专利名称：电解槽模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于产生例如氢气和氧气、或氢气和氮气、或氢气和氯气等气体的电 解槽的设计，更确切来说涉及水电解槽模块及其组件。
背景技术：
电解槽使用电以通过电化学反应将反应物化学物质转变为所需的产物化学物质， 电化学反应即在与电解液接触的电极处发生的反应。氢气是化学工艺中且还潜在地在由氢 燃料电池引擎或氢内燃机供应动力的氢交通工具(或混合氢交通工具，还部分地由电池供 应动力)中使用需求逐渐增加的产物化学物质。可产生氢气的电解槽包含水电解槽，其由 水和电产生氢气和氧气；氨水电解槽，其由氨水和电产生氢气和氮气；以及氯碱电解槽，其 由盐水和电产生氢气、氯气和苛性碱溶液。水电解槽是用以产生气态氢的最常见类型的电解槽。当前最常见类型的商业的水 电解槽是碱性水电解槽。碱性水电解槽利用与经适当催化的电极接触的碱性电解液(通常 为例如25%到35% KOH的水溶液)。在电流通过电极之间时，氢气在阴极(负电极)的表 面处产生，且氧气在阳极(正电极)的表面处产生。氢气与氧气的产生速率在不存在寄生 反应和杂散电流且针对给定物理大小的电解槽的情况下与电流成比例。电解液溶质(氢氧 化钾)在反应中不消耗，但其在电解液中的浓度可随着时间而在一范围内变化，这是由于 反应掉的水的不连续补充以及随着产物气体的作为水蒸气的损失。如本文使用，术语“半电池”、“半电解电池，，及其均等变型指代包括一个电极及其 对应半电池腔室的结构，所述半电池腔室为离开半电池的气体-液体(电解液)流提供空 间。术语“阴极半电池，，指代含有阴极的半电池，且术语“阳极半电池，，指代含有阳极的半 电池。如本文使用，术语“电池”、“电解电池”及其均等变型指代包括阴极半电池和阳极 半电池的结构。电池还包含分离隔膜(下文中称为“隔膜”)，通常位于阴极与阳极之间且 紧密接近或与阴极和阳极接触。隔膜的功能性是使产生的氢气和氧气维持分离且具有高纯 度，同时允许阳极与阴极之间的离子电传导。隔膜因此界定每一半电池的一侧。每一半电 池的另一侧由电子传导实心板界定，所述实心板通常由金属组成且一般称为双极板。双极 板的功能性是使邻近电池的邻近半电池腔室中的流体维持分离，同时在邻近电池之间电子 传导电流。每一半电池腔室还含有一般称为集电器或电流载体的电子传导组件，以在电极 与双极板之间使电流传导通过半电池腔室。实际的(商业的)碱性水电解槽利用包括多个电池(一般称为“电池堆叠”)的结 构，其中电池通常串联电连接(但使用并联和/或串联连接的电池的设计也是已知的)。电 池堆叠通常由多个电池组成，其中双极板物理上分离邻近电池但电连接邻近电池。如本文 使用，术语“结构板”指代界定至少一个半电池腔室开口和至少两个脱气腔室开口的主体。 电池堆叠通常是使用用以界定脱气腔室以及用于流体(气体-液体混合物和液体)流的交 替阴极和阳极半电池腔室的一系列结构板来构造。结构板还将功能组件固持于其适当的空间位置和布置中，所述功能组件可包含例如阴极、阳极、分离隔膜、集电器和双极板。所述系 列的结构板和功能组件通常构成压滤机型结构，包含末端(以及在一些情况下，中间的)压 力板。在电极处生成的气体与半电池腔室中的电解液形成气体-液体混合物，通常是在半 电池腔室的出口处收集。所述气体-液体混合物必须在脱气腔室中处理，脱气腔室用以分 离相应气体与挟带的电解液。术语“电解槽模块”或“电解槽”指代由电解槽电池堆叠及其 相关联脱气腔室组成的结构。当今的大多数实际的水电解槽模块利用位于电池堆叠上方的大的钢器皿作为脱 气腔室(还通常称为气体-液体分离器)。关于在电解槽模块中循环流体(即，从电池堆叠 到脱气腔室循环气体-液体混合物，且接着从脱气腔室到电池堆叠返回经脱气液体)存在 两种一般设计方法。在第一种一般设计方法中，来自每一阴极半电池的气体-液体混合物收集于电池 堆叠的顶部部分的半电池腔室上方的歧管中，所述歧管经由电池堆叠外部的管道或管路连 接到对应(氢气)脱气腔室；类似的布置用于阳极半电池和对应(氧气)脱气腔室。经分 离液体经由电池堆叠外部的管道或管路从脱气腔室返回到位于电池堆叠中在半电池腔室 下方的一个或多个歧管，液体电解液从所述歧管被进给回到个别阴极半电池腔室中。存在 两种主要的对应实际(商业的)子方法。在第一子方法中，如US 4，758，322中例示，将脱气腔室中的经分离液体机械地泵 送回到电池堆叠中。虽然机械泵送克服了电池堆叠中的水平歧管以及外部管道或管路中的 压降，且允许单个堆叠中的大数目的电池(例如，200或200个以上电池)，但存在若干相关 联的缺点。举例来说，泵的使用增加了复杂性、资本和运作成本、维护要求，且可能不利地影 响电解槽模块的可用性。泵一般是在模块操作期间以对应于最大标称气体产生速率所需速 率的液体流动速率一直操作，从而导致最大的相关联功率损失。虽然还揭示了双机械泵电 解槽模块配置，但通常在实际(商业的)电解槽模块中，使用单个机械泵回路来将从两个脱 气腔室收集的液体循环回到阴极半电池腔室和阳极半电池腔室；这维持了每一电池中的隔 膜的每一侧上的相等压力，但通常因为将其它气体(挟带于返回的液体中)引入到阳极和 阴极半电池腔室中而不利地影响气体纯度。在第二子方法中，如US 6，554，978中例示，在无泵的情况下通过依赖于气举[浮 力]和重力高差来在单独回路中循环流体而使阳极和阴极流体保持分离。此设计方法的优 点是可能维持高气体纯度和固有自调节流体流；然而，每电池堆叠的电池数目受到电池堆 叠中的水平歧管和外部管道或管路上的压降以及用以提供压力高差的可用垂直空间的限 制。应注意，歧管以及将歧管连接到个别半电池的导管的大小受到限制杂散电流的要求的 限制。因此，此特定方法一般已限于相对小的生产能力，其相关联要求是使用多个电池堆叠 或多个完整的电解槽模块来达到较高的生产能力。在第二种一般设计方法中，将来自每一半电池腔室的气体-液体混合物经由用于 每一个别半电池腔室的气体-液体进给导管进给到对应脱气腔室。经分离液体从脱气腔室 经由外部管道或管路返回到位于半电池腔室下方的歧管，所述歧管将液体电解液进给回到 个别半电池腔室。此方法虽然在某种程度上在单个电池堆叠中的电池数目方面可缩放，但 需要大量的管道和组合件，其中具有许多机械连接点，每一机械连接点代表潜在的泄漏点。 此外，可缩放性仍受到共同的经脱气液体返回路径(即，外部管道或管路以及电池堆叠的
9底部部分的半电池腔室下方的歧管)上的压降的限制。使用第二种一般设计方法的电解槽 模块通常利用机械泵来循环流体。在所有以上方法中，电解槽模块的物理大小(即，其对于任何给定氢气生产能力 均缺乏紧凑性)是成问题的。在获得较紧凑电解槽模块的尝试中，也已揭示将脱气腔室并 入到与电池堆叠相同的结构中的开发性设计。然而，这些设计均没有解决上文描述的其它 缺点。举例来说，WO 2006/060912描述一种将脱气腔室并入到与电池堆叠相同的结构 中的设计，其也具有位于半电池腔室上方的用以从个别半电池腔室收集气体-液体混合 物的歧管，以及用以将经脱气液体从脱气腔室分配回到个别半电池腔室的底部歧管。US 2，075，688和US 20070215492也描述了将脱气腔室并入到与电池堆叠相同的结构中的设 计，且还教示使用半电池腔室下方的歧管来将经脱气液体分配到个别半电池腔室。虽然在 这些设计中使阳极和阴极半电池维持完全分离，但每堆叠的电池数目受到水平歧管上的压 降以及相对紧凑的模块设计中可用的有限高差的限制。为了解决已知的实际电解槽模块的不足，需要固有可缩放的设计方法，其提供自 由度以在广范围上改变电池数目来满足广范围的气体生产能力(包含非常高的气体生产 能力)，同时使相关联的机械连接和组合件最少，消除了电解液的机械泵送的要求，且使产 物气体纯度最大。尤其在经进一步设计以提供广范围的每电池气体生产能力时，此设计将 在连接到具有可变输出功率的电力源(例如，风力电场或太阳能电池阵列)时尤其有用。
发明内容
一种电解槽模块包括多个结构板，所述结构板各自具有在相对端面之间延伸的侧 壁，其中一半电池腔室开口和至少两个脱气腔室开口在所述相对端面之间延伸通过所述结 构板。所述结构板在相对的末端板之间以面对面并置而布置。每一半电池腔室开口至少部 分容纳电解半电池组件，所述电解半电池组件至少包括电极、与所述电极电连通的双极板 和隔膜。所述结构板和半电池组件界定上方具有至少第一和第二脱气腔室的串联连接电 解电池阵列，所述第一和第二脱气腔室具有位于下部区段上方的上部区段。所述结构板至 少在面对面并置中时界定相应气体-液体通路，所述气体-液体通路在所述半电池腔室的 顶部部分与所述第一和第二脱气腔室的所述上部区段的底部部分之间延伸以提供所述电 解电池的阳极部分与所述第一脱气腔室之间以及所述电解电池的阴极部分与所述第二脱 气腔室之间的流体连通。所述结构板进一步至少在面对面并置中时界定相应经脱气液体通 路，所述经脱气液体通路在所述第一和第二脱气腔室的所述下部区段的底部部分与所述半 电池腔室的底部部分之间延伸以用于经脱气液体从所述第一和第二脱气腔室分别返回到 所述电解电池的所述阳极和阴极部分。所述电解槽模块进一步包括相应气体排放和给水通 路，所述气体排放和给水通路穿过所述电解槽模块延伸且与所述脱气腔室流体连通以用于 从所述脱气腔室排放气体且用于向所述脱气腔室中弓I入给水。一种使用电解槽模块产生氢气和氧气的方法，其包括以下步骤(a)通过在包含于所述电解槽模块中的多个电解电池中的碱性水电解而生成氢气 和氧气，每一所述电解电池包括其中生成所述氢气的阴极半电池和其中生成所述氧气的阳 极半电池；
