专利名称：基于高压质子交换膜的水电解器系统的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及电解器的领域，且更特定地涉及基于高压质子交换膜的电解器系统。
背景技术：
电解器借助电的通过，通常通过将化合物分解为元素或更简单的产物，而将丰富 量的化学物转化为更珍贵的物质。基于质子交换膜的水电解器(或基于PEM的水电解器) 是这样的系统，其中水在氧化电极或电池阳极处被氧化以产生氧气，从而释放氢离子或质 子，和电子。氢离子在跨过电池施加的电场的作用下通过固体聚合物电解质从电池阳极迁 移到电池阴极，或氢电极，而电子由直流(DC)电源转移到阴极。质子和电子在电池阴极处 再组合以产生氢。氧和氢以与施加的电池电流成比例的速度按化学计量比而生成，即每一 体积单位的氧对应两体积单位的氢。高压水电解器可以在足以用于存储的压力(高达或超 过10000磅每平方英寸)下生成氢气和氧气，无需机械压縮。
发明内容
根据一个示例性实施例的基于高压质子交换膜的水电解器系统可以包括具有内 部区域和水入口的外电极；联接在外电极的另一个部分内的气体出口 ；联接在内部区域内 且通过直流电源电联接到外电极的中心电极；具有多个质子交换膜电池的在内部区域内围 绕中心电极螺旋缠绕的膜电极组件，其中所述多个质子交换膜电池的最内部的一个可以电 联接到中心电极且其中多个质子交换膜电池的最外部的一个可以电联接到外电极；和围绕 中心电极缠绕且联接到中心电极和外电极的非导体分隔件，非导体隔膜防止多个质子交换 膜电池之间的电接触。当外电极是阴极时中心电极可以是阳极，或替代地中心电极可以是 阴极而外电极是阳极。 在另一个示例性的实施例中，大体上如上所述的基于高压质子交换膜的水电解器 系统也可以包括另外的结构，所述另外的结构通过重力分层将基于高压质子交换膜的水电 解器内所生成的氢气和氧气在其离开系统前分离。 本发明的其他示例性的实施例将从下文中提供的详细描述中变得显见。应理解的 是详细描述和具体例子虽然公开本发明的示例性实施例，但仅意图于阐述目的而不意图于 限制本发明的范围。
本发明的示例性实施例将从详细描述和附图中变得更完整地理解，各图为
图1是根据一个示例性实施例的基于高压质子交换膜的水电解器系统的剖面图；
图2是图1的容器沿线2-2截取的截面视图；
图3是图2的膜电极组件在铺开和展开位置的透视图； 图4是根据另一个示例性实施例的基于高压质子交换膜的水电解器系统的剖面
6图； 图5是根据图1或图4的任一示例性实施例的包括基于高压质子交换膜的水电解器系统的电动车辆的平面图。
具体实施例方式
如下的实施例(多个实施例)的描述仅在本质上是示例性的(说明性的)，且不意图于限制本发明、其应用或使用。 首先参考图1至图3，根据一个示例性实施例的基于高压质子交换膜的水电解器系统10可以包括压力容器缸或称外电极12，该外电极12具有水入口 14和气体出口 16。水位传感器19也可以结合在容器10内，指示外电极12的内部部分20内的水位。水位传感器19与水入口 14的止回阀部分通信，以将其在打开位置和关闭位置之间移动，以当传感器19指示内部部分20内的水位过低时允许水通过水入口 14进入内部部分。
系统10也可以包括传导的中心柱或称中心电极18，该中心电极18部分地容纳在外电极12的内部部分20内且通过绝缘的馈通部分22延伸到系统10的外侧。外电极12和中心电极18可以是阳极电极或阴极电极，其中当中心电极18是阴极电极时外电极12是阳极电极，且其中当中心电极18是阳极电极时外电极12是阴极电极。外电极12和中心电极18可以各通过直流(DC)电源11相互电联接。外电极12和中心电极18因此形成DC电源ll的正极端子和负极端子。 如在图2中最佳地示出，膜电极组件或MEA 38可以在外电极12的内部20内围绕中心电极18缠绕。也在图2中最佳地示出不可渗透的分隔件层40，该分隔件层40可以单独地围绕外电极的内部20内的中心电极18缠绕，且可以联接到中心电极18和外电极12两者。不可渗透分隔件层40可以帮助防止MEA 38的远程部分之间的电接触，该分隔件层螺旋缠绕MEA38的远程部分且因此靠近所述远程部分。不可渗透分隔件层40暗含地也可以大体上防止水或氧气或氢气或氢离子通过它的流动。 虽然MEA 38和不可渗透分隔件层40在图2中都示出为以逆时针方向从中心电极18缠绕到外电极12，但也可以利用从中心电极18到外电极12的顺时针方向。
