CN104641020B - 外部加固的水电解槽模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于电解槽模块的具有外部加固装置的结构板。所述结构板界定至少一个脱气腔室和半电池腔室开口。所述外部加固装置接触所述结构板以减轻所述结构板随所述结构板内的流体压力而导致的向外位移。所述结构板和所述外部加固装置界定用于实现接触和相应机械加固的互锁特征。

Description

外部加固的水电解槽模块
技术领域
本发明涉及用于在高压下生产氢气和氧气的水电解槽的设计，且更确切地说，涉及具有在高压下操作的增强能力的碱性和聚合物电解膜(PEM)类型电解槽堆和电解槽模块以及其对应的组件。
背景技术
电解槽使用电来通过电化学反应(即，在与电解液接触的电极处发生的反应)将反应物化学品转变成所希望的产物化学品。氢气是在化学工艺中的使用，且还潜在地在氢汽车以及通过氢气燃料电池发动机或氢气内燃机(或同样部分通过电池供电的混合动力氢汽车)供电的设备中的使用需求不断增加的产物化学品。利用水和电产生氢和氧的水电解槽是用于产生气态氢作为主要产物的最常见类型的电解槽。最常见类型的商业水电解槽是碱性水电解槽(AWE)和聚合物电解膜(PEM)水电解槽。
如本文中所用的术语“半电池”、“半电解电池”以及其等效变体是指包括一个电极及其相应半电池腔室以提供用于气液(或气体)流出半电池的空间的结构。术语“阴极半电池”是指含有阴极的半电池，且术语“阳极半电池”指代含有阳极的半电池。
如本文中所用的术语“电池”、“电解电池”以及其等效变体是指包括阴极半电池和阳极半电池的结构。电池还包含分离隔膜(下文称为“隔膜”)，该分离隔膜通常位于阴极与阳极之间并且紧密接近阴极和阳极、接触阴极和阳极或与阴极和阳极成一体。隔膜的功能性是使产生的氢气和氧气保持分离且具有高纯度，同时允许阳极与阴极之间的离子电传导。隔膜因此界定每一半电池的一侧。每一半电池的另一侧由电子导电的固体板界定，该固体板通常由金属、碳、碳聚合物复合材料或其组合组成并且通常称为双极板。双极板的功能性是使邻近电池的邻近半电池腔室中的流体保持分离，同时在邻近电池之间电子地传导电流。每一半电池腔室还含有一般称为集电器或电流载体的电子传导组件，以在电极与双极板之间使电流传导通过半电池腔室。
如本文中所用的术语“电池堆”、“电解槽堆”、“堆”或其等效变体是指用于包括多个电池的实用(商用)水电解槽的结构，其中电池通常串联电连接(尽管使用并联连接和/或串联连接的电池的设计也是已知的)，而双极板物理地分离但在邻近电池之间提供电连通。在头端流动通路(顶部流歧管)中从个别半电池中收集气液(即，氢气液体和氧气液体)混合物，该头端流动通路沿着堆在电池上方纵向延伸。头端流动通路与对应的气液排放通路流体联通，该气液排放通路延伸穿过电解槽堆并且与外部管路或管道流体连通，该外部管路或管道进而与外部气液分离容器流体连通。在外部气液分离容器中执行的操作包含气液分离以及任选地给水添加和液体混合。经脱气液体通过外部管路或管道返回到电池堆，该外部管路或管道与延伸穿过电解槽堆的对应经脱气液体返回通路流体连通。经脱气液体通过尾端流动通路(底部流歧管)分布到个别半电池，尾端流动通路沿着堆在电池下方纵向延伸。在一些聚合物电解膜(PEM)电解槽堆中，对氢气一侧进行操作而无需循环液体，在此情况下氢气一侧头端流动通路和排放通路将携载氢气，并且在此情况下在氢气一侧上将不需要气液分离回路。
如本文中所用的术语“电解槽模块”是指电解槽堆和气液分离空间在同一结构中的组合，该结构通常是压滤机类型的。此外，如本文中所用的术语“电解槽模块”可以指碱性电解槽模块或聚合物电解膜(PEM)电解槽模块。我们先前在US 8,308,917中公开了用于碱性电解槽模块的设计以及在US 2011/0042228中公开了用于聚合物电解膜(PEM)电解槽模块的设计，这两者以引用的方式并入本文中。
如本文中所用的术语“结构板”是指具有在相对端面之间延伸的侧壁的主体，半电池腔室开口以及在电解槽模块的情况下另外至少一个脱气腔室开口在相对端面之间延伸穿过结构板。电解槽堆或电解槽模块通常使用一系列结构板来构造以交替地界定阴极和阳极半电池腔室、流体流动通路、以及在电解槽模块的情况下至少一个脱气腔室、以及在一个或多个脱气腔室与相应半电池腔室之间延伸的对应气液流动通路和对应经脱气液体流动通路。结构板在相对的末端压力板之间布置成面对面并置，任选地有至少一个中间压力板沿着电解槽堆或电解槽模块的长度间置在结构板之间以形成压滤机类型的结构。末端压力板和中间压力板可以由例如钢、不锈钢、镀镍钢、镀镍不锈钢、镍和镍合金中的一个或多个制成。结构板还将功能组件固持于其适合的空间位置和布置中，该功能组件可包含例如阴极、阳极、分离隔膜、集电器和双极板。
结构板由合适的电绝缘塑料或纤维增强塑料制成，该塑料对电解液(例如，在碱性电解槽模块的情况下，在高温下25％至35％的KOH水溶液)或水(在聚合物电解膜(PEM)电解槽模块的情况下)和气体(例如，氧气、氢气、氮气)为惰性的。合适的塑料的实例包含聚甲醛(POM)、聚丙烯、聚苯醚(PPO)、聚苯硫醚(PPS)以及其类似者，且具体来说包含聚砜。结构板的制造方法例如机械加工，更为优选的，注射模法，有时使用一些后加工。因此，该板重量轻、不导电，耐操作环境，并且可适用于简单且相对低成本的制造。