(b)通过从每一阴极半电池腔室直接延伸到一体地包含于所述电解槽模块结构中 的至少一个氢气脱气腔室的相应气体-液体传送通路，将所述氢气和液体电解液的混合物 从每一阴极半电池腔室的顶部部分直接传送到所述至少一个氢气脱气腔室的上部区段的 底部部分；(c)在所述至少一个氢气脱气腔室中分离所述氢气与所述液体电解液以产生氢气 和经脱气电解液；(d)从所述至少一个氢气脱气腔室的顶部部分移除所述氢气；(e)通过从所述至少一个氢气脱气腔室直接延伸到每一阴极半电池腔室的相应经 脱气液体通路，将所述经脱气电解液从所述至少一个氢气脱气腔室的下部区段的底部部分 直接传送到每一阴极半电池腔室的底部部分；(f)通过从每一阳极半电池腔室直接延伸到包含于所述电解槽模块结构中的至少 一个氧气脱气腔室的相应气体-液体传送通路，将所述氧气和液体电解液的混合物从每一阳 极半电池腔室的顶部部分直接传送到所述至少一个氧气脱气腔室的上部区段的底部部分；(g)在所述至少一个氧气脱气腔室中分离所述氧气与所述液体电解液以产生氧气 和经脱气电解液；(h)从所述至少一个氧气脱气腔室的顶部部分移除所述氧气；(i)通过从所述至少一个氧气脱气腔室直接延伸到每一阳极半电池腔室的相应经 脱气液体通路，将所述经脱气电解液从所述至少一个氧气脱气腔室的下部区段的底部部分 直接传送到每一阳极半电池腔室的底部部分。
下文参见附图来描述本发明的优选实施例，其中图Ia是根据本发明的电解槽模块的约一半的组装视图；图Ib是根据本发明的完整电解槽模块的选定部分的侧视截面图；图Ic是说明经组装电解槽模块的部分的等距视图。图2展示根据本发明的电解槽模块的脱气腔室部分的进一步细节；图3展示根据本发明的结构板的实施例的正面；图4(i)到4(iv)展示根据本发明的具有不同通路配置的电解槽模块的结构板的 实例；图5(i)到5(vi)展示根据本发明的电解槽模块的可能电连接配置的实例；图6(i)和6(ii)展示根据本发明的替代的两组结构板；图7展示根据本发明的电解槽模块的排液系统的实施例；以及，图8展示根据本发明的电解槽系统的示意图。图9是说明根据本发明的末端压力板的替代实施例的正视图；图10是根据本发明的中间压力板的替代实施例的正视图；以及，图11是对应于图10但展示其与第一结构板的关系的视图。
具体实施例方式图1到图3中在1处一般性地展示了根据本发明一方面的电解槽模块。图Ia仅
11为了说明性目的而展示具有4个电池的电解槽模块的约一半；电解槽模块的另一半将是镜 像(在特征12的任一侧，特征12在此情况下表示电解槽模块的中点)。在实际上，通常将 并入有更大数目的电池。为进一步清楚起见，图Ib展示对应于图Ia中的截面A-A的轴向 视图，其经延伸以展示完整电解槽模块的选定部分，且图Ic展示电解槽模块的截面的等距 视图。电解槽模块1包含结构板10、末端压力板11、中间压力板12、阳极13、阴极14、隔膜 15、电流载体16和双极板17。在图la、图Ib和图Ic中所示的实施例中，存在两种主要类 型的结构板10 阴极结构板IOa和阳极结构板10b。额外的特殊结构板IOc和IOd分别位 于邻近的阴极结构板IOa与中间压力板12的一侧和末端压力板11中的一者之间。还应理 解，包含合适的密封垫圈(未图示)。电解槽模块1因此包括多个电解电池18和相关联脱 气腔室19。电解电池18优选地位于电解槽模块1的底部部分处，且相关联脱气腔室19优 选地位于电解槽模块1的顶部部分处，在电解电池18之上。电解电池包括由两个邻近结构 板界定的阴极半电池腔室20a和阳极半电池腔室20b，以及阴极14、阳极13、隔膜15和集电 器16。双极板17物理上分离邻近电池且电连接邻近电池。如图la、图Ib和尤其图Ic所 示，每一阴极半电池腔室20a通过气体-液体通路21a和经脱气液体通路2 直接连接到 氢气脱气腔室19a。类似地，每一阳极半电池腔室20b通过气体-液体通路21b和经脱气液 体通路22b直接连接到氧气脱气腔室19b。因此，对电解槽模块1的内部流体流动要求是由 每一半电池的特征提供，而不是由例如气体-液体歧管和经脱气液体歧管等在所有电池或 大量电池上延伸的特征(随着其长度增加而呈现增加的压降)提供。电解槽模块1因此是 固有可缩放结构，因为不仅电池的数目和脱气腔室的大小，而且流体循环能力都自动地随 着电解槽模块中的电池数目而缩放。此外，电解槽模块1不需要机械电解液泵来促进流体 在半电池腔室与脱气腔室之间的循环；流体流由气体浮力和重力高差驱动，且因此是自调 整的，因为其随着气体产生速率而自动变化。(大多数商业的电解槽模块利用机械电解液泵 来促进流体(电解液和电解液-气体混合物)在电解槽模块中的循环。)
电解槽模块组合件的电池部分可如同此项技术中一般已知的。每一电池的边界由 双极板17界定，双极板17是薄实心板，由例如镍等合适导电且耐腐蚀材料制成以提供邻近 电池之间的电的电子传导。双极板17与给定电池中的阴极和阳极中的每一者之间的电连 接可用合适的电子传导电流载体16来实现，所述电子传导电流载体16允许电极13、14和 双极板17的面上的均勻的电流载运和分布，以及通过半电池腔室20的相对无阻碍的流体 流。用于集电器的合适材料和配置的实例是此项技术中已知的，包含编织镍层或泡沫镍。在 一些实施例中，双极板17可经压凹、起皱等，且进而可在不使用单独电流载体16的情况下 提供阴极14与阳极13之间的直接连接。在此不具有单独电流载体的方法中，经压凹、起皱 等的部分可任选地焊接到阴极14和阳极13以提供单件式子组合件。隔膜15位于相应的 邻近阴极14与阳极13之间，且紧密靠近或与相应的邻近阴极14和阳极13接触。隔膜15 因此基本上位于电池18的中间，且分离相应的阳极与阴极半电池。隔膜15可为在操作期 间经完全润湿以排斥气体的多孔膜片，或非多孔离子交换隔膜。阴极14和阳极13可如同 此项技术中一般已知的，例如涂覆到例如镍网等合适衬底上的催化金属涂层。电流由例如 DC电源经由与末端压力板11和(任选地)中间压力板12的电连接供应到电解槽模块11 的电池部分。图Ib中展示一种可能的电配置，其具有到末端压力板11的负电流载运连接 和正电流载运连接，以及到中间压力板12的非电流载运接地连接。
在电解槽模块1的操作期间，氢气在阴极处析出且释放到阴极半电池腔室20a中， 在该处其形成氢气-液体电解液混合物，所述混合物经由气体-液体通路21a上升且行进 到氢气脱气腔室19a。类似地，在操作期间，氧气在阳极处析出且释放到阳极半电池腔室 20b中，在该处其形成氧气-液体电解液混合物，所述混合物经由气体-液体通路21b上升 且行进到氧气脱气腔室1%。在两种情况下，液体均在脱气腔室中与气体分离，且经脱气液 体经由经脱气液体通路2 和22b返回到相应的半电池腔室20a和20b。经分离氢气经由 氢气脱气腔室中的经分离氢气出口 25离开；经分离氧气经由氧气脱气腔室中的类似的经 分离氧气出口(未图示)离开。图2中展示根据本发明的电解槽模块组合件中的氢气脱气腔室的进一步细节。图 2中仅展示氢气脱气腔室19a的对应于几个结构板10)的部分，这仅是为了说明的目的。氧 气脱气腔室19b的配置和大小可以(但不一定)类似于氢气脱气腔室19a的配置和大小。 应了解，可预期使用一个以上氢气脱气腔室以及类似地使用一个以上氧气脱气腔室。脱气 腔室体积由所述多个结构板10中的所述系列的邻近脱气腔室开口(19a或19b)界定。可能 需要的用于冷却传入的气体-液体混合物的冷却盘管30位于脱气腔室19a和19b的下部部 分中。电解槽模块1包含相应的气体排放和给水通路，所述通路穿过电解槽模块1延伸且与 脱气腔室19a和19b流体连通以用于从每一脱气腔室排放气体且用于向脱气腔室中的至少 一者(优选地为氢气脱气腔室19a，因为在阴极氢气生成反应中消耗了水)中引入给水。加 水构件(未图示)在需要时通过给水通路将水添加到脱气腔室19a和19b中的一者或一者 以上，在脱气腔室中添加的水与电解液充分混合，之后分配到半电池腔室20a和20b(经由 经脱气液体通路2 和22b)。因此，脱气腔室19a具有多个功能首先，使传入的气体_液 体混合物分离为经分离气体和经分离液体；并且，在可能需要时使流体冷却(例如)以维持 适当的电池操作温度；且进一步地，为在分配到相应半电池腔室之前给水与电解液的混合 提供体积。在电解槽模块Ia的操作期间，来自对应阴极半电池腔室的气体-液体混合物从 气体-液体通路21a进入氢气脱气腔室19a。虽然展示每阴极半电池仅一个气体_液体通 路，但应了解，可使用每半电池多个气体-液体通路。传入的气体-液体混合物的气体部分 在脱气腔室体积中上升，且进而与传入的气体-液体混合物的液体部分分离。也可以使用 用于促进气体-液体分离的构件(例如隔板)来促进给定脱气腔室体积中的气体-液体分 离。经分离且部分冷却的气体经由位于脱气腔室19a顶部附近的一个或一个以上合适位置 处的至少一个经分离气体排放出口 25从电解槽模块1中的脱气腔室19a移除。经分离且 冷却的液体经由对应经脱气液体通路2 返回到阴极半电池腔室。虽然展示每阴极半电池 仅一个经脱气液体通路，但应了解，可使用每阴极半电池多个经脱气液体通路。在图2中说明的实施例中，添加流引导构件35以沿着脱气腔室的长度引导来自气 体-液体通路的传入的气体-液体混合物。此配置在气体-液体通路2 到脱气腔室19a的 连接点位于操作液面的既定范围以下时是优选的。此配置的益处包含(i)即使在引入给 水高于液面时，添加到脱气腔室19a的给水的广泛“自动”混合也能够实现对所有半电池的 均勻分配；( )避免脱气腔室19a顶部处的气体层受到传入的气体-液体混合物的干扰， 以及改善的气体-液体分离效率；(iii)脱气腔室19a中冷却盘管的改善的热传递系数；以 及(iv)避免过量的夹带气体返回到半电池。这些益处在维持脱气腔室19a宽度上的良好 流体流动时产生，因为气体-液体通路21a和经脱气液体通路22a的连接点是在脱气腔室
