电化学槽装置的制作方法

专利名称：电化学槽装置的制作方法
电化学槽装置
关于联邦政府资助研发的声明
本发明根据由能源部资助的项目(根据DE-FC36-04GO14223合同)进 行构思或首次实施。美国政府对本发明拥有一定的权利。
背景技术：
本发明总体上涉及一种电化学槽装置(electrochemical cell structure),更 具体地，涉及具有一体式不导电框架的电化学槽装置，所述框架支承阳极、 阴极以及电解质，并限定用于工作流体以及离子交换副产物的流动通道。
电化学槽为能量转换装置，其通常分为电解电池或燃料电池。电解电池 可通过电解水产生氢气和氧气而作为氢气发生器。燃料电池通过交换膜或电 解质使氢气和氧化剂发生电化学反应，从而产生电流和水。
碱性电解系统已在市场上销售了几十年。将约1.7V-约2.2V的直流电 压施加到位于液体电解质内的两个电极上。在正极上，产生氧，在负极上形 成氢。离子可渗透隔膜使得所述气体保持分离。
为了使电化学系统、特别是碱性电解系统具有经济上的可行性，必须显 著降低所述系统的制造成本。当前的系统在装配过程中需要多道工序，每一 步骤都增加了整个系统的成本。此外，传统系统通常具有许多独立的部件， 这些独立的部件包括多个电极、隔膜、密封垫、螺栓以及其它部分，从而增 加了所述系统组件的复杂性并增加了制造成本。
因此，需要一种有助于减少部件整体数量并简化有关制造和制备工艺的 改善的电化学槽。
发明概述
一种电化学槽装置包括阳极、同阳极隔开的阴极以及同所述阴极和阳极 均进行离子传输的电解质。 一 种 一 体式不导电框架(single-piece non-conductive frame),所述框架支承所述阳极、阴极以及电解质，并限定 工作流体以及离子交换副产物的流动通道。


参考附图，阅读以下详细说明，将更好地理解本发明的这些和其它特征、
内容和优点，其中，相同的标记始终代表相同的部分，其中 图1为本发明一种实施方案的侧面剖视图。 图2为一种44性电解系统的示意图。 图3为一种示范性碱性电解堆叠构造的示意图。 图4为本发明一种实施方案的分解图。 图5为根据本发明一种实施方案的电极插件的侧视图。 图6为根据本发明一种实施方案的端盖的透视图。 图7为根据本发明一种实施方案的电化学槽装置的顶视图。 图8为图7所示的电化学槽装置的侧视图。 图9为本发明一种制造方法的流程图。 图IO为本发明另一种制造方法的流程图。 图11为根据本发明的一种碱性电解系统的示意图。
发明详述
一种电化学槽装置10如图1所示，其包括阳极12、同阳极12隔开的 阴极14、同阳极12和阴极14均进行离子传输的电解质16以及一体式不导 电框架18。所述一体式不导电框架18支承所述阳极12、阴极14以及电解 质16,并限定了工作流体(未示出)或离子交换副产物(未示出)的多个 流动通道20。如图l所示，由于所述部件封装在所述一体式不导电框架18 内，且所述流动通道20也由所述一体式不导电框架18限定，所以所述结构 是高效和有效的(不需要密封垫或封接件)，且简化了所述制造工艺。
如图2所示，将一种电化学槽装置用在碱性电解系统30内。通过入口 32,将水(H20)供应到系统30中并通过泵34循环。所述水同碱(通常为 氢氧化钾(KOH)或氬氧化钠(NaOH))混合，从而形成液体石威性电解质 36,通过泵34将所述电解质36循环到电解槽38中。所述电解槽38包括阳 极40 ( +电极)、隔膜42以及阴极44 (-电极)。在存在电解质36的情况 下，将直流电压46施加到阳极40和阴极44上。通常为约1.7V-约2.2V 的直流电压将所述水分解为其组成成分，即阴极44上的氢(H2)和阳极40
上的氧(02 )。隔膜42使得所述H2气和02气保持分离。将同电解质36混 合的02气输送到氧气分离器48。在与电解质36分离之后，将02气储存、 排放或者用于其它用途，并通过泵34将一部分电解质50再循环到系统30 中。将同液体电解质36混合的H2气输送到氢分离器52中。在与电解质36 分离之后，捕集H2气并储存、燃烧、进行电化学反应或者用于其它用途， 并通过泵34将一部分电解质54再循环到系统30中。
