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電解器裝置及其制造方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201380070959.6

申請日:

2013.11.01

公開號:

CN104955986A

公開日:

2015.09.30

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):C25B 11/02申請日:20131101|||公開
IPC分類號: C25B11/02; C25B1/10; C02F1/461 主分類號: C25B11/02
申請人: GTA公司
發明人: 埃利亞斯·戈林鮑姆
地址: 美國田納西州
優先權: 13/747,238 2013.01.22 US
專利代理機構: 中原信達知識產權代理有限責任公司11219 代理人: 沈同全; 車文
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201380070959.6

授權公告號:

104955986B||||||

法律狀態公告日:

2017.05.31|||2016.02.17|||2015.09.30

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

公開了一種將水電解分離成氫氣和氧氣的裝置。該裝置包括:(i)第一半罩;(ii)第二半罩;(iii)定位在第一半罩和第二半罩之間的隔膜電極陣列,該隔膜電極陣列包括:(a)隔膜,該隔膜通過離子而阻止氣體通過,該隔膜包括第一側和相反的第二側;(b)在隔膜的第一側的第一附近區域的第一多個電極;以及(c)在隔膜的相反的第二側的第二附近區域的第二多個電極;(iv)緊固件,該緊固件用于將第一半罩、隔膜電極陣列和第二半罩防漏緊固,從而形成防漏罩;(v)觸頭,該觸頭用于向第一多個電極和第二多個電極供電,以及(vi)構造成從罩移除氫氣和氧氣的通路。

權利要求書

權利要求書
1.  一種用于將水電解分離成氫氣和氧氣的裝置,所述裝置包括:
第一半罩;
第二半罩;
隔膜電極陣列,所述隔膜電極陣列定位在所述第一半罩和所述第二半罩之間,所述隔膜電極陣列包括:
隔膜,所述隔膜使離子通過而阻止氣體通過,所述隔膜包括第一側和相反的第二側;
第一多個電極,所述第一多個電極在所述隔膜的所述第一側的第一附近區域中;
第二多個電極,所述第二多個電極在所述隔膜的所述相反的第二側的第二附近區域中;
緊固件,所述緊固件用于防漏地緊固所述第一半罩、所述隔膜電極陣列和所述第二半罩,從而形成防漏罩;
觸頭,所述觸頭用于電接觸所述第一多個電極和所述第二多個電極;以及
通路,所述通路被構造成從所述罩分開地移除氫氣和氧氣。

2.  根據權利要求1所述的裝置,還包括用于向所述裝置供電的電力源。

3.  根據權利要求1所述的裝置,其中,所述半罩包括離散區段部件。

4.  根據權利要求1所述的裝置,其中,所述通路包括:
頂部空間屏障,通過所述頂部空間屏障所述第一半罩的第一頂部空間與所述第二半罩的第二頂部空間分隔開;
第一流動通路,所述第一流動通路流體連接到所述第一半罩;和
第二流動通路,所述第二流動通路流體連接到所述第二半罩。

5.  根據權利要求4所述的裝置,其中,所述第一流動通路包括第一管,并且所述第二流動通路包括第二管。

6.  根據權利要求5所述的裝置,其中,所述第一管和所述第二管在所述半罩的外部。

7.  根據權利要求5所述的裝置,其中,所述第一管和所述第二管在所述半罩的外部和內部。

8.  根據權利要求5所述的裝置,其中:
所述第一管構造成將水引離所述第一半罩;并且
所述裝置還包括構造成將水引到所述第一半罩的管;
所述第二管構造成將水引離所述第二半罩;并且
所述裝置還包括構造成將水引到所述第二半罩的管;

9.  根據權利要求8所述的裝置,還包括:
第一循環系統,所述第一循環系統連接到將水引到所述第一半罩和將水引離所述第一半罩的所述管,所述第一循環系統包括第一氣體分離器;以及
第二循環系統,所述第二循環系統連接到將水引到所述第二半罩和將水引離所述第二半罩的所述管,所述第二循環系統包括第二氣體分離器。

