专利名称：电解器设备和制氢方法
技术领域：
本发明涉及借助水的电解并且无需单独的压缩设施来生产压力高达10000psig或以上的高压氢气的电解器设备和方法。直接电解生成这样的高压氢气(和副产品氧气)是可以通过实践本发明来实现的。
背景技术：
电解制氢当然是公知的，如名为《制氢用的电解设备(ElectrolysisApparatus for Producing Hydrogen)》的美国专利5665211、名为《电解方法(Method of Electrolysis)》的美国专利6033549、名为《电解设备(Electrolysis Apparatus)》的美国专利6071386和名为《借助封包相对于加压水隔离的电解器(Electrolyzer Isolated by Encapsulationwith Respect to Pressurized Water)》的美国专利6153083。
使用液体电解质制氢的公知电解设施(有时在本文中称为“电解器”)是按照下述方式工作的。两个电极放在一池液体电解质(比如氢氧化钾(KOH)水溶液)中。可以使用大范围的氢氧化钾浓度，但是最好使用25％到28％质量浓度的KOH溶液。这两个电极通过分隔膜彼此分隔开，该分隔膜选择性地允许液体通过而不允许气体通过它。当跨越这两个电极施加电压(大约2伏)时，电流通过电极之间的电解质流动。在阴极生成氢气并且在阳极生成氧气。当所生成的气泡穿过液体电解质上升时，分隔膜保持氢气和氧气分隔开。在液体电解质上方有自由空间，该自由空间由两个分离的腔室构成或由通过气密隔板分离成两个分离部分而彼此隔离的两个部分构成，一个腔室或部分接收氢气，而另一个接收氧气。将这两种气体分别从自由空间的相应部分取出来，以进行储存或排放。
发明内容
总地来说，按照本发明，提供了一种电解设备和方法，直接从该设备产生加压氢气和副产品氧气，而不需要单独的加压步骤。电解设备，通常称为“电解器”，具有管状的阴极，在该阴极内设置了棒状的阳极，以在阳极和阴极之间限定出电解质腔。在阳极和阴极之间设置了管状的分隔膜，以将电解质腔分成阳极子腔和阴极子腔。按照具体的实施方式，阳极、分隔膜和阴极具有同轴结构，从而阳极子腔和阴极子腔是同心的环形结构。这两个电解质子腔分别与相应的气体/液体分离器气流连通，以提供隔离的氢气和氧气部分，两种产生的气体分开地从这两个部分取出。
具体来说，按照本发明，提供了一种用来对水进行电解的电解器电解槽，具有第一和第二相对端，并且包括下列组成部分。管状结构的阴极可与DC电源相连，并且限定了阴极有效内表面和阴极外表面。阳极能够与DC电源相连接，限定了阳极有效外表面，并且设置在阴极之内，以与阴极一起在阴极内表面和阳极外表面之间限定出环形电解质腔。管状结构的分隔膜设置在阴极和阳极之间的电解质腔之内，以将电解质腔分为阳极子腔和阴极子腔。该分隔膜用于对气体从中穿过的通路进行密封。第一和第二气密密封件，分别设置在电解槽的第一和第二相对端。放气连接管线与电解质腔气流连通，用于排出电解质腔中产生的电解槽气体。
按照本发明的另一个方面，放气连接管线的尺寸和结构设置成使阴极子腔中产生的气体与阳极子腔中产生的气体分开地排出。
按照本发明的另一个方面，阴极、分隔膜和阳极全部以相对于彼此同轴的方式设置，并且阴极内表面、阳极外表面和分隔膜的横截面各自具有圆形结构。
按照本发明的另一个方面，电解器电解槽此外还可以包括与阴极外表面分开并且围绕并接触阴极外表面的压力容器，按照另外一种可选方案，阴极本身可以构成压力容器。在任一种情况下，按照本发明的一个方面，压力容器能够容纳提高压力下的气体，该经过提高的压力为至少大约10psig。在某些情况下，经过提高的压力不大于大约10000psig，例如，不大于大约5000psig。
本发明的再另一个方面提供了，气密密封件至少之一包括阳极密封压环，与阳极的一端相邻地固定在阳极上；电绝缘套管，该电绝缘套管可以是杯形的，以限定出容纳阳极接纳压环的凹陷部分，该套管在阳极密封压环和所述阳极一端之间固定在阳极上，该套管与阳极密封压环相接合；和终端接头，与套管相接合，并且在阴极的一端上实现对阴极的气密密封。
