[发明专利]高压电解槽有效
申请号: | 200980142704.X | 申请日: | 2009-09-17 |
公开(公告)号: | CN102317505A | 公开(公告)日: | 2012-01-11 |
发明(设计)人: | 格兰卡罗·索里 | 申请(专利权)人: | 卡萨尔化学股份有限公司 |
主分类号: | C25B1/12 | 分类号: | C25B1/12;C25B9/20 |
代理公司: | 北京同达信恒知识产权代理有限公司 11291 | 代理人: | 李中奎;黄志华 |
地址: | 瑞士卢加*** | 国省代码: | 瑞士;CH |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 高压 电解槽 | ||
技术领域
本发明涉及电解槽领域,尤其是用于水的电解。更详细地,本发明涉及一种在压力容器内部包括电池堆的电解槽,用于在高压力下工作。
背景技术
电解是一种公知的用于分离化学键合元素的工艺。当期望获得某一压力下的电解产物时可在同一压力下操作该工艺。
电解最常见的应用之一是通过电解水产生氢气(H2),并且在本说明书的后文中,将参考本发明的这种优选应用。
在达到约30巴压力下通过水的电解产生的氢气可供化学工艺使用是公知的。然而,近年来,已经出现在更高的压力下产生氢气的需求。
氢气是一种用于能源存储和运输的最佳候选者,特别是用于源自可再生能源的分布式发电和为氢燃料或者燃料电池车辆提供动力。然而,存储氢气以用作燃料或者能量载体需要非常高的压力,例如,需要200巴或者更高的压力。目前,认为适于燃料氢气存储的压力是350巴(5000磅/平方英寸)或者700巴(10000磅/平方英寸)。将氢气压缩到这些非常高的压力需要昂贵的多级压缩器并且消耗大量的能量。因此,强烈需求在上述压力下能够直接产生氢气的电解。
US 4758322公开了电解槽的一种已知的结构,所谓的滤压式结构。大量的双极电池串联地堆叠且共同设置在通过拉杆互相连接的两个端板间。双极电池中的每一个包括由隔膜或薄膜分开的阳极室和阴极室。依次地,每一电池与下一电池通过导电壁分开,所谓的双极板在两个表面上具有相反极性。电池堆通过形成所述堆的阳极(+)和阴极(-)的端部连接的端板设置在一起。端板通过拉杆而朝向彼此施力,拉杆是电绝缘的以避免电池短路。将液态电解液加入电池中,并且从电池中收集产生的气体。
此电解槽在内部压力下具有有限的工作性能,即在压力下电解液和产生的气体有限。实际上,电池堆的电池框架和端板必须承受内部和外部之间的全部压力差(Δp),外部通常位于大气压下。超过特定的Δp,电池框架不能够承受机械应力,它们的密封垫也不能防止所述电解液或气体泄露,且实际上,此电解槽局限于几十巴的内部压力。
为克服这个问题,已经提出不同类型的加压电解槽。基本思想是在一加压容器内部操作电池堆以平衡上述电池堆的内部压力。
US 6153083公开了一种在压力下进行水电解的电解槽,其中为了对已经提及的滤压式结构进行响应,双极电池堆密封在压力容器中。所述堆的两个端电极通过穿过所述压力容器的两个引入电缆连接到电源,在所述压力容器内部环绕着电池堆充满加压的水。然而,该设计的弊端(没有详细描述)是穿过加压容器的电缆通道和用于给电池堆内部供应碱性电解液以及用于收集通过所述堆排出的氢气和氧气的装置,该弊端在实际中非常难以解决。实际上,需要提供穿过所述加压容器的输入/输出,其中密封性是至关重要的且任何泄露可能危害电解槽的工作。特别地,所述容器的压力下降,在大多数情况下将对电解槽内部产生不能挽回的损害。此外,这种设计已用于高达30巴的压力,不能满足上文所讨论的氢气存储。
DE 4418999公开了一种不同的封装技术。电池块(Cell block)被压力管包围,在两个端部分别被两个法兰盘封闭,法兰盘也是电池块的端盖且因此具有用于引导流体进入和流出电解电池的必须的连接件。压力管内部及电池块外部的空间置于供给电解电池的电解液的液压力下。为补偿电池块和容器间的膨胀差异以迫使具有相同的长度,电池框架(采用非导电性材料)可采用弹性平垫片。这种设计在所述的垫片的紧密性方面具有缺点,此外,将导电电解液用作加压流体增加了在电池泄露情况下短路的风险。
现有技术的另一问题是与电池堆内部的热膨胀相比,容器或者压力管具有不同的热膨胀,这可能是的机械应力的起因并具有电解液泄漏和释放风险。在水加压系统中,即使电解液的小泄漏也是致命的,因为水会变成导电的并产生电分流、寄生电流和相关的功率损耗,甚或短路和严重的电池堆损害。
因此,现有技术的缺陷能够总结如下。一些已知的加压电解槽所工作的压力级远低于将氢气特定体积合理地降低到最终的气体散装储存所需的压力级;特别地,通过压力容器的流体和电连接件对系统紧密性至关重要;水作为加压介质的普遍使用留有在电解液泄漏的情况下产生寄生电流或危险的短路的风险;由于上述讨论的原因,为了所述容器增压替换电解液甚至是更危险的。所讨论的与水电解相关的这些缺陷也可以扩大到其它应用中。
发明内容
本发明的根本问题是提供一种用于克服上述缺陷的加压电池堆电解槽结构,尤其是,用于在使用氢气作燃料或者能量载体时所需要的高压下安全可靠地自水中产生氢气。
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