具有气体屏障的用于电解槽的盒的制作方法

背景技术：

1、电转x(power-to-x)涉及电力转换、能量储存和使用剩余电功率的再转换路径，典型地是在波动的可再生能源发电超过负载的时段期间。

2、电解槽是利用电力驱动电化学反应例如将水分解成氢气和氧气的装置。电解槽的构造与电池或燃料电池非常相似；它由阳极、阴极和电解质组成。

3、电解槽产生的氢气非常适合用于氢燃料电池。电解槽中发生的反应与燃料电池中的反应非常相似，只是阳极和阴极中发生的反应相反。在燃料电池中，阳极是消耗氢气的地方，而在电解槽中，氢气是在阴极处产生的。当电解反应所需的电能来自可再生能源(比如风能或太阳能系统)时，可以形成非常可持续的系统。

4、直流电解(效率最多80％至85％)可以用于产生氢气，该氢气又可以经由甲烷化转化为甲烷(ch4)，或将氢气与co2一起转化为甲醇，或转化为其他物质。

5、以这种方式(例如通过风力涡轮机)产生的能量(比如氢气)然后可以被储存以供以后使用。

6、电解槽可以以多种不同的方式配置，并且通常分为两种主要设计：单极和双极。单极设计典型地使用液体电解质(碱性液体)，双极设计使用固体聚合物电解质(质子交换膜)。

7、碱性水电解有两个电极在氢氧化钾(koh)或氢氧化钠(naoh)的液体碱性电解质溶液中操作。这些电极由隔膜分开，从而将产物气体氧气o2和氢气h2分开，并将氢氧根离子(oh-)从一个电极输送到另一个电极。

8、其他燃料和燃料电池包括磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、以及所有它们的子类别。此类燃料电池也适合用作电解槽。

9、如果设备中工作的流体溶液是在给定温度内以优化效率，则这是优点。如果设备可以紧凑且可扩展，则这也是优点。

技术实现思路

1、本发明的实施例的目的是提供一种用于电解槽的盒，该电解槽易于生产、高效且可扩展。

2、本发明提供了一种用于电解槽的盒，该盒包括冷却板和电解质板，在该冷却板和电解质板之间限定了电解质流动路径，并且其中，电解质板在第一端部区段处形成有至少一个电解质流体入口且在第二相反端部区段处形成有至少一个气体出口、并且在第一端部区段与第二端部区段之间限定活性区域，其中，在具有该至少一个气体出口的第二端部区段与活性区域之间形成有内部气体屏障，其中，该内部气体屏障形成有排放口。

3、因此，本发明提供了一种用于电解槽的盒。该盒包括冷却板和电解质板，该冷却板和该电解质板相对于彼此布置成使得在冷却板与电解质板之间限定电解质流动路径。电解质板可以例如为阳极电解质板的形式或阴极电解质板的形式。

4、电解槽盒可以与几个其他电解槽盒叠置以形成电解槽。

5、可以在冷却板的与面向电解质板和电解质流动路径的那侧相反的一侧形成冷却流动路径。这允许在冷却路径中流动的冷却流体向在电解质流动路径中流动的电解质流体提供冷却。相应地，由此可以获得电解质流体的合适温度，并且这确保电解槽能够以高效的方式操作。

6、电解质板形成有至少一个电解质流体入口和至少一个气体出口。相应地，供应至电解质流动路径的电解质流体(主要呈液态形式)以及离开电解质流动路径的电解质流体(主要呈气态形式)可以穿过电解质板。这将在电解质板形成电解槽盒的一部分时以及在这种电解槽盒与其他电解槽盒叠置以形成电解槽时，允许电解质流体被供应到相应的电解质流动路径以及从相应的电解质流动路径收回。