本发明的另一个方面提供了一种电解器，包括多个如上所述的电解器电解槽；第一气流导管，以液流和气流连通方式连接在多个电解槽的相应阴极子腔和第一气体收集器之间；和第二气流导管，以液流和气流连通方式连接在多个电解槽的阳极子腔和第二气体收集器之间。
按照本发明的方法方面，提供了一种利用电解器对水进行电解以用水产生加压氢气和氧气的方法，该电解器包括一个或多个电解器电解槽。这些电解槽各自包括(i)管状结构的阴极，在该阴极内设置有棒状阳极，以在阴极和阳极之间限定出环形形状的电解质腔，(ii)管状结构的分隔膜，设置在阴极和阳极之间的电解质腔之内，以将电解质腔分为阳极子腔和阴极子腔，该分隔膜对气体从中穿过的通路进行密封。该方法包括下述步骤(a)将电解质的水溶液(例如，氢氧化钾水溶液)引入电解质腔的两个子腔中；(b)跨越电解槽的各个阳极和阴极施加DC电压降，以将水在阴极离解成氢气，在阳极离解成氧气；和(c)从一个或多个电解器电解槽中分开地取出氢气和氧气。
按照本发明的另一个方法方面，电解槽还包括压力容器并且以至少为大约10psig(例如，不大于大约10000psig或者不大于大约5000psig的压力)的提高压力产生氢气和氧气。
本发明的方法方面单独地或以适当的组合方式包括下述的一项或多项将从电解槽中取出的氢气和氧气之间的压力差保持在不大于大约0.25psig，优选地不大于大约0.2psig，并且更优选地不大于大约0.17psig。
将电解质和产品氢气输送到氢气分离器中，将电解质和副产品氧气输送到氧气分离器中，感测氢气和氧气分离器中各自的电解质液面高度，并且对液面高度进行控制，以将从电解槽中取出的氢气和氧气之间的压力差保持在不大于大约0.2psig。
电解质可以，但不必须是在连续工作中再循环通过电解器。
附图1是按照本发明的一种实施方式的气体发生电解槽的正视图；附图1A是附图1的气体发生电解槽的透视图，进行了局部截除；附图1B是表示包含在电解槽中的电解质的沿着附图1的线I-I截取的并且相对于附图1进行了放大的横截面图，为了提高图示的清晰度截断了电解质的主体；附图1C是与附图1B相应的视图，只是省略了与附图1B中所示相应的电解质的主体，表示按照本发明的第二实施方式的气体发生电解槽；附图1D是相对于附图1进行了放大并且沿着附图1中的线II-II截取的纵截面图；附图2是按照本发明的实施方式并且可用作附图1的气体发生电解槽的组成部分的密封件的相对于附图1进行了放大的纵截面图；附图3是表示按照本发明的一种实施方式并且包括附图1到附图1B所示的那种类型的气体发生电解槽的阵列的电解器设备的示意性作业图；和附图4是可用于附图3的电解器设备的一种实施方式中的液面高度传感器的示意性截面图。
具体实施例方式
参照附图1、1A和1B，给出了一种气体发生电解槽10，包括阴极12(也用作外部环境屏蔽罩)、分隔膜14(附图1B)和阳极16。阴极12具有内表面12a，阳极16具有外表面16a。表面12a和16a是暴露并且接触于包含在气体发生电解槽10的电解质腔15内的液体电解质18的有效电极表面。电解质腔15是由表面12a和16a之间的空间限定的。如附图1B所示，分隔膜14将电解质腔15分成包含电解质18的阳极部分18a的阳极子腔15a和包含电解质18的阴极部分18b的阴极子腔15b。可以看出，阳极16、阴极12和分隔膜14是以同轴方式构成的，管状的分隔膜14以同轴方式设置在管状的阴极12之内，并且棒状阳极16以同轴方式设置在分隔膜14之内。如附图1B所示，阴极12和分隔膜14在横截面内具有环形形状，从而为阳极子腔15a和阴极子腔15b赋予了相同的截面环形形状。阴极12与阳极分离并且借助密封件13在与高压相反的一端加以密封(附图1和1A)。气密密封件12b(附图1D)封闭了电解槽10的另一端。