10.  根據權利要求1所述的裝置,其中,所述通路包括親水表面。

11.  根據權利要求1所述的裝置,還包括熱沉,所述熱沉構造成在水和周圍環境之間換熱。

12.  根據權利要求1所述的裝置,其中,使用沉積技術將所述電 極沉積在所述隔膜上。

13.  根據權利要求1所述的裝置,其中,所述觸頭包括匯流條、薄墊料、金屬片、邊緣連接器或條帶連接器或其任意組合。

14.  根據權利要求1所述的裝置,其中,所述觸頭突出到被加熱的電解器的所述半罩之外,并且所述觸頭構造成通過與周圍溫度熱交換而被冷卻。

15.  根據權利要求1所述的裝置,其中,所述電極被紋理化以將實際表面面積增加到超過表觀表面面積。

16.  根據權利要求1所述的裝置,還包括:
所述第一半罩中的至少一對密封聯軸節以及所述第二半罩中的至少一對密封聯軸節,所述第一半罩中的所述至少一對密封聯軸節以及所述第二半罩中的所述至少一對密封聯軸節被構造成將至少一個電極可滑動地接納并定位在所述第一半罩中以及將至少一個電極可滑動地接納并定位在所述第二半罩中;
可滑動地并密封地定位在所述第一半罩中的至少一個電極,其中,該至少一個電極包括第一端和第二端;
用于將替換電極緊固到所述第一半罩中的所述至少一個電極的第一端或第二端的緊固件,以使得所述第一半罩中的所述至少一個電極能夠以滑動方式從所述第一半罩移除并用所述替換電極替換;
可滑動地并密封地定位在所述第二半罩中的至少一個電極,其中,該至少一個電極包括第一端和第二端;和
用于將替換電極固定到所述第二半罩中的所述至少一個電極的第一端或第二端的緊固件,以使得所述第二半罩中的所述至少一個電極能夠以滑動方式從所述第二半罩移除并用所述替換電極替換。

17.  一種用于制造在電解器裝置中使用的隔膜電極陣列的方法, 所述方法包括:
將使離子通過而阻止氣體通過的隔膜安裝在導線施加機上;
使用所述導線施加機將導線施加在所述隔膜的第一側的第一附近區域中以及所述隔膜的相反的第二側的第二附近區域中;
將第一半罩、所述導線、所述隔膜以及第二半罩緊固在一起,從而形成防漏罩;以及
修剪所述導線;
從而制造在電解器裝置中使用的隔膜電極陣列和所述電解器裝置。

18.  根據權利要求17所述的方法,其中,導線施加方法是漸進式軸向旋轉繞線法。

19.  根據權利要求17所述的方法,其中,導線施加方法是漸進式軌旋轉繞線法。

20.  根據權利要求17所述的方法,其中,導線施加方法是蛇形繞線法。

21.  根據權利要求17所述的方法,其中,導線施加方法是漸進式軸向旋轉閂鎖繞線法。

22.  根據權利要求17所述的方法,其中,導線施加方法是多股式導線定位施加法。

23.  根據權利要求17所述的方法,還包括間隔件,所述間隔件被構造成在導線電極和所述隔膜之間產生空間。

24.  根據權利要求17所述的方法,其中,安裝、施加、緊固或修剪的動作通過機械自動化、機器視覺、機器人視覺、機器人或數字控 制運動裝置或其任意組合來實施。

25.  一種用于將水電解分離成氫氣和氧氣的方法,所述方法包括:
將使離子通過而阻止氣體通過的隔膜安裝在導線施加機上;
使用所述導線施加機將導線施加在所述隔膜的第一側的第一附近區域中以及所述隔膜的相反的第二側的第二附近區域中;
將第一半罩、所述導線、所述隔膜以及第二半罩緊固在一起,從而形成防漏罩;
修剪所述導線,從而第一多個導線電極形成在所述隔膜的所述第一側的所述第一附近區域中,并且第二多個導線電極形成在所述隔膜的所述相反的第二側的所述第二附近區域中;
將水添加到所述防漏罩;以及
將電力輸送到所述第一多個導線電極和所述第二多個導線電極;從而水被電解分離成氫氣和氧氣。

