電解器設備和制氫方法

專利名稱：電解器設備和制氫方法
技術領域：
本發明涉及借助水的電解并且無需單獨的壓縮設施來生產壓力高達10000psig或以上的高壓氫氣的電解器設備和方法。直接電解生成這樣的高壓氫氣(和副產品氧氣)是可以通過實踐本發明來實現的。
背景技術：
電解制氫當然是公知的，如名為《制氫用的電解設備(ElectrolysisApparatus for Producing Hydrogen)》的美國專利5665211、名為《電解方法(Method of Electrolysis)》的美國專利6033549、名為《電解設備(Electrolysis Apparatus)》的美國專利6071386和名為《借助封包相對于加壓水隔離的電解器(Electrolyzer Isolated by Encapsulationwith Respect to Pressurized Water)》的美國專利6153083。
使用液體電解質制氫的公知電解設施(有時在本文中稱為“電解器”)是按照下述方式工作的。兩個電極放在一池液體電解質(比如氫氧化鉀(KOH)水溶液)中。可以使用大范圍的氫氧化鉀濃度，但是最好使用25％到28％質量濃度的KOH溶液。這兩個電極通過分隔膜彼此分隔開，該分隔膜選擇性地允許液體通過而不允許氣體通過它。當跨越這兩個電極施加電壓(大約2伏)時，電流通過電極之間的電解質流動。在陰極生成氫氣并且在陽極生成氧氣。當所生成的氣泡穿過液體電解質上升時，分隔膜保持氫氣和氧氣分隔開。在液體電解質上方有自由空間，該自由空間由兩個分離的腔室構成或由通過氣密隔板分離成兩個分離部分而彼此隔離的兩個部分構成，一個腔室或部分接收氫氣，而另一個接收氧氣。將這兩種氣體分別從自由空間的相應部分取出來，以進行儲存或排放。

發明內容
總地來說，按照本發明，提供了一種電解設備和方法，直接從該設備產生加壓氫氣和副產品氧氣，而不需要單獨的加壓步驟。電解設備，通常稱為“電解器”，具有管狀的陰極，在該陰極內設置了棒狀的陽極，以在陽極和陰極之間限定出電解質腔。在陽極和陰極之間設置了管狀的分隔膜，以將電解質腔分成陽極子腔和陰極子腔。按照具體的實施方式，陽極、分隔膜和陰極具有同軸結構，從而陽極子腔和陰極子腔是同心的環形結構。這兩個電解質子腔分別與相應的氣體/液體分離器氣流連通，以提供隔離的氫氣和氧氣部分，兩種產生的氣體分開地從這兩個部分取出。
具體來說，按照本發明，提供了一種用來對水進行電解的電解器電解槽，具有第一和第二相對端，并且包括下列組成部分。管狀結構的陰極可與DC電源相連，并且限定了陰極有效內表面和陰極外表面。陽極能夠與DC電源相連接，限定了陽極有效外表面，并且設置在陰極之內，以與陰極一起在陰極內表面和陽極外表面之間限定出環形電解質腔。管狀結構的分隔膜設置在陰極和陽極之間的電解質腔之內，以將電解質腔分為陽極子腔和陰極子腔。該分隔膜用于對氣體從中穿過的通路進行密封。第一和第二氣密密封件，分別設置在電解槽的第一和第二相對端。放氣連接管線與電解質腔氣流連通，用于排出電解質腔中產生的電解槽氣體。
按照本發明的另一個方面，放氣連接管線的尺寸和結構設置成使陰極子腔中產生的氣體與陽極子腔中產生的氣體分開地排出。
按照本發明的另一個方面，陰極、分隔膜和陽極全部以相對于彼此同軸的方式設置，并且陰極內表面、陽極外表面和分隔膜的橫截面各自具有圓形結構。
按照本發明的另一個方面，電解器電解槽此外還可以包括與陰極外表面分開并且圍繞并接觸陰極外表面的壓力容器，按照另外一種可選方案，陰極本身可以構成壓力容器。在任一種情況下，按照本發明的一個方面，壓力容器能夠容納提高壓力下的氣體，該經過提高的壓力為至少大約10psig。在某些情況下，經過提高的壓力不大于大約10000psig，例如，不大于大約5000psig。