为了简化说明，气密密封件12b是以简化示意形式给出的；其结构类似于气密密封件13，除了如图1D所示，阳极16并没有穿过它凸出来，而是根本没有到达该气密密封件13。一对放气管线20和22穿过气密密封件12b凸出，以建立与气体发生电解槽10内部的液流和气流连通，这将在后面介绍。阴极12用作氢气发生电极，阳极16用作氧气发生电极。所图示的电解槽10的结构将液体电解质18分成了阳极电解质部分18a和阴极电解质部分18b。液体电解质可以是，容纳在电解质腔15中(即，在分隔膜14两侧的电极12、16之间)的例如质量百分比为25％到28％的KOH水溶液。按照这种形式形成的多个单独的气体发生电解槽可以组装成电解器中使用的阵列，这将在后面介绍。
在跨越阴极12和阳极16施加了直流(“DC”)压降(一般为大约从1.5到3伏，最好是大约2伏)的时候，在电解质腔15的阴极子腔15b内的阴极12处产生氢气，而在电解质腔15的阳极子腔15a内的阳极16处产生氧气。
阴极组件也可以(但非必须)用作电解电解槽的压力边界。就是说，按照某些实施方式，阴极也可以用作保护壳或压力容器，而按照其它一些实施方式，同轴设置的阳极、分隔膜和阴极可以全部包含在压力容器中，能够实现阴极以及阳极的薄壁结构。
对于在阴极还用作压力容器的情况下产生高压来说，阴极12的壁厚度T并且因此电解槽10的外径D受到期望产生的压力、制作阴极12的金属的材料属性(比如屈服强度和电导率)、以及限制上面提到的还可用作电解槽10的保护壳的阴极12的壁厚度的实际考虑的制约。对于符合氢脆变限制条件的便宜的钢或其它适当金属的管或管道材料来说，为了产生10000psig，对各电解槽的直径D有应用限制。这些应用限制是通过对阴极12的壁厚度T的应用限制而强制建立的，并且得到了从2到31/2英寸(大约5.1到8.9cm)的直径范围。一般来说，壁厚度T可以从大约1/4英寸变化到大约5/8英寸(大约0.64到1.59cm)。各电解槽10的长度L是通过期望气体发生速率、发生压力和环状流间隙确定的。典型地，电解槽10的长度L为从大约2英尺到大约6英尺(大约0.61到1.83米)。在附图1B中借助径向尺寸线gc(阴极环状流间隙)和ga(阳极环状流间隙)示出了环状流间隙。阴极环状流间隙gc的典型尺寸为大约3/16到3/8英寸(大约0.48到0.96cm)，而阳极环状流间隙ga的尺寸为大约1/8到1/4英寸(大约0.32到0.64cm)。
使用了附图1D中所示的简单结构来将各电解槽10内跨越分隔膜14的压力平衡保持在2英寸水柱之内(小于0.1psig)。保持这一压力平衡能够保持产品(氢气)的纯度，因为在超过几个英寸水柱的压力差下，分隔膜14无法密封住气体泄漏。气密密封件12b具有位于其内侧面上的圆形凸缘11，其中形成有槽(未加附图标记)，分隔膜14的端部容纳在该槽中，以实现阴极自由空间19a和阳极自由空间19b之间的气密密封。在密封件13(附图1和1A)的内侧面上可以或可以不提供类似的带槽凸缘结构来密封分隔膜14的相反端。
放气管线20从电解槽10中液体电解质18的阴极电解质部分18b的液面l上方的阴极自由空间19a中向外输送氢气。放气管线22从电解槽10中液体电解质18的阳极电解质部分18a的液面l’上方的阳极自由空间19b中向外输送氧气。各个氢气和氧气自由空间是通过气密隔断结构(未示出)彼此隔绝的。
附图1C表示本发明的第二实施方式，其中与附图1B的实施方式相同或相似的部分采用比附图1B中使用的附图标记大100的附图标记进行标注。除了所指出的单独一处不同之外，附图1C的电解槽110的部分及其功能均与附图1B的实施方式的相应部分相同，因此不再重复介绍它们的结构与功能。在电解槽110中，没有将阴极112设计成用于抵抗电解槽110的工作压力，因此提供了与阴极112的外表面(未加附图标记)分开但围绕并接触该外表面的压力容器113。压力容器113具有包住电解槽110的第一和第二端的端部(未示出)，以为电解槽110提供有效的压力容器。