說明書

說明書電解器裝置及其制造方法
技術領域
本發明涉及電解,并且更具體地涉及用于將水電解分離成氫氣和氧氣的電解器裝置。
背景技術
氫氣是用于諸如石油提煉、化肥制造、玻璃制造等等的各種制造工藝中的商業化學制品。氫氣也可用于儲存諸如風電能和太陽電能的間隙性可再生能源。電解的氫和氧能夠使用核能產生的電來生產并在管道中被輸送到遠離核反應堆的地方。
一種制氫的工業化制造過程是從烴蒸汽重整。然而,蒸汽重整可使用不可再生能源。一氧化碳和二氧化碳是基于化石燃料的制氫方法的副產物。對尋找諸如電解水的大規模制氫的無污染方法有相當大的興趣。
太陽能光伏發電和風力發電是可再生能源的技術活動領域。這些技術可能患有間歇性問題:太陽能和風能不是持續可用的。水的電解可通過儲存氫氣并且當太陽能和風能不可用時將其用作燃料電池的備用品來解決這個問題。然而,傳統電解器可以是需要大量勞動力來建造,其使用材料上需要大量金屬的復雜結構以及/或可能不足以使它們本身適用于大規模能源應用的模塊化工業放大。全世界政府過去20年已經花了超過50億美元努力解決引進先進制造技術以擴大大規模能源應用的電解器供應鏈的問題。然而,這個長期存在且重要問題的解決方案,廉價電解器的實際大規模制造的先進制造技術的使用可能還未實現。解決問題的障礙在能源部能源效率&可再生能源辦公室的《2011NREL/DOE氫和燃料電池制造研發專題討論報告,2011年8月11-12 日》(《2011NREL/DOE Hydrogen and Fuel Cell Manufacturing R&D Workshop report,August 11-12,2011》)中提出,其全部內容以引用的方式并入本文。工作室的總體目的是確定和優先考慮:(1)氫氣和燃料電池系統及部件的制造障礙,以及(2)政府可能支持以解決障礙的高優先級需求和研發活動。工作室報告的關鍵結果是關于解決障礙的補充研究的計劃。工作室參與者對電極策略的一致決議是如何將油墨直接施加到薄膜。由于上述原因,有保持對解決長期存在的將先進制造技術集成到制造工藝的廉價電解器的大規模制造問題的需求。2012燃料電池技術和先進制造聯合辦公室在線研討會的報告材料全部以引用方式并入本文。2011年報告和2012年在線研討會材料作為PDF文件可從能源部能源效率&可再生能源辦公室在http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/wkshp_h2_fc_manufa cturing.html得到。
水的電解是制氫的途徑。此外,氣態氧可作為副產物制造,該副產物可以是有用和有價值的工業和醫療產品。通過諸如風、水力發電、太陽能和核能的可再生能源產生的電可用于氫氣和氧氣的電解制造而沒有伴隨化石燃料制氫產生的一氧化碳和二氧化碳。涉及電解技術的專利參考包括,例如,美國專利8,277,620、8,273,495、8,075,750、8,075,749、8,066,784、7,964,068、7,959,773、7,951,274、7,922,879、7,906,006、7,901,549、7,892,6947、704,353、7,323,090、7,132,190、6,797,136、6,582,571、6,282,774、5,728,485、5,660,698、5,606,488、5,599,430、5,171,644、5,130,006、5,080,963、4,773,982、4,636,291、4,615,783