通常预期的电解槽模块和电解槽堆的操作压力取决于应用要求处于大气压力与30巴之间，且更通常达至10巴。例如，在17巴至30巴的范围内的较高压力操作是有利的，因为其实现了常用气体存储容器的直接填充或当填充较高压力存储装置时机械压缩级数目的减少。早期的电解槽堆设计利用钢结构板，该钢结构板实现在高压(例如，30巴)下的操作，但也呈现出其它挑战，例如，非常重、需要电绝缘以及腐蚀的可能性。对于利用由塑料制成的结构板的现代“先进”电解池堆和电解槽模块设计，较高压力操作呈现出关于结构板的机械完整性的挑战，特别是在长时间以及对于大型电解槽模块和电解槽堆。例如压力容器或完全围绕电解槽堆的承载加固支撑件等压力控制装置在本领域中是已知的(例如，US 6,153,083、US 7,314,539)，但优选地避免使用以便维护固有的设计简单性、实施的简易性、紧凑性、轻质以及低资金成本。结构板可以制成明显更大规模的，但是这种方法由于相应地明显增加成本、尺寸、重量和注射模法的难度，因此是不切实际的并且还优选地要避免。如果可以简单地实施加固每一结构板的方法，而不会对组装的简易性、紧凑性、重量和成本产生明显不良影响，那么该方法可以是优选的。
US 7,332,063公开了一种加固电解槽堆中的个别结构板的方法，其中每一结构板通过周围的外部卷绕玻璃纤维增强在外部得到支撑，以便承受更高的操作压力。在结构板的外围周围施加紧密配合的外部支撑的方法最适合于圆形形状，例如在US7,332,063中预期的圆形形状。然而，对于具有复杂的不规则形状的较大结构板，这种类型的外部支撑不太有效并且安装起来更困难且更昂贵。
因此，需要一种简单、容易实施、节省成本的方法来加固用于电解槽模块和电解槽堆的结构板，尤其是用于大型电解槽模块和电解槽堆的结构板，以便使该电解槽模块和电解槽堆能够在较高压力下操作。
发明内容
一种电解槽模块，其包括多个结构板，所述结构板各自具有在相对端面之间延伸的侧壁，半电池腔室开口和至少两个脱气腔室开口在所述相对端面之间延伸通过所述结构板。所述结构板在相对的末端压力板之间布置成面对面并置。每一所述半电池腔室开口至少部分地容纳电解的半电池组件，所述半电池组件至少包括电极、与所述电极电连通的双极板以及与所述电极连通以提供离子传导的隔膜。所述结构板和所述半电池组件界定由至少一个所述脱气腔室覆盖在顶上的串联连接的电解电池阵列。至少当面对面并置时，所述结构板界定用于所述电解槽模块内的流体流动的通路。所述电解槽模块进一步包括至少一个外部加固装置，所述外部加固装置接触所述结构板中的至少一些以减轻所述结构板的向外位移。所述结构板中的所述至少一些进一步界定用于接触的装置，其用于实现与所述至少一个外部加固装置接触。
一种用于电解槽模块的结构板，其具有在相对端面之间延伸的侧壁，半电池腔室开口和至少两个脱气腔室开口在所述相对端面之间延伸穿过所述结构板。至少当与另一所述结构板、末端压力板和中间压力板面对面并置时，所述结构板界定用于所述电解槽模块内的流体流动的通路。所述结构板进一步界定用于接触的装置，其用于实现与一个或多个外部加固装置接触。
一种电解槽堆，其包括多个结构板，所述结构板各自具有在相对端面之间延伸的侧壁，半电池腔室开口、至少两个头端流动通路开口以及至少一个尾端流动通路开口在所述相对端面之间延伸穿过所述结构板。所述结构板在相对的末端压力板之间布置成面对面并置。每一所述半电池腔室开口至少部分地容纳电解的半电池组件，所述半电池组件至少包括电极、与所述电极电连通的双极板以及与所述电极连通以提供离子传导的隔膜。所述结构板和所述半电池组件界定串联连接的电解电池阵列。至少当面对面并置时，所述结构板界定用于所述电解槽堆内的流体流动的通路。所述电解槽堆进一步包括一个或多个外部加固装置，所述外部加固装置接触所述结构板中的至少一些以减轻所述结构板的向外位移。所述结构板中的所述至少一些进一步界定用于接触的装置，其用于实现与所述一个或多个外部加固装置接触。
附图说明
下文参考附图说明描述本发明的优选实施例，其中：
图1是根据本发明的碱性电解槽模块的大约一半的分解图；
图2是根据本发明的聚合物电解膜(PEM)电解槽模块的大约一半的分解图；
图3是示出根据本发明的与外部加固装置一起使用的结构板的实施例的正面以及给水添加特征的优选实施例的正面的前视图；
图4是示出根据本发明的结构板和外部加固装置的实施例的正面的前视图；
图5是示出根据本发明的用于电解槽模块的结构板、末端压力板和外部加固装置的实施例的正面的等轴侧视图；
图6是示出根据现有设计的无外部加固装置的用于电解槽模块的结构板的实施例的正面的前视图；以及，
图7是根据本发明的阴极排液管的实施例的分解图，其示出一系列三个邻近结构板中的阴极排液管特征。
具体实施方式