图示的电解槽10的结构能够为阴极和阳极实现电极面积的最佳化。因为阴极的(氢气的)气体发生速率是阳极的(氧气的)气体发生速率两倍，阴极内表面12a和阳极外表面16a各自的表面面积在理想情况下应当具有同样的2∶1的比率，或至少接近这个比率，以便使给定尺寸的电解槽具有最大的气体发生速率。气体发生速率通常是由给定材料和表面条件的阴极的表面12a的面积决定的。在现有的平板电极结构中，阳极和阴极具有相同的表面积，有浪费的过多的阳极表面积。与此不同，按照本发明的同轴结构，阳极的直径小于阴极在其内表面12a上测得的直径。因此阳极(外)表面积小于阴极的内表面积。阳极(外)表面和阴极内表面是与液体电解质相接触的表面，并且因此构成了有效电极表面。可以建立相应的电极直径和环状流间隙，以造成阴极与阳极有效表面积比接近或等于最佳的2比1的值。
通常，附图1B的分隔膜14和附图1C的分隔膜114将这样确定尺寸和构成使得子腔15b和115b的容积为它们各自相关的子腔15a和115a的容积的大约两倍。各电解槽10是通过在阳极16和由阴极12提供的保护壳之间、在后者的各端处设置密封件来加以密封的。该密封件必须实现阳极和阴极之间的低压(～2伏)电绝缘，并且对电解槽10进行密封，防止在电解槽中的内部压力达到大约10000psig或更高的情况下发生液体泄漏。附图2是一种简单而有效的密封设计的图解说明。
密封件13包括四个基本组成部分。阳极密封压环24是由金属制成的，并且焊接在阳极16的适当位置上，以使其与阴极12(附图1)的下端对准。压环24另外也可以通过用加大直径的杆来机加工阳极16来制成，以致使得压环24和阳极16成为一体、单一的结构。在密封压环24的底端面(未加附图标记)内加工出O形环槽24a，以容纳O形环24b。电绝缘套管26具有杯子形状，并且是由介电材料制成的，以提供供阳极16穿过的电绝缘件。套管26是由非导电材料制成的，并且具有围绕其外周形成的O形环槽(未加附图标记)，以容纳O形环26a。高压终端接头28是由金属制成的，并且提供供阳极穿过且借助螺纹或焊接来密封阴极12的下端的终端件。终端接头28的外径可以带有螺纹，以提供与设置在由阴极12实现的保护壳壁的内表面12a(附图1B)两端上的内径螺纹(未示出)相配合的外螺纹28a。该终端接头可以焊接到阴极的下端上。另一种结构形成了抵抗阴极12中产生的高气体压力的密封件。
电绝缘衬套30具有穿过它延伸的衬套孔33，并且该电绝缘衬套30设置在穿过高压终端接头28延伸的终端接头孔(未加附图标记)内。阳极16容纳在衬套孔33内。这样，电绝缘衬套30起到了保持阴极12内的受压区域之外的阳极16和阴极12之间的电绝缘的作用。衬套30还具有使螺母32电绝缘的终端凸缘30a，螺母32在形成在阳极16的终端上或附近的螺纹17处旋拧到阳极16上，并且用于预加载和将整个组件保持在一起。垫圈34夹在螺母32和终端凸缘30a之间。
应当意识到，各种组成部分，即，阳极密封压环24、电绝缘套管26和终端接头28是这样确定尺寸和构成的使得阳极16定位并保持在阴极12和阳极16之间限定的电解质腔15的中央(附图1B)。类似地提供了使分隔膜14定位和保持在相对于阳极16和阴极12同心的适当位置上的结构。这可以通过一个或多个适当的定位件来实现，这些定位件是这样确定尺寸和构成的将分隔膜定位和保持在适当的位置上。
现在参照附图3，电解器设备36包括独立电解槽10的阵列38，按照所示的实施方式，由DC发电机40提供的电源跨越每个电解槽10施加电位。从DC发电机40到电解槽10的电线是由电线42a和42b示意性示出的。通过适当设定各个电解槽10的尺寸和选择与公共集管系统相连的这些电解槽的适当数量(将在后面介绍)，可以获得电解器设备36的给定制氢量。在使用中，通过利用上面介绍的电解设备以提高到10000磅每平方英寸(表压)(“psig”)的压力(例如，从大约0到大约10000psig的压力范围)制氢(和氧气副产品)从而实现制氢(带有氧气副产品)的方法。