如在图3中最佳地示出，MEA 38可以由一系列电连接的质子交换膜(PEM)电池30形成，所述质子交换膜(PEM)电池30以交替的方式联接在PEM膜36的相对侧23、33上。每个PEM电池30可以包括阳极电极32和阴极电极34，它们相互之间以间隙27分开。
在膜36的一侧23或另一侧33上每个PEM电池30与相邻的PEM电池30以间隙43分开。另外，每个PEM电池30可以通过横过间隙43的电接线25而电联接到位于PEM膜36的相同侧23或33上的相邻的PEM电池30。 当中心电极18是阳极电极时，如在图3中示出，最内侧PEM电池30的阳极电极34A电联接到中心电极18，且最外侧PEM电池30的阴极电极32B电联接到外电极12(外电极12是阴极电极)，以完成回路。 相反地，在可以想到但本文未示出的相反的布置中，当中心电极18是阴极电极且外电极12是阳极电极时，最内侧PEM电池30的阴极电极32电联接到中心电极18，而最外侧PEM电池30的阳极电极34电联接到外电极12，以完成回路。 电极(阴极电极32、32B和阳极电极34、34A)可以是催化剂层，该催化剂层可以包括催化剂微粒和离子传导材料，例如与微粒混合的传导质子的离聚物。质子传导材料可以是离聚物，例如全氟磺酸聚合物。催化剂材料可以包括金属，例如铂、钯，和金属混合物，例如铂和钼、铂和钴、铂和钌、铂和镍、铂和锡、其他的铂过渡金属合金，以及本领域中已知的其它燃料电池电催化剂。催化剂金属可以按需要被磨碎。 多种不同类型的膜可以用于本发明的实施例。在本发明的多种实施例中有用的固体聚合物电解质膜可以是离子传导材料。合适的膜的例子在美国专利No 4， 272， 353和No3， 134， 689中披露，且在Journal of PowerSources，第28期(1990) ， 367-387页中披露。这样的膜也已知为离子交换树脂膜。树脂包括处于其聚合物结构的离子组；其一个离子成分被聚合物基质固定或保持，且至少一个其他的离子成分是可移动的可替换离子，它与固定的成分静电结合。可移动离子在合适的条件下与其他离子可替换的能力赋予了这些材料的离子交换特征。 离子交换树脂能够通过将成分的混合物聚合而制备，所述成分之一包含离子组分。阳离子交换质子传导树脂的一个广泛的类型是所谓的磺酸阳离子交换树脂。在磺酸膜中，阳离子交换组是接附到聚合物骨架的磺酸组。 将这些离子交换树脂形成为膜对于本领域一般技术人员是熟知的。优选的类型是全氟磺酸聚合物电解质，其中整个膜结构具有离子交换特征。这些膜在商业上是可获得的，且商用磺酸全氟化碳质子传导膜的典型例子由E. I.DuPont de Nemours&Company以Nafion⑧为商标销售。其他这样的膜从Asahi Glass and Asahi Chemical Company可获得。其他类型的膜的使用也在本发明的范围内，例如但不限制于全氟阳离子交换膜，基于碳氢化合物的阳离子交换膜以及阴离子交换膜。 在图1至图3中示出的示例性实施例的运行中(其中中心电极18 (即DC电源11的正极端子)是电联接到阳极34A的阳极电极，且外电极12 (即DC电源11的负极端子)是电联接到阴极电极32B的阴极电极)，当水位传感器19指示水位过低时，水通过水入口 14被引入到内部区域20内。水位传感器19将水入口 14的止回阀部分引导到打开位置，以允许水的引入。 反应剂水紧靠最内侧的阳极电极34A，其处发生化学反应以形成氧气(02气体)、电子和氢离子(质子)。可以通过将DC直流电源11的正极端子(在此为中心电极18)连接到最内侧的阳极电极34A且通过将DC电源11的负极端子(在此为外电极12)连接到最外侧的阴极电极32B而促进化学反应。 在阳极电极34A上生成的电子行进到中心电极18且然后行进到DC电源11。氧气被排出，而在此反应中生成的氢离子通过PEM膜36从第一侧23迁移到第二侧33，且在相应的阴极电极32处与电子(电子由相邻的阳极电极34提供)结合以产生氢气012气体)。