、4,541,91、4,474,612、4,432,859、4,367,134、4,311,577、4,250,002、4,206,030、4061,557、4,014,776、3,976,550、3,855,104、3,554,893、RE34,233,以及美國申請公開號2012/0193242、2012/0149789、2011/0243294、2010/028034、2010/0032221、2009/0026089、2008/0067078、2004/0182695、2003/0057088、2002/0157958、2002/0037422。
水的電解可包括通過施加到隔著相反極性的電極的水的電壓的作用而將水分解成氧氣和氫氣。氫氣可在負電極(陰極)處產生,而氧氣可在正電極(陽極)處產生,如通過下列反應所示:
陰極(還原):4H+(aq)+4e-→2H2(g)
陽極(氧化):2H2O(1)→O2(g)+4H+(aq)+4e-
在某些電解電池中,通過離子而阻止氣體通過的隔膜可將陰極和陽極室分隔。隔膜可允許隔室之間的離子電導性,而保持在其相應的隔室中形成的氫氣和氧氣隔開。陽極反應在所施加的外部電壓的影響下可將電子從水分子中移除。電子的移除可從水放出氧氣和質子H+。質子可移動穿過隔膜并與移除的電子結合形成氫氣。結合的總陰極和電極反應可以是:2H2O→2H2+O2。
附圖說明
附圖是說明性實施例。它們不示出所有實施例。此外或相反地,可使用其它實施例。可能是明顯或不必要的細節可被省略以節省空間或更有效率地說明。某些實施例可在具有另外部件或步驟和/或不具有所示出的所有部件或步驟的情況下實踐。當相同附圖標記出現在不同附圖中時,其指代相同或相似的部件或步驟。
圖1A和1B分別示出了包括連續區段半罩的電解器裝置的實施例的分解圖和組裝圖。
圖2A和2B分別示出了包括離散部件區段半罩的電解器裝置的實施例的分解圖和組裝圖。
圖3A和3B是包括在隔膜的第一和相反的第二側的附近的多個電極的電解裝置的實施例的中間區段的前透視圖和后透視圖。
圖4示出了用于電解器裝置的實施例的防漏緊固的軟管夾的使用。
圖5A示出了軟管夾,并且圖5B示出了用于電解器裝置的實施例的半罩的中間區段以及用于防漏緊固的密封墊片。
圖6A示出了帶夾,并且圖6B示出了西德福夾,兩者都用于電解 器裝置的實施例的防漏緊固。
圖7A和7B示出了將隔膜密封在不可滲透框架中的定向能(directed energy)的使用。
圖8A和8B示出了用于電解器裝置的實施例的防漏緊固的定向能的使用。
圖9A和9B示出了將電力施加到在隔膜的相反兩側的附近的多個陽極和陰極電極的電力源的陽極側和陰極側透視圖。
圖10示出了電解器裝置的實施例的組裝透視圖,其中,半罩包括部分半球狀離散端部區段部件。
圖11A和11B分別示出了電解器裝置的包括過渡件端部區段實施例的半罩的剖視透視圖和立面圖。
圖12A和12B分別示出了電解器裝置的實施例的剖視透視圖和立面圖,其中,氣體移除流管在裝置的外部和內部。
圖13示出了圖12的實施例的組裝立面圖,示出電解器裝置用根據需要添加的替換水來制造氫氣和氧氣流。
圖14示出了圖13的實施例如何能夠用作大規模制造、儲存和使用系統的一部分的流程圖、系統級概覽。
圖15示出了包括熱沉的電解器裝置的實施例的詳細透視圖。
圖16A、16B和16C分別示出了電接觸第一多個電極并包括熱沉的匯流條的透視圖、俯視圖和前視立面圖。
圖17A和17B分別示出了具有與在隔膜的相反兩側上的多個電極接觸的結合凸片的接觸條的分解和組裝中間區段透視圖。