7、该至少一个电解质流体入口形成在电解质板的第一端部区段处，并且该至少一个气体出口形成在电解质板的第二相反端部区段处。相应地，该至少一个流体入口和该至少一个气体出口布置在电解质板的相反两端处，例如沿电解质板的长度方向看到的。因此，在电解质流动路径中从该至少一个流体入口流动到该至少一个气体出口的电解质流体将沿着电解质板的大部分区域经过。

8、活性区域限定在第一端部区段与第二端部区段之间，并且由此也限定在该至少一个电解质流体入口与该至少一个气体出口之间。相应地，在电解质流动路径中流动的电解质经过活性区域。活性区域可以例如设置有电解质板开口和/或被膜覆盖。电解质板开口形成电解质板的多孔区域并且可以被适配成使气体在位于电解质板的一侧的膜与位于电解质板的另一侧的电解质流体路径之间穿过电解质板。当电解槽盒叠置成电解槽时，一个电解槽盒的阳极电解质板将布置为邻近于邻近的电解槽盒的阴极电解质板，并且膜将布置在该阳极电解质板与该阴极电解质板之间。这允许水力离子(hydronic ion，h-)从阴极电解质板经由膜输送到阳极电解质板，同时保持电解产生的产物气体(例如分别是o2和h2)分开。相应地，活性区域限定了电解槽中发生电解的部分。

9、在第二端部区段与活性区域之间形成有内部气体屏障，并且该内部气体屏障形成有排放口。相应地，内部气体屏障将形成有至少一个气体出口的区域(即，第二端部区段)与发生电解的活性区域分开。离开活性区域并朝向该至少一个气体出口流动的电解质流体可以呈蒸气的形式，即产物气体与液体电解质的混合物的形式。期望仅产物气体经由该至少一个气体出口离开电解槽，而期望将液体电解质保留在电解槽中。这是由于液体在系统中传递可能会导致短路。此外，期望所有液体电解质都用于电解过程。

10、内部气体屏障防止从活性区域朝向第二端部区段流动的蒸气直接且不受妨碍地流动到该至少一个气体出口。替代地，内部气体屏障形成了迫使蒸气流特别在由第二端部区段限定的区域内遵循较长流动路径的障碍物。这增加了蒸气流的液态部分与障碍物、侧壁或类似物相互作用的可能性，从而引起蒸气的液态部分和气态部分分开。相应地，主要产物气体将经由该至少一个气体出口离开第二端部区段，并且蒸气的液态部分将主要保留在系统中。内部气体屏障中形成的排放口允许液体排放回到活性区域中，因此该液体将应用于那里发生的电解过程。

11、电解质板可以形成有至少两个气体出口，并且这些气体出口中的一个气体出口可以向相应的电解质流动路径打开，而另一气体出口可以被封闭。

12、根据该实施例，这些气体出口中的一个气体出口可以流体连接到电解槽的阳极电解质流动路径，而另一个气体出口可以流体连接到电解槽的阴极电解质流动路径。因此，源自阳极电解质流动路径的产物气体以及源自阴极电解质流动路径的产物气体可以穿过电解质板，以便从电解槽收回这些产物气体。然而，阳极电解质流动路径和阴极电解质流动路径应当彼此分开。因此，这些气体出口中仅一个气体出口朝向形成在冷却板与电解质板之间的电解质流动路径打开，从而允许源自其的产物气体经由该气体出口离开电解槽，而另一气体出口被封闭或与之密封。

13、内部气体屏障中的排放口可以布置在电解质板的中心线处或附近，并且内部气体屏障可以包括两个半部，这两个半部各自朝向中心线和内部气体屏障中的排放口成斜坡，从而允许第二端部区段中的流体朝向活性区域滴回以进行进一步处理。

14、根据该实施例，在面向第二端部区段的一侧处遇到内部气体屏障的液体电解质将沿着成斜坡的气体屏障朝向在电解质板的中心线处或附近的排放口流动，并且因此被朝向排放口引导并引导回到活性区域中。在操作期间，盒可以有利地定向成使得第二端部区段布置在第一端部区段上方，例如沿着基本上竖直的方向直接在第一端部区段上方。在这种情况下，上述液体电解质的流动进一步受到重力的辅助。