这一压力范围的上端(从大约5000到10000psig)唯一很好地适于直接提供用于存储在氢基燃料电池供电汽车或其它自驱动运输设备、或者便携或固定装置的高压存储容器中的氢燃料。当然可以使用大约0到大约10000psig之间的任何压力范围。这些中间范围的代表性范围是高于3000psig的压力，例如，从大约3000psig以上到大约10000psig；从大约3500psig到大约8000psig；和从大约3500psig到大约10000psig。以高于10000psig的压力产生氢气按照本发明的某些方面是可行的，只要提供能够支持这样的高压的压力容器和相关器材对预期应用来说在经济上是实用的即可。
由补水泵48从水处理和存储区46向电解质储存器44供应补充水，以便补充通过电解离解的水，以提供产品氢气和氧气。电解质是从电介质储存器44取得的，并且由供给管线45输送给电解质补充泵50，电解质经过电解质供给管线51从这个电解质补充泵50到达电解质集管52，该电解质集管通过电解质供给管线54将电解质液体供应给各个电解槽10。
在电解槽10中产生的氢气和一些电解质18(附图1B)通过放气管线20和氢气集管线21排出到氢气分离器56，在这里将液体电解质18(附图1B)从氢气中分离出来。来自氢气分离器56的氢气产品通过氢气排放管线60流动，并且能够自由地流过单向阀62并且进入氢气储存罐63，或者进行使用或作进一步处理。分离出来的电解质提供氢气分离器56中的液封。随着氢气不断供应给固定容积的储存罐63，氢气的压力将会持续升高。类似地，氧气和液体电解质18通过放气管线22排出电解槽10，该放气管线22对氧气集管线23进行供给。氧气和液体电解质18经过管线23流到氧气分离器64，在该氧气分离器中，从氧气中分离出液体电解质。分离出的氧气经过氧气排放管线68以受氧气压力调节器70控制的速率流到氧气储存罐(未示出)或者放掉或加以使用或作进一步处理。分离出来的电解质提供了氧气分离器64中的液封。对氧气的流动速率加以控制，以保持分离器64中的液面高度等于分离器56中的液面高度。通过将分离器64中的压力保持得与分离器56中的压力相等，也能够实现相同的操作功能。这使得各电解槽10能够以浸满状态进行工作，带有穿过从各个电解槽通向分离器56、64和公共储存器44的放气管线20、22的生成气泡。在这样的工作模式下，在附图3中所示的设备内，附图1D中所示的电解质18的液面1、1’得以保持在更高的高度。在这种情况下，电解质18浸满了电解槽10、放气管线20和22、氢气集管线21和氧气集管线23，在这种情况下，电解质表面高度处于附图4中所示的高度l上。
分离器56和64的截面尺寸是这样确定的使其起到防止或大大降低电解质带出和氢氧化钾损耗的作用。补充氢氧化钾可以根据需要加入到该系统中，例如，在定期维护的停机期间人工加入。此外，从氧气分离器出来的氧气连接到电解质储存器中液体上方的气体空间，以将储存器压力保持得与电解槽压力相近。这使得电解质供应泵能够作为低压差循环器工作。只有当储存器中的液面传感器(未示出)表明需要补充储存器液体的时候才向电解质储存器加入补充水。
单向阀62使得在电解槽10中的氢气压力超过管线60中(例如氢气储存罐63中)的氢气压力时，氢气产品气体能够通过管线60流到储存罐63中或者作进一步处理或使用。压力传感器(未示出)用于当氢气储存罐63中达到了最大设计压力的时候自动切断电解器设备36的电流。