在本发明中，与结构板中的至少一些接触的一个或多个外部加固装置用以提高电解槽堆或电解槽模块的内部流体压力固持能力，而同时使得能够降低塑料材料要求且改进抗蠕变性和结构板使用寿命。外部加固装置比结构板的塑料材料或纤维增强塑料材料具有明显更好的机械特性(例如，明显更高的强度和弹性模数)，且优选地易于安装、易于获得且成本低廉。外部加固装置与结构板中的每一个之间的接触优选地通过接触装置来实现，该接触装置由结构板的外围边缘上以及外部加固装置上界定的互锁特征组成。
根据本发明的方面的碱性电解槽模块在图1中一般以100示出。图1仅出于说明性目的示出具有4个电池的碱性电解槽模块的大约一半；电解槽模块的另一半将为镜像(在特征12的两侧上，在这种情况下该特征表示电解槽模块的中点)。在实际上，通常将并入有更大数目的电池。碱性电解槽模块100包含结构板10、末端压力板11、阳极13、阴极14、隔膜15、电流载体16、双极板17以及任选地沿着电解槽模块的长度间置在结构板之间的一个或多个中间压力板12。结构板10、末端压力板11和中间压力板12至少包括具有在相对端面之间延伸的侧壁的主体。存在两种主要类型的结构板10：阴极结构板10a和阳极结构板10b。另外，特定结构板10c和10d可以任选地分别在一个或多个任选的中间压力板12的两侧上使用并且还任选地邻近于末端压力板11中的任一个或两个，以(例如)有助于容纳冷却导管(例如，冷却管或冷却盘管)。(如本文中所用的术语“板”是指结构板、特定结构板、末端压力板以及中间压力板。)此外还理解包含合适的密封件(例如，O型环垫圈，其未示出)。结构板10a和10b以及特定结构板10c和10d中的至少一些还可以与至少一个外部加固装置接触。尽管图1中为更清楚示出电解槽模块组合件而未明确示出外部加固装置，但是它们在其它图式中示出，并且图1中示出了尤其优选实施例的关键元件，即：i)结构板中的接触装置50，其用于实现与外部加固装置的多方向接触；以及，ⅱ)中间压力板和末端压力板中的支撑装置70，其用于支撑以及对准外部加固装置。并非所有结构板都可能必定需要外部加固；例如，如果尤其在中压下使用特定结构板，那么该结构板可以不需要外部加固装置，因为该结构板不具有流体流动通路(即，它们容纳更多材料)，并且该结构板在某种程度上通过邻近末端压力板11或中间压力板12内在地加固。因此，该结构板中的一些，例如，一个或多个特定结构板可经制造而不具有接触装置50并且在不具有外部加固装置的情况下使用。此外，邻近于末端压力板或中间压力板的结构板可以通过将该结构板嵌入到邻近末端压力板或中间压力板中而直接进行机械加固。然而，不将外部加固装置与某些结构板一起利用基本无益，因为外部加固装置当与其它结构板一起使用时容易使用，并且外部加固装置的使用还有助于将相关结构板与电解槽模块组合件的其余部分对准。
碱性电解槽模块100因此包括多个电解电池18和相关联的脱气腔室19。电解电池18优选地位于电解槽模块100的底部部分处，并且相关联的脱气腔室19优选地位于电解槽模块100的顶部部分处，覆盖在电解电池18顶上。电解电池包括由两个邻近结构板界定的阴极半电池腔室20a和阳极半电池腔室20b、以及阴极14、阳极13、隔膜15以及集电器16。根据半电池腔室20a和/或20b可以使用一个以上集电器16。双极板17物理地分离并且在邻近电池之间提供电连通。隔膜与电极中的每一个连通以提供离子传导。末端压力板11和中间压力板12任选地分别包含适当地涂覆或镀覆的导电区域或分离部分48和49，以促进电流流过末端压力板和中间压力板对应于活化电池区域的部分。末端压力板11和中间压力板12可以由例如钢、不锈钢、镀镍钢、镀镍不锈钢、镍和镍合金中的一个或多个制成，或由其它镀覆的、涂覆的或未镀覆的、未涂覆的金属(术语“金属”将理解为包含金属和金属合金)制成。
如图1所示，每一阴极半电池腔室20a通过气液流动通路21a和经脱气液体流动通路22a与氢气脱气腔室19a直接流体连通。类似地，每一阳极半电池腔室20b通过气液流动通路21b和经脱气液体流动通路22b与氧气脱气腔室19b直接流体连通。分离的氢气通过一直径向延伸到氢气脱气腔室的氢气排放通路25离开；分离的氧气通过一直径向延伸到氧气脱气腔室的分离的氧气排放通路26离开。气体排放通路25和26通常包含在中间压力板12中，或末端压力板11中的一个或两个中。给水通过给水通路(未示出)引入至氢气脱气腔室19a和氧气脱气腔室19b中的一个或两个，该给水通路还通常位于一个或多个中间压力板12中或末端压力板11中的一个或两个中。电流通过,如直流(DC)电源,供应到电解槽模块100的电池部分，最常见地通过正极和负极电连接到末端压力板11以及任选地通过非载流电接地连接到在电解槽模块100中点处的中间压力板12。用于氢气一侧(阴极排液管)和氧气一侧(阳极排液管)中的每一个的分离的排液管47a和47b分别位于中间压力板12和末端压力板11中的一个或多个的底部处。排液管通过下文中描述的结构板中的一系列排液导管或与阴极半电池腔室和氢气脱气腔室或与阳极半电池腔室和氧气脱气腔室流体连通。出于例如长期关闭、维护、运输、采样等目的，或出于例如移除渗流以保持电解槽模块中的液体(电解液)的纯度的目的，排液管从电解槽模块中排出液体(电解液)。排液管包括两个分离排液管：用于电解槽模块的阴极(氢气)部分的阴极排液管以及用于电解槽模块的阳极(氧气)部分的阳极排液管。任选地，(如果需要/视需要)可以通过排液管47a和47b中的一个或两个从碱性水电解槽模块100内间歇地或不断地获取液体(电解液)的渗流，并且用新的液体(电解液)替换，以便帮助保持液体的可接受纯度。