本發明的再另一個方面提供了，氣密密封件至少之一包括陽極密封壓環，與陽極的一端相鄰地固定在陽極上；電絕緣套管，該電絕緣套管可以是杯形的，以限定出容納陽極接納壓環的凹陷部分，該套管在陽極密封壓環和所述陽極一端之間固定在陽極上，該套管與陽極密封壓環相接合；和終端接頭，與套管相接合，并且在陰極的一端上實現對陰極的氣密密封。
本發明的另一個方面提供了一種電解器，包括多個如上所述的電解器電解槽；第一氣流導管，以液流和氣流連通方式連接在多個電解槽的相應陰極子腔和第一氣體收集器之間；和第二氣流導管，以液流和氣流連通方式連接在多個電解槽的陽極子腔和第二氣體收集器之間。
按照本發明的方法方面，提供了一種利用電解器對水進行電解以用水產生加壓氫氣和氧氣的方法，該電解器包括一個或多個電解器電解槽。這些電解槽各自包括(i)管狀結構的陰極，在該陰極內設置有棒狀陽極，以在陰極和陽極之間限定出環形形狀的電解質腔，(ii)管狀結構的分隔膜，設置在陰極和陽極之間的電解質腔之內，以將電解質腔分為陽極子腔和陰極子腔，該分隔膜對氣體從中穿過的通路進行密封。該方法包括下述步驟(a)將電解質的水溶液(例如，氫氧化鉀水溶液)引入電解質腔的兩個子腔中；(b)跨越電解槽的各個陽極和陰極施加DC電壓降，以將水在陰極離解成氫氣，在陽極離解成氧氣；和(c)從一個或多個電解器電解槽中分開地取出氫氣和氧氣。
按照本發明的另一個方法方面，電解槽還包括壓力容器并且以至少為大約10psig(例如，不大于大約10000psig或者不大于大約5000psig的壓力)的提高壓力產生氫氣和氧氣。
本發明的方法方面單獨地或以適當的組合方式包括下述的一項或多項將從電解槽中取出的氫氣和氧氣之間的壓力差保持在不大于大約0.25psig，優選地不大于大約0.2psig，并且更優選地不大于大約0.17psig。
將電解質和產品氫氣輸送到氫氣分離器中，將電解質和副產品氧氣輸送到氧氣分離器中，感測氫氣和氧氣分離器中各自的電解質液面高度，并且對液面高度進行控制，以將從電解槽中取出的氫氣和氧氣之間的壓力差保持在不大于大約0.2psig。
電解質可以，但不必須是在連續工作中再循環通過電解器。


附圖1是按照本發明的一種實施方式的氣體發生電解槽的正視圖；附圖1A是附圖1的氣體發生電解槽的透視圖，進行了局部截除；附圖1B是表示包含在電解槽中的電解質的沿著附圖1的線I-I截取的并且相對于附圖1進行了放大的橫截面圖，為了提高圖示的清晰度截斷了電解質的主體；附圖1C是與附圖1B相應的視圖，只是省略了與附圖1B中所示相應的電解質的主體，表示按照本發明的第二實施方式的氣體發生電解槽；附圖1D是相對于附圖1進行了放大并且沿著附圖1中的線II-II截取的縱截面圖；附圖2是按照本發明的實施方式并且可用作附圖1的氣體發生電解槽的組成部分的密封件的相對于附圖1進行了放大的縱截面圖；附圖3是表示按照本發明的一種實施方式并且包括附圖1到附圖1B所示的那種類型的氣體發生電解槽的陣列的電解器設備的示意性作業圖；和附圖4是可用于附圖3的電解器設備的一種實施方式中的液面高度傳感器的示意性截面圖。
具體實施例方式
參照附圖1、1A和1B，給出了一種氣體發生電解槽10，包括陰極12(也用作外部環境屏蔽罩)、分隔膜14(附圖1B)和陽極16。陰極12具有內表面12a，陽極16具有外表面16a。表面12a和16a是暴露并且接觸于包含在氣體發生電解槽10的電解質腔15內的液體電解質18的有效電極表面。電解質腔15是由表面12a和16a之間的空間限定的。如附圖1B所示，分隔膜14將電解質腔15分成包含電解質18的陽極部分18a的陽極子腔15a和包含電解質18的陰極部分18b的陰極子腔15b。可以看出，陽極16、陰極12和分隔膜14是以同軸方式構成的，管狀的分隔膜14以同軸方式設置在管狀的陰極12之內，并且棒狀陽極16以同軸方式設置在分隔膜14之內。如附圖1B所示，陰極12和分隔膜14在橫截面內具有環形形狀，從而為陽極子腔15a和陰極子腔15b賦予了相同的截面環形形狀。陰極12與陽極分離并且借助密封件13在與高壓相反的一端加以密封(附圖1和1A)。氣密密封件12b(附圖1D)封閉了電解槽10的另一端。