15、在内部气体屏障的面向活性区域的一侧、邻近于内部气体屏障中的排放口可以定位有下部的内部气体屏障。根据该实施例，下部的内部气体屏障至少部分地从活性区域朝向第二端部区段阻挡内部气体屏障中的排放口。这阻碍了从活性区域经由排放口朝向第二端部区段的蒸气流，同时允许从第二端部区段经由排放口朝向活性区域的液体流。

16、内部气体屏障可以形成在电解质板中和/或所连接的冷却板中，并且内部气体屏障可以被适配成接触相邻板。根据该实施例，内部气体屏障可以形成电解质板或冷却板的一体部分。作为替代方案，内部气体屏障可以包括形成电解质板的一部分的部或部分以及形成冷却板的一部分的部或部分，这两个部或部分协作形成内部气体屏障。在任何情况下，内部气体屏障被适配成接触相邻板，即，内部气体屏障在电解质板与冷却板之间形成接触，从而在其间形成电解质流动路径。相应地，内部气体屏障在电解质流动路径中形成障碍物。

17、内部气体屏障可以由电解质板和/或冷却板上的一个或多个突出部形成。这是将内部气体屏障形成为电解质板和/或冷却板的一体部分的简单方式。例如，可以在形成电解质板和/或冷却板时通过冲压或类似工艺来形成突出部。

18、第二端部区段可以进一步包括形成为波纹和/或凹痕的气体屏障。根据该实施例，波纹和/或凹痕形成了附加障碍物，蒸气可以在第二端部区段内与该附加障碍物相互作用。这增加了蒸气与障碍物相互作用的可能性，从而使液态部分朝向活性区域排放回去，同时允许气态部分经由该至少一个气体出口离开。

19、与内部气体屏障类似，这些波纹和/或凹痕可以形成在电解质板中和/或冷却板中，例如作为突出部。

20、该至少一个气体出口可以被出口堵塞物部分地包围，在该出口堵塞物中形成有开口，从而仅允许气体经由出口堵塞物中的开口朝向该至少一个气体出口离开第二端部区段。根据该实施例，出口堵塞物形成紧邻该至少一个气体出口的另外的障碍物。从第二端部区段到该至少一个气体出口的唯一通路是经由形成在出口堵塞物中的开口。这更进一步降低了液体进入气体出口的风险。

21、与内部气体屏障类似，出口堵塞物可以形成在电解质板中和/或冷却板中，例如作为突出部。

22、出口堵塞物可以进一步形成有与开口基本上相反布置的出口堵塞物排放口。根据该实施例，从第二端部区段穿过出口堵塞物中的开口的液体可以经由堵塞物排放口朝向第二端部区段排放回来，而不是进入气体出口。

23、出口堵塞物中的开口和堵塞物排放口可以布置成使得堵塞物排放口比出口堵塞物中的开口更靠近内部气体屏障。这确保了蒸气需要行进更长的距离才能到达出口堵塞物中的开口。此外，经由堵塞物排放口排放的液体朝向内部气体屏障并且由此朝向形成在内部气体屏障中的排放口并朝向活性区域被引导。

24、如上所述，盒可以例如被定向成使得在操作期间，第二端部区段被布置在第一端部区段上方且在活性区域上方。在这种情况下，出口堵塞物中的开口可以布置在气体出口上方，并且堵塞物排放口可以布置在气体出口下方。

25、该至少一个气体出口可以设置有外垫片，并且外垫片可以形成有伸入气体出口中的珠缘，其中，这些珠缘延伸到盒的气体出口中以及邻近的盒的气体出口中。

26、根据该实施例，防止液体流入气体出口中。此外，防止流体泄漏到相连接的盒之间的区段中。