在排液管的第一实施例中，阴极排液管和阳极排液管中的每一个包括多个连接排液通路，该连接排液通路将阴极半电池腔室中的每一个或阳极半电池腔室中的每一个的底部部分连接到一个或多个排液歧管。应注意，通过从半电池腔室排液，相应脱气腔室也进行排液，因为该对应脱气腔室通过经脱气液体通路和气液通路与该半电池腔室流体连通。阴极排液管和阳极排液管可以(但不一定)相似。此处将出于说明性目的描述阴极排液管。阴极排液通路包括具有相对小横截面积的长通路，其将阴极半电池腔室的底部部分与一个或多个阴极排液歧管连接。阴极排液歧管位于阴极半电池腔室下方以便排液可通过重力高差而实现，且沿着电解槽模块的长度延伸至少一段距离。用于阴极半电池的排液通路的长度可通过使用被包括在一个以上结构板中的路径来延伸。在当前实施例中，排液通路在阴极半电池腔室的底部部分附近是内部通路，其接着变为沿一长的向下路径而行的表面通路以便使操作期间的杂散电流可忽略。通路接着行进通过邻近阳极板中的一个到达下一阴极板，在该处其在接合阴极排液歧管中的一个之前，再次变为具有长路径的表面通路。可使用一个以上阴极排液歧管以便进一步限制杂散电流。该一个或多个阴极排液歧管连接到排液点。排液点包括具有阀的排液口，其位于中间压力板中的一个或末端压力板中的一个的底部部分中。电解槽模块中可以存在一个以上排液点。
在第二实施例中，阴极排液管和阳极排液管中的每一个还包括用于每一半电池的排液通道。优选地，对于阴极排液管和阳极排液管两者使用类似方法。此处将出于说明性目的描述阴极排液管。图7中示出阴极排液管的主要特征，其示出电解槽模块中的一系列三个邻近结构板(两个阴极结构板和一个阳极结构板)。用于每一阴极半电池的阴极排液通路80的开始点位于经脱气液体通路22a中，在其到阴极半电池腔室开口20a的连接点附近。(在替代配置(未示出)中，阴极排液通路80直接连接于阴极半电池腔室开口20a的底部处或附近。)因此，阴极排液通路80的开始点位于阴极半电池腔室下方。阴极排液通路80初始为内部通路，穿过阴极结构板10a的厚度到达邻近阳极结构板10b的相对面，在该处其变为产生长路径的表面通路以便使操作期间的杂散电流可忽略。由阳极结构板10b的面中的表面通路界定的区域的外围被密封，优选地通过安放于固持特征(未示出)中的O形环(未示出)密封。阴极排液通路80接着再次变为内部通路，穿过阳极结构板10b的厚度到达邻近阴极结构板10a中的经脱气液体通路22a。接着重复此多结构板配置，直到到达排液点为止。排液点包括具有连接到阀的内部通道的排液口，其位于中间压力板12中的一个或末端压力板11中的一个的底部部分中。电解槽模块中可以存在一个以上排液点。第二实施例的优点在于，不存在扩大结构板的底部部分的要求。
根据本发明的方面的聚合物电解膜(PEM)电解槽模块在图2中一般以200示出。图2仅出于说明性目的示出具有4个电池的电解槽模块的大约一半；电解槽模块的另一半将为镜像(在特征12的任一侧上，在这种情况下该特征表示电解槽模块的中点)。在实际上，通常将并入有更大数目的电池。聚合物电解膜(PEM)电解槽模块200包含结构板10、末端压力板11、隔膜电极组合件(MEA)33、任选地电极背层33a和33b、电流载体34、双极板35以及任选地一个或多个中间压力板12。结构板10、末端压力板11和中间压力板12至少包括具有在相对端面之间延伸的侧壁的主体。典型隔膜电极组合件(MEA)由隔膜和涂覆到隔膜的相对面上的电极构成；该电极为涂覆到隔膜的一个面上的阴极以及涂覆到隔膜的相对面上的阳极。因此，隔膜与两个电极中每一个连通以提供离子传导。在一些实施例中，电极背层33a和33b也可以并入到隔膜电极组合件(MEA)33中。在图2所示的实施例中，存在两种主要类型的结构板10：阴极结构板10a和阳极结构板10b。另外，特定结构板10c和10d可以任选地分别位于邻近于任选的中间压力板12和末端压力板11，以(例如)有助于容纳冷却导管(例如，冷却管或冷却盘管)。此外还理解包含合适的密封件(例如，O型环垫圈，其未示出)。结构板10以及特定结构板10c和10d中的至少一些可以与至少一个外部加固装置接触。尽管图2中为更清楚示出电解槽模块组合件而未示出外部加固装置，但是图2中示出了尤其优选实施例的关键元件，即，结构板中的接触装置50，其用于实现与外部加固装置的多方向接触；以及中间压力板和末端压力板中的支撑装置70，其用于支撑以及对准外部加固装置。并非所有结构板都可能必定需要外部加固；例如，如果尤其在中压下使用特定结构板，那么该结构板可以不需要外部加固装置，因为该结构板不具有流体流动通路(即，它们容纳更多材料)，并且该结构板在某种程度上通过邻近末端压力板11或中间压力板12内在地加固。因此，该结构板中的一些，例如，一个或多个特定结构板可制造成不具有接触装置50并且在不具有外部加固装置的情况下使用。此外，邻近于末端压力板或中间压力板的结构板可以通过将该结构板嵌入到邻近末端压力板或中间压力板中而直接进行机械加固。然而，不将外部加固装置与某些结构板一起利用基本无益，因为外部加固装置当与其它结构板一起使用时容易使用，并且外部加固装置的使用还有助于将相关结构板与电解槽模块组合件的其余部分对准。