為了簡化說明，氣密密封件12b是以簡化示意形式給出的；其結構類似于氣密密封件13，除了如圖1D所示，陽極16并沒有穿過它凸出來，而是根本沒有到達該氣密密封件13。一對放氣管線20和22穿過氣密密封件12b凸出，以建立與氣體發生電解槽10內部的液流和氣流連通，這將在后面介紹。陰極12用作氫氣發生電極，陽極16用作氧氣發生電極。所圖示的電解槽10的結構將液體電解質18分成了陽極電解質部分18a和陰極電解質部分18b。液體電解質可以是，容納在電解質腔15中(即，在分隔膜14兩側的電極12、16之間)的例如質量百分比為25％到28％的KOH水溶液。按照這種形式形成的多個單獨的氣體發生電解槽可以組裝成電解器中使用的陣列，這將在后面介紹。
在跨越陰極12和陽極16施加了直流(“DC”)壓降(一般為大約從1.5到3伏，最好是大約2伏)的時候，在電解質腔15的陰極子腔15b內的陰極12處產生氫氣，而在電解質腔15的陽極子腔15a內的陽極16處產生氧氣。
陰極組件也可以(但非必須)用作電解電解槽的壓力邊界。就是說，按照某些實施方式，陰極也可以用作保護殼或壓力容器，而按照其它一些實施方式，同軸設置的陽極、分隔膜和陰極可以全部包含在壓力容器中，能夠實現陰極以及陽極的薄壁結構。
對于在陰極還用作壓力容器的情況下產生高壓來說，陰極12的壁厚度T并且因此電解槽10的外徑D受到期望產生的壓力、制作陰極12的金屬的材料屬性(比如屈服強度和電導率)、以及限制上面提到的還可用作電解槽10的保護殼的陰極12的壁厚度的實際考慮的制約。對于符合氫脆變限制條件的便宜的鋼或其它適當金屬的管或管道材料來說，為了產生10000psig，對各電解槽的直徑D有應用限制。這些應用限制是通過對陰極12的壁厚度T的應用限制而強制建立的，并且得到了從2到31/2英寸(大約5.1到8.9cm)的直徑范圍。一般來說，壁厚度T可以從大約1/4英寸變化到大約5/8英寸(大約0.64到1.59cm)。各電解槽10的長度L是通過期望氣體發生速率、發生壓力和環狀流間隙確定的。典型地，電解槽10的長度L為從大約2英尺到大約6英尺(大約0.61到1.83米)。在附圖1B中借助徑向尺寸線gc(陰極環狀流間隙)和ga(陽極環狀流間隙)示出了環狀流間隙。陰極環狀流間隙gc的典型尺寸為大約3/16到3/8英寸(大約0.48到0.96cm)，而陽極環狀流間隙ga的尺寸為大約1/8到1/4英寸(大約0.32到0.64cm)。
使用了附圖1D中所示的簡單結構來將各電解槽10內跨越分隔膜14的壓力平衡保持在2英寸水柱之內(小于0.1psig)。保持這一壓力平衡能夠保持產品(氫氣)的純度，因為在超過幾個英寸水柱的壓力差下，分隔膜14無法密封住氣體泄漏。氣密密封件12b具有位于其內側面上的圓形凸緣11，其中形成有槽(未加附圖標記)，分隔膜14的端部容納在該槽中，以實現陰極自由空間19a和陽極自由空間19b之間的氣密密封。在密封件13(附圖1和1A)的內側面上可以或可以不提供類似的帶槽凸緣結構來密封分隔膜14的相反端。
放氣管線20從電解槽10中液體電解質18的陰極電解質部分18b的液面l上方的陰極自由空間19a中向外輸送氫氣。放氣管線22從電解槽10中液體電解質18的陽極電解質部分18a的液面l’上方的陽極自由空間19b中向外輸送氧氣。各個氫氣和氧氣自由空間是通過氣密隔斷結構(未示出)彼此隔絕的。
附圖1C表示本發明的第二實施方式，其中與附圖1B的實施方式相同或相似的部分采用比附圖1B中使用的附圖標記大100的附圖標記進行標注。除了所指出的單獨一處不同之外，附圖1C的電解槽110的部分及其功能均與附圖1B的實施方式的相應部分相同，因此不再重復介紹它們的結構與功能。在電解槽110中，沒有將陰極112設計成用于抵抗電解槽110的工作壓力，因此提供了與陰極112的外表面(未加附圖標記)分開但圍繞并接觸該外表面的壓力容器113。壓力容器113具有包住電解槽110的第一和第二端的端部(未示出)，以為電解槽110提供有效的壓力容器。
