用于电解槽的末端压力板的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于在高压下操作的电解槽堆和电解槽模块的末端压力板的设计。
【背景技术】
[0002]电解槽使用电力以通过电化学反应，即在与电解质接触的电极处发生的反应，使反应物化学品转变为所需产物化学品。由水和电力产生氢和氧的水电解槽是最常见类型的电解槽，其用于产生气态氢作为主要产物。最常见类型的商用水电解槽是碱性水电解槽(AWE)和聚合物电解质膜(PEM)水电解槽。
[0003]如本文所使用，术语“电池”、“电解电池”及其等同变型是指包括阴极半电池和阳极半电池的结构。
[0004]此外，而且如本文所使用，术语“电解槽电池”、“电解槽堆”、“堆”或其等同变型指代用于实际的(商业的)电解槽诸如包括多个电池的水电解槽的结构，其中该电池通常串联电连接(但是使用并联和/或串联连接的电池的设计也是已知的)，其中双极板物理上在相邻电池之间分离但在相邻电池之间提供电连通。术语“电解槽模块”指代电解槽堆和气体-液体分离空间在同一结构中的组合，所述结构通常是滤压式的。此外，本文所使用的术语“电解槽模块”指代碱性电解槽模块或PEM电解槽模块。我们先前在US8，308，917中公开了用于碱性水电解槽模块的设计，并在US 2011/0042228中公开了用于PEM水电解槽模块的设计，这两者都通过引用并入本文。
[0005]如本文所使用，术语“结构板”是指具有在相对端面之间延伸的侧壁的主体，其中具有半电池室开口，并且在电解槽模块的情况下，附加地具有至少一个脱气腔室开口，各开口延伸通过相对端面之间的结构板。通常使用一系列结构板构造电解槽堆或电解槽模块，以界定交替的阴极和阳极半电池腔室、液体流通道，并且在电解槽模块的情况下，界定至少一个脱气腔室、以及在一个或多个脱气腔室与对应的半电池腔室之间延伸的各个气体-液体流通道和各个经脱气液体流通道。结构板在相对末端压力板之间被布置成面对面并置，任选地，其中具有至少一个中间压力板沿电解槽堆或电解槽模块的长度穿插在结构板之间，以形成滤压式结构，其中结构板被堆叠在末端压力板之间的组件的内部中。结构板还将功能组件固持于其适当的空间位置和布置中，该功能组件可以包括例如阴极、阳极、分离器隔膜(separator membranes)、集电器和双极板。末端压力板提供滤压式结构的压缩并实现压力保持。
[0006]通常，电解槽模块和电解槽堆的预期操作压力介于大气压力和30巴之间，并且更典型地多达10巴，这取决于应用需求。旧式电解槽堆的设计利用钢结构板，其使能够在高压下的操作，例如30巴，但存在其它挑战，诸如非常高的重量、需要电绝缘以及腐蚀的可能。近代，“先进的”电解槽堆和电解槽模块设计利用由聚合材料制成的结构板，即使对于高输出容量单元，所述结构板也是电绝缘的、抗腐蚀的并且它们的轻量使得实现经预装配的封装样式(formats)。然而，即使是在“先进的”的设计中(即，设计方法借助板中非常低的应力来控制偏离)，通常情况下，末端压力板基本上也仍留有厚重的金属末端凸缘。这对于较小的容量单元可以是可容忍的，但对于较大的容量单元，特别是对于高压下的操作，由于末端压力板必须保持平坦而且不具有功能性的偏离，因此末端压力板变得过于厚重、极其沉重且非常昂贵。可以添加焊接组件以使末端压力板变硬并减轻偏离，但焊接组件进一步增加重量、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，“末端法兰”)、US 4，758，322 (特征 404、405，“盖子”)和US 2，075，688(特征28、29，“重的端板”)中描述了传统的厚重末端压力板。
[0007]US 2011/0024303公开了使用单个末端压力板的设计，其中使用移动压板，相对于提供经固定支撑的周围挤压结构而将该移动压板向一组电解槽板挤压，使得单个移动压板可以通过压缩部件将压缩力横向施加到经堆叠板，以压缩周围挤压结构的相对面之间的经堆叠板。该设计的缺点是(i)需要设计周围结构，用于特定数目或长度的经堆叠板；(ii)例如对于任意给定的操作压力和温度，通过压缩部件施加的压缩力的量是不确定的，并且需要检查在热和/或压力循环下施加的压缩力的量。该设计用于减轻相对薄的板的偏离的能力似乎值得怀疑，尤其是对于在较高压力下操作的具有大表面面积的电解槽。在可量测性和被动式、自调节方式方面，具有高度的固有设计鲁棒性将有利于实际操作。