聚合物电解膜(PEM)电解槽模块200因此包括多个电解电池和相关联的氢气脱气腔室19a以及氧气脱气腔室19b。聚合物电解膜(PEM)电解电池38优选地位于电解槽模块200的底部部分处，并且相关联的脱气腔室19a和19b优选地位于电解槽模块200的顶部部分处，覆盖在聚合物电解膜(PEM)电解电池38顶上。电解电池包括由两个邻近结构板界定的阴极半电池腔室20a和阳极半电池腔室20b，以及隔膜电极组合件(MEA)33、任选地电极背层33a和33b以及集电器34。双极板35物理地分离并且提供邻近电池之间的电连通。末端压力板11和中间压力板12任选地分别包含适当地涂覆或镀覆的导电区域或分离部分48和49，以促进电流流过末端压力板和中间压力板对应于活化电池区域的部分。末端压力板11和中间压力板12可以由例如钢、不锈钢、镀覆或涂覆钢、镀覆或涂覆不锈钢中的一个或多个制成，或由其它镀覆的、涂覆的或未镀覆的、未涂覆的金属(术语“金属”将理解为包含金属和金属合金)制成。
如图2所示，每一阴极半电池腔室20a通过气液流动通路21a和经脱气液体流动通路22a与氢气脱气腔室19a直接流体连通。类似地，每一阳极半电池腔室20b通过气液流动通路21b和经脱气液体流动通路22b与氧气脱气腔室19b直接流体连通。分离的氢气通过一直径向延伸到氢气脱气腔室的氢气排放通路25离开；分离的氧气通过一直径向延伸到氧气脱气腔室的分离的氧气排放通路26离开。气体排放通路25和26通常包含在中间压力板12中，或末端压力板11中的一个或两个中。给水通过给水通路(未示出)被引入到氢气脱气腔室19a和氧气脱气腔室19b中的一个或两个中，该给水通路还通常位于中间压力板12中或末端压力板11中的一个或两个中。电流通过，如直流(DC)电源，供应到电解槽模块200的电池部分，最常见地通过正性和负性电连接到末端压力板11以及任选地通过非载流电接地连接到在电解槽模块200中点处的中间压力板12。用于氢气一侧(阴极)和氧气一侧(阳极)中的每一个的分离排液管47a和47b分别位于中间压力板12和末端压力板11中的一个或多个的底部处。排液管通过下文中描述的结构板中的对应系列排液导管或与阴极半电池腔室和氢气脱气腔室或与阳极半电池腔室和氧气脱气腔室流体连通。出于(例如)长期关闭、维护、运输、采样等目的，排液管从聚合物电解膜(PEM)水电解槽模块中排出液体(水)。任选地，(如果需要/视需要)可以通过排液管47a和47b中的一个或两个从聚合物电解膜(PEM)水电解槽模块200内间歇地或不断地获取相对不纯液体(水)的渗流，并且用相对纯的液体(给水)替换，以便帮助保持液体(水)的可接受纯度。或者，可以使用闭环液体净化和回收方法；例如，(如果需要/视需要)可以通过排液管47a和47b中的一个或两个从聚合物电解膜(PEM)水电解槽200内间歇地或不断地获取相对不纯液体(水)流，通过例如离子交换装置和/或本领域中已知的其它装置等净水装置净化该液体(水)流，并且(例如)连同新的给水或替换新的给水将该液体(水)流重新引入聚合物电解膜(PEM)水电解槽200内。该净水装置可以用于净化给水。
在排液管的第一实施例中，阴极排液管和阳极排液管中的每一个包括多个连接排液通路，该连接排液通路将阴极半电池腔室中的每一个或阳极半电池腔室中的每一个的底部部分连接到一个或多个排液歧管。应注意，通过从半电池腔室排液，相应脱气腔室也进行排液，因为该对应脱气腔室通过经脱气液体通路和气液通路与该半电池腔室流体连通。阴极排液管和阳极排液管可以(但不一定)相似。此处将出于说明性目的描述阴极排液管。阴极排液通路包括在阴极半电池腔室的底部部分与一个或多个阴极排液歧管之间的通路。阴极排液歧管位于阴极半电池腔室下方以便排液可通过重力高差而实现，且沿着电解槽模块的长度延伸至少一段距离。在当前实施例中，排液通路在阴极半电池腔室的底部部分附近是内部通路，其接着变为表面通路。通路接着延伸穿过邻近阳极板中的一个到达下一阴极板，在该处其在接合阴极排液歧管中的一个之前再次变为表面通路。可以使用一个以上阴极排液歧管。该一个或多个阴极排液歧管连接到排液点。排液点包括具有阀的排液口，其位于中间压力板中的一个或末端压力板中的一个的底部部分中。电解槽模块中可以存在一个以上排液点。
在第二实施例中，阴极排液管和阳极排液管中的每一个还包括用于每一半电池的排液通道。优选地，对于阴极排液管和阳极排液管两者使用类似方法。此处将出于说明性目的描述阴极排液管。图7中示出阴极排液管的主要特征，其示出电解槽模块中的一系列三个邻近结构板(两个阴极结构板和一个阳极结构板)。用于每一阴极半电池的阴极排液通路80的开始点位于经脱气液体通路22a中，在其到阴极半电池腔室开口20a的连接点附近。(在替代配置(未示出)中，阴极排液通路80直接连接于阴极半电池腔室开口20a的底部处或附近。)因此，阴极排液通路80的开始点位于阴极半电池腔室下方。阴极排液通路80初始为内部通路，穿过阴极结构板10a的厚度到达邻近阳极结构板10b的相对面，在该处其变为表面通路。由阳极结构板10b的面中的表面通路界定的区域的外围被密封，优选地通过安放于固持特征(未示出)中的O形环(未示出)密封。阴极排液通路80接着再次变为内部通路，穿过阳极结构板10b的厚度到达邻近阴极结构板10a中的经脱气液体通路22a。接着重复此多结构板配置，直到到达排液点为止。排液点包括具有连接到阀的内部通道的排液口，其位于中间压力板12中的一个或末端压力板11中的一个的底部部分中。电解槽模块中可以存在一个以上排液点。第二实施例的优点在于，不存在扩大结构板的底部部分的要求。
