高压气体系统的制作方法

高压气体系统的制作方法
【专利摘要】除其他事项外，描述了一种用于电解水的装置。所述装置包括电解单元、高压腔室以及储存器，所述电解单元包括腔室、在所述腔室中的离子交换结构、阴极、阳极。所述腔室由所述离子交换结构分隔成第一隔室和第二隔室。所述阴极在所述第一隔室中，所述阳极在所述第二隔室中。所述储存器设置在所述高压腔室中，用于存储要被供给至所述电解单元的腔室的水。在一些实施方式中，所述离子交换结构是质子交换膜。
【专利说明】高压气体系统
【技术领域】
[0001]本申请涉及高压气体系统。
【背景技术】
[0002]氢气携带能量，并且可用来产生电力，例如在燃料电池中。可以以各种方式来生成氢气。例如，通过使用所谓的霍夫曼伏安计，水可以被电解成氧和氢。然而，为了有效地使用所产生的氢气，特别是用于离线使用，需要存储从霍夫曼伏安计所产生的氢气。例如，这样的离线使用用于在与产生氢气的时间/地方所不同的时间和/或位置。通常，为了存储氢气，希望以高密度将其存储。然而，以高密度存储氢气需要将气体压缩至高压，例如，高达几千磅每平方英寸(PSi)。为了实现所需的氢密度，多级压缩用于通过使用例如液压冲头以无油清洁的方式来提供高压压缩。

【发明内容】

[0003]描述的是压缩氢气的 高压电解装置/系统。氢气在电解装置/系统内被压缩，而无需显著的动力用于压缩。氢的压缩的示例性范围通常高达约10，000psi，例如在约l，800psi至2，400psi的范围内。其它范围也是可能的。除了压缩氢气，该装置还可以压缩氧气。一旦已经压缩气体，气体即可用于高压存储在罐中等。
[0004]使用此电解装置/系统避免需要任何外部压缩机，节约能源，否则的话在氢气被以高压存储之前需要能源来压缩氢气。压缩范围基于系统的应用或其他方面的考虑比如安全而被确定。用于形成所述电解装置/系统的各种材料的抗张强度被选择成使得该系统能够以一定的安全限度承受所需的压缩范围。本文描述的是用于产生并存储氢气的高压电解系统的实施例。所述高压电解系统包括一个或多个堆栈的基于硅的MEMS晶片，具有集成的控制，例如在晶片上。
[0005]根据一方面，一种用于电解水的装置包括电解单元，其包括腔室和在所述腔室中的离子交换结构，所述离子交换结构包括离子交换构件，其配置成将所述腔室分隔成第一隔室和第二隔室；阴极，其设置在所述离子交换构件的第一部分上并且位于所述第一隔室中；以及阳极，其设置在所述离子交换构件的第二不同部分上并且位于所述第二隔室中。所述装置还包括壳体，其至少部分地包围容纳产生于在所述离子交换结构中水的电解的氢气的高压腔室；以及储存器，其与所述电解单元的腔室流体连通，所述储存器设置在所述高压腔室中，并且所述储存器配置成存储被供给至所述电解单元的腔室的水。
[0006]所述装置可以包括以下特征中的一个或多个。
[0007]所述离子交换结构包括质子交换膜。所述壳体还配置成包围所述电解单元和储存器。所述离子交换结构是第一离子交换结构。所述装置还包括多个离子交换结构，其包括在所述腔室中的第一离子交换结构。所述装置还包括氢释放端口，其与所述第一隔室流体连通。所述装置还包括氧释放端口，其与所述第二隔室流体连通。所述装置还包括第二高压腔室，其容纳产生于在所述离子交换结构中水的电解的氧气，所述第二高压腔室与外部环境流体连通。所述装置还包括放泄阀，其设置在第二高压腔室中，以控制氧从所述第二高压腔室排出至外部环境。所述高压腔室与外部环境流体连通，并且与所述第一隔室流体隔离。所述高压腔室与外部环境流体连通，并且与所述第一隔室直接流体连通。
[0008]根据另一方面，一种用于电解水的装置包括电解单元，其包括多个基板。第一基板提供电解槽，所述第一基板形成腔室以及形成在所述第一基板中用于将水输送至所述腔室的通道；在第一腔室中的至少一个离子交换结构，所述离子交换结构包括离子交换构件，其配置成将所述腔室分隔成第一隔室和第二隔室，所述离子交换构件包括多孔基板；阴极，其设置在所述离子交换构件的第一部分上并且位于所述第一隔室中；以及阳极，其设置在所述离子交换构件的第二不同部分上并且位于所述第二隔室中。所述装置还包括壳体，其至少部分地包围容纳产生于在所述离子交换结构中水的电解的氢气的高压腔室，所述高压腔室与外部环境流体连通；以及储存器，其与所述电解单元的腔室流体连通，所述储存器设置在所述高压腔室中，并且所述储存器配置成存储被供给至所述电解单元的腔室的水。
[0009]所述装置可以包括以下特征中的一个或多个。
[0010]所述储存器在所述高压腔室中并且包括弹簧加载的囊。具有第二基板，其例如采用阳极结合至所述第一基板以创建气体通道。所述阴极和阳极可能是以枝晶的形式，所述基板的材料是硅或玻璃 或陶瓷。所述装置包括第一组通孔导体，其设置在所述第一基板中与所述阴极电接触；第二组通孔导体，其设置在所述第一基板中与所述阳极电接触。第一液体-气体分离器和第二液体-气体分离器由第二基板支承。所述第一液体-气体分离器与所述第一隔室流体连通，所述第二液体-气体分离器与所述第二隔室流体连通。附加单元每个包括离子交换结构，其形成为第一硅基板的组成部分；阴极以及阳极。所述腔室、所述单元的离子交换结构、以及所述通道通过蚀刻单晶硅晶片形成。所述离子交换结构是多孔的。所述单元串联、并联、或串联和并联组合地电连接。