圖示的電解槽10的結構能夠為陰極和陽極實現電極面積的最佳化。因為陰極的(氫氣的)氣體發生速率是陽極的(氧氣的)氣體發生速率兩倍，陰極內表面12a和陽極外表面16a各自的表面面積在理想情況下應當具有同樣的2∶1的比率，或至少接近這個比率，以便使給定尺寸的電解槽具有最大的氣體發生速率。氣體發生速率通常是由給定材料和表面條件的陰極的表面12a的面積決定的。在現有的平板電極結構中，陽極和陰極具有相同的表面積，有浪費的過多的陽極表面積。與此不同，按照本發明的同軸結構，陽極的直徑小于陰極在其內表面12a上測得的直徑。因此陽極(外)表面積小于陰極的內表面積。陽極(外)表面和陰極內表面是與液體電解質相接觸的表面，并且因此構成了有效電極表面。可以建立相應的電極直徑和環狀流間隙，以造成陰極與陽極有效表面積比接近或等于最佳的2比1的值。
通常，附圖1B的分隔膜14和附圖1C的分隔膜114將這樣確定尺寸和構成使得子腔15b和115b的容積為它們各自相關的子腔15a和115a的容積的大約兩倍。各電解槽10是通過在陽極16和由陰極12提供的保護殼之間、在后者的各端處設置密封件來加以密封的。該密封件必須實現陽極和陰極之間的低壓(～2伏)電絕緣，并且對電解槽10進行密封，防止在電解槽中的內部壓力達到大約10000psig或更高的情況下發生液體泄漏。附圖2是一種簡單而有效的密封設計的圖解說明。
密封件13包括四個基本組成部分。陽極密封壓環24是由金屬制成的，并且焊接在陽極16的適當位置上，以使其與陰極12(附圖1)的下端對準。壓環24另外也可以通過用加大直徑的桿來機加工陽極16來制成，以致使得壓環24和陽極16成為一體、單一的結構。在密封壓環24的底端面(未加附圖標記)內加工出O形環槽24a，以容納O形環24b。電絕緣套管26具有杯子形狀，并且是由介電材料制成的，以提供供陽極16穿過的電絕緣件。套管26是由非導電材料制成的，并且具有圍繞其外周形成的O形環槽(未加附圖標記)，以容納O形環26a。高壓終端接頭28是由金屬制成的，并且提供供陽極穿過且借助螺紋或焊接來密封陰極12的下端的終端件。終端接頭28的外徑可以帶有螺紋，以提供與設置在由陰極12實現的保護殼壁的內表面12a(附圖1B)兩端上的內徑螺紋(未示出)相配合的外螺紋28a。該終端接頭可以焊接到陰極的下端上。另一種結構形成了抵抗陰極12中產生的高氣體壓力的密封件。
電絕緣襯套30具有穿過它延伸的襯套孔33，并且該電絕緣襯套30設置在穿過高壓終端接頭28延伸的終端接頭孔(未加附圖標記)內。陽極16容納在襯套孔33內。這樣，電絕緣襯套30起到了保持陰極12內的受壓區域之外的陽極16和陰極12之間的電絕緣的作用。襯套30還具有使螺母32電絕緣的終端凸緣30a，螺母32在形成在陽極16的終端上或附近的螺紋17處旋擰到陽極16上，并且用于預加載和將整個組件保持在一起。墊圈34夾在螺母32和終端凸緣30a之間。
應當意識到，各種組成部分，即，陽極密封壓環24、電絕緣套管26和終端接頭28是這樣確定尺寸和構成的使得陽極16定位并保持在陰極12和陽極16之間限定的電解質腔15的中央(附圖1B)。類似地提供了使分隔膜14定位和保持在相對于陽極16和陰極12同心的適當位置上的結構。這可以通過一個或多個適當的定位件來實現，這些定位件是這樣確定尺寸和構成的將分隔膜定位和保持在適當的位置上。