如上所述，为使电化学系统、特别是碱性电解系统经济可行，必须显著 降低这些系统的制造成本。现有系统在装配过程中需要多道工序，每一步骤 都增加了整个系统的成本。此外，常规系统通常具有许多独立的部件，这些
部件包括多个电极、隔膜、密封垫、螺栓以及其它部件，从而增加了所述系 统组件的复杂性并导致了制造成本的增加。
在这些电化学系统中， 一种特别困难和昂贵的制造部位是堆叠组件。以 碱性电解堆叠体作为示例性堆叠构造，参考图3来讨论整个构成和制造的困 难。如图3所示，常规堆叠组件56包括多个重复单元58。每一重复单元58 包括阳极60、双极板62、阴极64和隔膜66。石成性电解堆叠体的任何大规 模实际应用可包括上百个或更多个重复单元58。每一重复单元58需要阳极 60、双极板62和阴极64之间的电连接(称之为电极组件65 )。各个电极组 件65必须由隔膜66隔开，以主要防止氢气和氧气在相邻的电极组件65之 间混合。 一个堆叠体中的所有重复单元58必须位于某种类型的外壳中，并 被不导电密封垫、封接件、管道或者歧管包围，从而分送电解质并捕集氢气 和氧气。使用上百个或者可能上千个连接件和螺栓或者其它紧固件用来组装 这种类型的堆叠体，从而进一步影响了制造成本。
根据本发明的一种实施方案， 一种电化学槽装置IOO如图4-8所示。在 图4中，所述电化学槽装置100以分解图示出，从而更好地说明组成部件。 所述电化学槽装置100包括阳极102、与所述阳极102隔开的阴极104。双 极板106插在P曰极102和阴极104之间，从而实现其间的电连接。同样，如 图5所示，在本发明的一种实施方案中，将阳极102、双极板106和阴极104 连接在一起，从而形成一种电极插件108。所述电化学槽装置100 (图4) 还包括电极框架110。所述电极框架110包括电解质入口 112、位于上表面 116上的第一电解质流动通道114、位于下表面118 (虚线所示)上的第二 电解质流动通道117，支座120、位于上表面116上的氧流动通道122和位
位于下表面118 (虚线所示)上的氢流动通道124。电4 l插件108位于支座 120上。电化学槽装置IOO还包括上隔膜126、上隔膜框架128、下隔膜130 和下隔膜框架132。在本实施方案中，为方便说明，将上隔膜框架128、上 隔膜126、电^f及插件108、电极框架108、下隔膜130和下隔膜框架132形 成为一种重复板134。一种碱性电解堆叠体的实际应用将包括许多(如约10-约IOO个之间)独立的重复板134。如图6所示，每一堆叠体通常在一端覆 盖有端盖140、阳极102和集电体142，在另一端覆盖有端盖140、阴极104 和集电体142。
在操作过程中，通过入口 112 (图4)引入电解质，并通过第一流动通 道114将之分送到阳极102上和通过第二流动通道117将之分送到阴极104 上。此外，电解质流过上隔膜126和下隔膜130,并在相邻的重复板134之 间形成离子桥。在典型的堆叠体内，将直流电施加到电极插件108上， 一部 分电解质分别在阳极102和阴极104上分离成氧和氢。氧和一部分电解质通 过氧流动通道122流到氧出口 123,氢和一部分电解质通过氢流动通道124 流到氲出口 125。在相邻的重复板134之间提供其它流动通道(未示出)， 从而使得电解质流到入口 112、氧出口 123和氢出口 125中的一个上。
同样，如图4所示，每一重复板134中的上隔膜支架128、电才及框架110 和下隔膜支架132部件均由不导电材料制成，并且所述部件通常但不是必需 地具有相同的几何形状。为了更清楚地说明，将这些组合部件称为不导电框 架150。在一种实施方案中，所述不导电框架150含有最大工作温度在约60 摄氏度-约120摄氏度的材料。这种温度范围将适应大多数碱性电解应用。 在另一种实施方案中，不导电框架150含有最大工作温度在约60摄氏度-约300摄氏度的材料。这种温度范围将适应大多数碱性电解和燃料电池应用 以及大多数质子交换膜(PEM)、聚苯并咪唑(PBI)、酸性电解和燃料电池 应用。