如果电解槽模块100或200用实质上相同的氧气一侧和氢气一侧压力进行操作，那么脱气腔室19a和19b的底部部分可以例如通过一个或多个液体连通通路流体(仅仅液体)连通。液体连通通路的优选实施例的实例为：包含在中间压力板12、末端压力板11以及特定结构板10c和l0d中的一个或多个中的内部通路；至少当分别与邻近特定结构板10c和l0d面对面并置时，由中间压力板12和末端压力板11中一个或多个的相对端面中的至少一个中的表面通道形成的通路；至少当分别与邻近中间压力板12、末端压力板11或结构板10a和10b面对面并置时，由特定结构板10c和10d中一个或多个的相对端面中的至少一个中的表面通道形成的通路；以及由(例如)管道或管子组成的通过中间压力板12或末端压力板11中的内部通路与脱气腔室19a和19b液体连通的外部通路。图1和2中示出说明性实例：(i)特定结构板10c中的特征28a和28b；(ii)特定结构板10d中的特征29a和29b；以及，(iii)特征40，其是通过中间压力板12中对应的内部通路与氢气脱气腔室和氧气脱气腔室的下部部分液体连通的管道或管子；(iv)中间压力板12中的特征45a和45b以及末端压力板11中的特征46a和46b。特征28a、28b、29a、29b、45a、45b、46a和46b被示为表面通道，但是可以是相应内部通路。应理解，液体连通通路的实际路径以及液体连通通路的相对大小不需要完全如图1和2的说明性案例中所示，并且进一步应理解，可以使用特征28a、28b、29a、29b、40、45a、45b、46a和46b的适当组合。在某些实施例中，可以分别在特定结构板10c和10b以及中间压力板12的两侧上包含特征28a和28b、29a和29b以及45a和45b中的一些特征。在脱气腔室19a与19b之间的此种液体连通可以促进(接近)脱气腔室中的液体层的均衡，并且因此促进操作期间的氢气一侧和氧气一侧压力的均衡，并且进一步可以促进对于操作混乱的校正的快速且被动响应。
图3示出根据本发明的方面的用于电解槽模块的结构板。图3示出其中结构板10a界定一个半电池腔室开口20a以及两个脱气腔室开口19a和19b的优选实施例；应理解，每一结构板可以界定一个以上每种类型的开口。至少当面对面并置时，结构板界定用于电解槽模块内的流体流动的通路。结构板10a界定一个或多个气液流动通路21a，该气液流动通路提供半电池腔室开口20a的顶部部分到脱气腔室开口19a和19b中的一个之间的直接流体连通。结构板10a进一步界定一个或多个经脱气液体流动通路22a，该经脱气液体流动通路提供半电池腔室开口20a的底部部分到脱气腔室开口19a和19b中的一个之间的直接流体连通。气液流动通路21在半电池腔室开口20的顶部附近变为内部通路(槽形通孔)；类似地，经脱气液体流动通路22在半电池腔室开口20的底部附近变为内部通路(槽形通孔)。结构板10a还包含用于定位以及固持密封件(例如，O型环垫圈)的接触特征(未示出)，以及在尤其优选实施例中，结构板10a包含接触装置50，该接触装置用于定位在结构板外围边缘上所希望的接触点处的一个或多个外部加固装置60上的类似接触装置且与该类似接触装置互锁，如图4中所示。在末端压力板11上以及任选地在一个或多个中间压力板12上可以包含图1和图2中以70示出的类似支撑装置，以用于支撑以及对准外部加固装置。结构板由合适的电绝缘塑料或纤维增强塑料制成。合适的塑料的实例包含聚甲醛(POM)、聚丙烯、聚苯醚(PPO)、聚苯硫醚(PPS)以及其类似者，且具体来说包含聚砜。图3中示出的结构板10a和10b对应于图1和图2中的阴极(氢气)结构板10a和阳极结构板10b。阳极(氧气)结构板10b为阴极(氢气)结构板10a的镜像。
图3还示出用于尤其优选的给水添加系统的特征，其包括在末端压力板11中的一个或多个和/或一个或多个中间压力板12中的一个或多个中的进入通路，该进入通路在一端上与外部给水源流体连通(通常通过给水净化)，例如通过逆渗透和/或离子交换以及通过过滤器(例如，碳过滤器)且在另一端上与通过结构板10中的给水开口102形成的一个或多个给水歧管流体连通。给水开口102依次在结构板10中的一个或多个中进一步通过水流通路103与第一脱气腔室19a和第二脱气腔室19b中的一个或多个流体连通。通常，阴极结构板10a中的水流通路103与氢气脱气腔室19a流体连通，并且阳极结构板10b中的水流通路103与氧气脱气腔室19b流体连通，或反之亦然，使得水流通路连接到邻近结构板中的相对脱气腔室。优选地，分离的给水通路被用于将液体添加到氢气脱气腔室19a和氧气脱气腔室19b。应理解，图3中示出的结构板不必包含特征102和103，且相反地其它图式中示出的结构板中的任一个可以另外包括特征102和103。
