基于高壓質子交換膜的水電解器系統的制作方法

專利名稱：基于高壓質子交換膜的水電解器系統的制作方法
技術領域：
本發明總的涉及電解器的領域，且更特定地涉及基于高壓質子交換膜的電解器系統。
背景技術：
電解器借助電的通過，通常通過將化合物分解為元素或更簡單的產物，而將豐富 量的化學物轉化為更珍貴的物質。基于質子交換膜的水電解器(或基于PEM的水電解器) 是這樣的系統，其中水在氧化電極或電池陽極處被氧化以產生氧氣，從而釋放氫離子或質 子，和電子。氫離子在跨過電池施加的電場的作用下通過固體聚合物電解質從電池陽極遷 移到電池陰極，或氫電極，而電子由直流(DC)電源轉移到陰極。質子和電子在電池陰極處 再組合以產生氫。氧和氫以與施加的電池電流成比例的速度按化學計量比而生成，即每一 體積單位的氧對應兩體積單位的氫。高壓水電解器可以在足以用于存儲的壓力(高達或超 過10000磅每平方英寸)下生成氫氣和氧氣，無需機械壓縮。

發明內容
根據一個示例性實施例的基于高壓質子交換膜的水電解器系統可以包括具有內 部區域和水入口的外電極；聯接在外電極的另一個部分內的氣體出口 ；聯接在內部區域內 且通過直流電源電聯接到外電極的中心電極；具有多個質子交換膜電池的在內部區域內圍 繞中心電極螺旋纏繞的膜電極組件，其中所述多個質子交換膜電池的最內部的一個可以電 聯接到中心電極且其中多個質子交換膜電池的最外部的一個可以電聯接到外電極；和圍繞 中心電極纏繞且聯接到中心電極和外電極的非導體分隔件，非導體隔膜防止多個質子交換 膜電池之間的電接觸。當外電極是陰極時中心電極可以是陽極，或替代地中心電極可以是 陰極而外電極是陽極。 在另一個示例性的實施例中，大體上如上所述的基于高壓質子交換膜的水電解器 系統也可以包括另外的結構，所述另外的結構通過重力分層將基于高壓質子交換膜的水電 解器內所生成的氫氣和氧氣在其離開系統前分離。 本發明的其他示例性的實施例將從下文中提供的詳細描述中變得顯見。應理解的 是詳細描述和具體例子雖然公開本發明的示例性實施例，但僅意圖于闡述目的而不意圖于 限制本發明的范圍。


本發明的示例性實施例將從詳細描述和附圖中變得更完整地理解，各圖為
圖1是根據一個示例性實施例的基于高壓質子交換膜的水電解器系統的剖面圖；
圖2是圖1的容器沿線2-2截取的截面視圖；
圖3是圖2的膜電極組件在鋪開和展開位置的透視圖； 圖4是根據另一個示例性實施例的基于高壓質子交換膜的水電解器系統的剖面
6圖； 圖5是根據圖1或圖4的任一示例性實施例的包括基于高壓質子交換膜的水電解器系統的電動車輛的平面圖。
具體實施例方式
如下的實施例(多個實施例)的描述僅在本質上是示例性的(說明性的)，且不意圖于限制本發明、其應用或使用。 首先參考圖1至圖3，根據一個示例性實施例的基于高壓質子交換膜的水電解器系統10可以包括壓力容器缸或稱外電極12，該外電極12具有水入口 14和氣體出口 16。水位傳感器19也可以結合在容器10內，指示外電極12的內部部分20內的水位。水位傳感器19與水入口 14的止回閥部分通信，以將其在打開位置和關閉位置之間移動，以當傳感器19指示內部部分20內的水位過低時允許水通過水入口 14進入內部部分。
系統10也可以包括傳導的中心柱或稱中心電極18，該中心電極18部分地容納在外電極12的內部部分20內且通過絕緣的饋通部分22延伸到系統10的外側。外電極12和中心電極18可以是陽極電極或陰極電極，其中當中心電極18是陰極電極時外電極12是陽極電極，且其中當中心電極18是陽極電極時外電極12是陰極電極。外電極12和中心電極18可以各通過直流(DC)電源11相互電聯接。外電極12和中心電極18因此形成DC電源ll的正極端子和負極端子。 如在圖2中最佳地示出，膜電極組件或MEA 38可以在外電極12的內部20內圍繞中心電極18纏繞。也在圖2中最佳地示出不可滲透的分隔件層40，該分隔件層40可以單獨地圍繞外電極的內部20內的中心電極18纏繞，且可以聯接到中心電極18和外電極12兩者。不可滲透分隔件層40可以幫助防止MEA 38的遠程部分之間的電接觸，該分隔件層螺旋纏繞MEA38的遠程部分且因此靠近所述遠程部分。不可滲透分隔件層40暗含地也可以大體上防止水或氧氣或氫氣或氫離子通過它的流動。 雖然MEA 38和不可滲透分隔件層40在圖2中都示出為以逆時針方向從中心電極18纏繞到外電極12，但也可以利用從中心電極18到外電極12的順時針方向。