[0011]根据另一方面，一种用于电解水的装置包括储存器，其用于存储水；腔室，其含有用于电解水的离子交换结构；以及壳体(压力容器)，其容纳所述储存器和硅基板。所述壳体包括气体释放口和气体返回口。所述装置还包括存储罐，其与所述气体释放口和气体返回口流体连通。所述腔室和离子交换结构整体形成在硅基板中。
[0012]所述装置可以包括以下特征中的一个或多个。
[0013]所述腔室、储存器以及存储罐中的内部压力为约2，OOOpsi至约5，OOOpsi。所述储存器内外的压力与所述壳体中的压力大致相同。弹簧设置在所述壳体与储存器之间。设置有传感器来感测所述腔室中的压力。所述装置包括一个或多个传感器，以感测所述腔室隔室的压力差。所述装置包括处理器，其接收来自所述传感器的信号。所述处理器配置成操作并控制所述装置。
[0014]根据另一方面，一种用于电解水的装置包括第一堆栈基板，其包括第一娃基板和第二硅基板。所述第一硅基板包括至少两个离子交换结构，其形成为在形成于所述第一硅基板中的腔室中的第一硅基板的组成部分，和气体通道，其形成在所述第一硅基板中。所述第二硅基板包括气体通道。所述第二硅基板具有采用阳极结合至所述第一硅基板的第一表面。所述第二硅基板中的气体通道与所述第一硅基板的气体通道流体连通。
[0015]所述装置还可以包括以下特征中的一个或多个。所述装置包括第二堆栈基板，其与所述第一堆栈基板相同。所述第二堆栈基板与第一堆栈基板采用阳极结合在一起。所述装置包括顶部堆栈基板和底部堆栈基板，所述顶部堆栈基板结合至所述第一或第二堆栈，所述顶部堆栈基板结合至所述顶部和底部堆栈基板中的另一个。
[0016]根据另一方面,一种用于电解水的装置包括堆栈，其包括第一娃基板、第二娃基板、第三基板以及第四基板。所述第一硅基板包括至少两个离子交换结构，其形成为在形成于所述第一硅基板中的腔室中的第一硅基板的组成部分，和气体通道，其形成在所述第一硅基板中。所述第二硅基板包括气体通道。所述第二硅基板具有采用阳极结合至所述第一硅基板的第一表面。所述第二硅基板中的气体通道与所述第一硅基板的气体通道流体连通。所述第三硅基板包括至少两个离子交换结构，其形成为在形成于所述第三硅基板中的腔室中的第三硅基板的组成部分，和气体通道，其形成在所述第三硅基板中。所述第二硅基板还具有采用阳极结合至所述第三硅基板的第二表面。所述第四硅基板包括气体通道。所述第四硅基板具有采用阳极结合至所述第三硅基板的第一表面。所述第四硅基板中的气体通道与所述第三硅基板的气体通道流体连通。
[0017]所述装置还可以包括以下特征中的一个或多个。
[0018]所述装置包括顶部堆栈基板和底部堆栈基板，所述顶部堆栈基板结合至所述第一或第二堆栈，所述顶部堆栈基板结合至所述顶部和底部堆栈基板中的另一个。
[0019]下面，结合附图及说明书，对本发明的一个或多个实施例的细节进行阐述。从说明书及附图中，以及从权利要求书中，本发明的其它特征、目的和优点将是显而易见的。
【专利附图】

【附图说明】
[0020]图1A和IB是 高压电解系统的框图。
[0021]图2A和2B是示出了用于高压电解系统的电解单元的框图。
[0022]图3是表示离子交换结构的框图。
[0023]图4A是电解堆栈的示意性剖视图。
[0024]图4B是电解堆栈的部件的示意性剖视图。
[0025]图5A-5C是电解槽基板的示意性底视图、剖视图及顶视图。
[0026]图6A-6B是气体通道基板的示意性顶视图和剖视图。
[0027]图7A-7B是顶部盖基板的示意性顶视图和剖视图。
[0028]图8A-8B是底部盖基板的示意性顶视图和剖视图。
[0029]图9A-9C是压力容器壳体中的电解堆栈的示意性剖视图。
[0030]图10是电解系统的单元(以块示出)的电气布线框图。
[0031]图11是用户与电解系统交互的框图。
[0032]图12是示出了电解系统的不同操作部件的框图。
【具体实施方式】
[0033]参照图1A，高压电解系统10包括电解槽12，其连接至一个或多个存储罐14、16，其中之一通过该存储槽14与电解槽12之间的气体导管回路18连接。通过使用阀或其它装置20，高压电解系统10与外部环境隔离。在电解过程中，电解槽12将水连续电解(分离)成氢(H2)和氧(O2)。随着氢气和氧气的积聚，高压电解系统10的内部压力增加，达到约500psi 至 10，OOOps1、约 I, OOOpsi 至 5，OOOps1、或者约 2，OOOpsi 和 / 或高达约 5，OOOpsi0作为示例，系统10可以配置成以所述约2000psi存储氢气。对于其他压力，系统10将是基本相同的，对配置成用于这样的其他压力等的阀等进行修改，这将在下面的讨论中变得显而易见。以高内部压力将氢气存储在存储罐中，无需外部压缩机装置来压缩气体。该罐具有其自身的阀(未示出)。通过不需大量能量来驱动压缩机压缩气体至升高的压力，除去压缩机装置提供的系统更加节能。
[0034]电解槽12、循环气体导管18以及存储罐20相连接(通过使用O形环、阀、或其他方法)，并且由可以承受将要遇到的高内部压力的材料制成。特别地，如将在下面进一步详细解释，在一些实施方式中，电解槽12包括一个或多个电解堆栈(未示出)，其由一个或多个硅晶片基板例如单晶硅形成，并且设置在可以承受高压的壳体22中(下面将结合图9A-9C对高压容器壳体22进行讨论)。替代材料包括玻璃、陶瓷和其他材料，它们具有相当的强度，是不导电的，并且被或可以被处理成多孔的。高压容器壳体22具有高的强度来以高压将气体包含在壳体内。各种材料都可以使用，前提是只要该材料对于特定压力具有所需的抗张强度等。