在本发明的一种实施方案中，所述不导电框架150包括聚合物、通常为 化学性能耐碱蚀(resistent to caustic)的聚合物，从而避免在长期暴露于碱如 KOH或NaOH期间发生分解。在另一种实施方案中，所述不导电框架150 含有水解稳定性聚合物。在另一种实施方案中，所述不导电框架150选自聚 乙烯、氟化聚合物、聚丙烯、聚砜、聚苯醚、聚苯硫醚、聚苯乙烯及其共混 物。
参考图7和8，将重复板134描述为单一单元。制造每一重复板134， 使其具有电解质入口 112。同样，如图8所示，电解质在双极板106的任一 侧分成两股电解质流，并分解为112和02。隔膜126和130限制电极插件的 每一侧，从而确保&和02不在相邻的重复板134之间混合。这种示范性重 复板134的结构简单，且避免使用封接件或密封垫。如前所述，上述电极插 件108和隔膜126和130支承并封装在重复板134的一体式不导电框架内。 电解质的流动通道也由所述重复板134的一体式不导电框架限定，从而主要 避免了在所述系统中使用任何密封垫的任何需要。
在本发明的一种实施方案中，根据图9所述的工艺来制造电化学槽装 置。首先，将电极组件设置在第一不导电框架体内(Sl)。如上所述，所述 电极组件通常包括阳极、阴极和双极板。接着，将第二不导电框架体安装到 第一不导电框架上，从而将所述电极组件夹在其间(S2)。接着，将第一和 第二不导电框架体连接在一起，从而在所述电极组件周围形成一体式不导电 框架单元(S3)。此外，可根据需要，添加其它不导电框架体和其它组成部 件如隔膜框架和隔膜。将多个一体式不导电框架单元连接在一起，从而形成 具有一体式不导电框架的电化学堆叠结构。在一种实施方案中，用粘合剂将
所述框架体或单元连接在一起。在另一种实施方案中，使用超声波焊接或激 光焊接将所述框架体或单元连接在一起。在另一种实施方案中，通过加热或 通电流使所述框架体或单元熔融在一起，从而将所述框架体或单元连接在一 起。
在另一种实施方案中，根据图IO所述的工艺来制造电化学槽装置。首 先，将至少一个、通常将多个电极组件设置在模塑设备内(S4)。如上所述， 所述电极组件通常包括阳极、阴极和双极板。接着，将热模塑材料(通常为 聚合物)配送到所述模塑设备中，并使其在所装备的电极组件周围流动 (S5)。最后，冷却所述模塑材料，并将所述电化学槽装置从所述模塑设备 中移出(S6)。在这种实施方案中，所述一体式不导电框架在所述电极组件 周围原位形成，从而进一步筒化了所述制造工艺。所述流动通道和通路预先 限定在所述模塑设备中，从而在使用期间确保了工作流体和离子副产物正常 流动。如果需要，还可含有其它组成部件，例如，在S5之前，可使隔膜位 于所述模塑设备内。 本发明的一种实施方案如图11所示。将水(H20)供应到所述系统中，
并通过泵34进行循环。所述水同碱性碱(通常为氢氧化钾(KOH)或氬氧 化钠(NaOH))混合，从而形成液体碱性电解质，通过泵34将所述电解质 循环到形成在所述一体式不导电框架150中的入口 112。使多个电极插件108 位于上述一体式不导电框架内，并通过上述隔膜将相邻的电极插件108隔 开。电解质流过入口 112并流到各个电极插件108。在存在电解质的情况下 时，将直流电压施加到电极插件108上。所述直流电压将水分解为其组成成 分，即阴极上的氬(H2)和阳极上的氧(02)。所述隔膜使得H2和02保持 分离。将同电解质混合的02气通过氧气出口 123 (其由所述一体式不导电 框架150限定)输送到氧气分离器。在与电解质分离之后，将02气储存、 排放或用于其它用途，并将一部分电解质通过泵34再循环到所述系统中。 将同所述电解质混合的H2气通过氢气出口 125 (其由所述一体式不导电框 架150限定)输送到氢气分离器。在与电解质分离之后，捕集H2并储存、 燃烧、进行电化学反应或用于其它用途，并将一部分电解质通过泵34再循 环到所述系统中。
尽管在此仅说明和公开了本发明的一部分特征，但是对本领域技术人 员而言，可进行各种改进和改变。因而，应该理解的是所附权利要求意图涵 盖本发明真正构思内的所有改进和改变。 .