图5示出优选实施例的分解图；为清楚起见，仅示出三个结构板10a、10b和10c以及一个末端压力板11；而未示出例如电池组件、密封件等其它组件。使用四个外部加固装置60，该外部加固装置各自包括由沿着电解槽模块的长度延伸的例如金属横杆或金属管道组成的主体。在模块的每一侧上使用两个外部加固装置60；应理解，尽管以分解的组合件视图示出结构板和末端压力板，但是为了整体清晰性，在图5中每一加固装置60以未分解的视图表示。外部加固装置还可以是“U”形的或“环”形的，在此情况下，在图5中说明的优选实施例中，将仅有在任一侧上各自接触结构板的处于两个不同高度的两个外部加固装置。然而，外部加固装置不一定必须覆盖电解槽模块的全长；例如，如果存在中间压力板，那么可方便的是使每一组外部加固装置从一个末端压力板覆盖到中间压力板。接触结构板的外部加固装置60的接触装置由例如与在结构板的侧壁上界定的相应类似形状接触装置50互锁的机械齿等特征组成。在末端压力板11和中间压力板12的侧壁上还可以存在类似形状支撑装置70，以用于支撑以及对准外部加固装置60。外部加固装置的接触装置可以例如直接加工至主体中，或例如加工成板状并附接到主体上。齿被形成角度以在多个方向上提供接触，由此提供多方向的支撑以及强度。外部加固装置因此减轻塑料结构板材料随电解槽模块内的流体压力而导致的向外位移。一个主要的好处是结构板的中间段中的应力消除，在该中间段例如在气液通路的入口处的复杂特征否则将成为在较高操作压力下(例如，25巴)应力发生的集中点。外部加固装置还使得结构板外围周围的塑料材料能够最小化，降低成本、部件尺寸和重量以及用于注射模法的注射量。
外部加固装置优选地以对称的方式定位，接触点在结构板外围的相对侧上成镜像。在图5中示出的优选实施例中，在每一侧上存在两个外部加固装置60，加固位置(与结构板上的接触装置50接触的点)位于从结构板的顶部向下的路径的大致三分之一处，以及从结构板的底部向上的路径的大致三分之一处。因此，在电解槽模块的每一侧上的两个外部加固装置之间的垂直距离约为结构板的高度的三分之一。
用于本文中描述的所有实施例的外部加固装置比包括结构板的主体的塑料或纤维增强塑料具有明显更好的机械特性(例如，明显更高的强度和弹性模数)，且优选地易于安装、易于获得且成本低廉。优选的材料是金属、镀覆金属或涂覆金属(术语“金属”将理解为包含金属和金属合金)，最优选的是钢或不锈钢，其通常可用于管道或横杆并且以相对低的成本提供良好的机械特性。
在电解槽模块组装之后外部加固装置被直接安装并且附接到末端压力板以及一个或多个中间压力板中的一个或多个上。外部加固装置连接到末端压力板上的点优选地是电绝缘的。安装包括通过将一个或多个外部加固件附接(钉扎)到末端压力板以及一个或多个中间压力板中的一个或多个上而将该外部加固件在电解槽模块的一侧上固持在适当位置，并且接着以类似方式(除了使用一个或多个调整机构(例如螺纹调整)外)在电解槽模块的另一侧上附接相应的一个或多个外部加固装置，以在适当位置进行调整从而实现外部加固装置的接触装置与结构板的良好接触。另外，可以通过调整机构向结构板施加一些预加应力。
尽管对于较低压力控制要求(例如，5巴到10巴)，外部加固装置的使用可以不是严格必需的，但是包含外部加固装置可以用相对极少增加的初始成本确保结构板的长期机械完整性。
实例1通过有限元分析(FEA)对根据现有设计的用于电解槽模块的结构板中的应力进行建模。一般结构板配置如图6中所示。结构板的最外尺寸是宽1505mm、高1,828mm以及厚12mm。半电池腔室开口为6,000cm2。结构板由聚砜制成。在25巴内部压力下的建模显示具有高应力和位移的不可接受的应力分布。
实例2通过有限元分析(FEA)对根据本发明的用于电解槽模块的结构板中的应力进行建模。一般结构板和外部加固装置配置如图4中所示。外部加固装置60是钢横杆。结构板的最外尺寸是宽1,476mm、高1,773mm以及厚12mm。半电池腔室开口是6,000cm2。结构板由聚砜制成。所用的聚砜量比图6中示出的现有设计部件减少41％。在25巴内部压力下的建模显示具有低应力和位移的可接受的应力分布。
尽管以上实施例已聚焦于电解槽模块，但是相同原理可以适用于电解槽堆。例如，电解槽堆包括多个结构板，该结构板各自具有在相对端面之间延伸的侧壁，半电池腔室开口、至少两个头端流动通路开口以及至少一个尾端流动通路开口在该结构板的相对端面之间延伸穿过每一结构板。结构板在相对的末端压力板之间布置成面对面并置。每一半电池腔室开口至少部分地容纳电解的半电池组件，该半电池组件至少包括电极、与电极电连通的双极板以及与电极连通以提供离子传导的隔膜。结构板和半电池组件因此界定串联连接的电解电池阵列。至少当面对面并置时，结构板还界定用于电解槽堆内的流体流动的通路。该电解槽堆进一步包括至少一个外部加固装置，该外部加固装置接触结构板中的至少一些以减轻结构板的向外位移。结构板中的至少一些进一步界定用于对准外部加固装置并且实现与外部加固装置的多方向接触的接触装置。该电解槽堆可以进一步包括沿着电解槽堆的长度间置在结构板之间的至少一个中间压力板。
