用于電解槽的末端壓力板的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于在高壓下操作的電解槽堆和電解槽模塊的末端壓力板的設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]電解槽使用電力以通過電化學(xué)反應(yīng)，即在與電解質(zhì)接觸的電極處發(fā)生的反應(yīng)，使反應(yīng)物化學(xué)品轉(zhuǎn)變?yōu)樗璁a(chǎn)物化學(xué)品。由水和電力產(chǎn)生氫和氧的水電解槽是最常見類型的電解槽，其用于產(chǎn)生氣態(tài)氫作為主要產(chǎn)物。最常見類型的商用水電解槽是堿性水電解槽(AWE)和聚合物電解質(zhì)膜(PEM)水電解槽。
[0003]如本文所使用，術(shù)語“電池”、“電解電池”及其等同變型是指包括陰極半電池和陽(yáng)極半電池的結(jié)構(gòu)。
[0004]此外，而且如本文所使用，術(shù)語“電解槽電池”、“電解槽堆”、“堆”或其等同變型指代用于實(shí)際的(商業(yè)的)電解槽諸如包括多個(gè)電池的水電解槽的結(jié)構(gòu)，其中該電池通常串聯(lián)電連接(但是使用并聯(lián)和/或串聯(lián)連接的電池的設(shè)計(jì)也是已知的)，其中雙極板物理上在相鄰電池之間分離但在相鄰電池之間提供電連通。術(shù)語“電解槽模塊”指代電解槽堆和氣體-液體分離空間在同一結(jié)構(gòu)中的組合，所述結(jié)構(gòu)通常是濾壓式的。此外，本文所使用的術(shù)語“電解槽模塊”指代堿性電解槽模塊或PEM電解槽模塊。我們先前在US8，308，917中公開了用于堿性水電解槽模塊的設(shè)計(jì)，并在US 2011/0042228中公開了用于PEM水電解槽模塊的設(shè)計(jì)，這兩者都通過引用并入本文。
[0005]如本文所使用，術(shù)語“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，其中具有半電池室開口，并且在電解槽模塊的情況下，附加地具有至少一個(gè)脫氣腔室開口，各開口延伸通過相對(duì)端面之間的結(jié)構(gòu)板。通常使用一系列結(jié)構(gòu)板構(gòu)造電解槽堆或電解槽模塊，以界定交替的陰極和陽(yáng)極半電池腔室、液體流通道，并且在電解槽模塊的情況下，界定至少一個(gè)脫氣腔室、以及在一個(gè)或多個(gè)脫氣腔室與對(duì)應(yīng)的半電池腔室之間延伸的各個(gè)氣體-液體流通道和各個(gè)經(jīng)脫氣液體流通道。結(jié)構(gòu)板在相對(duì)末端壓力板之間被布置成面對(duì)面并置，任選地，其中具有至少一個(gè)中間壓力板沿電解槽堆或電解槽模塊的長(zhǎng)度穿插在結(jié)構(gòu)板之間，以形成濾壓式結(jié)構(gòu)，其中結(jié)構(gòu)板被堆疊在末端壓力板之間的組件的內(nèi)部中。結(jié)構(gòu)板還將功能組件固持于其適當(dāng)?shù)目臻g位置和布置中，該功能組件可以包括例如陰極、陽(yáng)極、分離器隔膜(separator membranes)、集電器和雙極板。末端壓力板提供濾壓式結(jié)構(gòu)的壓縮并實(shí)現(xiàn)壓力保持。
[0006]通常，電解槽模塊和電解槽堆的預(yù)期操作壓力介于大氣壓力和30巴之間，并且更典型地多達(dá)10巴，這取決于應(yīng)用需求。舊式電解槽堆的設(shè)計(jì)利用鋼結(jié)構(gòu)板，其使能夠在高壓下的操作，例如30巴，但存在其它挑戰(zhàn)，諸如非常高的重量、需要電絕緣以及腐蝕的可能。近代，“先進(jìn)的”電解槽堆和電解槽模塊設(shè)計(jì)利用由聚合材料制成的結(jié)構(gòu)板，即使對(duì)于高輸出容量單元，所述結(jié)構(gòu)板也是電絕緣的、抗腐蝕的并且它們的輕量使得實(shí)現(xiàn)經(jīng)預(yù)裝配的封裝樣式(formats)。