类似的反应在其他阳极电极34和阴极电极32的每个上发生，以分别生成氧气和氢气。在阳极电极34上生成的电子可以通过电接线25提供到位于一侧23或33上的各阴极电极32。在阳极电极34处生成的氢离子可以由通过PEM膜36的迁移而提供到各阴极电极32。过多的电子从DC电源11的负极端子行进到外电极12且然后行进到最外侧的阴极电极32B以完成回路。 在系统10内生成的氧气和氢气以与施加的电池电流成比例的速度按化学计量比生成，即每一个体积单位的氧气对应两个体积单位的氢气。
进行电解所需要的电池电压是随串联连接以形成MEA 38的PEM电池30的个数而定。对于常规的单个电池单元，具有大致1. 6-2. 4伏特的电压的DC电源ll可以足以将水分裂以生成氧气和氢气。对于十二个PEM电池30的单元，如在图3的示例性实施例中示出，DC电源ll电压应乘以十二，且因此可以要求提供大约至少19. 2-24伏特的DC电源11。通过经常称为PEM堆的串联PEM电池的电流将取决于PEM堆的物理尺寸和其他特征，且因此以上所述的电压可以改变以获得希望的氢生产速度。 现在参考图4，图中描绘替代的示例性实施例，其中气体分离器区或第二内部部分45可以引入到容器10内，以允许H2和02分开且通过重力分离被分开地取出。
因此，基于高压质子交换膜的水电解器系统10可以进一步包括氧出口 15和氢出口 17，它们取代气体出口 16以将氢气和氧气分别地从内部部分20移除，这与图1至图3中的在从容器10移除后分开氢气和氧气不同。 在此示例性实施例中，内部部分20可以进一步分为由网筛部分55分开的第一内部部分35和第二内部部分45，其中MEA 38和水入口 14包括在第一内部部分35内且氧出口 15、氢出口 17、水位传感器19和氢/氧界面传感器21包括在第二内部部分45内。进入第一内部部分35的水位(如通过由水位传感器19感测到的水位确定)可以通过高压水喷射泵以及通过氢出口 17和氧出口 15排出的氢气和氧气而被连续调整，以保持氢气/氧气界面关于氢/氧界面传感器21定中心。 另外，多个非传导球体65可以容纳在第二内部部分45内。球体65有助于进一步通过尺寸排斥(除重力分离外)而将氢气和氧气分离。 以上的示例性实施例披露基于高压质子交换膜的水电解器系统IO，所述水电解器系统IO可以利用在多种应用中，用于生成高压氢气和氧气。用于任一示例性实施例的基于高压质子交换膜的水电解器系统10的一个示例性应用是用于提供电动车辆85的燃料电池80内使用的氢气，如在图5中示出。 本发明的以上所述实施例仅在本质上是示例性的，因此其变化不解释为离开本发明的精神和范围。
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权利要求
一种包括基于高压质子交换膜的水电解器系统的产品，包括具有内部区域和水入口的外电极；联接在所述外电极的另一个部分内的气体出口；联接在所述内部区域内的中心电极，所述中心电极通过直流电源电联接到所述外部电极；在所述内部区域内围绕所述中心电极螺旋缠绕的膜电极组件，所述膜电极组件包括多个串联电联接的质子交换膜电池，所述多个质子交换膜电池的每个联接到质子交换膜，其中所述多个质子交换膜电池的最内部的一个可以电联接到所述中心电极，且所述多个质子交换膜电池的最外部的一个可以电联接到所述外电极；和围绕所述中心电极缠绕且联接到所述中心电极和所述外电极的非导体分隔件，所述非导体隔膜防止所述多个质子交换膜电池之间的电接触。
