電解器應用的反應物流動溝道的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請涉及并要求2012年10月10日提交的美國臨時專利申請No. 61/712,010、 同樣在2012年10月10日提交的美國臨時專利申請No. 61/712, 236以及2013年3月15日 提交的美國臨時專利申請No. 61 /801，532的優先權益，其中這些申請的公開通過全文引用 合并于此。本申請還涉及并要求2013年8月14日提交的國際申請NO.PCT/CA2013/050626 和同樣在2013年8月14日提交的國際申請NO.PCT/CA2013/050627的優先權益，其中這些 申請的公開通過全文引用合并于此。
技術領域
[0003] 本發明總體上涉及電解器，具體地，涉及針對電解器的流體流動溝道和流動場、以 及合并了這種流體流動溝道和流動場的電解器和電解器堆（electrolyzerstacks)。
【背景技術】
[0004] 盡管許多電解器基于堿性（KOH)電解質，然而另一選擇是將質子交換膜（PEM)用 作電解質。在PEM電解中，將水提供給陽極，并通過施加DC電壓將其分為氧氣、質子和電 子。質子通過聚合物電解質膜，并與陰極處的電子結合以便形成氫氣；因此，如圖1內的示 意圖所示，在陽極產生氧氣，在陰極產生氫氣。重要的是將在對應電極表面處產生的氫氣和 氧氣保持為是分離的且不混合。電解過程實際上與在PEM燃料電池中的過程相反。PEM電 解器電池可以與PEM燃料電池的結構非常相似，其中在多孔電極對和流動場板之間夾有聚 合物膜。圖2A示出了電解器單位電池（unitcell)的簡化圖，圖2B示出了燃料電池單位 電池的簡化圖。PEM電解器使用的材料通常是不同的，這是由于出于腐蝕性原因，無法將通 常在燃料電池中用作催化劑載體、氣體擴散層和流動場板的碳材料用在PEM電解器的氧氣 偵L在PEM電解器中，通常使用金屬成分（例如，鉭、鈮、鈦、或利用這種金屬制成的不銹鋼） 來代替多孔層和流動場板。催化劑通常是鉑或鉑合金，設計為在存在液態水的情況下進行 操作。
[0005] 可以串聯或并聯多個電解器電池（為了得到合理堆電壓的所需輸出），以便形成 電解器堆。除了一個或多個電解器堆（包括端板（endplate)、總線板（busplate)和多分 支管（manifolds))以及其它系統組件之外，電解器系統通常包括電源、電壓調節器、水凈 化提供設備（包括循環水泵）、針對氫氣和可選地氧氣的水汽分隔器、熱管理系統、控制儀 表、以及用于進行存儲并隨后分配所得氣體的設備。
[0006] 可以將燃料電池系統與電解器系統相結合，使得可以將可再生能源用于對電解器 供電以產生可以被存儲的氫氣和氧氣，然后接著用作燃料電池的反應物以產生電力。圖3A 示出了這種組合的電解器/燃料電池系統。一直不斷嘗試研制可以被用作燃料電池和電解 器二者的單元化堆。這種設備可以被稱作"可逆的燃料電池"或"單元化的可再生燃料電 池"(URFC)。PEMURFC堆在操作為將氫氣用作燃料并將空氣或氧氣用作氧化劑的燃料電池 時傳送電力，而當操作為電解電池時產生氫氣和氧氣。圖3B示出了URFC系統。URFC的單 獨電池和電池組件的設計應解決在每個操作模式期間出現的明顯不同的操作條件。例如， 氧氣/空氣電極電勢在不同模式下是非常不同的。在發熱的燃料電池模式下，由于快速移 除所產生的熱量和水，通常需要潮濕的氣體反應物，而在電解模式中，由于快速移除在陽極 處所得的氧氣和在陰極處所得的氫氣，在一個電極處需要液態水作為反應物。設計支持PEM URFC的設備平衡（Thebalanceofplant)以便處理在燃料電池模式下產生的水、在燃料電 池中保持熱平衡（當燃料電池產生電力時，通常使用散熱板來去除過度熱量）、傳送清潔的 反應物并產生受調節的電力。URFC的設備平衡問題包括：設計熱量管理系統（由于在電解 模式下的操作是略微吸熱的）以及收集所產生的氫氣和可選地氧氣。