氢气分离器56中的液面高度是通过简单的液面感测装置检测到的，如附图4中所示，该液面感测装置安装在氢气分离器56上。液面感测装置72包括一对(或多个)电绝缘探针74、76，这些探针以分别在探针顶端74a和76a处限定出分离器56中的液体电解质18的最大和最小期望液面高度l的长度伸入分离器56中。电绝缘密封件基本上具有与前面介绍的阴极/阳极密封件13(附图1和1A)相同的设计。低压电源78(典型地，小于大约1.5伏)通过电线80、82连接到探针74、76上，并且通过电接地线84在分离器56上接地。检查探针74、76和分离器56外壳之间的电气连接。如果电解质液面降低到下液面高度以下，即，没有发现任一个探针连接，则电解质供应泵50启动，并且将电解质送向这些电解槽。当在两个电极74和76上都检测到了电气连接时，电解质达到了最大高度，并且电解质供应泵50停止工作，并且不再有电解质被输送到这些电解槽。如果导电电解质基于两个探针长度之间，即，仅在一个探针上发现了连接，则补水泵48的状态保持不变，不管是开还是关，直到上面提到的状态之一得到满足。
可以通过两种方式之一很容易地控制氧气的流量，来使分离器之间的压力差(并且因此跨越分隔膜的压力差)最小压差感测或液面高度感测。
在压差感测技术中，来自氧气分离器64的流量是通过气动压力调节阀70得到控制的。在这种情况下，阀70的致动器隔膜(未示出)利用管线(未示出)连接，从而感测氧气分离器64和氢气分离器56中的气体之间的压力差，并且该阀70的致动器隔膜打开以使氧气分离器64的气体空间开通，从而保持设定的压力差。这个压力差设置在零附近，例如，大约0.17到0.2psig的压力差，从而使得压力平衡内在地保持两个分离器56、64内的液面高度稳定并且相等地处于差异压力设置之内。
在直接液面高度感测技术中，在氧气分离器64内的装置72上安装与附图4中的液面高度传感器相同的液面高度传感器。在这种情况下，调节氧气分离器64的气体流量的阀70在高和低(或开和关)设置之间循环。这个简单的液面控制方案对于电解槽10的工作来讲是令人满意的。阀70的设置是由分离器64中的液体电解质高度按照如下方式确定的。当阀70处于其高流量设置并且氧气分离器64中的液面高度升高并且达到了高液面高度接触(类似于附图4的探针顶端74a)时，由合适的电子控制装置(未示出)将阀70切换到其低流量位置。当阀70处于其低流量设置并且所述液面高度降低并且达到了低液面高度接触(类似于附图4的探针顶端76a)时，由所述控制装置将阀70切换到其高流量位置。
按照本发明的不同实施方式，电解质在连续再循环操作中循环。这个连续操作实施方式能够使得高压氢气的产生具有增大给定电解槽的长度的可能，并且因此具有增大生产速率的可能。在到目前为止所介绍的成批模式实施方式中，各个电解槽的长度受到电解槽尺寸(流体间隙)、气体体积产生速率和气泡上升速率的组合的限制。按照本发明的连续再循环实施方式，使电解质以适当的速率穿过电解槽向上流通，将会通过夹带来增大气泡上升速率，并且使得具有类似尺寸的电解槽具有更长的阳极和阴极长度。为了实现这种再循环手段，将会通过增加用于使电解质从分离器56和64返回到电解质储存器(附图3中的单元44)的返回路径来改变分离器储存器(附图3中的单元56和64)。对于电解质流通连续再循环实施方式，用于成批(batch)模式实施方式的附图3中示意性表示的设备和上面介绍的基本控制系统绝大部分保持不变。
本发明提供了至少下述优于现有技术的优点。
1.同轴阳极/阴极结构允许在阴极12提供的保护壳中以传统材料的实际壁厚度实现非常高压力的氢气发生。本发明的价值能够利用先进的压力保持材料(比如复合结构)进一步得到提高，这种材料能够制作在提高的压力下的尺寸更大的独立电解槽。同轴结构还能够实现阳极16和阴极12的表面积的最优化，如上面所述。
2.氢气和氧气生产侧中的每一侧均使用了独立的气体/液体分离器(比如分离器56，64)。这使得多个气体发生电解槽10能够连接到共用的气体/液体分离容器(例如56，64)上，并且能够实现对液体电解质液面高度控制系统的利用。
3.对阳极16进入气体发生电解槽10的入口的新颖的、低成本的压力密封设计能够以可接受的成本使得高压和电绝缘要求得到满足。
4.本发明提供了一种用于在制氢期间被忽略了的操作的简单且便宜的控制策略，包括液体电解质的液面高度的自动控制，或者分离器(56和64)之间的压差的控制和所产生的氢气和氧气的释放，从而得到高纯度的气体产品。