2. 根据权利要求1所述的产品，其中所述中心电极包括阴极电极且其中所述外电极包 括阳极电极。
3. 根据权利要求1所述的产品，其中所述中心电极包括阳极电极且其中所述外电极包 括阴极电极。
4. 根据权利要求1所述的产品，其中所述多个质子交换膜电池的每个包括阴极电极和 阳极电极。
5. 根据权利要求1所述的产品，其中所述内部部分通过金属丝网筛被分为第一内部部 分和第二内部部分，其中所述膜电极组件完全地包含在所述第一 内部部分内；禾口其中所述第二内部部分包括多个非传导球体。
6. 根据权利要求5所述的产品，其中所述气体出口包括氧气出口和氢气出口 。
7. 根据权利要求l所述的产品，进一步包括联接到所述水入口的用于控制水流入到所述内部部分内的止回阀，所述止回阀可从关 闭位置移动到打开位置；禾口用于测量所述内部部分内的水位的水位传感器，其中所述水位传感器联接到所述止回 阀且控制所述止回阀在所述打开位置和所述关闭位置之间的定位。
8. 根据权利要求1所述的产品，其中所述质子交换膜包括磺酸全氟化碳质子传导膜。
9. 根据权利要求1所述的产品，进一步包括联接到所述基于高压质子交换膜的水电解 器系统的燃料电池。
10. 根据权利要求1所述的产品，进一步包括电动车辆，所述电动车辆包括所述基于高 压质子交换膜的水电解器系统。
11. 根据权利要求1所述的产品，进一步包括电动车辆，所述电动车辆包括联接到权利 要求1所述的基于高压质子交换膜的水电解器系统的燃料电池。
12. —种用于基于高压质子交换膜的水电解器系统的螺旋缠绕膜电极组件，所述螺旋 缠绕膜电极组件包括质子交换膜；联接到所述质子交换膜的第一侧的第一质子交换膜电池，所述第一质子交换膜电池具 有阳极电极和阴极电极；联接到所述质子交换膜的第二侧且通过所述质子交换膜电联接到所述第一质子交换膜电池的第二质子交换膜电池，所述第二质子交换膜电池具有第二阳极电极和第二阴极电 极；其中所述质子交换膜的所述第一侧与所述质子交换膜的所述第二侧相反；禾口 联接到所述质子交换膜的所述第一侧且通过所述质子交换膜电联接到所述第二质子交换膜的第三质子交换膜电池，所述第三质子交换膜电池具有第三阳极电极和第三阴极电极；其中所述第三质子交换膜电池与所述第一质子交换膜电池沿所述第一侧以间隙分隔 开；和其中所述第三质子交换膜电池通过横过所述间隙的电线电联接到所述第一质子交换 膜电池。
13. —种用于从水生成氢气和氧气的方法，该方法包括(a) 形成基于高压质子交换膜的水电解器系统，该水电解器包括 具有内部区域的外电极； 联接在所述外电极的一部分内的水入口； 联接在所述外电极的另一个部分内的气体出口；联接在所述内部区域内的中心电极，所述中心电极通过直流电源电联接到所述外电极；在所述内部区域内围绕所述中心电极螺旋缠绕的膜电极组件，所述膜电极组件包括多 个串联电联接的质子交换膜电池，所述多个质子交换膜电池的每个联接到质子交换膜，其 中所述多个质子交换膜电池的最内部的一个可以电联接到所述中心电极，且所述多个质子 交换膜电池的最外部的一个可以电联接到所述外电极；禾口围绕所述中心电极缠绕且联接到所述中心电极和所述外电极的非导体分隔件，所述非 导体隔膜防止所述多个质子交换膜电池之间的电接触；(b) 将第一量的水从所述水入口引入到所述内部区域内；(c) 将所述直流电源激活，以提供跨接所述中心电极和所述外电极的电压，所述电压足 以导致所述第一量的水起反应，以产生第一量的氧气和第一量的氢气；禾口(d) 使所述第一量的氧气和所述第一量的氢气通过所述气体出口移除。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中所述中心电极包括阴极电极且其中所述外电极 包括阳极电极。
15. 根据权利要求13所述的方法，其中所述中心电极包括阳极电极且其中所述外电极 包括阴极电极。