圖18A、18B、18C和18D分別示出了包括伸出的電接觸區域的高溫電解器裝置的中間區段透視圖、俯視圖、前視立面圖和右視立面圖。
圖19A和19B分別示出了與循環水泵一起使用的電解器裝置的實施例的半罩的剖視透視圖和立面圖。
圖20示出了使用圖19的裝置的系統的實例。
圖21A示出了包括可滑動電極的電解器裝置的中間區段分解圖。圖21B示出了包括可滑動電極的電解器裝置的中間區段組裝圖,其中 替換電極鄰近待通過滑動來替換的電極。圖21C示出了用于將電解器裝置中的電極緊固到替換電極以用于裝置中的電極的可滑動替換的緊固件的詳細正透視圖和后透視圖。
圖22A是導線在其使用漸進式軸向旋轉繞線法施加到隔膜時的透視圖。圖22B和22C分別示出了導線使用漸進式軸向旋轉繞線法施加到隔膜的俯視圖和前視立面圖。
圖23A和23B分別示出了第一半罩、第二半罩以及導線已經施加到其上的定位在半罩之間的隔膜的中間區段透視圖和立面分解圖。圖23C和23D分別示出了第一半罩、第二半罩以及導線已經施加到其上的被夾在半罩之間的隔膜的中間區段透視圖和立面組裝圖。圖23E和23F示出了圖23C和23D的視圖,其中導線被從隔膜的邊緣修剪。
圖24A、24B、24C和24D分別示出了使用蛇形繞線法將導線施加到隔膜的透視圖、俯視圖、前視立面圖和右視立面圖。
圖25示出了具有額外的間隔件的圖24所示的蛇形繞線。
圖26A和26B分別示出了已經使用獨立導線股放置的方法施加的導線的透視圖和俯視圖。
具體實施方式
現描述說明性實施例。此外或相反地,可使用其它實施例。可能明顯或不必要的細節可被省略以節省空間或更有效率地介紹。某些實施例可實踐成具有另外部件或步驟和/或沒有被描述的所有部件或步驟。所公開的實施例不受動作或程序的順序限制。某些動作可以以不同的順序和/或與例如諸如旋轉和直線運動的動作的其它動作或事件同時發生。不是所有說明的動作或事件都要求實施本發明所述的程序和/或方法。
如本文所用的:
“部件”是指較大結構的零件或元件。
“隔膜”是指通過離子而阻止氣體通過的屏障。在某些實施例中, 隔膜是網狀的。在其它實施例中,隔膜是能滲透的,其中隔膜基本上不具有在隔膜的第一側和隔膜的第二側之間形成視線通路的孔、毛孔或通道。在其它實施例中,隔膜不具有將薄膜夾在中間的共線的孔、毛孔或通道。擁有隔膜的必要性質的網狀和/或能滲透材料的實例是聚乙烯、聚丙烯、聚酰亞胺、聚酰胺亞胺、聚偏二氟乙烯以及聚四氟乙烯。在某些實施例中,隔膜可包括質子交換膜和或聚合物電解質膜。
“隔膜電極陣列”是指包括電極陣列的隔膜。
“電極陣列”是指一組相關的電極。
“罩”是指將第一空間與第二空間密封開的結構。
“緊固件”是指關于流體的防漏緊固件。
“流體”是指液體、氣體或液體和氣體。
“半罩”是指罩的部件。
“離子”是指水離子。
“視線”是指沿直線行進的光。
“網狀的”是指像網或網絡一樣構造或布置的水通路。
“過渡件”是指過渡到不同形狀的元件。
“水”是指純水、不純水、電解質以及所有水溶液。
“區段”是指具有特定的特性、目的或用途的半罩或罩的區域。
需要至少兩個半罩來形成罩。半罩包括至少三個區段:(1)第一端部區段;(2)中間區段;以及(3)第二端部區段。半罩可由不連續的物體制成,諸如通過將離散的區部件緊固來制成。半罩可相反地制成單個連續物體。半罩可構造成不同形狀和大小。例如,中間區段可以是具有包括半圓形、半橢圓形和、或半矩形形狀的橫截面的大致圓柱形。中間區段也可以是具有可變截面的非圓柱形。端部區段可例如是平坦的、部分錐形的、部分類球形的或部分橢圓形的。端部區段可包括專門適配部諸如底部支撐或流動通路。
