3.根据权利要求2所述的电解装置，其特征在于所述GSM由SefarNitex制成.
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