現在參照附圖3，電解器設備36包括獨立電解槽10的陣列38，按照所示的實施方式，由DC發電機40提供的電源跨越每個電解槽10施加電位。從DC發電機40到電解槽10的電線是由電線42a和42b示意性示出的。通過適當設定各個電解槽10的尺寸和選擇與公共集管系統相連的這些電解槽的適當數量(將在后面介紹)，可以獲得電解器設備36的給定制氫量。在使用中，通過利用上面介紹的電解設備以提高到10000磅每平方英寸(表壓)(“psig”)的壓力(例如，從大約0到大約10000psig的壓力范圍)制氫(和氧氣副產品)從而實現制氫(帶有氧氣副產品)的方法。這一壓力范圍的上端(從大約5000到10000psig)唯一很好地適于直接提供用于存儲在氫基燃料電池供電汽車或其它自驅動運輸設備、或者便攜或固定裝置的高壓存儲容器中的氫燃料。當然可以使用大約0到大約10000psig之間的任何壓力范圍。這些中間范圍的代表性范圍是高于3000psig的壓力，例如，從大約3000psig以上到大約10000psig；從大約3500psig到大約8000psig；和從大約3500psig到大約10000psig。以高于10000psig的壓力產生氫氣按照本發明的某些方面是可行的，只要提供能夠支持這樣的高壓的壓力容器和相關器材對預期應用來說在經濟上是實用的即可。
由補水泵48從水處理和存儲區46向電解質儲存器44供應補充水，以便補充通過電解離解的水，以提供產品氫氣和氧氣。電解質是從電介質儲存器44取得的，并且由供給管線45輸送給電解質補充泵50，電解質經過電解質供給管線51從這個電解質補充泵50到達電解質集管52，該電解質集管通過電解質供給管線54將電解質液體供應給各個電解槽10。
在電解槽10中產生的氫氣和一些電解質18(附圖1B)通過放氣管線20和氫氣集管線21排出到氫氣分離器56，在這里將液體電解質18(附圖1B)從氫氣中分離出來。來自氫氣分離器56的氫氣產品通過氫氣排放管線60流動，并且能夠自由地流過單向閥62并且進入氫氣儲存罐63，或者進行使用或作進一步處理。分離出來的電解質提供氫氣分離器56中的液封。隨著氫氣不斷供應給固定容積的儲存罐63，氫氣的壓力將會持續升高。類似地，氧氣和液體電解質18通過放氣管線22排出電解槽10，該放氣管線22對氧氣集管線23進行供給。氧氣和液體電解質18經過管線23流到氧氣分離器64，在該氧氣分離器中，從氧氣中分離出液體電解質。分離出的氧氣經過氧氣排放管線68以受氧氣壓力調節器70控制的速率流到氧氣儲存罐(未示出)或者放掉或加以使用或作進一步處理。分離出來的電解質提供了氧氣分離器64中的液封。對氧氣的流動速率加以控制，以保持分離器64中的液面高度等于分離器56中的液面高度。通過將分離器64中的壓力保持得與分離器56中的壓力相等，也能夠實現相同的操作功能。這使得各電解槽10能夠以浸滿狀態進行工作，帶有穿過從各個電解槽通向分離器56、64和公共儲存器44的放氣管線20、22的生成氣泡。在這樣的工作模式下，在附圖3中所示的設備內，附圖1D中所示的電解質18的液面1、1’得以保持在更高的高度。在這種情況下，電解質18浸滿了電解槽10、放氣管線20和22、氫氣集管線21和氧氣集管線23，在這種情況下，電解質表面高度處于附圖4中所示的高度l上。
分離器56和64的截面尺寸是這樣確定的使其起到防止或大大降低電解質帶出和氫氧化鉀損耗的作用。補充氫氧化鉀可以根據需要加入到該系統中，例如，在定期維護的停機期間人工加入。此外，從氧氣分離器出來的氧氣連接到電解質儲存器中液體上方的氣體空間，以將儲存器壓力保持得與電解槽壓力相近。這使得電解質供應泵能夠作為低壓差循環器工作。只有當儲存器中的液面傳感器(未示出)表明需要補充儲存器液體的時候才向電解質儲存器加入補充水。
單向閥62使得在電解槽10中的氫氣壓力超過管線60中(例如氫氣儲存罐63中)的氫氣壓力時，氫氣產品氣體能夠通過管線60流到儲存罐63中或者作進一步處理或使用。壓力傳感器(未示出)用于當氫氣儲存罐63中達到了最大設計壓力的時候自動切斷電解器設備36的電流。