1319a的相对侧上。流体流建模指示在没有任何流引导构件的情况下，沿着脱气腔室19a的 长度存在极少的流。如图示的流引导构件35包括位于气体-液体混合物进入脱气腔室19a 的进入点上方的“护罩”，其由至少一个且至多三个“壁”和一“顶”组成，其中到脱气腔室的 开口对应于流体流的既定方向。“壁”和“顶”可在可能需要时成角度或另外定向以获得所 需的流体流模式。虽然“护罩”结构相对容易制造且呈现对流体流的相对极少阻力，但应了 解，可使用其它流引导构件，例如从气体-液体通路延伸到脱气腔室19a中的弯曲管路。对应于图2中说明的实施例的电解槽模块固有地具有高度可缩放性，因为在模块 中的广范围电池数目上可预期相同的一般流体流模式，且脱气腔室体积和脱气容量随着电 池数目或更特定来说随着电解槽模块中结构板的数目而自动缩放。此外，即使在少数且显 著分离的给水添加点并且即使在经由液体顶部的给水引入的情况下，给水在脱气腔室中的 良好混合以及对所连接半电池的均勻分配也可在电解槽模块中的广范围数目的电池上实 现。类似地，通过成比例地增加冷却盘管长度以及还(任选地)改变冷却剂流动速率，模块 的冷却能力也可随着电解槽模块中的电池数目而缩放。图3中展示根据本发明的电解槽模块的结构板。图3展示优选实施例，其中每一结 构板10界定一个半电池腔室开口 20和两个脱气腔室开口 19a和19b ；应了解每一结构板可 界定一个以上每一类型的开口。与阳极半电池相关联的结构板称为阳极结构板，且与阴极 半电池相关联的结构板称为阴极结构板。每一结构板10还包括一个或一个以上气体-液 体通路21，其将半电池腔室开口 20的顶部部分直接连接到脱气腔室开口 19a和19b中的一 者。每一结构板10进一步包括一个或一个以上经脱气液体通路22，其将半电池腔室开口 20的底部部分直接连接到脱气腔室开口 19a和19b中的一者。虽然图3中展示仅一个气 体-液体通路21和一个经脱气液体通路22，但应了解，也可使用多个每一类型的通路。在 阳极结构板中，直接连接到阳极半电池腔室的脱气腔室是氧气脱气腔室，且在阴极结构板 中，直接连接到阴极半电池腔室的脱气腔室是氢气脱气腔室。脱气腔室开口 19a和19b可视为具有上部区段和下部区段。经分离气体上升进入 上部区段，且经脱气液体下降进入下部区段。气体-液体通路21的排放开口优选地经定位 以避免将气体引入经脱气液体和将液体引入气体。因此，气体-液体通路21在位于到经脱 气液体通路22的入口上方但在脱气腔室开口 19a和19b的上部区段下方的位置处进入脱 气腔室19a和19b。换句话说，排放开口因此在上部区段的较低(优选最低)区中。结构板10进一步包括位于气体-液体通路21到脱气腔室开口 19a的连接点处的 流体流引导构件35 ；如果气体-液体通路21连接到脱气腔室开口 1%，那么也可使用类似 的流体流引导构件。在此实施例中，流体流引导构件35包括位于气体-液体通路21到脱 气腔室开口 19a的连接点上方的“护罩”。“护罩”由至少一个且至多三个“壁”和一“顶”组 成，其中开口对应于流体流的既定方向。虽然“护罩”结构相对容易制造，呈现对流体流的 相对极少阻力，且不会不利地影响周围区域的结构完整性，但应了解，可使用其它流体流引 导构件；例如从气体-液体通路延伸到脱气腔室开口 19a中的弯曲管路形状。针对用于气体-液体传送的通路21和经脱气液体通路22可预期不同的结构，包 含(i)表面通道，即在结构板10的表面中界定的通道；(ii)内部通路，即在结构板10的 内部中界定的通路；(iii)在某些区段中变为内部通路的表面通道；以及(iv)在某些区段 中变为表面通道的内部通路。在图3中，通路展示为包括表面通路，除了到半电池腔室开口20的连接点附近以外，在该处表面通路变为内部通路以便允许密封垫圈固持特征下方的通 过。此方法有助于在通路较长和/或具有复杂形状时的可制造性。对于大的部分，如实现高 气体生产能力所需，以上结构(i)和(iii)的使用(表面通路和/或在某些区段中变为内部 通路的表面通路)是优选的且可能是可制造性所需的。应了解，原则上，所预期四种不同通 路结构中的任一者都可用于任一给定通路，且用于通路的不同方法的组合可在任一给定结 构板中使用。还应了解，在表面通路的情况下，通路可在邻近结构板的一个或两个相对表面 中形成。应进一步了解，虽然每一组气体-液体通路21和经脱气液体通路22通常在单个 结构板中界定，但也可考虑较为复杂的结构，其中通路穿过多个结构板且结构板之间具有 适当的密封。举例来说，给定结构板中的气体-液体通路可在其路径中的适当点处变为内 部通路，随后行进通过其结构板的宽度到达结构板的相对面，随后通过邻近结构板的宽度， 最终到下一结构板的附近面上，在该处所述通路继续其路径作为到对应脱气腔室开口的表 面通路，任选地在到脱气腔室开口的连接点附近变为内部通路。在通路穿过邻近结构板之 间的点处包含适当的密封。类似的结构可用于经脱气液体通路。应了解，气体-液体通路 和经脱气液体通路可穿过多个板。应注意，多板配置也是固有可缩放的，且不包含共同内部 流体收集歧管或用于气体-电解液或电解液传送的外部管道。用于气体-液体传送的通路21和经脱气液体通路22的长度和横截面积是电解槽 模块的杂散电流(也称为旁路电流)和电流效率的主要决定因素。电解槽模块中电流的主 要路径是通过电池，其为所需的气体产生路径。在当前实施例中，离子电流可流动通过气 体-液体通路中和经脱气液体通路中的电解液。经由气体-液体通路和经脱气液体通路绕 过电池路径的此所谓的杂散电流或旁路电流的量取决于电池路径和通路的相对电阻。杂散 电流的有害影响包含气体产生电流的损失(较低电流效率)和暴露于电解液的金属(尤其 是钢)部分的潜在杂散电流腐蚀。对于任一给定的电解液浓度和温度，通路的电阻取决于 ⑴通路的长度；(ii)通路的横截面积；以及(iii)通路中流体的空隙分率(气体分率)。气体-液体通路21和经脱气液体通路22的长度和横截面积也是电解槽模块中的 流体流动速率和空隙分率(指示气体滞留的程度)的关键决定因素。虽然杂散电流随着通 路长度增加且随着通路横截面积减小而减小，但相反地流体流量逐渐受限。流体流量的限 制当然是不合意的，且在电解槽模块中需要足够的液体循环(例如)来维持低空隙分率和 良好的热传递特性。因此，电解槽模块的设计需要杂散电流的控制与促进良好流体流动之 间的折衷。在当前实施例中，通过使用“狭槽”几何形状而扩大通路横截面积；即，虽然对应于 结构板厚度的通路尺寸受限，但在同一表面的垂直方向上伸长的狭槽几何形状可用以提供 显著的横截面积，其又允许电解槽模块中的良好流体流动和循环。选择对应的通路长度以 便增加与通路路径相关联的电阻，且实现例如99%或更高(即，通过电解槽模块的电流的 99%或99%以上通过电池且产生气体)的电流效率。可通过使用各种通路路径几何形状 来伸长通路。经脱气液体通路中的空隙分率通常可预期为非常低，且通路中流体的电阻率 将接近于液体电解液的电阻率。气体-液体通路中的空隙分率通常在电解槽模块的操作期 间可预期为显著的，例如0. 1到0. 5。因此，经脱气液体通路与气体-液体通路相比通常较 长且/或具有较小的横截面积。或者，可使用较大数目的气体-液体通路。一般来说，可能 需要使用复杂的通路配置以便获得高电流效率；这对于具有高气体生产能力和对应大的通
15路横截面积的大电解槽模块是最重要的。在图3所示的实施例中，每半电池的最大氢气生 成速率的比率，即通过气体-液体通路的最大氢气流动速率(Nm3/h)与气体-液体通路的 横截面积(cm2)之比为0. 83，(2. 5Nm3/h的每氢气半电池的最大氢气生成速率和3cm2的气 体-液体通路的横截面积)，且通路纵横比，即气体-液体通路的长度与其横截面积的比率 为23。在气体-液体通路的横截面积变化或存在一个以上气体-液体通路的情况下，平均 值可用作估计值。具有这些比率的显著较大值的电解槽模块设计可视为具有显著受限的流 体流量和流体循环，且伴随有从半电池腔室的热移除和半电池腔室的过量空隙的潜在严重 问题。最大氢气生成速率(Nm3/h)与气体-液体通路的横截面积(cm2)的比率的推荐最大 值为约2。氢气气体-液体通路的纵横比的推荐最大值为约30。图4中展示具有不同通路配置的根据本发明的电解槽模块的结构板10的实例。通 路的大部分长度是表面通路，这使得能够使用具有复杂形状的长通路。表面通路可任选地 在到半电池腔室开口 20和到脱气腔室开口 19a的连接点附近变为内部通路，以促进用于定 位和固持密封垫圈的固持特征。在图4i所示的实施例中，气体-液体通路21i从半电池腔 室开口 20的顶部部分向上且在脱气腔室开口 19a上方延伸，之后连接到脱气腔室开口 19a 的底部部分。经脱气液体通路22i从脱气腔室开口 19a的相对侧向下且在结构板同一侧上 的半电池腔室开口 20的外围周围延伸，之后连接到半电池腔室20的底部部分。