[发明专利]水电解电池中的压力控制系统

说明书

发明领域

本发明涉及电解电池。具体地说，涉及用于生成氢和氧的水电解电池。更具体地说，涉及氢气压力控制设备，以及对由这些设备所产生的氢和氧的使用。

发明背景

城市烟雾会导致肺部疾病和其它呼吸障碍，并可能导致严重的健康问题，即病人的健康状况可能要求其必须在家中配备呼吸所用的氧供给系统。通常，这种氧是由提交于家庭的液态氧加以提供的。电解方法所产生的氧也可达到同样的目的。

已有许多车辆和其它设备依赖氢而运行，目前无论是移动应用还是固定应用，对燃料电池的使用日趋增多，并需要把氢作为燃料。

电合成是产生化学反应的一种方法，电合成是通过电流的流动以电气方式加以驱动的。其中，电流，通常为直流(DC)，通过正电极和负电极之间的一种电解液流动。电化电池用于电化反应，并包括浸泡于电解液中的正电极和负电极，在这两个电极之间流动的电流来自一个外部的电源。在无附加反应的情况下，反应的生成率与电流成正比。例如，在一个液态碱性水电解电池里，在一种水状的电解液中，DC电流在两个电极之间流动，以把水(反应物)分裂成成份产品气体，即氢和氧，其中产品气体在各电极的表面逐渐形成。

水电解器通常依赖于压力控制系统控制一个电解电池的两个部分之间的压力，以确保两种气体，即在电解反应中所产生的氧和氢，保持相互分离，而不混合在一起。

一个这样的压力控制系统提供了一个水密封层，以均衡电池的两个部分中的压力。这是在“家庭制造”的电解器中最常采用的方案。通常，水密封层为几英寸深，因此电池操作在大气以上的几英寸的WC压力下。

一种可选择的系统提供了一个隔膜分隔器，该隔膜分隔器维持电池的两个部分之间的一个压力差，而且不会使气体相混合。PEM电池是这种类型的系统的最好的例子。PEM(聚合物电解液隔膜)电池最高可维持一个2500psi的压力差，而且不会使气体的纯度明显降低。

第三种系统是一个主动控制系统，该系统可检测压力，并控制气体从这两个电池中流出。可按下列两种方式之一进行控制：

通过一个依赖压力调节器(例如一个加载整流罩的流调节器)的机械系统，控制两个电池之间的压力，例如，可把氧压力做为一个参照压力，调节电池的氢部分中的压力；以及

通过依赖于对两个电池之间的气体压力差的测量的电子系统，控制从电池的两侧流出的气体的流速，以便维持所希望的通常为0的压力差。

然而，对于超小型的商用氢生成器(0.1 Nm³/h)来说，PEM型电解电池通常倍受人们的青睐。尽管这种电池的价格远高于传统的碱电解器，但这种电池的高价格可抵消使用机械或电子传动装置的传统碱系统所需的控制装置的开销、对较高压力的需求(因而，需要使用一个水密封层压力控制系统在电解器中的进行压缩)的开销。

然而，在一个加压的电解器中，还存在着对一个可控制压力的价格相当低的、可靠的方法的需求。

发明内容

本发明的一个目的是提供用于按所希望的最小压力产生输出的氢的有效的方法和水电解器。

本发明的另一个目的是为局部化的小机构(例如，商场、医院等)提供一个用于原地产生输出的氢和氧的有效的方法和水电解器。

本发明的又一个目的是提供一个电解器设备和方法，该电解器设备和方法可以至少以100psi的压力(实质上可根据请求)传送氢，同时维持一个跨整个电池隔膜的、实质上为0的压力差。

最广义地讲，本发明依赖于在阴极电解液液位和阳极电解液液位之间创建一个液位压力差，该压力差是通过下列方法实现的：致使氧压力在阳极电解液之上积累，阳极电解液液位下降，并在阴极电解液液位中上升一个相同的幅度，同时氢从电池中释放，直至要么(a)阳极电解液液位下降到一个预选定的液位，以触发一个控制阀，防止氢从电池释放出来，要么(b)阴极电解液液位上升，类似地触发一个控制阀，类似地防止氢从电池释放出来。在阴极电解液之上氢压力的相继的积累反转相应的液位，以打开控制阀，按所希望的最小压力提供氢。在封闭了释放阀的状态下，氢压力积累，因为在电解方法中，针对每一莫尔的氧产生两莫尔的氢。

因此，广义地讲，本发明提供了一个用于按所希望的最小压力从一个电解器中提供氢的方法，该方法包括：

拥有阳极电解液液位的阳极电解液溶液；

拥有阴极电解液液位的阴极电解液溶液；

在上述的阳极电解液之上按氧压力生成的氧；

在上述的阴极电解液之上按氢压力生成的氢，用于通过氢出口装置流动；