如在圖3中最佳地示出，MEA 38可以由一系列電連接的質子交換膜(PEM)電池30形成，所述質子交換膜(PEM)電池30以交替的方式聯接在PEM膜36的相對側23、33上。每個PEM電池30可以包括陽極電極32和陰極電極34，它們相互之間以間隙27分開。
在膜36的一側23或另一側33上每個PEM電池30與相鄰的PEM電池30以間隙43分開。另外，每個PEM電池30可以通過橫過間隙43的電接線25而電聯接到位于PEM膜36的相同側23或33上的相鄰的PEM電池30。 當中心電極18是陽極電極時，如在圖3中示出，最內側PEM電池30的陽極電極34A電聯接到中心電極18，且最外側PEM電池30的陰極電極32B電聯接到外電極12(外電極12是陰極電極)，以完成回路。 相反地，在可以想到但本文未示出的相反的布置中，當中心電極18是陰極電極且外電極12是陽極電極時，最內側PEM電池30的陰極電極32電聯接到中心電極18，而最外側PEM電池30的陽極電極34電聯接到外電極12，以完成回路。 電極(陰極電極32、32B和陽極電極34、34A)可以是催化劑層，該催化劑層可以包括催化劑微粒和離子傳導材料，例如與微粒混合的傳導質子的離聚物。質子傳導材料可以是離聚物，例如全氟磺酸聚合物。催化劑材料可以包括金屬，例如鉑、鈀，和金屬混合物，例如鉑和鉬、鉑和鈷、鉑和釕、鉑和鎳、鉑和錫、其他的鉑過渡金屬合金，以及本領域中已知的其它燃料電池電催化劑。催化劑金屬可以按需要被磨碎。 多種不同類型的膜可以用于本發明的實施例。在本發明的多種實施例中有用的固體聚合物電解質膜可以是離子傳導材料。合適的膜的例子在美國專利No 4， 272， 353和No3， 134， 689中披露，且在Journal of PowerSources，第28期(1990) ， 367-387頁中披露。這樣的膜也已知為離子交換樹脂膜。樹脂包括處于其聚合物結構的離子組；其一個離子成分被聚合物基質固定或保持，且至少一個其他的離子成分是可移動的可替換離子，它與固定的成分靜電結合。可移動離子在合適的條件下與其他離子可替換的能力賦予了這些材料的離子交換特征。 離子交換樹脂能夠通過將成分的混合物聚合而制備，所述成分之一包含離子組分。陽離子交換質子傳導樹脂的一個廣泛的類型是所謂的磺酸陽離子交換樹脂。在磺酸膜中，陽離子交換組是接附到聚合物骨架的磺酸組。 將這些離子交換樹脂形成為膜對于本領域一般技術人員是熟知的。優選的類型是全氟磺酸聚合物電解質，其中整個膜結構具有離子交換特征。這些膜在商業上是可獲得的，且商用磺酸全氟化碳質子傳導膜的典型例子由E. I.DuPont de Nemours&Company以Nafion⑧為商標銷售。其他這樣的膜從Asahi Glass and Asahi Chemical Company可獲得。其他類型的膜的使用也在本發明的范圍內，例如但不限制于全氟陽離子交換膜，基于碳氫化合物的陽離子交換膜以及陰離子交換膜。 在圖1至圖3中示出的示例性實施例的運行中(其中中心電極18 (即DC電源11的正極端子)是電聯接到陽極34A的陽極電極，且外電極12 (即DC電源11的負極端子)是電聯接到陰極電極32B的陰極電極)，當水位傳感器19指示水位過低時，水通過水入口 14被引入到內部區域20內。水位傳感器19將水入口 14的止回閥部分引導到打開位置，以允許水的引入。 反應劑水緊靠最內側的陽極電極34A，其處發生化學反應以形成氧氣(02氣體)、電子和氫離子(質子)。可以通過將DC直流電源11的正極端子(在此為中心電極18)連接到最內側的陽極電極34A且通過將DC電源11的負極端子(在此為外電極12)連接到最外側的陰極電極32B而促進化學反應。 在陽極電極34A上生成的電子行進到中心電極18且然后行進到DC電源11。氧氣被排出，而在此反應中生成的氫離子通過PEM膜36從第一側23遷移到第二側33，且在相應的陰極電極32處與電子(電子由相鄰的陽極電極34提供)結合以產生氫氣012氣體)。