在图4ii所 示的实施例中，气体-液体通路21ii从半电池腔室20的顶部部分大体上从半电池腔室开 口垂直向上延伸，且接着大体上向下返回，之后连接到脱气腔室开口 19a的底部部分。在图 4iii所示的实施例中，气体-液体通路21iii从半电池腔室开口 20的顶部部分且在对应 脱气腔室开口 19a下方延伸，在远侧处接合脱气腔室开口 19a的底部部分。经脱气液体通 路22iii从脱气腔室开口 19a的相对侧向下且在结构板相对侧上的半电池腔室开口 20的 外围周围延伸，之后连接到半电池腔室开口 20的底部部分。在图4iv所示的实施例中，气 体-液体通路21iv从半电池腔室开口 20的顶部部分延伸且在对应脱气腔室开口 19a下方 延伸一段距离，接着在其自身上方折回，之后在近侧处接合脱气腔室开口 19a的底部部分。结构板10优选由对电解液(例如，25 %到35 % KOH水溶液)和气体(例如氧气、 氢气、氮气或氯气)以及其可能暴露于的其它可能材料(例如氢氧化铵)为惰性的合适电 绝缘聚合物材料制成。合适的热塑性材料的实例包含聚苯醚(PPO)、聚苯硫醚(PPQ和类似 物，尤其为聚砜。也可使用热固性聚合物材料。可通过例如注射模制或铸造等常规模制技 术或者通过例如研磨和钻孔等常规加工技术来制造板。通过模制技术制造使得能够通过包 含额外的开口、取芯等(针对可模制性、重量、成本和潜在应变消除考虑)以及使用主体、半 电池腔室开口、脱气腔室开口、气体-流体通路和经脱气液体通路的复杂形状而考虑结构 板10中的材料减少。举例来说，杂散电流阻挡壁可直接添加到可在电解槽模块中适当点处 使用的特殊结构板的脱气腔室开口中的一者或一者以上的底部部分(在高于最高预期操 作液面处延伸)，来控制杂散电流。此外，倘若可制造的零件在大小上存在潜在限制，那么以 可经互连或接合而形成完整结构板的多个部分来形成结构板也是在预期之内的。结构板进一步包括第一和第二相对表面，其界定用于定位和固持功能电池组件的 固持特征，功能电池组件包含电极(阳极和阴极)、隔膜和双极板。这些固持特征使得能够 在经组装电解槽模块中适当定位和对准功能组件。用于给定功能组件的每一固持特征包括 “L”形座，其围绕对应的半电池腔室开口。每一 “L”形座包括座背部和座壁，其优选彼此正交。每一“L”形座向内面对半电池腔室开口。功能组件大小经设定以完全“坐落”在座内， 使得电极、隔膜或双极板的一个平面表面与其在其中被支撑的结构板的表面大体上在同一 平面内。结构板进一步包括第一和第二相对表面，其界定用于定位和固持密封垫圈的固持 特征。密封件可如此项技术中已知以防止气体、液体或气体-液体混合物(a)从电解槽模 块内部向外部以及(b)从这些物质包含于其中的腔室或通路内部的泄漏。此些密封件可包 含(但不限于)例如平坦垫圈或(优选地)ο形环。在平坦垫圈的情况下，例如肋等其它特 征可添加到相对表面中的一者或一者以上。对于一些特征，尤其在密封并不重要的情况下， 也可使用不具有密封垫圈的互锁特征或抗压肋。通常，用于定位和固持密封垫圈的主要固 持特征首先是围绕脱气腔室开口中的一者或一者以上的全部或至少一部分的那些固持特 征、围绕半电池腔室开口的那些固持特征，还有围绕全部流体容纳体积的主要外部密封件， 所述全部流体容纳体积包含所述两个或两个以上脱气腔室开口、半电池腔室开口、所述一 个或一个以上气体-液体通路和所述一个或一个以上经脱气液体通路中的全部。也可预期 使用用于定位和固持密封垫圈的多个密封件和固持特征。当结构板10经布置在一起以形成图1的实施例中的电解槽模块1时，一个结构板 的第一表面与邻近结构板的第二表面对准以使得功能组件和密封垫圈与其相应的固持特 征对准，以便阴极14、隔膜15和阳极13由其相应的结构板支撑，且半电池腔室、脱气腔室和 电解槽模块的周边充分密封。图3和图4的实施例中的结构板10的大小设定取决于半电池腔室开口、脱气腔室 开口的所需大小和形状，以及在某种程度上取决于气体-液体通路和经脱气液体通路的所 需大小和路径。半电池腔室开口是根据针对电解槽模块中的给定操作范围的电流密度和电 池数目的所需或适当的有效电极区域来设定大小。阳极和阴极标称(投影几何形状)表面 积以及标称隔膜表面积一般是维持相等，但不一定要求这样。脱气腔室开口和气体-液体 通路以及经脱气液体通路的大小、形状和配置则随后按需要而设定大小以获得目标液体流 动速率、空隙分率和气体-液体分离效率。图3和图4的实施例中的结构板10的总厚度(在其相对表面之间测得)可取决于 应用、零件直径、构造的材料、操作压力、操作温度、制造方法等，但必须足以容纳气体-液 体通路19和经脱气液体通路22。举例来说，对于水电解，总厚度可在0. 4到1. 5cm的范围 内，且更优选地，对于较大直径结构板为1. 0到1. 5cm的范围内。应注意，由于可制造性考 虑(例如，通过注射模制来制造)，较大直径结构板中的任一给定点处的实际塑料厚度小于 总零件厚度。一般地，对于图3和图4的实施例中的结构板10的主体、半电池腔室开口 20和脱 气腔室开口 19a和19b来说优选不具有尖角的形状，以便避免应力集中。具体形状取决于 设计要求，例如适应不同的通路路径，实现所需结构强度，以及适应实现良好流体流动和气 体-液体分离所需的大小等。举例来说，脱气腔室开口 19a和19b优选具有带圆角的不规 则形状，但也可具有带圆角或圆形的直线形状。电解槽模块1在图Ib的实施例中展示为在任一末端一起固持于末端压力板11之 间。还使用用以通过末端压力板11对模块的任一末端施加密封压力的压缩系统，如此项技 术中众所周知。举例来说，使用Belleville垫片堆叠的若干系杆组合件也可用以维持模块上的密封压力，其中系杆定位于电解槽模块的主体外部周围和/或穿过电解槽模块的主 体。末端压力板11包括主体且可由钢、不锈钢、镀镍钢、镀镍不锈钢、镍或镍合金制成。末 端压力板11的主体是导电的，且通常用以促进到电解槽模块1的电连接，其使用此项技术 中已知的适当电连接构件。由(例如)外部DC电源施加于电解槽模块1的电池部分的电流作为电子电流通 过末端压力板，接着通过邻近的电流载体16到达阴极14，在阴极14处电子与水反应产生氢 离子和氢氧根离子。氢氧根离子载运电流通过隔膜15到达阳极13，在阳极13处氢氧根离 子反应产生氧气、水和电子。电流接着作为电子通过邻近的电流载体16到达双极板17，且 接着通过双极板17到达邻近的电池。类似过程在中间压力板12处发生，且还在电解槽模 块1的另一端(未图示)发生，其中电子通过金属的末端压力板11且接着返回到外部DC 电源以完成电路。在图Ib所示的实施例中，末端压力板11中的一者和中间压力板12的一侧直接用 以界定末端(邻近)半电池腔室(由其它半电池中的双极板17或中间压力板12界定)的 一侧。特殊结构板IOd和IOc分别邻近于另一末端压力板11和中间压力板12的另一侧而 放置。这些特殊结构板不具有气体-液体通路21或脱气通路22。在末端压力板11旁边的 特殊结构板IOd具有半电池腔室开口 20，但不具有脱气腔室开口 19。中间压力板12旁边 的特殊结构板IOc具有半电池腔室开口 20和脱气腔室开口 19。特殊结构板的目的是提供 与邻近结构板IOa的表面中的通道相对的相对绝缘面以形成气体-液体通路和经脱气液体 通路。即使具有特殊结构板IOd和10c，末端压力板和中间压力板也可直接用以界定邻 近半电池腔室的一侧(通过对应地使用较厚的单个电流载体16)。然而，在替代实施例中， 双极板17可安放于特殊结构板IOd和IOc中以界定邻近半电池腔室的一侧。在此情况下， 较薄的电流载体可用以提供双极板17与邻近末端压力板11和中间压力板12之间的电连 接。当然，此配置可在两个末端板11处和在中间压力板12的任一侧上使用。此替代实施 例是有利的，因为末端压力板11和中间压力板12的主体不暴露于潜在腐蚀性的电解液。在另一替代实施例中，适当设定大小的镍片或板可插入邻近于末端板和一个或一 个以上中间板定位的特殊结构板IOc和IOd中的固持特征中，或者末端压力板的主体中以 及一个或一个以上中间压力板的两个相对面上的凹口中，镍片或板进而经定位以便面对且 对应于邻近的半电池腔室。也可使用适当的密封来确保电解液接触限于镍片或板。此替代 实施例也是有利的，因为末端压力板11和中间压力板12的主体不暴露于潜在腐蚀性的电 解液。在此方面，中间压力板12中的脱气腔室开口也可包含绝缘嵌件或套管，或者可以绝 缘材料涂覆。图9是说明利用如上文建议的安装于凹口 32内的镀镍嵌件30的末端压力板II 的正视图。图10和图11是说明利用镀镍嵌件40的中间压力板12的正视图，镀镍嵌件40 接纳于通孔42中且由保持突出部44保持紧固到中间压力板12。优选地，电解槽模块中也包含一个或一个以上中间压力板12 ；在一个中间压力板 12的情况下，其优选定位于电解槽模块的中点处(S卩，在任一侧上有相等数目的电池)。中 间压力板12的主体是导电的，且通常用以促进到电解槽模块1的电连接。这些电连接可为 载运电流的功率连接，或仅用于接地目的的不载运电流的连接。取决于到电解槽模块1的电连接的配置，用于外部管道(例如，用于冷却剂循环、给水添加、产物气体排放出口、惰性 气体引入、脱气腔室的下部区段的连接以及排液)的连接可到达末端压力板11和中间压力 板12中的一者或一者以上。脱气腔室的下部区段可由所述一个或一个以上中间压力板12 的主体或一个或两个末端压力板11的主体中的通路连接。