电解器应用的反应物流动沟道的制作方法

文档序号:8515812阅读:271来源:国知局
电解器应用的反应物流动沟道的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请涉及并要求2012年10月10日提交的美国临时专利申请No. 61/712,010、 同样在2012年10月10日提交的美国临时专利申请No. 61/712, 236以及2013年3月15日 提交的美国临时专利申请No. 61 /801,532的优先权益,其中这些申请的公开通过全文引用 合并于此。本申请还涉及并要求2013年8月14日提交的国际申请NO.PCT/CA2013/050626 和同样在2013年8月14日提交的国际申请NO.PCT/CA2013/050627的优先权益,其中这些 申请的公开通过全文引用合并于此。
技术领域
[0003] 本发明总体上涉及电解器,具体地,涉及针对电解器的流体流动沟道和流动场、以 及合并了这种流体流动沟道和流动场的电解器和电解器堆(electrolyzerstacks)。
【背景技术】
[0004] 尽管许多电解器基于碱性(KOH)电解质,然而另一选择是将质子交换膜(PEM)用 作电解质。在PEM电解中,将水提供给阳极,并通过施加DC电压将其分为氧气、质子和电 子。质子通过聚合物电解质膜,并与阴极处的电子结合以便形成氢气;因此,如图1内的示 意图所示,在阳极产生氧气,在阴极产生氢气。重要的是将在对应电极表面处产生的氢气和 氧气保持为是分离的且不混合。电解过程实际上与在PEM燃料电池中的过程相反。PEM电 解器电池可以与PEM燃料电池的结构非常相似,其中在多孔电极对和流动场板之间夹有聚 合物膜。图2A示出了电解器单位电池(unitcell)的简化图,图2B示出了燃料电池单位 电池的简化图。PEM电解器使用的材料通常是不同的,这是由于出于腐蚀性原因,无法将通 常在燃料电池中用作催化剂载体、气体扩散层和流动场板的碳材料用在PEM电解器的氧气 侦L在PEM电解器中,通常使用金属成分(例如,钽、铌、钛、或利用这种金属制成的不锈钢) 来代替多孔层和流动场板。催化剂通常是铂或铂合金,设计为在存在液态水的情况下进行 操作。
[0005] 可以串联或并联多个电解器电池(为了得到合理堆电压的所需输出),以便形成 电解器堆。除了一个或多个电解器堆(包括端板(endplate)、总线板(busplate)和多分 支管(manifolds))以及其它系统组件之外,电解器系统通常包括电源、电压调节器、水净 化提供设备(包括循环水泵)、针对氢气和可选地氧气的水汽分隔器、热管理系统、控制仪 表、以及用于进行存储并随后分配所得气体的设备。
[0006] 可以将燃料电池系统与电解器系统相结合,使得可以将可再生能源用于对电解器 供电以产生可以被存储的氢气和氧气,然后接着用作燃料电池的反应物以产生电力。图3A 示出了这种组合的电解器/燃料电池系统。一直不断尝试研制可以被用作燃料电池和电解 器二者的单元化堆。这种设备可以被称作"可逆的燃料电池"或"单元化的可再生燃料电 池"(URFC)。PEMURFC堆在操作为将氢气用作燃料并将空气或氧气用作氧化剂的燃料电池 时传送电力,而当操作为电解电池时产生氢气和氧气。图3B示出了URFC系统。URFC的单 独电池和电池组件的设计应解决在每个操作模式期间出现的明显不同的操作条件。例如, 氧气/空气电极电势在不同模式下是非常不同的。在发热的燃料电池模式下,由于快速移 除所产生的热量和水,通常需要潮湿的气体反应物,而在电解模式中,由于快速移除在阳极 处所得的氧气和在阴极处所得的氢气,在一个电极处需要液态水作为反应物。设计支持PEM URFC的设备平衡(Thebalanceofplant)以便处理在燃料电池模式下产生的水、在燃料电 池中保持热平衡(当燃料电池产生电力时,通常使用散热板来去除过度热量)、传送清洁的 反应物并产生受调节的电力。URFC的设备平衡问题包括:设计热量管理系统(由于在电解 模式下的操作是略微吸热的)以及收集所产生的氢气和可选地氧气。