類似的反應在其他陽極電極34和陰極電極32的每個上發生，以分別生成氧氣和氫氣。在陽極電極34上生成的電子可以通過電接線25提供到位于一側23或33上的各陰極電極32。在陽極電極34處生成的氫離子可以由通過PEM膜36的遷移而提供到各陰極電極32。過多的電子從DC電源11的負極端子行進到外電極12且然后行進到最外側的陰極電極32B以完成回路。 在系統10內生成的氧氣和氫氣以與施加的電池電流成比例的速度按化學計量比生成，即每一個體積單位的氧氣對應兩個體積單位的氫氣。
進行電解所需要的電池電壓是隨串聯連接以形成MEA 38的PEM電池30的個數而定。對于常規的單個電池單元，具有大致1. 6-2. 4伏特的電壓的DC電源ll可以足以將水分裂以生成氧氣和氫氣。對于十二個PEM電池30的單元，如在圖3的示例性實施例中示出，DC電源ll電壓應乘以十二，且因此可以要求提供大約至少19. 2-24伏特的DC電源11。通過經常稱為PEM堆的串聯PEM電池的電流將取決于PEM堆的物理尺寸和其他特征，且因此以上所述的電壓可以改變以獲得希望的氫生產速度。 現在參考圖4，圖中描繪替代的示例性實施例，其中氣體分離器區或第二內部部分45可以引入到容器10內，以允許H2和02分開且通過重力分離被分開地取出。
因此，基于高壓質子交換膜的水電解器系統10可以進一步包括氧出口 15和氫出口 17，它們取代氣體出口 16以將氫氣和氧氣分別地從內部部分20移除，這與圖1至圖3中的在從容器10移除后分開氫氣和氧氣不同。 在此示例性實施例中，內部部分20可以進一步分為由網篩部分55分開的第一內部部分35和第二內部部分45，其中MEA 38和水入口 14包括在第一內部部分35內且氧出口 15、氫出口 17、水位傳感器19和氫/氧界面傳感器21包括在第二內部部分45內。進入第一內部部分35的水位(如通過由水位傳感器19感測到的水位確定)可以通過高壓水噴射泵以及通過氫出口 17和氧出口 15排出的氫氣和氧氣而被連續調整，以保持氫氣/氧氣界面關于氫/氧界面傳感器21定中心。 另外，多個非傳導球體65可以容納在第二內部部分45內。球體65有助于進一步通過尺寸排斥(除重力分離外)而將氫氣和氧氣分離。 以上的示例性實施例披露基于高壓質子交換膜的水電解器系統IO，所述水電解器系統IO可以利用在多種應用中，用于生成高壓氫氣和氧氣。用于任一示例性實施例的基于高壓質子交換膜的水電解器系統10的一個示例性應用是用于提供電動車輛85的燃料電池80內使用的氫氣，如在圖5中示出。 本發明的以上所述實施例僅在本質上是示例性的，因此其變化不解釋為離開本發明的精神和范圍。
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權利要求
一種包括基于高壓質子交換膜的水電解器系統的產品，包括具有內部區域和水入口的外電極；聯接在所述外電極的另一個部分內的氣體出口；聯接在所述內部區域內的中心電極，所述中心電極通過直流電源電聯接到所述外部電極；在所述內部區域內圍繞所述中心電極螺旋纏繞的膜電極組件，所述膜電極組件包括多個串聯電聯接的質子交換膜電池，所述多個質子交換膜電池的每個聯接到質子交換膜，其中所述多個質子交換膜電池的最內部的一個可以電聯接到所述中心電極，且所述多個質子交換膜電池的最外部的一個可以電聯接到所述外電極；和圍繞所述中心電極纏繞且聯接到所述中心電極和所述外電極的非導體分隔件，所述非導體隔膜防止所述多個質子交換膜電池之間的電接觸。