然而，即使是在“先進(jìn)的”的設(shè)計(jì)中(即，設(shè)計(jì)方法借助板中非常低的應(yīng)力來控制偏離)，通常情況下，末端壓力板基本上也仍留有厚重的金屬末端凸緣。這對(duì)于較小的容量單元可以是可容忍的，但對(duì)于較大的容量單元，特別是對(duì)于高壓下的操作，由于末端壓力板必須保持平坦而且不具有功能性的偏離，因此末端壓力板變得過于厚重、極其沉重且非常昂貴?？梢蕴砑雍附咏M件以使末端壓力板變硬并減輕偏離，但焊接組件進(jìn)一步增加重量、尺寸、可制造性以及尤其是成本。在例如US 8，308，917(特征11)、US2011/0042228(特征 11)、US 5，139，635(特征 12，“末端法蘭”)、US 4，758，322 (特征 404、405，“蓋子”)和US 2，075，688(特征28、29，“重的端板”)中描述了傳統(tǒng)的厚重末端壓力板。
[0007]US 2011/0024303公開了使用單個(gè)末端壓力板的設(shè)計(jì)，其中使用移動(dòng)壓板，相對(duì)于提供經(jīng)固定支撐的周圍擠壓結(jié)構(gòu)而將該移動(dòng)壓板向一組電解槽板擠壓，使得單個(gè)移動(dòng)壓板可以通過壓縮部件將壓縮力橫向施加到經(jīng)堆疊板，以壓縮周圍擠壓結(jié)構(gòu)的相對(duì)面之間的經(jīng)堆疊板。該設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是(i)需要設(shè)計(jì)周圍結(jié)構(gòu)，用于特定數(shù)目或長(zhǎng)度的經(jīng)堆疊板；(ii)例如對(duì)于任意給定的操作壓力和溫度，通過壓縮部件施加的壓縮力的量是不確定的，并且需要檢查在熱和/或壓力循環(huán)下施加的壓縮力的量。該設(shè)計(jì)用于減輕相對(duì)薄的板的偏離的能力似乎值得懷疑，尤其是對(duì)于在較高壓力下操作的具有大表面面積的電解槽。在可量測(cè)性和被動(dòng)式、自調(diào)節(jié)方式方面，具有高度的固有設(shè)計(jì)魯棒性將有利于實(shí)際操作。
[0008]因此，對(duì)于用于電解槽模塊和電解槽堆(尤其是在較高壓力下操作的大型電解槽模塊和電解槽堆)的末端壓力板來說，需要簡(jiǎn)單的、輕量的、有成本效益、自調(diào)節(jié)的和可量測(cè)的設(shè)計(jì)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]用于電解槽堆或電解槽模塊的末端壓力板包括用于維持多個(gè)結(jié)構(gòu)板的面上的均勻壓力的負(fù)載轉(zhuǎn)移板，以及用于支承從負(fù)載轉(zhuǎn)移板轉(zhuǎn)移的負(fù)載的背板。
[0010]電解槽模塊包括多個(gè)結(jié)構(gòu)板，其中的每個(gè)都具有在相對(duì)端面之間延伸的側(cè)壁，其中具有半電池腔室開口和至少兩個(gè)脫氣腔室開口，各開口延伸通過相對(duì)端面之間的結(jié)構(gòu)板。結(jié)構(gòu)板在相對(duì)末端壓力板之間被布置成面對(duì)面并置。每個(gè)半電池腔室開口至少部分地容納電解半電池部件，所述電解半電池部件至少包括電極、與電極電連通的雙極板以及與電極連通用以提供離子傳導(dǎo)的膜。結(jié)構(gòu)板和半電池部件界定頂上有至少一個(gè)脫氣腔室的串聯(lián)連接的電解電池的陣列。結(jié)構(gòu)板至少當(dāng)面對(duì)面并置時(shí)，界定用于電解槽模塊內(nèi)部的流體流動(dòng)的通道。末端壓力板包括用于維持結(jié)構(gòu)板的面上的均勻壓力的負(fù)載轉(zhuǎn)移板以及用于支撐從負(fù)載轉(zhuǎn)移板轉(zhuǎn)移的負(fù)載的背板。