本发明的设备和方法实现高达或甚至超过10000psig的压力下的制氢(和氧)的能力超过了以前已经报道过的可通过现有已知电解器获得的大约3000spig的最高直接产生压力。本发明的设备和方法能够产生这样的高压氢气，而不需要独立的压缩机来对产品氢气加压。产生10000psig的氢气是对应于随车存储、以可接受的体积重量比为燃料电池供能或内燃机供能的车辆供应压缩氢气的关键所在，产生了与汽油供能的车辆相同的单罐驱动范围。本发明使得高压氢气制备能够以减少组成部分成本和系统复杂性的独特方式实现，从而使得该器材可以轻松地为通勤车辆家庭燃料使用或者少量快捷燃料应用的个人所负担。本发明可改变成任何给定的生产能力，并且对于向燃料电池供能车辆和器材发放氢气的服务站型应用也是非常实用的。
本发明的设备和方法可以用来在对应于诸如氢气燃料电池供能汽车的服务站，通过高压筒来零售氢气燃料的服务站、五金/装修商店和的本地能源分配器，和对应现场能量存储的住所、工厂和办公楼之类的场所当场生成氢气，和/或在燃料电池或基于便携式能量源的内燃机或家用、花园或其它器具中使用。
已经参照本发明的具体实施方式
详细介绍了本发明，但是本领域的技术人员将会意识到，本发明可以在其它实施方式中得到利用。从说明书中大幅地省略了诸如压力感测和流量感测装置之类的传统的已知装置和操作阀门和泵的控制，因为这样的装置和它们的应用在本领域中是公知的。
权利要求
1.一种用来对水进行电解的电解器电解槽，具有第一和第二相对端并且包括管状结构的阴极，该阴极可与DC电源相连，并且限定了阴极有效内表面和阴极外表面；阳极，能够与DC电源相连接，限定了阳极有效外表面，并且设置在阴极之内，以与阴极一起限定出环形电解质腔，该环形电解质腔设置在阴极内表面和阳极外表面之间；管状结构的分隔膜，设置在阴极和阳极之间的电解质腔内，以将电解质腔分为阳极子腔和阴极子腔，该分隔膜对气体从中穿过的通路进行密封；第一和第二气密密封件，分别设置在电解槽的第一和第二相对端；和放气连接管线，与电解质腔气流连通，用于排出在电解质腔中产生的电解槽气体。
2.按照权利要求1所述的电解器电解槽，其特征在于，放气连接管线的尺寸和结构设置成使阴极子腔中产生的气体与阳极子腔中产生的气体分开地排出。
3.按照权利要求1所述的电解器电解槽，其特征在于，阴极、分隔膜和阳极全部是相对于彼此同轴的方式设置，并且阴极内表面、阳极外表面和分隔膜的横截面各自具有圆形结构。
4.按照权利要求1、2或3所述的电解器电解槽，其特征在于，阴极内表面与阳极外表面的比为大约2∶1。
5.按照权利要求1、2或3所述的电解器电解槽，其特征在于，阴极子腔与阳极子腔的容积比为大约2∶1。
6.按照权利要求1所述的电解器电解槽，其特征在于，电解槽还包括与阴极外表面分开并且围绕并接触阴极外表面的压力容器。
7.按照权利要求1所述的电解器电解槽，其特征在于，阴极本身构成压力容器。
8.按照权利要求6或7所述的电解器电解槽，其特征在于，压力容器能够容纳提高压力下的气体，该经过提高的压力为至少大约10psig并且不大于大约10000psig。
9.按照权利要求1、2或3所述的电解器电解槽，其特征在于，气密密封件至少之一包括阳极密封压环，在阳极一端附近固定在阳极上；电绝缘套管，在阳极密封压环和所述阳极一端之间固定在阳极上，该套管与阳极密封压环相接合；和终端接头，与所述套管接合，并且在阴极一端上实现对阴极的气密密封。
10.按照权利要求9所述的电解器电解槽，其特征在于，电绝缘套管是杯形的，用于限定出容纳阳极接纳压环的凹陷部分；终端接头具有穿过该终端接头延伸的纵向孔，并且电绝缘套管和所述阳极一端容纳在所述纵向孔中并且固定在终端接头上。