已呈现对本发明的设备和工艺的优选实施例以及实例的上述描述，以说明本发明的原理且不将本发明限于所说明的特定实施例。希望本发明的范围由权利要求书和/或其等效物内涵盖的所有实施例界定。

Claims (20)

1.一种电解槽模块，其包括多个结构板，所述结构板各自具有在相对端面之间延伸的侧壁，半电池腔室开口和至少两个脱气腔室开口在所述相对端面之间延伸穿过所述结构板；
所述结构板在相对的末端压力板之间在纵向堆叠方向上布置成面对面并置，
每一所述半电池腔室开口至少部分地容纳电解的半电池组件，所述半电池组件至少包括电极、与所述电极电连通的双极板以及与所述电极连通以提供离子传导的隔膜，所述结构板和所述半电池组件界定有至少一个脱气腔室在顶上的串联连接的电解电池阵列；
至少当面对面并置时，所述结构板界定用于所述电解槽模块内的流体流动的通路；
所述电解槽模块进一步包括至少一个外部加固装置，所述外部加固装置接触所述结构板中的至少一个以减轻所述结构板在与所述纵向堆叠方向横切的方向上的向外位移；
所述结构板中的所述至少一个进一步界定用于接触的装置，其用于实现与所述至少一个外部加固装置接触。
2.根据权利要求1所述的电解槽模块，其进一步包括至少一个中间压力板，所述中间压力板至少包括沿着所述电解槽模块的长度间置在所述结构板之间的主体。
3.根据权利要求1和2中的任一项所述的电解槽模块，其中所述至少一个外部加固装置包括沿着所述电解槽模块的所述长度延伸的主体，并且进一步包括接触装置，所述接触装置接触所述结构板中的至少一些的所述侧壁上的类似形状接触装置，以实现在所述至少一个外部加固装置与所述结构板中的所述至少一些之间的接触。
4.根据权利要求2所述的电解槽模块，其中所述至少一个外部加固装置附接到所述末端压力板和所述至少一个中间压力板中的至少一个上。
5.根据权利要求2所述的电解槽模块，其进一步包括至少一个给水通路，所述给水通路穿过所述末端压力板和所述至少一个中间压力板中的至少一个并且接着穿过所述结构板。
6.根据权利要求1和2中的任一项所述的电解槽模块，其中所述结构板由塑料组成。
7.根据权利要求1和2中的任一项所述的电解槽模块，其中所述结构板由纤维增强塑料组成。
8.根据权利要求6所述的电解槽模块，其中所述塑料由聚砜、聚苯醚、聚苯硫醚、聚丙烯和聚甲醛中的至少一个组成。
9.根据权利要求6所示的电解槽模块，其中所述至少一个外部加固装置包括比所述塑料具有明显更高的强度和弹性模数的部件。
10.根据权利要求7所示的电解槽模块，其中所述至少一个外部加固装置包括比所述纤维增强塑料具有明显更高的强度和弹性模数的部件。
11.根据权利要求9所述的电解槽模块，其中所述至少一个外部加固装置由金属、镀覆金属和聚合物涂覆金属中的至少一个组成。
12.根据权利要求10所述的电解槽模块，其中所述至少一个外部加固装置由金属、镀覆金属和聚合物涂覆金属中的至少一个组成。
13.根据权利要求11所述的电解槽模块，其中所述金属包括钢。
14.根据权利要求12所述的电解槽模块，其中所述金属包括钢。
15.根据权利要求11所述的电解槽模块，其中所述金属包括不锈钢。
16.根据权利要求12所述的电解槽模块，其中所述金属包括不锈钢。
17.根据权利要求1和2中的任一项所述的电解槽模块，其进一步包括用于至少第一与第二脱气腔室之间的液体连通的至少一个液体连通通路。
18.一种用于电解槽模块的结构板，其具有在相对端面之间延伸的侧壁，半电池腔室开口和至少两个脱气腔室开口在所述相对端面之间延伸穿过所述结构板；
至少当与另一结构板、末端压力板和中间压力板中的至少一个在纵向堆叠方向上面对面并置时，所述结构板界定用于所述电解槽模块内的流体流动的通路；
所述结构板进一步界定用于接触的装置，其用于实现与至少一个外部加固装置接触，以用于减轻所述结构板在与所述纵向堆叠方向横切的径向方向上的向外位移。
19.一种电解槽堆，其包括多个结构板，所述结构板各自具有在相对端面之间延伸的侧壁，半电池腔室开口、至少两个头端流动通路开口以及至少一个尾端流动通路开口在所述相对端面之间延伸穿过所述结构板；
所述结构板在相对的末端压力板之间布置成面对面并置；
每一所述半电池腔室开口至少部分地容纳电解的半电池组件，所述半电池组件至少包括电极、与所述电极电连通的双极板以及与所述电极连通以提供离子传导的隔膜，所述结构板和所述半电池组件界定串联连接的电解电池阵列；
至少当在纵向堆叠方向上面对面并置时，所述结构板界定用于所述电解槽模块内的流体流动的通路；
所述电解槽堆进一步包括至少一个外部加固装置，所述外部加固装置接触所述结构板中的至少一个以减轻所述结构板在与所述纵向堆叠方向横切的方向上的向外位移；并且，
所述结构板中的所述至少一个进一步界定用于接触的装置，其用于实现与所述至少一个外部加固装置接触。
20.根据权利要求19所述的电解槽堆，其进一步包括至少一个中间压力板，所述中间压力板至少包括沿着所述电解槽堆的长度间置在所述结构板之间的主体。
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