2. 根據權利要求1所述的產品，其中所述中心電極包括陰極電極且其中所述外電極包 括陽極電極。
3. 根據權利要求1所述的產品，其中所述中心電極包括陽極電極且其中所述外電極包 括陰極電極。
4. 根據權利要求1所述的產品，其中所述多個質子交換膜電池的每個包括陰極電極和 陽極電極。
5. 根據權利要求1所述的產品，其中所述內部部分通過金屬絲網篩被分為第一內部部 分和第二內部部分，其中所述膜電極組件完全地包含在所述第一 內部部分內；禾口其中所述第二內部部分包括多個非傳導球體。
6. 根據權利要求5所述的產品，其中所述氣體出口包括氧氣出口和氫氣出口 。
7. 根據權利要求l所述的產品，進一步包括聯接到所述水入口的用于控制水流入到所述內部部分內的止回閥，所述止回閥可從關 閉位置移動到打開位置；禾口用于測量所述內部部分內的水位的水位傳感器，其中所述水位傳感器聯接到所述止回 閥且控制所述止回閥在所述打開位置和所述關閉位置之間的定位。
8. 根據權利要求1所述的產品，其中所述質子交換膜包括磺酸全氟化碳質子傳導膜。
9. 根據權利要求1所述的產品，進一步包括聯接到所述基于高壓質子交換膜的水電解 器系統的燃料電池。
10. 根據權利要求1所述的產品，進一步包括電動車輛，所述電動車輛包括所述基于高 壓質子交換膜的水電解器系統。
11. 根據權利要求1所述的產品，進一步包括電動車輛，所述電動車輛包括聯接到權利 要求1所述的基于高壓質子交換膜的水電解器系統的燃料電池。
12. —種用于基于高壓質子交換膜的水電解器系統的螺旋纏繞膜電極組件，所述螺旋 纏繞膜電極組件包括質子交換膜；聯接到所述質子交換膜的第一側的第一質子交換膜電池，所述第一質子交換膜電池具 有陽極電極和陰極電極；聯接到所述質子交換膜的第二側且通過所述質子交換膜電聯接到所述第一質子交換膜電池的第二質子交換膜電池，所述第二質子交換膜電池具有第二陽極電極和第二陰極電 極；其中所述質子交換膜的所述第一側與所述質子交換膜的所述第二側相反；禾口 聯接到所述質子交換膜的所述第一側且通過所述質子交換膜電聯接到所述第二質子交換膜的第三質子交換膜電池，所述第三質子交換膜電池具有第三陽極電極和第三陰極電極；其中所述第三質子交換膜電池與所述第一質子交換膜電池沿所述第一側以間隙分隔 開；和其中所述第三質子交換膜電池通過橫過所述間隙的電線電聯接到所述第一質子交換 膜電池。
13. —種用于從水生成氫氣和氧氣的方法，該方法包括(a) 形成基于高壓質子交換膜的水電解器系統，該水電解器包括 具有內部區域的外電極； 聯接在所述外電極的一部分內的水入口； 聯接在所述外電極的另一個部分內的氣體出口；聯接在所述內部區域內的中心電極，所述中心電極通過直流電源電聯接到所述外電極；在所述內部區域內圍繞所述中心電極螺旋纏繞的膜電極組件，所述膜電極組件包括多 個串聯電聯接的質子交換膜電池，所述多個質子交換膜電池的每個聯接到質子交換膜，其 中所述多個質子交換膜電池的最內部的一個可以電聯接到所述中心電極，且所述多個質子 交換膜電池的最外部的一個可以電聯接到所述外電極；禾口圍繞所述中心電極纏繞且聯接到所述中心電極和所述外電極的非導體分隔件，所述非 導體隔膜防止所述多個質子交換膜電池之間的電接觸；(b) 將第一量的水從所述水入口引入到所述內部區域內；(c) 將所述直流電源激活，以提供跨接所述中心電極和所述外電極的電壓，所述電壓足 以導致所述第一量的水起反應，以產生第一量的氧氣和第一量的氫氣；禾口(d) 使所述第一量的氧氣和所述第一量的氫氣通過所述氣體出口移除。
14. 根據權利要求13所述的方法，其中所述中心電極包括陰極電極且其中所述外電極 包括陽極電極。
15. 根據權利要求13所述的方法，其中所述中心電極包括陽極電極且其中所述外電極 包括陰極電極。