[0035]在电解之前，电解槽12容纳并存储来自外部水处理/存储装置24的水。在电解槽容纳水之后，输送水的端口被密封，例如通过阀或其他机构(未示出)。水存储装置24可以容纳来自例如家用供水系统的水，并且根据需要提供被动的水处理，包括化学或PH调节，或减少颗粒材料。在一些实施方式中，将来自家用供水系统的水提供给存储装置24并对其进行调节。例如，水首先经过微粒过滤以去除水中的小颗粒。微粒过滤可以包括多个步骤，并且可以去除尺寸大于I微米的颗粒。去除颗粒防止堵塞高压电解系统10的电解槽12中的微通道。可以进一步对水进行化学过滤。这去除不需要的化学物质，比如溶解的矿物质，例如盐等。另外，可以对过滤后的水的PH值调节至用于高效电解的值。在一些实施方式中，存储在水存储装置24中并且被提供给电解槽12的水具有家用供水系统的压力例如60psi或者家用供水系统所供给的其他压力。
[0036]将所产生的高压氢气和氧气分别通过分开的导管比如用于氢气的导管29a和用于氧气的导管29b从电解槽12输送至用于氢气和氧气中每个的一个或多个存储罐14、16。存储罐14、16都是标准的、可商购的高压气瓶。对于生产氢气用于燃料电池的应用来说，通常不存储氧气，而是将其排放，如下面所讨论。可以将来自存储罐14的氢气供给至氢气消耗装置，比如燃料电池。存储罐14与电解槽12之间的气体导管回路18容纳来自氢气释放口 28的氢气，以同时填充储存罐并且通过氢气返回口 30将氢气引回到压力容器壳体22中。导管回路18平衡电解堆栈的高内部压力和容器壳体22内电解堆栈外部的压力(下面将进一步讨论)。此外，压力调节器30用来减少存储罐14的高压，用于通过输出端口 32输送至燃料电池。
[0037]图1A中所示的系统10可以位于与氢气消耗装置相同的位置。在一些实施方式中，隔离阀20用于将电解堆栈(电解槽12)与H2存储罐14隔离。隔离阀的示例是额定压力的电控电磁阀。当足够量的氢气被产生并存储在存储罐14中时，存储罐14可以与电解槽12分隔开。存储罐14随后可以移动至任何所需的位置来将氢气供给至气体消耗装置(未示出)。可以藉由来自电网或来自其他来源例如太阳能或风能的电能促动高压电解系统10。所生成的H2气体表示可以在稍后时间使用的所存储的能量。
[0038]参照图2A，示出了连接至导管回路18的电解槽12的一个示例。电解槽12包括由水填充阀40控制的水输入通道39。当阀40打开时，水例如生活用水以约60psi的压力填充电解槽腔室42和储存器44。电解槽腔室42可以在水填充操作过程中通过O2导管53a和释放阀53被清除多余的气体。储存器44存储所需量的水。除了容量考虑之外，水的量取决于希望所产生的氢的量，例如约I升至约12升。额外量的水被引入电解槽12来填充该腔室及其导管。其它范围也是可能的，取决于具体要求及系统10的具体结构。在储存器44被完全填满之后，水填充阀40关闭。电解槽12包括离子交换结构45，其例如包括在电解槽室42中的质子交换膜46 (PEM)。膜46提供在该腔室中两个连接的隔室48a、48b。这些隔室在膜46的底部相连接，膜被配置成具有的长度比腔室42的高度更短。
[0039]虽然仅示出了一个离子交换结构45，但是电解槽12可以沿着所有的方向例如X、y、z方向包括多个离子交换结构45。这样的实施例的细节将在下面进一步讨论。为了便于讨论，电解槽12的电解槽单元43具有一个腔室，其被离子交换结构45上的PEM膜46分成两个相邻的隔室48a、48b。根据具体应用的需要，同一电解槽12的多个电解槽单元43可以共享同一储存器44、水填充阀40、水输入通道39，或者使用不同的储存器、阀或通道。 [0040]在图2A所示的示例中，水被填充到电解槽单元43的腔室42和储存器44中。多个这样的电解槽单元43通过单元即堆栈(示出了一个堆栈)之间的水填充孔50而被填充。电解槽单元43可以形成在一个基板例如硅晶片中，或者在多个堆栈的基板中，如将在下文详述。在一些实施方式中，一个基板内的单兀不具有分隔壁来分开相邻的单兀(例如，参见图4)(即，这些单元具有共享的腔室)。
[0041]离子交换结构45由多孔材料比如多孔硅制成，以允许离子例如质子穿过整个结构。离子交换结构45是不透气的，从而使氢气和氧气都不能穿过膜46。在一些实施方式中，离子交换结构中的孔很小例如是微孔或纳米孔，以防止气泡穿过离子交换结构。离子交换结构具有由离子交换结构45的孔中的箭头(未编号)所表示的水路径，以允许离子穿过整个结构。离子交换结构45足够得薄以减少路径中的离子抵抗，并且足够得厚以防止在整个结构上的过多气体扩散。整个结构上的显著气体扩散对应于电解效率的损失，因此这样的扩散应尽量减少。
[0042]在离子交换结构45的两个横向侧上，形成有金属例如钼或金层。一侧上的金属层45a连接至负极引线52用作阴极，另一金属层45b被形成并连接至正极引线54用作阳极。单兀12的每个隔室48a、48b与这些电极中的一个相关联。当在这两个金属层45a、45b之间施加电压差时，水在金属涂层的表面被电解，以在一隔室48a中的阴极产生氢,而在另一隔室48b中的阳极产生氧。