16. 根据权利要求13所述的方法，进一步包括使用金属丝网筛将所述内部区域分为第一区域和第二区域，其中所述膜电极组件位于 所述第一区域内；禾口将多个非传导球体引入到所述第二区域内以帮助将所述第一量的氧气与所述第一量 的氢气分离。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中(d)使所述第一量的氧气和所述第一量的氢气 通过所述气体出口移除包括(d)通过氧气出口移除所述第一量的氧气；禾口(e)通过氢气出口移除所述第一量的氢气。
18. 根据权利要求17所述的方法，进一步包括将氢/氧界面传感器联接在所述第二区域的一部分内在所述氢出口和所述氧出口之间；确定所述第二区域内的氢气和氧气界面；禾口通过所述氧出口移除所述第一量的氧气的一部分，或通过所述氢出口移除所述第一量 的氢气的一部分，以维持所述氢气和氧气界面大致定心为所述氢/氧界面传感器。
19. 根据权利要求14所述的方法，进一步包括 确定所述内部区域内包含的水量；当所述确定的水量落在预定阈值以下时，将另外量的水引入到所述内部区域内。
20. —种电动车辆，包括基于高压质子交换膜的水电解器系统，该水电解器系统包括 具有内部区域的外电极； 联接在所述外电极的一部分内的水入口； 联接在所述外电极的另一个部分内的气体出口；联接在所述内部区域内的中心电极，所述中心电极通过直流电源电联接到所述外电极；在所述内部区域内围绕所述中心电极螺旋缠绕的膜电极组件，所述膜电极组件包括多 个串联电联接的质子交换膜电池，所述多个质子交换膜电池的每个联接到质子交换膜，其 中所述多个质子交换膜电池的最内部的一个可以电联接到所述中心电极，且其中所述多个 质子交换膜电池的最外部的一个可以电联接到所述外电极；禾口围绕所述中心电极缠绕且联接到所述中心电极和所述外电极的非导体分隔件，所述非 导体隔膜防止所述多个质子交换膜电池之间的电接触；通过所述气体出口流体联接到所述高压氢气生成器的燃料电池。
21. 根据权利要求20所述的电动车辆，其中所述中心电极包括阴极电极且其中所述外 电极包括阳极电极。
22. 根据权利要求20所述的电动车辆，其中所述中心电极包括阳极电极且其中所述外 电极包括阴极电极。
23. 根据权利要求20所述的电动车辆，其中所述多个质子交换膜电池的每个包括阴极 电极和阳极电极。
24. 根据权利要求20所述的电动车辆，其中使用金属丝网筛将所述内部区域分为第一 内部部分和第二内部部分，其中所述膜电极组件完全地包含在所述第一 内部部分内；禾口其中所述第二内部部分包括多个非传导球体。
25. 根据权利要求24所述的电动车辆，其中所述气体出口包括氧气出口和氢气出口， 所述氧气出口和氢气出口分开地联接到所述外电极且与所述第二内部部分流体连通。
26. 根据权利要求20所述的电动车辆，进一步包括联接到所述水入口用于控制水流入到所述内部部分内的止回阀，所述止回阀可从关闭 位置移动到打开位置；禾口用于测量所述内部部分内的水位的水位传感器，其中所述水位传感器联接到所述止回阀且控制所述止回阀在所述打开位置和所述关闭位置之间的定位。
27.根据权利要求20所述的电动车辆，其中所述质子交换膜包括磺酸全氟化碳质子传 导膜。
全文摘要
本发明涉及一种基于高压质子交换膜的水电解器系统，所述水电解器系统可以包括一系列质子交换膜(PEM)电池，所述质子交换膜(PEM)电池可以电联接到一起且联接到质子交换膜以形成螺旋缠绕在传导的中心柱上的膜电极组件(MEA)，其中MEA的最内侧PEM电池可以与传导的中心柱或中心电极电连接，且其中MEA的最外侧的PEM电池可以电联接到压力容器缸或外电极。每个PEM电池可以包括由PEM膜的部分分开的阳极部分和阴极部分。另外，不可渗透的分隔件层也可以围绕传导的中心柱螺旋缠绕且分开PEM芯的缠绕部分。
文档编号C25B9/10GK101724855SQ20091020639
公开日2010年6月9日 申请日期2009年10月15日 优先权日2008年10月15日
发明者D·B·欧威尔克尔克, N·A·凯利, T·L·吉布森 申请人:通用汽车环球科技运作公司