取决于到电解槽模块1的电连 接的配置，可包含额外的中间压力板12，其经定位以便将总数目的电解电池划分为含有相 等数目电池的区段。在非常小的电解槽模块的情况下，可能消除中间压力板12。在此情况下，仅结构板 10将直接安装在末端压力板11之间，且用于外部管道的连接将通过末端压力板11。如图10和图11中说明，不必提供具有气体液体分离器腔室开口的中间板12。中 间板12的功能是为来自其任一侧的气体液体分离器腔室的气体提供撤出的位置。这可以 通孔50来实现，通孔50实际上是安装于中间板12的相对侧之间的“鼓形管”接头。通孔 50在其相对侧上与气体液体分离器腔室19a和19b流体连通，且与从中间压力板11大体上 径向延伸的流体导管52流体连通。中间压力板12包括可由钢、不锈钢、镀镍钢、镀镍不锈钢、镍或镍合金制成的主 体。主体中界定两个或两个以上脱气腔室开口，其通常但不一定对应于同一电解槽模块中 使用的结构板中的脱气腔室开口。中间压力板12还可包含配合于脱气腔室开口中的保护 性塑料或加强塑料嵌件，以保护主体材料免于杂散电流腐蚀。嵌件也可并入有杂散电流阻 挡壁，其是由例如塑料等电绝缘材料制成的壁，其阻挡中间压力板12中的脱气腔室开口中 的一者或一者以上的大部分，从而在脱气腔室开口的顶部附近留下一些开放空间以允许气 体流动。杂散电流阻挡壁还可定位于电解槽模块1中的结构板10中的任一者中，但中间压 力板12是优选位置，以便避免在到给水添加点的中间的点处由杂散电流阻挡壁对给水混 合的干扰。存在若干可能方法来形成到电解槽模块1的电功率连接以传递电流通过所述多 个电解电池。这些方法一般可如下归类(a)到末端压力板11中的一者的正电功率连接， 和到另一末端压力板11的负电功率连接；(b)到两个末端压力板11的负电功率连接；以 及(c)到两个末端压力板11的正电功率连接。在所有以上情况下，电流载运电功率连接也 可到一个或一个以上中间压力板12。在情况(a)中，使用偶数数目的中间压力板12(如果 使用中间压力板，那么需要至少两个)；在情况(b)和(c)中，使用奇数数目的中间压力板 12 (需要至少一个中间压力板)。在所有情况下，中间压力板12优选将总数目的电池划分 为相等数目电池的区段，且此外，到中间压力板12的交替的负和正电功率连接经定位以使 得负和正电功率连接在电解槽模块1的长度上交替。图5(i)到图5(iv)中示意性描绘电功率连接配置的实例⑴到电解槽模块1的 一个末端压力板Ila的负电功率连接和到另一末端压力板lib的正电功率连接；(ii)到一 个末端压力板Ila的负电功率连接和到另一末端压力板lib的正电功率连接，其中到中间 压力板12的非电流载运电接地连接位于电解槽模块1的中点处；(iii)到末端压力板Ila 和lib的负电功率连接，和在电解槽模块1的中点处到中间压力板12的正电功率连接；以 及(iv)到末端压力板Ila和lib的正电功率连接，和在电解槽模块1的中点处到中间压力 板12的负电功率连接。到同一电解槽模块中的多个中间压力板12的电功率连接的使用基本上将电解槽模块分为两个或两个以上并联(或单独)组的电功率连接，例如图5(iii)到5(vi)中说明 的配置。通过不对中间压力板12提供气体液体分离腔室开口，且进一步通过使用介入塑料 涂层或塑料(具有适当密封)而不允许中间压力板中的金属与电解液接触，来防止电子和 离子电流两者通过中间压力板12。配置(ν)和(vi)的潜在优点包含较低的杂散电流驱动 力和较多潜在外部管道连接点的可用性。如图5(iii)、5(v)和5(vi)中描绘，负电功率连 接可连接到同一电接地。一个或一个以上电源(AC到DC转换器和/或DC到DC转换器) 可用以经由上文描述的电功率连接配置将DC电力供应到电解槽模块。外部管道连接一般是形成到负或接地的中间压力板12或末端板11。此外部管道 的说明性实例包含(a)每一脱气腔室具有一个或一个以上气体出口，其位于一个或一个 以上中间压力板中，或一个或两个末端压力板中；(b)脱气腔室可含有一组或一组以上冷 却盘管，其通过一个或一个以上中间压力板或通过一个或两个末端压力板连接到一个或一 个以上外部冷却剂循环环路；(c)脱气腔室可含有添加给水的构件，其连接到一个或一个 以上中间压力板，或一个或两个末端压力板；(d)传感器(用于电平、温度、压力或其它测 量)或传感器储集库通过一个或一个以上中间压力板或通过一个或两个末端压力板连接 到脱气腔室；以及(e)脱气腔室的下部区段通过一个或一个以上中间压力板或通过一个或 两个末端压力板由外部管道连接到彼此。图6(i)和6(ii)展示两个交替组的结构板的侧视图，每一组包括阴极结构板 (10a(i)和lOa(ii))和阳极结构板(10b(i)和10b(ii))。所展示的结构板的部分位于半 电池的顶部且稍微高出。在第一组结构板(10a(i)和10b(ii))中，阳极结构板10b(i)的 第一表面包含两个座，第一最内的座是用于安放阳极13，第二或最外的座是用于安放隔膜 15，其界定对应半电池的一侧。经组装电解槽模块中的相对表面是阴极结构板10a(i)的第 一表面，其包含用于安放阴极14的一个座。阴极14和阳极13进而在任一侧上“夹住”且 支撑隔膜15。阴极结构板10b(i)的第二表面包含用于双极板17的座，其界定对应半电池 的另一侧，通过电流载体16而电连接到阴极14。相对表面是另一阳极结构板10b (i)的第 二表面，其在此实施例中不包含用于功能组件的任何座。为了便利以上描述，结构板10a(i) 和10b(i)已经分别被任意地视为阴极和阳极结构板。应了解，这些也可分别为阳极和阴极 结构板。任选地，可使用密封垫圈(未图示)来密封隔膜15和双极板17，在此情况下结构 板进一步包括用于定位和固持密封垫圈的对应固持特征。在第二组结构板(lOa(ii)和10b(ii))中，功能组件固持特征在阴极和阳极结构 板中是相同的。在每一板中，第一表面中的隔膜座和第二表面中的双极板座各自有效地是 “半座”，其也并入有用于密封隔膜和双极板的两个面的密封垫圈的固持特征。如果(i)气 体-液体通路和经脱气液体通路(图6中不可见)在到半电池腔室开口和到至少两个脱气 腔室开口中的一者的连接点附近和连接点处变为内部通路；以及(ii)气体-液体通路和经 脱气液体通路完全位于结构板的垂直中心线的一侧上，那么，阴极结构板lOa(ii)可翻转 且在与阳极结构板10b (ii)相对的定向上使用，其为阴极结构板lOa(ii)的镜像，以便仅需 要制造单个零件(例外是任选使用的特殊结构板，例如用于在末端压力板或中间压力板旁 边放置的特殊结构板，或具有杂散电流阻挡壁的结构板)。或者，在第二组结构板(lOa(ii)和10b(ii))中，气体-液体通路和经脱气液体通 路可完全为内部通路。具有完全内部通路的此些板的制造可通过例如以两个零件(第一零件和第二零件)模制结构板来实现。第一零件和第二零件中的每一者的面区域对应于结构 板的完整面区域，且第一零件的厚度加上第二零件的厚度的总和构成结构板的完整厚度。 第一零件和第二零件中的每一者具有外端面和内端面，外端面包括结构板的端面的特征， 且内端面包括气体-液体通路和经脱气液体通路的相对半部。第一零件和第二零件的内面 可借助于此项技术中已知的构件结合在一起以形成具有完全在结构板内部的气体-液体 通路和经脱气液体通路的结构板。如果气体-液体通路和经脱气液体通路进一步完全位于 结构板的垂直中心线的一侧，那么仅需要使用单个类型的结构板(例外是任选使用的特殊 结构板，例如末端结构板或具有杂散电流阻挡壁的结构板)。下文描述用于电解槽模块排液的排液系统的实施例。排液系统从阴极半电池腔室 和阳极半电池腔室排出电解液，以用于例如长期关闭、维护、运输等目的。应注意，排液系统 在操作期期间不影响电解槽模块，且在此方面可视为电解槽模块的独立部分。排液系统包 括两个单独排液系统用于阴极半电池的阴极排液系统，和用于阳极半电池的阳极排液系 统。在第一实施例中，阴极和阳极排液系统中的每一者包括多个连接排液通路，其将 阴极半电池腔室中的每一者或阳极半电池腔室中的每一者的底部部分连接到一个或一个 以上排液歧管。应注意，通过对半电池腔室进行排液，对应的脱气腔室也被排液，因为后者 通过经脱气液体通路和气体-液体通路连接到半电池腔室。阴极和阳极排液系统可类似， 但不一定类似。此处将为了说明性目的而描述阴极排液系统。阴极排液通路包括具有相 对小横截面积的长通路，其连接阴极半电池腔室的底部部分与一个或一个以上阴极排液歧 管。阴极排液歧管位于阴极半电池腔室下方以便排液可通过重力高差而实现，且沿着电解 槽模块的长度延伸至少一段距离。用于阴极半电池的排液通路的长度可通过使用一个以上 结构板中包括的路径来延伸。在当前实施例中，排液通路在阴极半电池腔室的底部部分附 近是内部通路，其接着变为沿长向下路径而行的表面通路以便使操作期间的杂散电流可忽 略。通路接着行进通过邻近阳极板中的一者到达下一阴极板，在该处其再次变为具有长路 径的表面通路，之后接合阴极排液歧管中的一者。可使用一个以上阴极排液歧管以便进一 步限制杂散电流。所述一个或一个以上阴极排液歧管连接到排液点。排液点包括具有阀的 排液口，其位于中间压力板中的一者或末端压力板中的一者的底部部分中。电解槽模块中 可存在一个以上排液点。在第二实施例中，阴极和阳极排液系统中的每一者还包括用于每一半电池的排液 通道。优选地，阴极和阳极排液系统两者使用类似的方法。此处为了说明性目的而描述阴 极排液系统。阴极排液系统的主要特征在图7中展示，图7展示电解槽模块中的一系列三 个邻近结构板(两个阴极结构板和一个阳极结构板)。用于每一阴极半电池的阴极排液通 路70的开始点位于经脱气液体通路21a中，在其到阴极半电池腔室开口 20a的连接点附 近。(在替代配置(未图示)中，阴极排液通路70直接连接于阴极半电池腔室开口 20a的 底部处或附近。)因此，阴极排液通路70的开始点位于阴极半电池腔室下方。阴极排液通 路70初始为内部通路，通过阴极结构板IOa的厚度到达邻近阳极结构板IOb的相对面，在 该处其变为产生长路径的表面通路以便使操作期间的杂散电流可忽略。由阳极结构板IOb 的面中的表面通路界定的区域的外围被密封，优选地通过安放于固持特征(未图示)中的 ο形环(未图示)密封。阴极排液通路70接着再次变为内部通路，通过阳极结构板IOb的