[0008]因此，对于用于电解槽模块和电解槽堆(尤其是在较高压力下操作的大型电解槽模块和电解槽堆)的末端压力板来说，需要简单的、轻量的、有成本效益、自调节的和可量测的设计方法。
【发明内容】
[0009]用于电解槽堆或电解槽模块的末端压力板包括用于维持多个结构板的面上的均匀压力的负载转移板，以及用于支承从负载转移板转移的负载的背板。
[0010]电解槽模块包括多个结构板，其中的每个都具有在相对端面之间延伸的侧壁，其中具有半电池腔室开口和至少两个脱气腔室开口，各开口延伸通过相对端面之间的结构板。结构板在相对末端压力板之间被布置成面对面并置。每个半电池腔室开口至少部分地容纳电解半电池部件，所述电解半电池部件至少包括电极、与电极电连通的双极板以及与电极连通用以提供离子传导的膜。结构板和半电池部件界定顶上有至少一个脱气腔室的串联连接的电解电池的阵列。结构板至少当面对面并置时，界定用于电解槽模块内部的流体流动的通道。末端压力板包括用于维持结构板的面上的均匀压力的负载转移板以及用于支撑从负载转移板转移的负载的背板。
[0011]电解槽堆包括多个结构板，其中的每个都具有在相对端面之间延伸的侧壁，其中具有半电池腔室开口、至少两个集管流道开口和至少一个尾管流道开口，各开口延伸通过所述相对端面之间的结构板。结构板在相对末端压力板之间被布置成面对面并置。每个半电池腔室开口至少部分地容纳电解半电池部件，所述电解半电池部件至少包括电极、与电极电连通的双极板以及与电极连通用以提供离子传导的膜。结构板和半电池部件界定串联连接的电解池的阵列。结构板至少当面对面并置时，界定用于电化学电池堆内部的流体流动的通道。末端压力板包括用于维持多个结构板的面上的均匀压力的负载转移板以及用于支撑从负载转移板转移的负载的背板。
【附图说明】
[0012]下面参照附图来说明本发明的优选实施例，其中:
[0013]图1示出背板、负载转移板和导体板的布置和相对位置的末端压力板的分解图；
[0014]图2示出经装配的末端压力板的内侧朝向侧的正视图；
[0015]图3a和图3b分别示出负载转移板的实施例的外侧朝向面和内侧朝向面的正视图；
[0016]图4a和图4b分别不出背板的实施例的外侧朝向面和内部朝向面的正视图；
[0017]图5a和图5b分别示出负载转移板的另一实施例的外侧朝向面和内侧朝向面的正视图；
[0018]图6a和图6b分别不出背板的另一实施例的外侧朝向面和内侧朝向面的正视图；
[0019]图7示出背板、负载转移板和导体板以及用于附接电缆的接线片的布置和相对位置的末端压力板的侧截面；
[0020]图8是末端压力板的外部部分的侧视剖面图，其示出围绕负载转移板的外围在背板和负载转移板之间的预压缩间隙；
[0021]图9是根据本发明的的碱性电解槽模块的约一半的分解图；
[0022]图10是根据本发明的PEM电解槽模块的约一半的分解图；
[0023]图11a和图lib分别示出根据本发明的用于电解槽模块的阴极和阳极结构板的实施例的正面的正视图。
【具体实施方式】
[0024]在本发明中，如图1和图2所示，用于电解槽堆或电解槽模块的末端压力板100包括用于维持经堆叠结构板的面上的均匀压力的负载转移板1，以及用于支撑从负载转移板转移的负载的背板2。可选的导体板3提供与电解槽堆或电解槽模块的电化学电池部分的电连通。末端压力板用于电解槽堆或电解槽模块的任一末端处，以便连同拉杆压缩系统提供压缩和压力保持。该功能度的关键方面在于当对电解槽堆或电解槽模块的内侧加压时，末端压力板的平坦度。在前的方法使用了非常厚重的末端压力板和/或焊接组件，以防止在末端压力板的中心处的偏离。本发明控制偏离，但维持相对轻的重量且更好地优化材料的使用。
[0025]图3a与图3b以及图4a与图4b中不出优选实施例。图3a和图3b分别不出负载转移板1的内侧朝向面(即朝向内侧的面)和外侧朝向面(即朝向外侧的面)。负载转移板1的外侧朝向面(图3a)包括浅拱形表面4，该浅拱形表面4朝向与该拱形表面4相对的背板2的内侧朝向面，并与背板2的该内侧朝向面相接触。