[0007] 在PEM电解器中,与液体反应物供应和气体产物移除相关的问题对于PEM燃料电 池领域中的技术人员而言是较为困难的,其中通常将氢气和气体氧化剂(例如,空气)分别 提供给阳极和阴极,并在阴极产生水。在PEM燃料电池中,通常通过形成在流动场板中的沟 道来向电极提供气体反应物。典型的反应物流体流动场板具有令反应物流在其中流动的至 少一个沟道。通常通过将多个面向开口的沟道布置在隔板的一面或双面上,来将流体流动 场与所述隔板相集成。所述面向开口的沟道面向对反应物进行电化学变换的电极。在单个 电池布置中,将隔板设置在阳极和阴极侧的每一个上。在堆中,双极板通常用在相邻电池之 间;这些双极板通常在所述板的两侧上具有流动场。所述板用作电流收集器并提供对电极 的结构支撑。
[0008]在阳极和阴极二者处使用的流动场可以对燃料电池性能具有重要影响,对PEM燃料电池的流动场设计的优化进行了许多工作。通常在燃料电池流动场中的反应物流动 沟道的横截面沿着它们的长度是恒定的。然而,美国专利6, 686, 082 (通过引用全文合并 于此)描述了一种燃料电池实施例,其中燃料电池沟道的横截面面积随流动方向线性减 小。对于将空气作为氧化剂进行操作的燃料电池,随着空气沿着阴极流动沟道流动,在空 气流中的氧气含量趋于枯竭且空气压力趋于降低,导致燃料电池的性能降低。美国专利 No. 7, 838, 169 (通过引用全文合并于此)描述了一种改善型的阴极流动场沟道,可以用于 沿着沟道实现基本恒定的氧气供应量。
[0009]尽管已经报道了电解器操作通常比燃料电池操作对流动场设计的改变更不敏感, 然而极少研宄流动场设计对PEM电解器的性能的影响。
[0010]已报道出(Hwang,CM.,等人.Abst. #1405HonoluluPRiME2012,The ElectrochemicalSociety)在PEMURFC中,针对在燃料电池模式下的操作的优选流动场设 计在电解模式下不能良好地工作,特别是在较高电流密度的情况下(氢气和氧气产生速率 较高的情况下)。研宄表明蛇形流动场适用于PEM燃料电池,这是由于蛇形流动场中的气 体流动具有较高速度和更大剪力,从而有效移除在沟道中产生的水。与此相反,在电解模式 下,较长的蛇形流动场沟道是不利的,这是由于所产生的气体(氢气和氧气)区域在沟道中 积累,阻止将水提供给电极,并限制反应物水的电化学氧化的速率。
[0011] 尽管优选用于燃料电池的流动场不必与优选用于电解器的流动场相同,然而申请 人发现沟道横截面面积沿着沟道长度(特别是在氧气电极处)改变的流动场可以在电解器 以及能够在燃料电池和电解器模式下都进行操作的URFC中提供多个优点。

【发明内容】

[0012] 用于由水产生氢气和氧气的电解器组合件包括一个或多个单位电池。单位电池各 自包括:膜电极组合件,包括夹在阳极和阴极之间的质子交换膜;阴极流动场板,与阴极相 邻;以及阳极流动场板,与阳极相邻。可选地,阴极流动场板其中形成有至少一个阴极沟道, 用于在电解器组合件操作期间运走在阴极处产生的氢气。阳极流动场板其中形成有至少一 个阳极沟道,用于在电解器组合件的操作期间引导水与阳极相接触。所述至少一个阳极沟 道的横截面沿着阳极沟道长度的至少一部分改变。例如,可以通过改变沟道宽度、沟道深度 和沟道形状中的至少一个,来改变阳极沟道横截面面积。在一些实施例中,沟道横截面面积 沿着阳极沟道的实质上整个长度而改变(诸如,通过改变宽度、深度或形状的尺寸)。
[0013] 在一些实施例
当前第1页1 2 
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1