16. 根據權利要求13所述的方法，進一步包括使用金屬絲網篩將所述內部區域分為第一區域和第二區域，其中所述膜電極組件位于 所述第一區域內；禾口將多個非傳導球體引入到所述第二區域內以幫助將所述第一量的氧氣與所述第一量 的氫氣分離。
17. 根據權利要求16所述的方法，其中(d)使所述第一量的氧氣和所述第一量的氫氣 通過所述氣體出口移除包括(d)通過氧氣出口移除所述第一量的氧氣；禾口(e)通過氫氣出口移除所述第一量的氫氣。
18. 根據權利要求17所述的方法，進一步包括將氫/氧界面傳感器聯接在所述第二區域的一部分內在所述氫出口和所述氧出口之間；確定所述第二區域內的氫氣和氧氣界面；禾口通過所述氧出口移除所述第一量的氧氣的一部分，或通過所述氫出口移除所述第一量 的氫氣的一部分，以維持所述氫氣和氧氣界面大致定心為所述氫/氧界面傳感器。
19. 根據權利要求14所述的方法，進一步包括 確定所述內部區域內包含的水量；當所述確定的水量落在預定閾值以下時，將另外量的水引入到所述內部區域內。
20. —種電動車輛，包括基于高壓質子交換膜的水電解器系統，該水電解器系統包括 具有內部區域的外電極； 聯接在所述外電極的一部分內的水入口； 聯接在所述外電極的另一個部分內的氣體出口；聯接在所述內部區域內的中心電極，所述中心電極通過直流電源電聯接到所述外電極；在所述內部區域內圍繞所述中心電極螺旋纏繞的膜電極組件，所述膜電極組件包括多 個串聯電聯接的質子交換膜電池，所述多個質子交換膜電池的每個聯接到質子交換膜，其 中所述多個質子交換膜電池的最內部的一個可以電聯接到所述中心電極，且其中所述多個 質子交換膜電池的最外部的一個可以電聯接到所述外電極；禾口圍繞所述中心電極纏繞且聯接到所述中心電極和所述外電極的非導體分隔件，所述非 導體隔膜防止所述多個質子交換膜電池之間的電接觸；通過所述氣體出口流體聯接到所述高壓氫氣生成器的燃料電池。
21. 根據權利要求20所述的電動車輛，其中所述中心電極包括陰極電極且其中所述外 電極包括陽極電極。
22. 根據權利要求20所述的電動車輛，其中所述中心電極包括陽極電極且其中所述外 電極包括陰極電極。
23. 根據權利要求20所述的電動車輛，其中所述多個質子交換膜電池的每個包括陰極 電極和陽極電極。
24. 根據權利要求20所述的電動車輛，其中使用金屬絲網篩將所述內部區域分為第一 內部部分和第二內部部分，其中所述膜電極組件完全地包含在所述第一 內部部分內；禾口其中所述第二內部部分包括多個非傳導球體。
25. 根據權利要求24所述的電動車輛，其中所述氣體出口包括氧氣出口和氫氣出口， 所述氧氣出口和氫氣出口分開地聯接到所述外電極且與所述第二內部部分流體連通。
26. 根據權利要求20所述的電動車輛，進一步包括聯接到所述水入口用于控制水流入到所述內部部分內的止回閥，所述止回閥可從關閉 位置移動到打開位置；禾口用于測量所述內部部分內的水位的水位傳感器，其中所述水位傳感器聯接到所述止回閥且控制所述止回閥在所述打開位置和所述關閉位置之間的定位。
27.根據權利要求20所述的電動車輛，其中所述質子交換膜包括磺酸全氟化碳質子傳 導膜。
全文摘要
本發明涉及一種基于高壓質子交換膜的水電解器系統，所述水電解器系統可以包括一系列質子交換膜(PEM)電池，所述質子交換膜(PEM)電池可以電聯接到一起且聯接到質子交換膜以形成螺旋纏繞在傳導的中心柱上的膜電極組件(MEA)，其中MEA的最內側PEM電池可以與傳導的中心柱或中心電極電連接，且其中MEA的最外側的PEM電池可以電聯接到壓力容器缸或外電極。每個PEM電池可以包括由PEM膜的部分分開的陽極部分和陰極部分。另外，不可滲透的分隔件層也可以圍繞傳導的中心柱螺旋纏繞且分開PEM芯的纏繞部分。
文檔編號C25B9/10GK101724855SQ20091020639
公開日2010年6月9日 申請日期2009年10月15日 優先權日2008年10月15日
發明者D·B·歐威爾克爾克, N·A·凱利, T·L·吉布森 申請人:通用汽車環球科技運作公司