11.一种电解器，包括(a)多个电解器电解槽，具有各自的第一和第二相对端，各电解槽包括(i)管状结构的阴极，该阴极可与DC电源相连，并且限定了阴极有效内表面和阴极外表面；(ii)阳极，能够与DC电源相连接，限定了阳极有效外表面，并且设置在阴极之内，以与阴极一起限定出环形电解质腔，该环形电解质腔设置在阴极内表面和阳极外表面之间；(iii)管状结构的分隔膜，设置在阴极和阳极之间，以将电解质腔分为阳极子腔和阴极子腔，该分隔膜对气体从中穿过的通路进行密封；(iv)第一和第二气密密封件，分别设置在电解槽的第一和第二相对端；和(v)放气连接管线，用于排出在电解质腔中产生的电解槽气体；(b)第一气流导管，以气流连通方式连接在各个阴极子腔和第一气体收集器之间；和(c)第二气流导管，以气流连通方式连接在阳极子腔和第二气体收集器之间。
12.按照权利要求11所述的电解器，其特征在于，还包括位于各个电解槽的阴极上的第一电连接器和位于各个电解槽的阴极上的第二电连接器，第一和第二电连接器的尺寸和结构设置成将电解槽与DC电源相连接，以产生跨越每一个电解槽的阳极和阴极的电压降。
14.一种使用电解器对水进行电解以利用水来产生加压氢气和氧气的方法，该电解器包括一个或多个电解器电解槽，这些电解槽各自包括(i)管状结构的阴极，在该阴极内设置有棒状阳极，以在阴极和阳极之间限定出环形电解质腔，(ii)管状结构的分隔膜，设置在阴极和阳极之间的电解质腔之内，以将电解质腔分为阳极子腔和阴极子腔，该分隔膜对气体从中穿过的通路进行密封，该方法包括步骤(a)将电解质的水溶液引入电解质腔的两个子腔中；(b)跨越各个电解槽的阳极和阴极施加DC电压降，以使水在阴极离解成氢气，在阳极离解成氧气；和(c)从一个或多个电解器电解槽中分开地取出氢气和氧气。
15.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，电解槽还包括压力容器，并且产生提高压力下的氢气和氧气，该经过提高的压力为至少大约10psig。
16.按照权利要求15所述的方法，其特征在于，经过提高的压力不大于大约10000psig。
17.按照权利要求15所述的方法，其特征在于，经过提高的压力不大于大约5000psig。
18.按照权利要求14、15或16所述的方法，其特征在于，还包括将从电解槽中取出的氢气和氧气之间的压力差保持在不大于大约0.25psig。
19.按照权利要求18所述的方法，包括将所述压力差保持在不大于大约0.17psig。
20.按照权利要求14、15或16所述的方法，其特征在于，还包括将电解质和产品氢气输送到氢气分离器中，将电解质和副产品氧气输送到氧气分离器中，感测氢气和氧气分离器中各自的电解质液面高度，并且对液面高度进行控制，以将从电解槽中取出的氢气和氧气之间的压力差保持在不大于大约0.2psig。
21.按照权利要求14、15或16所述的方法，其特征在于，电解质在连续工作中循环通过电解器。
22.按照权利要求14、15或16所述的方法，其特征在于，电解质的水溶液是氢氧化钾水溶液。
23.按照权利要求14、15或16所述的方法，其特征在于，电解器包括多个电解器电解槽。
全文摘要
一种电解水的电解器电解槽(10)，包括大体为管状结构的阴极(12)，在该阴极内设置有利用大体管状结构的分隔膜(14)与阴极(12)分开的阳极(16)，分隔膜将电解质腔(15)分成阳极子腔(15a)和阴极子腔(15b)。电解器设备(36)包括独立电解槽(10)组成的阵列(38)，由DC电源(40)经电线(42a，42b)跨越各个电解槽(10)施加了电位。在电解槽(10)中由电解质(18)产生的氢气经氢气放气管线(20)和氢气集管线(21)排出。在电解槽(10)中由电解质(18)产生的副产品氧气经氧气放气管线(22)和氧气集管线(23)排出。电解器设备(36)可设置成以成批方式或连续电解质循环工作方式产生高压，例如高达约10000psig的高纯度氢气，而不需要气体压缩机来压缩产品氢气。
文档编号C25C1/02GK1751139SQ200480004759
公开日2006年3月22日 申请日期2004年2月19日 优先权日2003年2月21日
发明者马丁·A·辛科, 桑迪普·维尔玛, 托马斯·杰克逊, 杰兰姆·S·坎拉尼 申请人:阿维伦斯有限责任公司