[0043]为了提高电解，金属涂层可能是以“枝晶形式”，以提供大的表面面积用于接触水。此外，金属还可以是一种或多种催化剂，以促进电解并且为反应中的电子提供电路径。在一些实施方式中，催化剂可以支承在电极中/上，或者电极可以由催化剂材料制成，其配置成支承大量的电流密度，而不会阻碍离子迁移通过离子交换结构。
[0044]所产生的氢气和氧气保持分离在电解腔室42的其各自隔室中，并且通过不同的气体通道被引至不同的气体腔室60、61和或罐用于存储或使用。液体-气体分离器56a、56b例如分离膜放置在每个通道与电解槽隔室48a、48b之间。这种分离器可渗透气体但不可渗透水，从而使气体即氢气和氧气穿透分离器进入各自的导管58a、58b，同时分离器阻止水进入导管58a、58b。可以使用若干类型的液体气体分离器。例如，可以使用具有处理成疏水性的控制尺寸的多孔硅。可替代地，可以插入一块塑料聚合物比如由等离子或蚀刻所处理的特氟纶来产生小尺寸的孔。在一些实施方式中，所述液体-气体分离器具有疏水性表面。氧气可以被释放，而不存储，例如在未打算使用氧气时。气体产生增加了储存器44、电解槽12以及存储罐14(参见图1A)内的压力。
[0045]在一些实施方式中，当通过连续电解水而产生气体时，系统的内部压力可以达到约2，OOOpsi至约5，OOOpsi或更高。储存器的内外压力是平衡的。通过导管回路18和氢气返回口 30(图1A)，所产生的氢气填充在储存器44上的氢腔室60。氢腔室60设置在容器壳体22与电解单元43之间，并且包含储存器44及其外壳68 (还可参见图9C)。氢腔室60通过储存器外壳68中的一个或多个端口 68a而与储存器44的外表面流体连通。在一些实施方式中，储存器44是可折叠的储存器，例如由橡胶材料制成的囊，从而使当水被消耗在电解槽腔室42中用于电解时，储存器44折叠以顺应水的容积变化，迫使更多的水进入腔室42中。同样地，氧腔室61设置成容纳产生于电解的氧气。氧腔室也是高压(例如，与氢腔室相同的压力)。控制O2释放阀，以根据腔室中所感测的压力来释放压力。因此，示出的各种压力传感器(如在图2A中由项目“S”所示)设置在各个腔室比如腔室60和61中来感测气体的压力，以及在储存器44中来感测水的压力。其他传感器(感测气体和/或水)可包括在装置10的各个部件中，比如在隔室48a、48b等中。这些传感器将通过导体等(未示出)的信号传播至控制器(图11)。
[0046]在图2A所示的示例中，弹簧70置于储存器壳体68与储存器44之间，以随着水被消耗向水施加压缩力来不 断地补充水至电解腔室42。还可以使用不同于图2A所示的单元。例如，储存器44和氢腔室42可以被不同地布置，例如以容纳具有不同尺寸的储存器44，用于存储所需量的水进行电解。弹簧压力是根据水以其被引入到电解槽12中的压力而被选择的。在一般情况下，由水所施加的压力将需要克服由弹簧施加至储存器44的力。
[0047]在一些实施方式中，图1A和2A中所示的系统的部件可替代地被配置。
[0048]下面参照图1B和2B，示出了可替代的布置。这种可替代的系统10”不包括用于将氢气供回到压力容器壳体中以平衡储存器的内外压力(如图1A和2A中所示)的图1A的导管回路18。可替代的系统10’包括结构上类似于电解槽12(图2A)的电解槽12’内的电解单元。在图2B中，隔室48a通过液体/气体分离器58a由导管而联接至高压氢腔室60。因此，来自电解的氢气直接填充H2腔室60，如图所示。
[0049]在图1A、1B、2A和2B中，通过控制氧气从O2释放阀53的排放来实现储存器内外压力的平衡。在O2腔室中的压力以这种方式平衡于H2腔室60。氢存储腔室60内的氢气通过氢释放口 28被进一步输送至氢存储罐16。在图1B和2B中的其他项目如用于图1A和IB的相应描述。
[0050]特别是，相比于在图1A和2A中所示的系统，去除了在电解单元的氢出口与压力容器上的氢释放口之间的容器壳体22内的导管。此外，氢清除口 80用于在隔离阀20关闭时减小在系统10的存储状态过程中例如很长一段时间压力容器壳体22和电解单元43内的压力。
[0051]下面参照图3，示出了电解槽12的电解单元内的离子交换结构45、阴极45a以及阳极45b的示例布置。一种或多种催化剂比如钼设置在多孔离子交换结构45上，以便于电解并为电子提供路径。此外，离子交换结构45可以涂覆有材料，例如通过硅的表面处理，以提供亲水性表面84来将水吸引到离子交换结构中并增强电解过程。阴极和阳极45a、45b可以以枝晶的形式，例如从离子交换结构上的金属芯分支突起以增加表面面积。在一些实施方式中，阴极可以以“枝晶钼”的形式，阳极可以以“枝晶”RuIrtl5Tatl5O2合金的形式。还可以使用其它合适的材料，比如两个电极是钼以及其他材料。在一些实施方式中，腔室中的水的PH值被调节为酸性，以提供有效的电解。
[0052]氢和氧隔室48a、48b由离子交换结构45分开，但不由其密封，因为在离子交换结构的底部有间隙。此间隙的作用是平衡在两个隔室中的压力，从而大幅度减少在整个离子交换结构上及之下的氢或氧的任何侧向流(交叉)。该间隙还提供了一种用于离子的额外路径。在使用时，大量的所产生的氢气和氧气单独地渗透各自的液体-气体分离器，而不会大量混合这两种气体。