21厚度到达邻近阴极结构板IOa中的经脱气液体通路21a。接着重复此多结构板配置，直到到 达排液点为止。排液点包括具有连接到阀的内部通道的排液口，其位于中间压力板12中的 一者或末端压力板11中的一者的底部部分中。电解槽模块中可存在一个以上排液口。第 二实施例的优点在于，不存在扩大结构板的底部部分的要求。图8展示根据本发明的电解槽系统的示意图。电解槽模块1根据本文描述的一般 电连接配置中的任一者电连接到电力(电功率)源。所供应电力一般是来自电源81的DC 电力，电源81可为例如DC-DC转换器以从DC母线提供经调节DC电力，或可为AC-DC转换 器以从AC母线提供经调节DC电力；主要电力源可为电力网和/或其它源，例如风力涡轮机 或风力电场，或太阳能电池阵列或太阳能电场，任选地包含用于例如电力传输、变换和“未 调节”整流等中间过程的一些或全部设备。电解槽模块1还连接到给水源82，其通常具有 例如通过反渗透和/或离子交换单元进行的中间给水净化。电解槽模块1进一步连接到冷 却剂源83，其可包括具有冷冻机或其它热移除构件的冷却剂储集库以及冷却剂循环和流动 速率控制构件。氢气出口可连接到用于任何下游应用或存储的处于所需压力下的缓冲体积84a ； 类似的缓冲体积84b也可用于氧气出口。此些缓冲体积可有用于实现气体在不同流动速率 下从电解槽模块1的连续流动。任选地，如此项技术中已知，除雾构件8 和8 可分别用以从氢气移除雾，且还 优选地从氧气移除雾。氢气流和氧气流使用单独的除雾构件。除雾构件可位于来自电解槽 模块1和缓冲体积8 和84b的相应气体出口之间的任一点处。也可包含用于将所收集液 体从除雾器返回到对应的氢气或氧气脱气腔室的通路或导管。此外，除雾构件可集成到脱 气腔室中。离开的产物氢气和/或氧气也可与给水接触以改善除雾效率且促进经移除电解 液雾的返回。电解槽系统可进一步包括用于氢气的气体调节(气体净化)构件86a和/或用于 氧气的气体调节(气体净化)构件86b，两者可包括例如催化净化器和干燥器。氢气压缩构 件87a和/或氧气压缩构件87b可根据下游压力要求而包含在内，且可位于气体调节构件 86a和/或86b的上游或下游，这取决于由电解槽模块1产生的气体的压力。如果需要存 储过量氢气和/或氧气用于未来使用，那么可任选地包含氢气传输和/或存储构件88a和 /或氧气存储构件88b。用户89a和89b可为同一实体，且可包含例如使用氢气和/或氧气 的工业过程、用于氢动力交通工具的氢燃料分配系统，或发电机。在碱性水电解的情况下，固有可缩放的电解槽模块一般是通过首先在电解槽模块 中包含的多个电解电池中生成氢气和氧气来产生氢气和氧气。氢气-电解液混合物通过从 每一阴极半电池腔室直接延伸到一体地包含在电解槽模块结构中的一个或一个以上氢气 脱气腔室的相应的气体-液体传送通路，从每一阴极半电池腔室的顶部部分直接传送到所 述一个或一个以上氢气脱气腔室的上部区段的底部部分。来自阴极半电池中的每一者的氢 气-电解液混合物流被沿着一个或一个以上氢气脱气腔室的长度纵向引导，以便促进向冷 却盘管的热传递且促进给水添加的混合。氢气在一个或一个以上氢气脱气腔室中与液体电 解液分离以产生氢气和经脱气电解液。将所得氢气从一个或一个以上氢气脱气腔室的顶部 部分移除，且通过将一个或一个以上氢气脱气腔室直接连接到每一阴极半电池腔室的经脱 气液体通路，来将经脱气电解液从一个或一个以上氢气脱气腔室的下部区段的底部部分直接传送到阴极半电池腔室的底部部分。类似地且同时地，通过从每一阳极半电池腔室直接延伸到一体地包含于电解槽模 块结构中的一个或一个以上氧气脱气腔室的相应气体-液体传送通路，将氧气-电解液混 合物从每一阳极半电池腔室的顶部部分直接传送到所述一个或一个以上氧气脱气腔室的 上部区段的底部部分。来自阳极半电池中的每一者的氧气-电解液混合物流被沿着一个或 一个以上氧气脱气腔室的长度纵向引导，以便促进向冷却盘管的热传递且促进任何给水添 加的混合。氧气在一个或一个以上氧气脱气腔室中与液体电解液分离以产生氧气和经脱气 电解液。将所得氧气从一个或一个以上氧气脱气腔室的顶部部分移除，且通过将一个或一 个以上氧气脱气腔室直接连接到每一阳极半电池腔室的经脱气液体通路，来将经脱气电解 液从一个或一个以上氧气脱气腔室的下部区段的底部部分直接传送到阳极半电池腔室的 底部部分。应注意，以上过程还适用于碱性氨水电解，其中固有可缩放的电解槽模块产生氢 气和氮气(而不是氧气)，且氢氧化铵存在于/添加到阳极电解液(阳极侧电解液)。当然， 氧气脱气腔室在碱性氨水电解中将为氮气脱气腔室。根据本发明的电解槽模块的预期操作压力位于大气压与30巴之间，其取决于应 用要求和电解槽模块结构的压力保持能力。为了维持电解槽模块的固有可缩放性，不利用 额外的压力安全(pressure containment)构件(例如围绕电解槽模块的压力容器)或负 载支承加强支撑件或壳/套管。可考虑对每一结构板的加强以维持电解槽模块的固有可缩 放性。优选在既定操作压力下开始电解槽模块的操作，以便避免关于较低压力下的较大 气体体积的难题。因此，在初始启动之前通过将加压惰性气体引入电解槽模块中而将电解 槽模块的内部压力增加到既定操作压力。术语“初始启动”应理解为包含在需要对电解槽 模块的减压之后的任何启动。合适的惰性气体的实例是氮气、氩气和氦气。一旦以惰性气 体对电解槽模块加压，便可开始电解槽模块的操作；使产物气体排出，直到气体纯度达到可 接受水平为止，这将取决于用户应用。还优选，在非操作时段期间的液面低于结构板中的每一者中的气体-液体通路和 经脱气液体通路与脱气腔室的会合处，但高于半电池腔室的顶部。以此方式，提供半电池腔 室之间的电解液路径中的打断，同时确保半电池腔室保持填满，且隔膜保持完全润湿。实例1通过计算流体动力学(CFD)对根据本发明的六电池电解槽模块中的流体流 进行建模。为简单起见，本文仅描述氢气(阴极)侧上的流体流。一般结构板配置如图3 中所示，其中气体-液体通路21从半电池腔室开口 20的顶部部分延伸且在对应脱气腔室 开口 19a下方延伸一段距离，接着在其自身上方折回，之后在近侧接合脱气腔室开口 19a的 底部部分。电池有效面积为6，000cm2。氢气-液体分离腔室包括30cmx50cmxl3. 2cm的主 区段。气体-液体通路和经脱气液体通路的横截面积为3cm2。最大电流密度为1，OOOmA/ cm2。这对应于2. 5Nm3/h的最大每半电池氢气生成速率，因此最大每半电池氢气生成速率与 每一气体-液体通路的横截面积的比率是2. 5/3 = 0. 83Nm7h/cm2。针对从lOOmA/cm2到 1, 000mA/cm2的电流密度的模拟展示(a)良好的气体-液体分离效率，其中到达半电池腔 室的夹带气体可忽略；(b)高液体循环速率；(c)阴极半电池腔室的顶部处的低空隙分率； 以及(d)99%的电流效率。六个阴极半电池中的每一者的液体循环速率和空隙分率彼此相 差2 %以内，这指示固有可缩放性。
实例2接着，将实例1的电解槽模块中的电池数目增加到50个电池。通过CFD对 50电池电解槽模块中的流体流进行建模。为简单起见，本文仅描述氢气(阴极)侧上的流 体流。每一半电池的结果类似于针对六电池电解槽模块中的半电池获得的那些结果，从而 证明设计的固有可缩放性。举例来说，50电池电解槽模块中的经脱气液体通路中的任一者 中的流体流动速率与六电池电解槽模块中的经脱气液体通路中的任一者中的流体流动速 率相差6%以内。此外(i)经脱气液体通路中的流体流动速率在50电池电解槽模块中比在 六电池电解槽模块中高，且(ii) 50个阴极半电池中的每一者的经脱气液体通路中的流体 流动速率彼此相差以内。类似地，50个阴极半电池腔室的顶部处的空隙分率几乎相等， 且还与六电池电解槽模块中的阴极半电池腔室中的任一者的顶部处的空隙分率相差5%以 内。实例3接着，将实例2的电解槽模块中的电池数目增加到200个电池。通过CFD 对200电池电解槽模块中的流体流进行建模。为简单起见，本文仅描述氢气(阴极)侧上 的流体流。每一半电池的结果类似于针对六电池和50电池电解槽模块中的半电池获得的 那些结果，从而证明设计的固有可缩放性。举例来说，200电池电解槽模块中的经脱气液体 通路中的流体流动速率范围与50电池电解槽模块中的经脱气液体通路中的流体流动速率 范围相同。类似地，200个阴极半电池腔室的顶部处的空隙分率几乎相等，且还几乎等于50 电池电解槽模块中的阴极半电池腔室的顶部处的空隙分率。本发明电解槽模块可在各种气体的生产中使用，例如通过盐水的电解产生氯气 和氢气，通过氨水的电解产生氮气和氢气，或在水的电解的情况下产生氧气和氢气。本文 描述的本发明优选实施例是关于水的电解，其中在相应半电池腔室中生成氢气-液体和氧 气-液体混合物。预期本发明的电解槽模块用于大规模(例如，MW规模)高压力应用。已呈现以上对本发明的设备和工艺的优选实施例和实例的描述来说明本发明的 原理，且不将本发明限于所说明的特定实施例。希望本发明的范围由涵盖于权利要求书和 /或其均等物内的所有实施例来界定。