[0011]電解槽堆包括多個(gè)結(jié)構(gòu)板，其中的每個(gè)都具有在相對(duì)端面之間延伸的側(cè)壁，其中具有半電池腔室開口、至少兩個(gè)集管流道開口和至少一個(gè)尾管流道開口，各開口延伸通過所述相對(duì)端面之間的結(jié)構(gòu)板。結(jié)構(gòu)板在相對(duì)末端壓力板之間被布置成面對(duì)面并置。每個(gè)半電池腔室開口至少部分地容納電解半電池部件，所述電解半電池部件至少包括電極、與電極電連通的雙極板以及與電極連通用以提供離子傳導(dǎo)的膜。結(jié)構(gòu)板和半電池部件界定串聯(lián)連接的電解池的陣列。結(jié)構(gòu)板至少當(dāng)面對(duì)面并置時(shí)，界定用于電化學(xué)電池堆內(nèi)部的流體流動(dòng)的通道。末端壓力板包括用于維持多個(gè)結(jié)構(gòu)板的面上的均勻壓力的負(fù)載轉(zhuǎn)移板以及用于支撐從負(fù)載轉(zhuǎn)移板轉(zhuǎn)移的負(fù)載的背板。
【附圖說明】
[0012]下面參照附圖來說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中:
[0013]圖1示出背板、負(fù)載轉(zhuǎn)移板和導(dǎo)體板的布置和相對(duì)位置的末端壓力板的分解圖；
[0014]圖2示出經(jīng)裝配的末端壓力板的內(nèi)側(cè)朝向側(cè)的正視圖；
[0015]圖3a和圖3b分別示出負(fù)載轉(zhuǎn)移板的實(shí)施例的外側(cè)朝向面和內(nèi)側(cè)朝向面的正視圖；
[0016]圖4a和圖4b分別不出背板的實(shí)施例的外側(cè)朝向面和內(nèi)部朝向面的正視圖；
[0017]圖5a和圖5b分別示出負(fù)載轉(zhuǎn)移板的另一實(shí)施例的外側(cè)朝向面和內(nèi)側(cè)朝向面的正視圖；
[0018]圖6a和圖6b分別不出背板的另一實(shí)施例的外側(cè)朝向面和內(nèi)側(cè)朝向面的正視圖；
[0019]圖7示出背板、負(fù)載轉(zhuǎn)移板和導(dǎo)體板以及用于附接電纜的接線片的布置和相對(duì)位置的末端壓力板的側(cè)截面；
[0020]圖8是末端壓力板的外部部分的側(cè)視剖面圖，其示出圍繞負(fù)載轉(zhuǎn)移板的外圍在背板和負(fù)載轉(zhuǎn)移板之間的預(yù)壓縮間隙；
[0021]圖9是根據(jù)本發(fā)明的的堿性電解槽模塊的約一半的分解圖；
[0022]圖10是根據(jù)本發(fā)明的PEM電解槽模塊的約一半的分解圖；
[0023]圖11a和圖lib分別示出根據(jù)本發(fā)明的用于電解槽模塊的陰極和陽(yáng)極結(jié)構(gòu)板的實(shí)施例的正面的正視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]在本發(fā)明中，如圖1和圖2所示，用于電解槽堆或電解槽模塊的末端壓力板100包括用于維持經(jīng)堆疊結(jié)構(gòu)板的面上的均勻壓力的負(fù)載轉(zhuǎn)移板1，以及用于支撐從負(fù)載轉(zhuǎn)移板轉(zhuǎn)移的負(fù)載的背板2?？蛇x的導(dǎo)體板3提供與電解槽堆或電解槽模塊的電化學(xué)電池部分的電連通。末端壓力板用于電解槽堆或電解槽模塊的任一末端處，以便連同拉桿壓縮系統(tǒng)提供壓縮和壓力保持。該功能度的關(guān)鍵方面在于當(dāng)對(duì)電解槽堆或電解槽模塊的內(nèi)側(cè)加壓時(shí)，末端壓力板的平坦度。在前的方法使用了非常厚重的末端壓力板和/或焊接組件，以防止在末端壓力板的中心處的偏離。本發(fā)明控制偏離，但維持相對(duì)輕的重量且更好地優(yōu)化材料的使用。
[0025]圖3a與圖3b以及圖4a與圖4b中不出優(yōu)選實(shí)施例。圖3a和圖3b分別不出負(fù)載轉(zhuǎn)移板1的內(nèi)側(cè)朝向面(即朝向內(nèi)側(cè)的面)和外側(cè)朝向面(即朝向外側(cè)的面)。負(fù)載轉(zhuǎn)移板1的外側(cè)朝向面(圖3a)包括淺拱形表面4，該淺拱形表面4朝向與該拱形表面4相對(duì)的背板2的內(nèi)側(cè)朝向面，并與背板2的該內(nèi)側(cè)朝向面相接觸。