[0007] 在PEM電解器中，與液體反應物供應和氣體產物移除相關的問題對于PEM燃料電 池領域中的技術人員而言是較為困難的，其中通常將氫氣和氣體氧化劑（例如，空氣）分別 提供給陽極和陰極，并在陰極產生水。在PEM燃料電池中，通常通過形成在流動場板中的溝 道來向電極提供氣體反應物。典型的反應物流體流動場板具有令反應物流在其中流動的至 少一個溝道。通常通過將多個面向開口的溝道布置在隔板的一面或雙面上，來將流體流動 場與所述隔板相集成。所述面向開口的溝道面向對反應物進行電化學變換的電極。在單個 電池布置中，將隔板設置在陽極和陰極側的每一個上。在堆中，雙極板通常用在相鄰電池之 間；這些雙極板通常在所述板的兩側上具有流動場。所述板用作電流收集器并提供對電極 的結構支撐。
[0008]在陽極和陰極二者處使用的流動場可以對燃料電池性能具有重要影響，對PEM燃料電池的流動場設計的優化進行了許多工作。通常在燃料電池流動場中的反應物流動 溝道的橫截面沿著它們的長度是恒定的。然而，美國專利6, 686, 082 (通過引用全文合并 于此）描述了一種燃料電池實施例，其中燃料電池溝道的橫截面面積隨流動方向線性減 小。對于將空氣作為氧化劑進行操作的燃料電池，隨著空氣沿著陰極流動溝道流動，在空 氣流中的氧氣含量趨于枯竭且空氣壓力趨于降低，導致燃料電池的性能降低。美國專利 No. 7, 838, 169 (通過引用全文合并于此）描述了一種改善型的陰極流動場溝道，可以用于 沿著溝道實現基本恒定的氧氣供應量。
[0009]盡管已經報道了電解器操作通常比燃料電池操作對流動場設計的改變更不敏感， 然而極少研宄流動場設計對PEM電解器的性能的影響。
[0010]已報道出（Hwang，CM.，等人.Abst. #1405HonoluluPRiME2012,The ElectrochemicalSociety)在PEMURFC中，針對在燃料電池模式下的操作的優選流動場設 計在電解模式下不能良好地工作，特別是在較高電流密度的情況下（氫氣和氧氣產生速率 較高的情況下）。研宄表明蛇形流動場適用于PEM燃料電池，這是由于蛇形流動場中的氣 體流動具有較高速度和更大剪力，從而有效移除在溝道中產生的水。與此相反，在電解模式 下，較長的蛇形流動場溝道是不利的，這是由于所產生的氣體（氫氣和氧氣）區域在溝道中 積累，阻止將水提供給電極，并限制反應物水的電化學氧化的速率。
[0011] 盡管優選用于燃料電池的流動場不必與優選用于電解器的流動場相同，然而申請 人發現溝道橫截面面積沿著溝道長度（特別是在氧氣電極處）改變的流動場可以在電解器 以及能夠在燃料電池和電解器模式下都進行操作的URFC中提供多個優點。
【發明內容】
[0012] 用于由水產生氫氣和氧氣的電解器組合件包括一個或多個單位電池。單位電池各 自包括：膜電極組合件，包括夾在陽極和陰極之間的質子交換膜；陰極流動場板，與陰極相 鄰；以及陽極流動場板，與陽極相鄰。可選地，陰極流動場板其中形成有至少一個陰極溝道， 用于在電解器組合件操作期間運走在陰極處產生的氫氣。陽極流動場板其中形成有至少一 個陽極溝道，用于在電解器組合件的操作期間引導水與陽極相接觸。所述至少一個陽極溝 道的橫截面沿著陽極溝道長度的至少一部分改變。例如，可以通過改變溝道寬度、溝道深度 和溝道形狀中的至少一個，來改變陽極溝道橫截面面積。在一些實施例中，溝道橫截面面積 沿著陽極溝道的實質上整個長度而改變（諸如，通過改變寬度、深度或形狀的尺寸）。
[0013] 在一些實施例