[0053]参照图4A和4B，配置为电解堆栈(用于放置在高强度的压力容器壳体中来提供电解槽12)的电解单元43包括一个或多个(示出了两个)堆栈90，每个堆栈90包括粘结例如采用阳极结合91至气体通道基板94的电解槽基板92。每个电解槽基板92具有带有多个电解槽腔室48a、48b的多个电解槽单元43。当多个堆栈90沿y方向堆栈时，在一个堆栈基板中的电解槽基板的表面结合至在相邻堆栈基板中的气体通道基板的表面。电解堆栈还包括顶部盖基板96和底部盖基板98，其在相对端部上盖住电解堆栈90。电解槽基板、气体通道基板、顶部盖基板以及底部盖基板中的每个可以形成在单独的硅晶片例如单晶硅晶片中。通过使用阳极结合(或直接硅粘结)来粘结不同的基板。电解堆栈的材料、结构以及粘结可以承受高的内部压力，例如在电解槽腔室中或其它地方，高达约10，OOOpsi。
[0054]在图4A和4B所示的示例中，每个电解槽基板92结合至气体通道基板94，以形成单一的堆栈基板97。这些堆栈基板97中的一个或多个可堆栈在一起，以增加电解容量，然后采用顶部盖基板96和底部盖基板98盖上。其他堆栈基板92可以包括在顶部盖基板96与底部盖基板98之间(y方向)。其它基板可沿着垂直于纸面的方向(z方向)和/或沿着X方向堆栈。每个堆栈基板97包括电解槽腔室42，每个都具有由离子交换结构分离的所连接的隔室48a、48b。
[0055]水可以通过对齐的水通道101而被填充，该通道具有在顶部盖基板中的开口通向所有堆栈的电解槽基板中的腔室的所有隔室。氢气和氧气通过在气体通道基板97中的所指定的气体通道103从腔室流动(下面将详细讨论)。
[0056]下面参照图5A-5C，图4A和4B的电解槽基板92的电解槽腔室42和腔室隔室48a、48b通过蚀刻单晶硅晶片(未示出)而形成。如将会被理解的是，多个这样的电解槽腔室42可由硅晶片制造为模具。限定水通道、气体通道或其它通道/隔室的壁和离子交换结构被掩模，而晶片的其它部分通过蚀刻被去除。在一些实施方式中，附加的膜壁支承沿着膜(图5C)形成。离子交换结构可被进一步蚀刻以成为多孔的，例如通过使用常规的蚀刻技术。在一些实施方式中，离子交换结构被处理成亲水性的。此外，液体-气体分离器形成为疏水性多孔硅，例如通过蚀刻。
[0057]金属层即阳极和阴极可以通过使用沉积或者电镀技术沿着离子交换结构形成为连接的枝晶。在离子交换结构的基础上，通孔嵌在电解槽基板中，以将电子从离子交换结构的电极传递至用于布线电解系统的电气总线。这些通孔是通过使用半导体制造工艺而制成的且具有非常低的电阻。通孔沿着离子交换结构的表面大致均匀地分布。[0058]在图5A所示的示例中，不同离子交换结构的导电通孔110(且因此是电极)通过使用由导电材料例如金属形成的电连接112而被串联地连接。在这样的布置中，施加至电解槽的总电压可以大致均匀地被划分给每个单元(包含一个离子交换结构、阳极和阴极)。总电压可以根据所需的单元电压来选择。在一些实施方式中，每个单元的电压为约
1.4V-1.7V。这些单元还可以并联地电连接。在其他实施方式中，许多电解单元可以串联地电连接，多组串联连接的电解单元可以并联地连接。配置的示例在图10中示出。
[0059]在使用中，如前面所解释，氢气和氧气分别形成在离子交换结构的阴极侧和阳极侧上。所产生的气体沿着由图5B所示的箭头所指的方向流动。特别地，气体沿着离子交换结构向上流动进入形成于所述基板的开口 114中。开口 114通过气体通道基板被密封(例如参见图4及下面的图6B)，从而迫使气体穿过液体-气体分离器来将基板退出到气体通道基板中。H2通道116和O2通道118 (图5C)是垂直通道，从上到下穿过基板的堆栈并连接至堆栈中的每个电解槽基板。
[0060]参照图6A和6B，气体 通道基板94也形成在单晶硅晶片中，并且通过使用阳极结合而结合至电解槽基板(图5A-5C)。气体通道基板94包括氢气和氧气通道120、122，它们在结合至电解槽基板92时与电解槽基板92中的液体-气体分离器流体连通，以容纳来自电解槽基板92的所产生的气体。
[0061 ] 如图6A所示，在气体通道基板94的顶部表面上，形成有与氢气和氧气通道连通的扩展的氢气和氧气通道。从液体-气体分离器输送的气体(氢气和氧气)到达气体通道基板中相应的气体扩展通道(氢气通道和氧气通道)，并且扩散到(垂直的)气体通道中。扩展的氢气和氧气通道增加了气体输送通道的横截面面积，并且可以促进电解系统与存储罐之间的气体输送。
[0062]气体通道基板还包括导电通孔128，其在结合至电解槽基板时与电解槽基板中的通孔110电接触。一个或多个阳极总线132或阴极总线134形成在例如金属的气体通道基板上，以提供电解槽连接至外部电源。此外，气体通道基板包括水通道136，其在结合至电解槽基板时与电解槽中的水通道101流体连通。通过气体通道基板中的水通道而被填充至电解槽基板的水通道。示出的开口 129与基板92中的开口 119紧密配合。
