[发明专利]电解器应用的反应物流动沟道

说明书

本申请是申请日为2013年10月10日的中国专利申请“电解器应用的反应物流动沟道”(国家申请号：201380064598.4)的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请涉及并要求2012年10月10日提交的美国临时专利申请No.61/712,010、同样在2012年10月10日提交的美国临时专利申请No.61/712,236以及2013年3月15日提交的美国临时专利申请No.61/801，532的优先权益，其中这些申请的公开通过全文引用合并于此。本申请还涉及并要求2013年8月14日提交的国际申请No.PCT/CA2013/050626和同样在2013年8月14日提交的国际申请No.PCT/CA2013/050627的优先权益，其中这些申请的公开通过全文引用合并于此。

技术领域

本发明总体上涉及电解器，具体地，涉及针对电解器的流体流动沟道和流动场、以及合并了这种流体流动沟道和流动场的电解器和电解器堆(electrolyzerstacks)。

背景技术

尽管许多电解器基于碱性(KOH)电解质，然而另一选择是将质子交换膜(PEM)用作电解质。在PEM电解中，将水提供给阳极，并通过施加DC电压将其分为氧气、质子和电子。质子通过聚合物电解质膜，并与阴极处的电子结合以便形成氢气；因此，如图1内的示意图所示，在阳极产生氧气，在阴极产生氢气。重要的是将在对应电极表面处产生的氢气和氧气保持为是分离的且不混合。电解过程实际上与在PEM燃料电池中的过程相反。PEM电解器电池可以与PEM燃料电池的结构非常相似，其中在多孔电极对和流动场板之间夹有聚合物膜。图2A示出了电解器单位电池(unit cell)的简化图，图2B示出了燃料电池单位电池的简化图。PEM电解器使用的材料通常是不同的，这是由于出于腐蚀性原因，无法将通常在燃料电池中用作催化剂载体、气体扩散层和流动场板的碳材料用在PEM电解器的氧气侧。在PEM电解器中，通常使用金属成分(例如，钽、铌、钛、或利用这种金属制成的不锈钢)来代替多孔层和流动场板。催化剂通常是铂或铂合金，设计为在存在液态水的情况下进行操作。

可以串联或并联多个电解器电池(为了得到合理堆电压的所需输出)，以便形成电解器堆。除了一个或多个电解器堆(包括端板(end plate)、总线板(bus plate)和多分支管(manifolds))以及其它系统组件之外，电解器系统通常包括电源、电压调节器、水净化提供设备(包括循环水泵)、针对氢气和可选地氧气的水汽分隔器、热管理系统、控制仪表、以及用于进行存储并随后分配所得气体的设备。

可以将燃料电池系统与电解器系统相结合，使得可以将可再生能源用于对电解器供电以产生可以被存储的氢气和氧气，然后接着用作燃料电池的反应物以产生电力。图3A示出了这种组合的电解器/燃料电池系统。一直不断尝试研制可以被用作燃料电池和电解器二者的单元化堆。这种设备可以被称作“可逆的燃料电池”或“单元化的可再生燃料电池”(URFC)。PEM URFC堆在操作为将氢气用作燃料并将空气或氧气用作氧化剂的燃料电池时传送电力，而当操作为电解电池时产生氢气和氧气。图3B示出了URFC系统。URFC的单独电池和电池组件的设计应解决在每个操作模式期间出现的明显不同的操作条件。例如，氧气/空气电极电势在不同模式下是非常不同的。在发热的燃料电池模式下，由于快速移除所产生的热量和水，通常需要潮湿的气体反应物，而在电解模式中，由于快速移除在阳极处所得的氧气和在阴极处所得的氢气，在一个电极处需要液态水作为反应物。设计支持PEM URFC的设备平衡(The balance of plant)以便处理在燃料电池模式下产生的水、在燃料电池中保持热平衡(当燃料电池产生电力时，通常使用散热板来去除过度热量)、传送清洁的反应物并产生受调节的电力。URFC的设备平衡问题包括：设计热量管理系统(由于在电解模式下的操作是略微吸热的)以及收集所产生的氢气和可选地氧气。