权利要求
1.一种电解槽模块，其包括多个结构板，所述结构板各自具有在相对端面之间延伸的 侧壁，其中一半电池腔室开口和至少两个脱气腔室开口在所述相对端面之间延伸通过所述 结构板；所述结构板在相对的末端压力板之间以面对面并置而布置，每一所述半电池腔室开口至少部分容纳电解半电池组件，所述电解半电池组件至少包 括电极、与所述电极电连通的双极板和隔膜，所述结构板和半电池组件界定上方具有至少 第一和第二脱气腔室的串联连接电解电池阵列，所述第一和第二脱气腔室各自具有位于下 部区段上方的上部区段；所述结构板至少在所述面对面并置中时界定相应气体-液体通路，所述气体-液体通 路在所述半电池腔室的顶部部分与所述第一和第二脱气腔室的所述上部区段的底部部分 之间延伸以提供所述电解电池的阳极部分与所述第一脱气腔室之间以及所述电解电池的 阴极部分与所述第二脱气腔室之间的流体连通；所述结构板进一步至少在所述面对面并置中时界定相应经脱气液体通路，所述经脱气 液体通路在所述第一和第二脱气腔室的底部部分与所述半电池腔室的所述下部区段的底 部部分之间延伸以用于经脱气液体从所述第一和第二脱气腔室分别返回到所述电解电池 的所述阳极和阴极部分；且，所述电解槽模块进一步包括相应气体排放和给水通路，所述气体排放和给水通路穿过 所述电解槽模块延伸且与所述脱气腔室流体连通以用于从所述脱气腔室排放气体且用于 向所述脱气腔室中引入给水。
2.根据权利要求1所述的电解槽模块，其进一步包括沿着所述电解槽模块的所述长度 穿插在所述结构板之间的至少一个中间压力板；每一所述至少一个中间压力板包括具有在 其间延伸的侧壁的相对端面，所述中间压力板界定至少第一和第二脱气开口，所述第一和 第二脱气开口在所述中间压力板的相对端面之间延伸以用于分别与所述第一和第二脱气 腔室流体连通连通来从所述第一和第二脱气腔室接收气体。
3.根据权利要求1所述的电解槽模块，其中所述第一和第二脱气腔室、气体液体通路 和经脱气液体通路大小经设定以最大化气体-液体分离和经脱气液体流，同时最小化杂散 电流损失。
4.根据权利要求1和2中任一权利要求所述的电解槽模块，其中所述气体-液体和经 脱气液体通路的至少一部分是由延伸到所述结构板的所述相对端面中的至少一者中的通 道来部分界定。
5.根据权利要求4所述的电解槽模块，其中所述通路是由延伸到所述结构部件的所述 相对端面中的至少一些中的表面通道配合所述结构板的所述相对端面的邻近处来界定。
6.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的电解槽模块，其中所述气体-液体通路 在所述至少两个脱气腔室开口中的至少一者的下方延伸且大体上在所述至少一者的宽度 上延伸，之后连接到所述至少两个脱气腔室开口中的所述至少一者。
7.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的电解槽模块，其中所述气体-液体通 路在所述至少两个脱气腔室开口中的至少一者的下方延伸且在所述至少一者的宽度上延 伸一段距离，之后在其自身上方折回且连接到所述至少两个脱气腔室开口中的所述至少一 者ο
8.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的电解槽模块，其中所述气体-液体通路 在所述至少两个脱气腔室开口中的至少一者的顶部上方延伸，之后连接到所述至少两个脱 气腔室开口中的所述至少一者。
9.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的电解槽模块，其中所述气体-液体通路 从所述半电池腔室开口大体上垂直向上延伸，且接着大体上垂直向下返回，之后连接到所 述至少两个脱气腔室开口中的至少一者。
10.根据权利要求1到9中任一权利要求所述的电解槽模块，其中以Nm3/h为单位的最 大每半电池氢气生成速率与以cm2为单位的所述气体-液体通路的横截面积的比率小于2。
11.根据权利要求1到10中任一权利要求所述的电解槽模块，其中所述气体-液体通 路的长度与所述气体-液体通路的横截面积的比率小于30。
12.根据权利要求1到11中任一权利要求所述的电解槽模块，其中所述至少两个脱 气腔室开口中的至少一者进一步包括流体流引导构件，在所述流体流引导构件处所述气 体-液体通路进入所述脱气腔室。
13.根据权利要求12所述的电解槽模块，其中所述流体流引导构件包括流体流引导护罩。
14.根据权利要求13所述的电解槽模块，其中所述流体流引导护罩包括一顶和至少一 个且至多三个壁。
15.根据权利要求1到14中任一权利要求所述的电解槽模块，其进一步包括在所述主 体中在所述半电池腔室开口的外围周围的用于定位和固持所述电解半电池组件的固持特 征。
16.根据权利要求1到15中任一权利要求所述的电解槽模块，其进一步包括在至少所 述结构板中的用于定位和固持密封垫圈的固持特征。
17.根据权利要求16所述的电解槽模块，其中所述固持特征包含用于定位和固持至少 一个密封垫圈以便完全围绕全部所述至少两个脱气腔室开口、所述半电池腔室开口、所述 气体-液体通路和所述经脱气液体通路的固持特征。
18.根据权利要求16和17中任一权利要求所述的电解槽模块，其中所述固持特征进一 步包含用于定位和固持至少一个密封垫圈以便完全封闭所述至少两个脱气腔室开口中的 至少一者的固持特征。
19.根据权利要求1到18中任一权利要求所述的电解槽模块，其中所述结构板的所述 侧壁具有不带尖角的外围形状。
20.根据权利要求1到18中任一权利要求所述的电解槽模块，其中所述至少两个脱气 腔室开口中的至少一者具有带圆角的不规则形状。
21.根据权利要求1到18中任一权利要求所述的电解槽模块，其中所述至少两个脱气 腔室开口中的至少一者具有圆形。
22.根据权利要求1到18中任一权利要求所述的电解槽模块，其中所述至少两个脱气 腔室开口中的至少一者具有带圆角的直线形状。
23.根据权利要求1到22中任一权利要求所述的电解槽模块，其中所述结构板由塑料 组成。
24.根据权利要求1到22中任一权利要求所述的电解槽模块，其中所述结构板由纤维加强塑料组成。
25.根据权利要求23和M中任一权利要求所述的电解槽模块，其中所述塑料由聚砜、 聚苯醚、聚苯硫醚、聚丙烯和聚甲醛中的至少一者组成。
26.根据权利要求2到25中任一权利要求所述的电解槽模块，其中在所述结构板中的 至少一者、至少一个特殊结构板和所述至少一个中间压力板中的所述至少两个脱气腔室开 口中的至少一者包含杂散电流阻挡壁。
27.根据权利要求2到沈中任一权利要求所述的电解槽模块，其中所述末端板和所述 至少一个中间压力板的所述主体由钢、不锈钢、镀镍钢、镀镍不锈钢、镍和镍合金中的至少 一者组成。
28.根据权利要求27所述的电解槽模块，其中所述至少一个中间压力板进一步包括保 护性塑料嵌件和保护性纤维加强塑料嵌件中的至少一者，其配合到所述至少第一和第二脱气腔室开口中。
29.根据权利要求27所述的电解槽模块，其中所述末端压力板和所述至少一个中间压 力板中的至少一者进一步包括镍片、镀镍片、镍板和镀镍板中的至少一者，其插入邻近于所 述末端压力板和所述至少一个中间压力板中的至少一者的特殊结构板中的固持特征以及 所述末端压力板中的至少一者中和所述至少一个中间压力板的两个相对端面中的凹口中 的至少一者中，其中所述镍片、镀镍片、镍板和镀镍板进而经定位以便面对且对应于邻近的 半电池腔室。
30.根据权利要求27所述的电解槽模块，其进一步包括邻近于所述至少一个中间压力 板和所述末端压力板中的至少一者的特殊结构板，其中所述末端结构板固持双极板，且进 一步其中使用电流载体来提供所述双极板与所述至少一个中间压力板和所述末端压力板 中的所述至少一者之间的电连接。
31.根据权利要求27所述的电解槽模块，其中保护性塑料嵌件和保护性纤维加强嵌件 中的所述至少一者进一步包括杂散电流阻挡壁。
32.根据权利要求2到31中任一权利要求所述的电解槽模块，其中所述至少一个中间 压力板经定位以便将所述多个电解电池划分为相等数目电池的区段。
33.根据权利要求32所述的电解槽模块，其中所述至少第一和第二脱气腔室中的每一 者进一步包括位于所述至少一个中间压力板中的至少一者和所述末端压力板中的至少一 者中的至少一个气体排放出口。
34.根据权利要求1到33中任一权利要求所述的电解槽模块，其中所述至少第一和第 二脱气腔室中的至少一者含有至少一组冷却盘管。
35.根据权利要求34所述的电解槽模块，其中所述至少一组冷却盘管通过所述至少一 个中间压力板中的至少一者和所述末端压力板中的至少一者连接到至少一个外部冷却剂 循环环路。
36.根据权利要求1到35中任一权利要求所述的电解槽模块，其进一步包括将给水添 加到所述至少第一和第二脱气腔室中的至少一者的构件。
37.根据权利要求36所述的电解槽模块，其中所述给水是在所述至少第一和第二脱气 腔室中的所述至少一者中的液面上方引入。
38.根据权利要求36所述的电解槽模块，其中所述给水是在所述至少第一和第二脱气腔室中的所述至少一者中的液面下方引入。