[0063]参照图7A-7B，顶部盖基板96连接至最顶部堆栈基板(未示出)的气体通道基板(未示出)。顶部盖基板96支承储存器外壳142，其封闭例如通过硅橡胶气囊所提供的储存器144。壳体142可以通过形成金属层于顶部盖基板的外侧部分上和焊接金属构件到顶部盖基板上来提供。可替代地，所述外壳可以安装至氢气存储腔室中的高压容器壳体。储存器外壳142包括一个或多个端口 146,其保持外壳142内的压力与外壳142外的压力相同。
[0064]—个或多个弹簧148 (不出了三个)被放置在储存器144与储存器外壳142之间，以压缩水储存器并迫使水随着其在电解过程中被消耗在电解槽腔室42中而从囊中出去。弹簧力被选择成使得水可以从例如家用水源被填充到储存器中。例如，当水源是家用供水系统时，弹簧力被选择成使得将水填充到容器中的压力(例如，60psi的家用水压)可以克服弹簧力，以允许储存器通过顶部盖基板96中的一个或多个水通道152而被填充水。在电解过程中，储存器中的水通过顶部盖基板中的水通道被输送到电解槽室中。
[0065]另外，顶部盖基板还包括氢气通道154，其在结合至最顶部气体通道基板时与气体通道基板(图6A)中的氢气通道和扩展的氢气通道流体连通。氢气从在氢气出口端口 156的顶部盖基板96的氢气通道154流动至高压容器壳体(例如，参见图1A)中的氢气释放口
32。氢气释放口输送所产生的氢气用于存储和其他用途。
[0066]参照图8A-8B，底部盖基板98连接例如结合至电解单元43的最底部电解槽基板92，即在顶部盖基板96所结合至的电解槽92的相对表面上。当基板92和98粘结时，底部盖基板98中的氧气通道160与电解槽基板92中的氧气通道连通。当电解槽单元43设置在高压容器(稍后讨论)中时，来自电解槽基板92的氧气流经底部盖基板98，如由图8B中的箭头所示。MEMS(微机电)阀164调节氧气从容器壳体与电解堆栈(O2腔室)之间的空间通过氧气出口释放至外部环境。阀164关闭或打开来调节电解槽单元内的氧气压力，以使得氧气压力与氢气压力平衡来维持液体-气体分离器的正常功能及保护。
[0067]如前面所讨论(例如，采用图2A和3)，整个离子交换结构上氢气压力与氧气压力之间的差异保持成基本为零。例如，随着氢气压力增加(例如，因为产生)或减少(例如因为消耗)，氧的压力通过使用MEMS阀164以受控的方式排放氧气来调节。
[0068]参照图9A-9C，包括在图4A-4B、5A-5C、6A-6B、7A-7B和8A-8B中所描述的部件的电解槽单元密封在压力容器壳体22中。压力容器壳体22的横截面可以是任何的形状，例如矩形、椭圆形、圆柱形或圆形。所示的壳体为矩形。然而，圆形可能是优选的，因为它们往往能够比椭圆形更好地承受高压，而椭圆形往往又比矩形更好。容器壳体可以包括多个部分，例如栓接在一起的顶部壳体部分172和底部壳体部分174。容器壳体部分172和174被密封在一起，以将所产生的氢气和氧气与外部环境隔离。密封是由例如一个或多个O形环176或过盈配合的金属表面或者其它技术提供的。容器壳体22可以是金属的，并且连同O形环176 一起配置成承受高的内部压力，例如约2，OOOpsi至约5，OOOpsi，或者约2，200psi。在一些实施方式中，为 了安全，容器壳体22和O形环176可以承受两倍的电解系统10的操作压力。此外，电连接171，例如连接气体通道基板(例如，参见图6A)的电气总线和外部电源的引线，穿过容器壳体。
[0069]特别参照图9C，压力容器包括氢气释放口 180，其连接至在顶部盖基板96中的氢气出口 156,用于将氢气输送至存储罐；和氢气返回口 182,其与氢气释放口 180和顶部盖基板中的储存器44流体连通。特别是，氢气返回口 182采用具有与电解槽腔室(未示出)内的氢气相同的压力例如2，200psi的氢气填充容器与储存器(H2腔室)之间的氢气存储空间。氢气存储空间中的氢气通过外壳96中的端口 199进入储存器外壳96，并且平衡水储存器44内外的压力。可以使用储存器与H2存储空间之间的其它配置，例如以容纳所需尺寸的储存器用于存储所需量的水。
[0070]在压力容器底部壳体部分176与电解槽单元43之间，还有氧气存储空间(O2腔室)，其通过使用低压密封件而从氢气存储空间被密封。氧气存储空间中的氧气压力可被控制成与氢气存储空间中的氢气压力大致相同。
[0071]压力容器壳体22还包括水填充阀40和水填充口 200，并且还可以包括水清除阀和端口(未示出)。当水填充阀40打开时，水通过水填充口 200以约60psi的压力填充到水通道、储存器44以及电解槽单元43中。
[0072]返回参照图9B，容器壳体22还具有由氧气释放阀206所控制的氧气释放口 204。氧气存储空间中的氧气直接释放至外部环境。在一些实施方式中，所产生的氧气还可以以与用于氢气相类似的方式被存储，例如输送至氧气存储罐。与氢气一起使用所存储的氧气可以增加消耗气体来产生电力的燃料电池的效率。除了氢气返回口，其他端口即氢气释放口、氧气释放口以及水填充口与压力容器和电解堆栈之间的空间隔离。
[0073]可以根据产生氢气的速率和所需的最大工作压力确定电解堆栈12以及压力容器壳体22的大小。电解槽单元43的基板设置在被切成具有各种尺寸的模具的硅晶片中。