將水電解分離成氫氣和氧氣的裝置的一個實施例可包括(i)第一半罩;(ii)第二半罩;(iii)位于第一半罩和第二半罩之間的隔膜電極陣列,該隔膜電極陣列包括:(a)通過離子而阻止氣體通過的隔膜,該隔膜包括第一側和相反的第二側;(b)在隔膜的第一側的第一附近區域的第一多個電極;以及(c)在隔膜的相反的第二側的第二附近區域的第二多個電極;(iv)緊固件,該緊固件用于將第一半罩、隔膜電極陣列和第二半罩防漏緊固,從而形成防漏罩;(v)電觸頭,用于向第一和第二多個電極供電,以及;(vi)構造成將氫氣和氧氣分開地從罩移除的通路。在某些實施例中,半罩是單個連續物體。在其它實施例中,半罩包括離散的區部件。
隔膜材料的實例還包括下列網狀和/或能滲透材料:例如有機合成物、無機合成物、塑料、石棉、石棉纖維、玻璃纖維、PTFE、紙、氈、纖維、聚合物、聚丙烯、石棉片、合成纖維片、PVC、石棉網、共聚物、陶瓷、包覆石棉、苯乙烯、Al2O3、SiO2、ZrO2以及玻璃纖維。
向電解器裝置供電的電力源的實例包括光伏電池、風力發電機、可再生能源發電機、核能發電機以及化石燃料驅動的發電機。
在電解器裝置的某些實施例中,氣體移除通路包括頂部空間屏障,從而第一半罩的第一頂部空間與第二半罩的第二頂部空間分隔;流體連接到第一半罩的第一流動通路;以及流體連接到第二半罩的第二流動通路。
在某些實施例中,第一流動通路包括連接到第一中間區段的第一上端部區段和第一管;而第二流動通路包括連接到第二中間區段的第二上端部區段和第二管。上端部區段形狀的實例包括平板、部分圓錐形、部分球形、部分橢圓形以及部分矩形形狀。
第一管和第二管可在半罩的外部。可替代地,第一管和第二管可在半罩的外部和內部。某些實施例包括折流板(baffle)和親水表面以通過水汽表面凝結使蒸發水分損失最小化。某些實施例包括熱沉技術,以通過與周圍溫度的熱交換而使蒸發水分損失最小化。
在隔膜電極陣列的某些實施例中,電極包括導線。導線材料例如是金屬、合金、半導體、超導體、復合物、碳、碳纖維或導電聚合物。導線的表面可被紋理化以將實際表面面積增加到超過表觀表面積并通過添加催化劑來改性。在某些實施例中,導線基本上平行于隔膜的第一側和隔膜的相反的第二側。在其它實施例中,電極通過例如諸如光刻、化學鍍、著墨(inking)、氣相沉積或導電油漆的沉積技術來沉積。
公開了制造隔膜電極陣列的多種方法,諸如導線施加機和/或繞線機技術的使用。例如,制造在電解器裝置中使用的隔膜電極陣列的方法包括:(i)將通過離子而阻止氣體通過的隔膜安裝在繞線機上;(ii)使用導線施加機將導線施加在隔膜的第一側的第一附近區域以及在隔膜的相反的第二側的第二附近區域;(iii)將第一半罩、導線、隔膜以及第二半罩緊固,從而形成防漏罩,以及;(iv)修剪導線;從而制成在電解器裝置中使用的隔膜電極陣列和電解器裝置。導線施加方法的具體實例包括(i)漸進式軸向旋轉繞線法;(ii)漸進式軌旋轉繞線法; (iii)蛇形繞線法;(iv)漸進式軸向旋轉閂鎖繞線法;以及(v)多股式導線定位施加法。
電解器裝置包括(i)第一半罩;(ii)第二半罩;(iii)夾在第一半罩和第二半罩之間的隔膜電極陣列,其中,隔膜電極陣列使用繞線和/或導線施加的方法來制成;(iv)構造成將氫氣和氧氣分開地從罩移除的通路;以及(v)用于向裝置供電的電觸頭。