39.根据权利要求36到38中任一权利要求所述的电解槽模块，其中所述给水被沿着所 述至少第一和第二脱气腔室中的所述至少一者的长度纵向引导。
40.根据权利要求1所述的电解槽模块，其进一步包括用以传递电流通过所述多个电 解电池的电功率连接，其中对所述末端压力板中的一者形成正电功率连接，且对所述末端 压力板中的另一者形成负电功率连接。
41.根据权利要求2到39所述的电解槽模块，其进一步包括用以传递电流通过所述多 个电解电池的电功率连接，其中对所述末端压力板中的一者形成正电功率连接，且对所述 末端压力板中的另一者形成负电功率连接。
42.根据权利要求40到41中任一权利要求所述的电解槽模块，其进一步包括到所述至 少一个中间压力板的至少一个非电流载运电接地连接。
43.根据权利要求40到41中任一权利要求所述的电解槽模块，其中所述至少一个中间 压力板包括偶数数目的中间压力板，且进一步其中所述中间压力板将所述电解槽模块划分 为相等数目电池的区段，所述电解槽模块进一步包括到所述中间压力板的交替的负和正电 功率连接，其中到所述中间压力板的所述负和正电功率连接经定位以使得负和正电功率连 接在所述电解槽模块的所述长度上交替。
44.根据权利要求2到39中任一权利要求所述的电解槽模块，其进一步包括用以传 递电流通过所述多个电解电池的电功率连接，其中对所述末端压力板两者形成正电功率连 接。
45.根据权利要求2到39中任一权利要求所述的电解槽模块，其进一步包括用以传 递电流通过所述多个电解电池的电功率连接，其中对所述末端压力板两者形成负电功率连接。
46.根据权利要求44到45中任一权利要求所述的电解槽模块，其中所述至少一个中间 压力板包括奇数数目的中间压力板，且进一步其中所述中间压力板将所述电解槽模块划分 为相等数目电池的区段，所述电解槽模块进一步包括到所述中间压力板的交替的负和正电 功率连接，其中到所述中间压力板的所述负和正电功率连接经定位以使得负和正电功率连 接在所述电解槽模块的所述长度上交替。
47.根据权利要求40到46中任一权利要求所述的电解槽模块，其中所述负电功率连接 是连接到同一电接地。
48.根据权利要求1到47中任一权利要求所述的电解槽模块，其进一步包括阴极排液 系统，其中所述阴极排液系统包括连接到所述经脱气液体通路和所述阴极半电池腔室开口 中的至少一者的阴极排液通路，且进一步其中所述阴极排液通路包括其中所述阴极排液通 路为表面通道的区段，和其中所述阴极排液通路为内部通路的区段。
49.根据权利要求48所述的电解槽模块，其中所述阴极排液通路延伸通过至少两个邻 近的结构板。
50.根据权利要求1到49中任一权利要求所述的电解槽模块，其进一步包括阳极排液 系统，其中所述阳极排液系统包括连接到用于传送经脱气液体的通路和所述阳极半电池腔 室开口中的至少一者的阳极排液通路，且进一步其中所述阳极排液通路包括其中所述阳极 排液通路为表面通路的区段，和其中所述阳极排液通路为内部通路的区段。
51.根据权利要求50所述的电解槽模块，其中所述阳极排液通路延伸通过至少两个邻 近的结构板。
52.一种操作根据权利要求1到51中任一权利要求所述的电解槽模块的方法，其包括 以下步骤在初始启动之前通过将惰性气体引入所述电解槽模块而将所述电解槽模块的内 部压力增加到既定操作压力。
53.根据权利要求52所述的方法，其中所述惰性气体包括氮气、氩气和氦气中的至少“"者 ο
54.根据权利要求52、53中任一权利要求所述的方法，其中所述既定操作压力处在大 气压与30巴之间。
55.一种操作根据权利要求1到51中任一权利要求所述的电解槽模块的方法，其包括 以下步骤维持非操作时段期间的液面，所述液面低于所述结构板中的每一者中的所述至 少一个气体-液体通路和所述至少一个经脱气液体通路与所述脱气腔室的会合处，但高于 所述半电池腔室的顶部。
56.一种使用电解槽模块产生氢气和氧气的方法，其包括以下步骤(a)通过在包含于所述电解槽模块中的多个电解电池中的碱性水电解而生成氢气和氧 气，每一所述电解电池包括其中生成所述氢气的阴极半电池和其中生成所述氧气的阳极半 电池；(b)通过从每一阴极半电池腔室直接延伸到一体地包含于所述电解槽模块结构中的至 少一个氢气脱气腔室的相应气体-液体通路，将所述氢气和液体电解液的混合物从所述每 一阴极半电池腔室的顶部部分直接传送到所述至少一个氢气脱气腔室的上部区段的底部 部分；(c)在所述至少一个氢气脱气腔室中分离所述氢气与所述液体电解液以产生氢气和经 脱气电解液；(d)从所述至少一个氢气脱气腔室的顶部部分移除所述氢气；(e)通过从所述至少一个氢气脱气腔室直接延伸到所述阴极半电池腔室中的每一者的 相应经脱气液体通路，将所述经脱气电解液从所述至少一个氢气脱气腔室的下部区段的底 部部分直接传送到所述每一阴极半电池腔室的底部部分；(f)通过从每一阳极半电池腔室直接延伸到包含于所述电解槽模块结构中的至少一个 氧气脱气腔室的相应气体-液体通路，将所述氧气和液体电解液的混合物从所述每一阳极 半电池腔室的顶部部分直接传送到所述至少一个氧气脱气腔室的上部区段的底部部分；(g)在所述至少一个氧气脱气腔室中分离所述氧气与所述液体电解液以产生氧气和经 脱气电解液；(h)从所述至少一个氧气脱气腔室的顶部部分移除所述氧气；(i)通过从所述至少一个氧气脱气腔室直接延伸到所述阳极半电池腔室中的每一者的 相应经脱气液体通路，将所述经脱气电解液从所述至少一个氧气脱气腔室的下部区段的底 部部分直接传送到所述每一阳极半电池腔室的底部部分。
57.根据权利要求56所述的操作电解槽模块的方法，其进一步包括以下步骤中的至少 一者(a)沿着所述氢气脱气腔室的长度纵向引导从每一阴极半电池腔室传送的所述氢气与液体电解液的所述混合物；以及，(b)沿着所述氧气脱气腔室的长度纵向引导从每一阳极半电池腔室传送的所述氧气与 液体电解液的所述混合物。
58.一种使用电解槽模块产生氢气和氮气的方法，其包括以下步骤(a)通过在包含于所述电解槽模块中的多个电解电池中的碱性氨水电解而生成氢气和 氮气，每一所述电解电池包括其中生成所述氢气的阴极半电池和其中生成所述氮气的阳极 半电池；(b)通过从每一阴极半电池腔室直接延伸到一体地包含于所述电解槽模块结构中的至 少一个氢气脱气腔室的相应气体-液体通路，将所述氢气与液体电解液的混合物从所述每 一阴极半电池腔室的顶部部分直接传送到所述至少一个氢气脱气腔室的上部区段的底部 部分；(c)在所述至少一个氢气脱气腔室中分离所述氢气与所述液体电解液以产生氢气和经 脱气电解液；(d)从所述至少一个氢气脱气腔室的顶部部分移除所述氢气；(e)通过从所述至少一个氢气脱气腔室直接延伸到所述阴极半电池腔室中的每一者的 相应经脱气液体通路，将所述经脱气电解液从所述至少一个氢气脱气腔室的下部区段的底 部部分直接传送到所述每一阴极半电池腔室的底部部分；(f)通过从每一阳极半电池腔室直接延伸到包含于所述电解槽模块结构中的至少一个 氮气脱气腔室的相应气体-液体通路，将所述氮气与液体电解液的混合物从所述每一阳极 半电池腔室的顶部部分直接传送到所述至少一个氮气脱气腔室的上部区段的底部部分；(g)在所述至少一个氮气脱气腔室中分离所述氮气与所述液体电解液以产生氮气和经 脱气电解液；(h)从所述至少一个氮气脱气腔室的顶部部分移除所述氮气；(i)通过从所述至少一个氮气脱气腔室直接延伸到所述阳极半电池腔室中的每一者的 相应经脱气液体通路，将所述经脱气电解液从所述至少一个氮气脱气腔室的下部区段的底 部部分直接传送到所述每一阳极半电池腔室的底部部分。
59.根据权利要求58所述的操作电解槽模块的方法，其进一步包括以下步骤中的至少 一者(a)沿着所述氢气脱气腔室的长度纵向引导从每一阴极半电池腔室传送的所述氢气与 液体电解液的所述混合物；以及，(b)沿着所述氮气脱气腔室的长度纵向引导从每一阳极半电池腔室传送的所述氮气与 液体电解液的所述混合物。
全文摘要
本发明揭示一种电解槽模块，其包括多个结构板，所述结构板各自具有在相对端面之间延伸的侧壁，其中一半电池腔室开口和至少两个脱气腔室开口在所述相对端面之间延伸通过所述结构板。所述结构板在相对的末端板之间以面对面并置而布置。每一半电池腔室开口至少部分容纳电解半电池组件，所述电解半电池组件至少包括电极、与所述电极电连通的双极板和隔膜。所述结构板和半电池组件界定上方具有至少第一和第二脱气腔室的串联连接电解电池阵列，所述第一和第二脱气腔室具有位于下部区段上方的上部区段。所述结构板至少在面对面并置中时界定相应气体-液体通路，所述气体-液体通路在所述半电池腔室的顶部部分与所述第一和第二脱气腔室的所述上部区段的底部部分之间延伸以提供所述电解电池的阳极部分与所述第一脱气腔室之间以及所述电解电池的阴极部分与所述第二脱气腔室之间的流体连通。所述结构板进一步至少在面对面并置中时界定相应经脱气液体通路，所述经脱气液体通路在所述第一和第二脱气腔室的所述下部区段的底部部分与所述半电池腔室的底部部分之间延伸以用于经脱气液体从所述第一和第二脱气腔室分别返回到所述电解电池的所述阳极和阴极部分。所述电解槽模块进一步包括相应气体排放和给水通路，所述气体排放和给水通路穿过所述电解槽模块延伸且与所述脱气腔室流体连通以用于从所述脱气腔室排放气体且用于向所述脱气腔室中引入给水。
文档编号C25B1/02GK102099507SQ200980127561
公开日2011年6月15日 申请日期2009年7月9日 优先权日2008年7月15日
发明者吉姆·欣纳特, 迈克尔·施特普 申请人:下一氢公司