[0074]参照图10，在一示例中，353个电解单元(N)串联连接成一个组(G)和十个这样的组(G至G+9)并联连接。当源电流为20A时，源电压为600V且源功率为12KW。每个电解单元(N)具有所施加的约1.7V的电压，以便进行电解过程。单元(N)还可以在动态控制之下被布线，其允许系统重新配置成改变电输入功率，例如来自可再生能源比如风能或太阳能，或者随着系统的温度变化。
[0075]参照图11，用户可以通过用户接口(未示出)与电解系统10相互作用。可以使用各种类型的用户接口。例如，可以使用由控制器所产生的并且在显示器上所呈现的图形用户界面。
[0076]电解系统10包括控制器以及存储器和输入/输出端口。合适的控制器可以包括微控制器、处理器或其它类型的计算设备，并且可以包括计算机。传感器(在图2A中提及并且包括在所有实施例中)比如在氢气存储空间中的氢气压力传感器、在氧气存储空间中的氧气压力传感器以及在水储存器中的水压力传感器设置在电解系统10或10”中，以便于自动控制系统。在一些实施方式中，传感器由向电解槽腔室供电的相同外部电源促动。控制器自动地控制阀，例如隔离阀、水填充MEMS阀、氧气释放MEMS阀等，用于控制氢气和氧气的释放/输送。基于例 如传感器的输出，控制器自动地控制系统10。
[0077]电解系统10可以以天为基础重复工作，虽然其可以在较长的时间基础上操作(如果需要的话)。例如，系统在非高峰时间期间(深夜/清晨)运行六个小时，以电解约十一升水、将所产生的氢气置于罐中并释放氧气(虽然如果需要的话还可以将氧气放于罐中)。以例如约2，OOOpsi至约5，OOOpsi的高压存储氢气，而不需要在电解槽与存储罐之间的任何压缩机。所存储的氢气可用于PowerNode? Encite, LLC(例如,氢气/空气燃料电池)，以在用电高峰负荷期间向翌日提供电力。
[0078]参照图12，电解系统10可以以下面的方式进行操作。电解系统10填充有水。在说明性示例中，电解系统10填充有约十一升的处理水。电解系统10电解水以产生氢气和氧气。随着电解系统10电解水，该系统存储氢气(以及如果需要的话存储氧气)，且该系统一旦在所有的水已被电解时就进入休眠状态，并保持休眠直到氢气开始被使用。该系统保持在使用过程中在整个质子交换膜上的压力平衡。此外，当没有电源可用于电解系统10时，系统进入切断状态，并且等待直到电源再次可用，例如在非高峰时间(或者阳光或风返回)，以重新开始循环。
[0079]所述控制器实施在数字电子电路中或者在计算机硬件、固件、软件或它们的组合中。装置可以包括计算机程序产品，其有形地体现在计算机可读存储设备中，用于由可编程处理器执行。该控制器可以通过使用合适的处理器(例如包括通用和专用微处理器)来实现。一般来说，处理器将接收来自只读存储器和/或随机存取存储器的指令和数据。适于有形地体现计算机程序指令和数据的存储设备包括所有形式的存储器，例如包括半导体存储器设备，比如EPR0M、EEPR0M、RAM及闪存设备。此外，可以使用磁盘，比如内部硬盘和可移动盘；磁光盘；以及CDROM盘。前述中的任何可以由ASIC (特定用途集成电路)补充或并入其中。在一些实施方式中，执行环境可以包括操作系统。
【权利要求】
1.一种用于电解水的装置，所述装置包括: 电解单元，其包括: 腔室； 在所述腔室中的离子交换结构，所述离子交换结构包括: 离子交换构件，其配置成将所述腔室分隔成第一隔室和第二隔室； 阴极，其设置在所述离子交换构件的第一部分上并且位于所述第一隔室中；以及阳极，其设置在所述离子交换构件的第二不同部分并且位于所述第二隔室中；所述装置还包括: 壳体，其至少部分地包围容纳产生于在所述离子交换结构中水的电解的氢气的高压腔室；以及 储存器，其与所述电解单元的腔室流体连通，所述储存器设置在所述高压腔室中，并且所述储存器配置成存储被供给至所述电解单元的腔室的水。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述离子交换结构包括质子交换膜。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述壳体还配置成至少部分地包围所述电解单元和储存器。
4.根据权利要 求1所述的装置，其中，所述离子交换结构是第一离子交换结构，所述装置还包括: 多个离子交换结构，其包括在所述腔室中的第一离子交换结构。
5.根据权利要求1所述的装置，还包括: 氢释放端口，其与所述第一隔室流体连通。
6.根据权利要求1所述的装置，还包括: 氧释放端口，其与所述第二隔室流体连通。
7.根据权利要求1所述的装置，还包括: 第二高压腔室，其容纳产生于在所述离子交换结构中水的电解的氧气，所述第二高压腔室与外部环境流体连通。
8.根据权利要求7所述的装置，还包括: 放泄阀，其设置在第二高压腔室中，以控制氧从所述第二高压腔室排出至外部环境。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述高压腔室与外部环境流体连通，并且与所述第一隔室流体隔离。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述高压腔室与外部环境流体连通，并且与所述第一隔室直接流体连通。