氫氣分離器56中的液面高度是通過簡單的液面感測裝置檢測到的，如附圖4中所示，該液面感測裝置安裝在氫氣分離器56上。液面感測裝置72包括一對(或多個)電絕緣探針74、76，這些探針以分別在探針頂端74a和76a處限定出分離器56中的液體電解質18的最大和最小期望液面高度l的長度伸入分離器56中。電絕緣密封件基本上具有與前面介紹的陰極/陽極密封件13(附圖1和1A)相同的設計。低壓電源78(典型地，小于大約1.5伏)通過電線80、82連接到探針74、76上，并且通過電接地線84在分離器56上接地。檢查探針74、76和分離器56外殼之間的電氣連接。如果電解質液面降低到下液面高度以下，即，沒有發現任一個探針連接，則電解質供應泵50啟動，并且將電解質送向這些電解槽。當在兩個電極74和76上都檢測到了電氣連接時，電解質達到了最大高度，并且電解質供應泵50停止工作，并且不再有電解質被輸送到這些電解槽。如果導電電解質基于兩個探針長度之間，即，僅在一個探針上發現了連接，則補水泵48的狀態保持不變，不管是開還是關，直到上面提到的狀態之一得到滿足。
可以通過兩種方式之一很容易地控制氧氣的流量，來使分離器之間的壓力差(并且因此跨越分隔膜的壓力差)最小壓差感測或液面高度感測。
在壓差感測技術中，來自氧氣分離器64的流量是通過氣動壓力調節閥70得到控制的。在這種情況下，閥70的致動器隔膜(未示出)利用管線(未示出)連接，從而感測氧氣分離器64和氫氣分離器56中的氣體之間的壓力差，并且該閥70的致動器隔膜打開以使氧氣分離器64的氣體空間開通，從而保持設定的壓力差。這個壓力差設置在零附近，例如，大約0.17到0.2psig的壓力差，從而使得壓力平衡內在地保持兩個分離器56、64內的液面高度穩定并且相等地處于差異壓力設置之內。
在直接液面高度感測技術中，在氧氣分離器64內的裝置72上安裝與附圖4中的液面高度傳感器相同的液面高度傳感器。在這種情況下，調節氧氣分離器64的氣體流量的閥70在高和低(或開和關)設置之間循環。這個簡單的液面控制方案對于電解槽10的工作來講是令人滿意的。閥70的設置是由分離器64中的液體電解質高度按照如下方式確定的。當閥70處于其高流量設置并且氧氣分離器64中的液面高度升高并且達到了高液面高度接觸(類似于附圖4的探針頂端74a)時，由合適的電子控制裝置(未示出)將閥70切換到其低流量位置。當閥70處于其低流量設置并且所述液面高度降低并且達到了低液面高度接觸(類似于附圖4的探針頂端76a)時，由所述控制裝置將閥70切換到其高流量位置。
按照本發明的不同實施方式，電解質在連續再循環操作中循環。這個連續操作實施方式能夠使得高壓氫氣的產生具有增大給定電解槽的長度的可能，并且因此具有增大生產速率的可能。在到目前為止所介紹的成批模式實施方式中，各個電解槽的長度受到電解槽尺寸(流體間隙)、氣體體積產生速率和氣泡上升速率的組合的限制。按照本發明的連續再循環實施方式，使電解質以適當的速率穿過電解槽向上流通，將會通過夾帶來增大氣泡上升速率，并且使得具有類似尺寸的電解槽具有更長的陽極和陰極長度。為了實現這種再循環手段，將會通過增加用于使電解質從分離器56和64返回到電解質儲存器(附圖3中的單元44)的返回路徑來改變分離器儲存器(附圖3中的單元56和64)。對于電解質流通連續再循環實施方式，用于成批(batch)模式實施方式的附圖3中示意性表示的設備和上面介紹的基本控制系統絕大部分保持不變。
本發明提供了至少下述優于現有技術的優點。
1.同軸陽極/陰極結構允許在陰極12提供的保護殼中以傳統材料的實際壁厚度實現非常高壓力的氫氣發生。本發明的價值能夠利用先進的壓力保持材料(比如復合結構)進一步得到提高，這種材料能夠制作在提高的壓力下的尺寸更大的獨立電解槽。同軸結構還能夠實現陽極16和陰極12的表面積的最優化，如上面所述。
2.氫氣和氧氣生產側中的每一側均使用了獨立的氣體/液體分離器(比如分離器56，64)。這使得多個氣體發生電解槽10能夠連接到共用的氣體/液體分離容器(例如56，64)上，并且能夠實現對液體電解質液面高度控制系統的利用。
3.對陽極16進入氣體發生電解槽10的入口的新穎的、低成本的壓力密封設計能夠以可接受的成本使得高壓和電絕緣要求得到滿足。
4.本發明提供了一種用于在制氫期間被忽略了的操作的簡單且便宜的控制策略，包括液體電解質的液面高度的自動控制，或者分離器(56和64)之間的壓差的控制和所產生的氫氣和氧氣的釋放，從而得到高純度的氣體產品。