权利要求
1、一种电化学槽装置，其包括阳极；同所述阳极隔开的阴极；同所述阳极和所述阴极均进行离子传输的电解质；以及支承每个所述阳极、所述阴极以及所述电解质的一体式不导电框架，其限定至少一个用于工作流体和用于离子交换副产物的流动通道。
2、 根据权利要求1的电化学槽装置，其中所述一体式不导电框架含有 最大工作温度在约60摄氏度-约120摄氏度的材料。
3、 根据权利要求1的电化学槽装置，其中所述一体式不导电框架含有 最大工作温度在约60摄氏度-约300摄氏度的材料。
4、 根据权利要求1的电化学槽装置，其中所述电化学槽装置适宜用作 碱性电解槽。
5、 根据权利要求4的电化学槽装置，其中所述电解质为液体碱性溶液。
6、 根据权利要求5的电化学槽装置，其中所述电解质选自氬氧化钠或 氢氧化钾。
7、 根据权利要求1的电化学槽装置，其中所述一体式不导电框架包括 成型部件。
8、 根据权利要求7的电化学槽装置，其中所述成型部件包括模制部件。
9、 根据权利要求1的电化学槽装置，其中所述一体式不导电框架包括 多个连接在一起的独立组成部件。
10、 根据权利要求9的电化学槽装置，其中所述组成部件是用粘合剂 连接在一起的。
11、 根据权利要求9的电化学槽装置，其中所述组成部件是用超声波焊 接或激光焊接中的至少 一种连接在一起的。
12、 根据权利要求9的电化学槽装置，其中所述组成部件是通过熔融 和冷却连接在一起的。
13、 根据权利要求1的电化学槽装置，其中所述不导电框架材料包括 聚合物。
14、 根据权利要求1的电化学槽装置，其中所述不导电框架包含化学性能耐碱蚀的材料。
15、 根据权利要求1的电化学槽装置，其中所述不导电框架材料包括 水解稳定性聚合物。
16、 根据权利要求1的电化学槽装置，其中所述不导电框架材料选自聚乙烯、氟化聚合物、聚丙烯、聚砜、聚苯醚、聚苯硫醚、聚苯乙烯及其 组合。
17、 一种碱性电解槽用槽装置，其包括 阳极；同所述阳极隔开的阴极；同所述阳极和所述阴极均进行离子传输的液体碱性电解质；以及 支承每个所述阳极、所述阴极以及所述电解质的一体式不导电聚合物 框架，其限定至少一个用于工作流体和用于离子交换副产物的流动通道。
18、 根据权利要求17的用于碱性电解槽的槽装置，其中所述一体式不 导电聚合物框架包含化学性能耐碱蚀的材料。
19、 根据权利要求17的碱性电解槽用槽装置，其中所述一体式不导电 聚合物框架包含水解稳定性聚合物。
20、 根据权利要求17的碱性电解槽用槽装置，其中所述一体式不导电 聚合物框架包含选自聚乙烯、氟化聚合物、聚丙烯、聚砜、聚苯醚、聚苯 硫醚、聚苯乙烯及其组合的材料。
21、 一种电化学堆叠体，其包括第一端盖，其具有不导电外壳和置于其中的阳极； 第二端盖，其具有不导电外壳和置于其中的阴极；以及 插在所述第一端盖和所述第二端盖之间的多个重复板，所述重复板中的每一个均包括不导电外壳和置于其中的电极插件；其中，将所述第一端盖、所述重复板以及所述第二端盖的各个所述不导电外壳连接在一起，从而形成一体式不导电框架，并在所述电化学堆叠体内限定多个流动通道。
22、 根据权利要求21的电化学堆叠体，其中所述不导电框架包括聚合 物材料。
23、 根据权利要求21的电化学堆叠体，其中所述不导电框架包含化学 性能耐碱蚀的材料。
24、 根据权利要求21的电化学堆叠体，其中所述不导电框架包含水解 稳定性聚合物。
25、 根据权利要求21的电化学堆叠体，其中所述不导电框架包含选自 聚乙烯、氟化聚合物、聚丙烯以及聚砜的材料。
26、 根据权利要求21的电化学堆叠体，其中所述电极插件包括阳极、 阴极以及插在其间的双极板。
27、 根据权利要求21的电化学堆叠体，其中所述重复板还包括设置在 所述电极插件相对侧上的第 一隔膜和第二隔膜，以有助于气体的分离。
28、 一种用于制造电化学堆叠体的重复板，所述重复板包括 限定多个流动通道和电极框架的一体式不导电框架；以及 设置在所述电极框架内的电极组件。