11.一种用于电解水的装置，所述装置包括: 电解单元，其包括多个基板: 第一基板，其提供电解槽，所述第一基板形成腔室以及形成在所述第一基板中用于将水输送至所述腔室的通道； 在第一腔室中的至少一个离子交换结构，所述离子交换结构包括: 离子交换构件，其配置成将所述腔室分隔成第一隔室和第二隔室，所述离子交换构件包括多孔基板； 阴极，其设置在所述离子交换构件的第一部分上并且位于所述第一隔室中；以及阳极，其设置在所述离子交换构件的第二不同部分上并且位于所述第二隔室中；所述装置还包括: 壳体，其至少部分地包围容纳产生于在所述离子交换结构中水的电解的氢气的高压腔室，所述高压腔室与外部环境流体连通；以及 储存器，其与所述电解单元的腔室流体连通，所述储存器设置在所述高压腔室中，并且所述储存器配置成存储被供给至所述电解单元的腔室的水。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述储存器在所述高压腔室中并且包括弹簧加载的囊。
13.根据权利要求11所述的装置，还包括采用阳极结合至所述第一基板并覆盖所述腔室的第二基板。
14.根据权利要求11所述的装置，其中，所述阴极和阳极是以枝晶金属层的形式，所述基板的材料是硅或玻璃或陶瓷。
15.根据权利要求11所述的装置，还包括: 第一组通孔导体，其设置在所述第一基板中与所述阴极电接触；第二组通孔导体，其设置在所述第一基板中与所述阳极电接触。
16.根据权利要求13所述的装置，还包括: 第一液体-气体分离器，其由第二硅基板的一部分支承，所述第一液体-气体分离器与所述第一隔室流体连通；以及 第二液体-气体分离器，其由第二硅基板支承，所述第二液体-气体分离器与所述第二隔室流体连通。
17.根据权利要求11所述的装置，还包括 附加单元，每个包括: 离子交换结构，其形成为第一硅基板的组成部分；阴极以及阳极。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述腔室、所述单元的离子交换结构、以及所述通道设置在单结晶硅基板中。
19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述离子交换结构是多孔的。
20.根据权利要求17所述的装置，其中，所述附加单元串联、并联、或串联和并联配置组合地电连接。
21.一种用于电解水的装置，所述装置包括: 储存器，其用于存储水； 腔室，其含有用于电解水的离子交换结构，所述腔室和离子交换结构整体形成在硅基板中； 壳体，其容纳所述储存器和硅基板，所述壳体包括气体释放口和气体返回口 ；以及 存储罐，其与所述气体释放口和气体返回口流体连通。
22.根据权利要求21所述的装置，其中，所述腔室、储存器以及存储罐中的内部压力为约 2，OOOpsi 至约 5，OOOpsi。
23.根据权利要求21所述的装置，其中，所述储存器内外的压力与所述壳体中的压力大致相同。
24.根据权利要 求21所述的装置，还包括在所述壳体与储存器之间的弹簧。
25.根据权利要求21所述的装置，还包括一个或多个传感器，以感测所述腔室隔室的压力差。
26.根据权利要求25所述的装置，还包括处理器，其接收来自所述传感器的信号，且所述处理器配置成操作并控制所述装置。
27.一种用于电解水的装置，所述装置包括: 第一堆栈基板，其包括 第一硅基板，包括至少两个离子交换结构，其形成为在形成于所述第一硅基板中的腔室中的第一娃基板的组成部分，和气体通道，其形成在所述第一娃基板中；以及 第二硅基板，包括气体通道，所述第二硅基板具有采用阳极结合至所述第一硅基板的第一表面，并且所述第二硅基板中的气体通道与所述第一硅基板的气体通道流体连通。
28.根据权利要求27所述的装置，还包括第二堆栈基板，其与所述第一堆栈基板相同，所述第二堆栈基板与第一堆栈基板粘结。
29.根据权利要求27所述的装置，还包括顶部堆栈基板和底部堆栈基板，所述顶部堆栈基板结合至所述第一或第二堆栈，所述顶部堆栈基板结合至所述顶部和底部堆栈基板中的另一个。
30.一种用于电解水的装置，所述装置包括: 堆栈，其包括 第一硅基板，包括至少两个离子交换结构，其形成为在形成于所述第一硅基板中的腔室中的第一娃基板的组成部分，和气体通道，其形成在所述第一娃基板中； 第二硅基板，包括气体通道，所述第二硅基板具有采用阳极结合至所述第一硅基板的第一表面，所述第二硅基板中的气体通道与所述第一硅基板的气体通道流体连通； 第三硅基板，包括至少两个离子交换结构，其形成为在形成于所述第三硅基板中的腔室中的第三硅基板的组成部分，和气体通道，其形成在所述第三硅基板中，所述第二硅基板还具有采用阳极结合至所述第三硅基板的第二表面；以及 第四硅基板，包括气体通道，所述第四硅基板具有采用阳极结合至所述第三硅基板的第一表面，所述第四硅基板中的气体通道与所述第三硅基板的气体通道流体连通。
31.根据权利要求30所述的装置，还包括顶部堆栈基板和底部堆栈基板，所述顶部堆栈基板结合至所述第一或第二堆栈，所述顶部堆栈基板结合至所述顶部和底部堆栈基板中的另一个。
【文档编号】C02F1/461GK103974909SQ201280057205
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2012年9月21日 优先权日:2011年9月21日
【发明者】S.A.马什, D.M.帕克 申请人:恩赛特有限责任公司