本發明的設備和方法實現高達或甚至超過10000psig的壓力下的制氫(和氧)的能力超過了以前已經報道過的可通過現有已知電解器獲得的大約3000spig的最高直接產生壓力。本發明的設備和方法能夠產生這樣的高壓氫氣，而不需要獨立的壓縮機來對產品氫氣加壓。產生10000psig的氫氣是對應于隨車存儲、以可接受的體積重量比為燃料電池供能或內燃機供能的車輛供應壓縮氫氣的關鍵所在，產生了與汽油供能的車輛相同的單罐驅動范圍。本發明使得高壓氫氣制備能夠以減少組成部分成本和系統復雜性的獨特方式實現，從而使得該器材可以輕松地為通勤車輛家庭燃料使用或者少量快捷燃料應用的個人所負擔。本發明可改變成任何給定的生產能力，并且對于向燃料電池供能車輛和器材發放氫氣的服務站型應用也是非常實用的。
本發明的設備和方法可以用來在對應于諸如氫氣燃料電池供能汽車的服務站，通過高壓筒來零售氫氣燃料的服務站、五金/裝修商店和的本地能源分配器，和對應現場能量存儲的住所、工廠和辦公樓之類的場所當場生成氫氣，和/或在燃料電池或基于便攜式能量源的內燃機或家用、花園或其它器具中使用。
已經參照本發明的具體實施方式
詳細介紹了本發明，但是本領域的技術人員將會意識到，本發明可以在其它實施方式中得到利用。從說明書中大幅地省略了諸如壓力感測和流量感測裝置之類的傳統的已知裝置和操作閥門和泵的控制，因為這樣的裝置和它們的應用在本領域中是公知的。
權利要求
1.一種用來對水進行電解的電解器電解槽，具有第一和第二相對端并且包括管狀結構的陰極，該陰極可與DC電源相連，并且限定了陰極有效內表面和陰極外表面；陽極，能夠與DC電源相連接，限定了陽極有效外表面，并且設置在陰極之內，以與陰極一起限定出環形電解質腔，該環形電解質腔設置在陰極內表面和陽極外表面之間；管狀結構的分隔膜，設置在陰極和陽極之間的電解質腔內，以將電解質腔分為陽極子腔和陰極子腔，該分隔膜對氣體從中穿過的通路進行密封；第一和第二氣密密封件，分別設置在電解槽的第一和第二相對端；和放氣連接管線，與電解質腔氣流連通，用于排出在電解質腔中產生的電解槽氣體。
2.按照權利要求1所述的電解器電解槽，其特征在于，放氣連接管線的尺寸和結構設置成使陰極子腔中產生的氣體與陽極子腔中產生的氣體分開地排出。
3.按照權利要求1所述的電解器電解槽，其特征在于，陰極、分隔膜和陽極全部是相對于彼此同軸的方式設置，并且陰極內表面、陽極外表面和分隔膜的橫截面各自具有圓形結構。
4.按照權利要求1、2或3所述的電解器電解槽，其特征在于，陰極內表面與陽極外表面的比為大約2∶1。
5.按照權利要求1、2或3所述的電解器電解槽，其特征在于，陰極子腔與陽極子腔的容積比為大約2∶1。
6.按照權利要求1所述的電解器電解槽，其特征在于，電解槽還包括與陰極外表面分開并且圍繞并接觸陰極外表面的壓力容器。
7.按照權利要求1所述的電解器電解槽，其特征在于，陰極本身構成壓力容器。
8.按照權利要求6或7所述的電解器電解槽，其特征在于，壓力容器能夠容納提高壓力下的氣體，該經過提高的壓力為至少大約10psig并且不大于大約10000psig。
9.按照權利要求1、2或3所述的電解器電解槽，其特征在于，氣密密封件至少之一包括陽極密封壓環，在陽極一端附近固定在陽極上；電絕緣套管，在陽極密封壓環和所述陽極一端之間固定在陽極上，該套管與陽極密封壓環相接合；和終端接頭，與所述套管接合，并且在陰極一端上實現對陰極的氣密密封。
10.按照權利要求9所述的電解器電解槽，其特征在于，電絕緣套管是杯形的，用于限定出容納陽極接納壓環的凹陷部分；終端接頭具有穿過該終端接頭延伸的縱向孔，并且電絕緣套管和所述陽極一端容納在所述縱向孔中并且固定在終端接頭上。