29、 根据权利要求28的重复板，其中所述一体式不导电框架包含聚合 物材料。
30、 一种用于制造碱性电解堆叠体的重复板，所述重复板包括 阳极、阴极以及插在其间的双极板，所述阳极、阴才及以及双极板连接在一起形成电极组件；一体式不导电框架，其限定电解质入口、同所述阳极流体相通的至少 一个第 一流动通道和同所述阴极流体相通的至少一个第二电解质流动通 道、支承所述电极组件的电极框架、同所述阳极流体相通并在氧气出口终 止的氧气流动通道以及同所述阴极流体相通并在氢气出口终止的氢气流动 通道j紧邻所述阳极并与所述双极板相对设置的第一隔膜，从而促进电解质 在相邻重复板之间流动，而防止氧同在相邻重复板阴极形成的氢混合；紧邻所述阴极并与所述双极板相对设置的第二隔膜，从而促进电解质 在相邻重复板之间流动，而防止氢同在相邻重复板阳极形成的氧混合；其中当引入电解质并在相邻重复板之间施加电流时，所述电解质通过 所述电解质入口流进所述重复板并分别通过所述第一和所述第二电解质流 动通道流到所述阳极和所述阴极，其中，所述电解质的一部分在所述阳极 和所述阴极分解为氧和氢，并分别通过所述氧流动通道和所述氩流动通道 流动。
31、 根据权利要求30的重复板，其中所述一体式不导电框架包含聚合物。
32、 根据权利要求30的重复板，其中所述一体式不导电框架包含水解 稳定性聚合物。
33、 根据权利要求30的重复板，其中所述一体式不导电框架包含化学 性能耐碱蚀的材料。
34、 根据权利要求30的重复板，其中所述一体式不导电框架包含选自 聚乙烯、氟化聚合物、聚丙烯、聚砜、聚苯醚、聚苯硫醚、聚苯乙烯及其组合的材料。
35、 一种电化学堆叠体，其包括第一端盖，其具有不导电外壳和置于其中的阳极； 第二端盖，其具有不导电外壳和置于其中的阴极；以及 插在所述第一端盖和所述第二端盖之间的多个重复板，所述重复板中的每一个均包括不导电外壳和置于其中的电极插件；其中，将所述第一端盖、所述重复板以及所述第二端盖的各个所述不导电外壳成型在一起作为一体式不导电框架，并在所述电化学堆叠体内限定多个流动通道。
36、 根据权利要求35的电化学堆叠体，其中所述不导电外壳是使用模 具成型在一起的。
37、 一种制造电化学槽的方法，其包括步骤 将电极组件设置在第一不导电框架体内；以及将第二不导电框架体连接到所述第一不导电框架体上，从而将所述电 极组件夹在其间。
38、 根据权利要求37的方法，其中所述方法还包括将隔膜设置在所述 电极组件的第一侧；以及将不导电框架体连接到所述第一不导电框架上， 从而将所述隔膜夹在其间。
39、 根据权利要求38的方法，其中所述方法还包括将第二隔膜设置在 所述电极组件的第二侧上；以及将不导电框架体连接到所述第二不导电框 架上，从而将所述第二隔膜夹在其间。
40、 一种制造电化学槽的方法，其包括步骤 将多个电极组件设置在模塑设备内；将通向或离开所述电极组件的流动通道封装在所迷模塑设备内；在所述模塑设备内分配热的不导电模塑材料以围绕所述多个电极组件和所述净皮封装的流动通道；冷却所述热的不导电模制材料，从而机械粘结所述电极组件，并在一 体式不导电框架内限定流动通道。
41、 一种电化学槽装置，其包括 第一电极组件；同所述第一电极组件隔开的第二电极组件；以及 一体式不导电框架，其支承每个所述第一电极组件和所述第二电极组 件，并限定至少一个用于工作流体和用于离子交换副产物的流动通道。
42、 根据权利要求41的电化学槽装置，其中所述不导电框架材料包含 聚合物。
全文摘要
一种电化学槽装置，其包括阳极，同阳极隔开的阴极以及同阴极和阳极均进行离子传输的电解质。一种一体式不导电框架，其支承所述阳极、阴极以及电解质，并限定了用于工作流体和离子交换副产物的流动通道。
文档编号C25B9/08GK101194048SQ200680020880
公开日2008年6月4日 申请日期2006年2月8日 优先权日2005年4月12日
发明者理查德·S·布儒瓦, 约翰·H·鲍恩 申请人:通用电气公司