11.一種電解器，包括(a)多個電解器電解槽，具有各自的第一和第二相對端，各電解槽包括(i)管狀結構的陰極，該陰極可與DC電源相連，并且限定了陰極有效內表面和陰極外表面；(ii)陽極，能夠與DC電源相連接，限定了陽極有效外表面，并且設置在陰極之內，以與陰極一起限定出環形電解質腔，該環形電解質腔設置在陰極內表面和陽極外表面之間；(iii)管狀結構的分隔膜，設置在陰極和陽極之間，以將電解質腔分為陽極子腔和陰極子腔，該分隔膜對氣體從中穿過的通路進行密封；(iv)第一和第二氣密密封件，分別設置在電解槽的第一和第二相對端；和(v)放氣連接管線，用于排出在電解質腔中產生的電解槽氣體；(b)第一氣流導管，以氣流連通方式連接在各個陰極子腔和第一氣體收集器之間；和(c)第二氣流導管，以氣流連通方式連接在陽極子腔和第二氣體收集器之間。
12.按照權利要求11所述的電解器，其特征在于，還包括位于各個電解槽的陰極上的第一電連接器和位于各個電解槽的陰極上的第二電連接器，第一和第二電連接器的尺寸和結構設置成將電解槽與DC電源相連接，以產生跨越每一個電解槽的陽極和陰極的電壓降。
14.一種使用電解器對水進行電解以利用水來產生加壓氫氣和氧氣的方法，該電解器包括一個或多個電解器電解槽，這些電解槽各自包括(i)管狀結構的陰極，在該陰極內設置有棒狀陽極，以在陰極和陽極之間限定出環形電解質腔，(ii)管狀結構的分隔膜，設置在陰極和陽極之間的電解質腔之內，以將電解質腔分為陽極子腔和陰極子腔，該分隔膜對氣體從中穿過的通路進行密封，該方法包括步驟(a)將電解質的水溶液引入電解質腔的兩個子腔中；(b)跨越各個電解槽的陽極和陰極施加DC電壓降，以使水在陰極離解成氫氣，在陽極離解成氧氣；和(c)從一個或多個電解器電解槽中分開地取出氫氣和氧氣。
15.按照權利要求14所述的方法，其特征在于，電解槽還包括壓力容器，并且產生提高壓力下的氫氣和氧氣，該經過提高的壓力為至少大約10psig。
16.按照權利要求15所述的方法，其特征在于，經過提高的壓力不大于大約10000psig。
17.按照權利要求15所述的方法，其特征在于，經過提高的壓力不大于大約5000psig。
18.按照權利要求14、15或16所述的方法，其特征在于，還包括將從電解槽中取出的氫氣和氧氣之間的壓力差保持在不大于大約0.25psig。
19.按照權利要求18所述的方法，包括將所述壓力差保持在不大于大約0.17psig。
20.按照權利要求14、15或16所述的方法，其特征在于，還包括將電解質和產品氫氣輸送到氫氣分離器中，將電解質和副產品氧氣輸送到氧氣分離器中，感測氫氣和氧氣分離器中各自的電解質液面高度，并且對液面高度進行控制，以將從電解槽中取出的氫氣和氧氣之間的壓力差保持在不大于大約0.2psig。
21.按照權利要求14、15或16所述的方法，其特征在于，電解質在連續工作中循環通過電解器。
22.按照權利要求14、15或16所述的方法，其特征在于，電解質的水溶液是氫氧化鉀水溶液。
23.按照權利要求14、15或16所述的方法，其特征在于，電解器包括多個電解器電解槽。
全文摘要
一種電解水的電解器電解槽(10)，包括大體為管狀結構的陰極(12)，在該陰極內設置有利用大體管狀結構的分隔膜(14)與陰極(12)分開的陽極(16)，分隔膜將電解質腔(15)分成陽極子腔(15a)和陰極子腔(15b)。電解器設備(36)包括獨立電解槽(10)組成的陣列(38)，由DC電源(40)經電線(42a，42b)跨越各個電解槽(10)施加了電位。在電解槽(10)中由電解質(18)產生的氫氣經氫氣放氣管線(20)和氫氣集管線(21)排出。在電解槽(10)中由電解質(18)產生的副產品氧氣經氧氣放氣管線(22)和氧氣集管線(23)排出。電解器設備(36)可設置成以成批方式或連續電解質循環工作方式產生高壓，例如高達約10000psig的高純度氫氣，而不需要氣體壓縮機來壓縮產品氫氣。
文檔編號C25C1/02GK1751139SQ200480004759
公開日2006年3月22日 申請日期2004年2月19日 優先權日2003年2月21日
發明者馬丁·A·辛科, 桑迪普·維爾瑪, 托馬斯·杰克遜, 杰蘭姆·S·坎拉尼 申請人:阿維倫斯有限責任公司