高溫電解裝置包括與電解器的高溫隔開的電觸頭。電觸頭的溫度低于電解器的操作溫度。溫差通過增加電觸頭的區域和高溫電解器的發熱區域之間的距離以及通過觸頭和周圍溫度之間的熱交換來實現。
公開了一種教育學生的可再生能源制造的科學技術的裝置和方法。該方法依賴于將水轉化成氫氣和氧氣的所公開的電解器的具體實施例。該裝置和方法解決了將科學和工程實踐集成到K-12自然科學課程中,如弗吉尼亞州阿靈頓(Arlington)2012全國自然科學教師協會的K-12自然科學教育機構的77頁的全國自然科學教師協會讀者指南所述,并全部以引用的方式并入。所公開的裝置是電能轉化成化學能的實用教學工具。裝置與教授可再生能源制造、儲存、分配和使用的科學和工程原理的泵、分離器、壓縮機和儲存單元相互作用。
所公開的隔膜電極陣列的實施例能夠被用于制造燃料電池的薄膜電極組件。
所公開的電解器還可用于除了制造氫氣和氧氣的水電解外的工業工藝。一種這樣的工藝是氯堿工藝。
構成電解器裝置的半罩可以是類似的或基本上相同的。它們構造成具有互補形式,使得它們將隔膜電極陣列夾在中間以形成防漏罩,并允許用于氣體和/或液體移除的流體連接以及在電極觸頭處的電極的 供電。緊固件可被松開或切割以允許接近隔膜電極陣列來進行維護、維修和/或更換而產生最少廢料并獲得材料重新使用的機會。半罩通過例如機加工、鑄造、模制、旋壓、層壓、鍛造、軋制、擠壓、拉拔、彎曲、旋壓、沖壓、沖切、鋸削、攻螺紋、拉削、鉆孔、車削、鉆孔、銑削、研磨、切削、電火花加工來制造。其能夠包括例如生物材料、碳、陶瓷、復合材料、玻璃、納米材料、耐火材料、半導體、薄膜、功能級材料以及諸如聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯以及聚碳酸酯的碳聚合物。
半罩能夠制成單個連續物體或由離散部件區段制成。半罩包括用于氣體移除的通路。半罩可功能用作制造隔膜電極陣列的夾具,該夾具便于制造所公開的電解器裝置的實施例的制造技術的使用。制造技術包括例如機器人技術、機器人視覺、機器視覺以及數字控制運動和導線定位機。
圖1A和1B分別示出了包括連續區段半罩的電解器裝置的實施例的分解圖和組裝圖。第一半罩101和第二半罩103將隔膜電極陣列105夾在中間。隔膜電極陣列105包括在隔膜109的第一側的第一附近區域的第一多個電極107。圖1中不可見的第二多個電極在隔膜109的相反的第二側的第二附近區域。分界線111將隔膜109與頂部空間屏障113隔開。頂部空間屏障113是不透離子、氣體和水的。水填充標記115指示罩中的水位。填充標記115的位置大約在分界線111與半罩101和103的頂部之間的中間。圖1B示出電解器裝置117的組裝透視圖。第一多個電極觸頭119在隔膜109的第一側的第一附近區域。圖1B中不可見的第二多個電極觸頭在隔膜109的相反的第二側的第二附近區域。氧氣移除通路和氫氣移除通路允許當添加有水并且電力被施加到第一和第二多個電極觸頭時從電解器裝置117分開地移除氧氣和氫氣。
圖2A和2B分別示出了包括離散部件區半罩的電解器裝置的實施 例的分解圖和組裝圖。中間區段201是第一中間區段;中間區段203是第二中間區段。端部區段匹配凸緣205和底板207被緊固到中間區段。包括氣體移除通路的防漏蓋板209與匹配凸緣205配合。圖2的隔膜電極陣列、分界線和水填充標記基本上與圖1的相同。
圖3A和3B是包括在隔膜的第一側和相反的第二側的附近區域中的多個電極的電解裝置的實施例的中間區段區域的前透視圖和后透視圖。中間區段301是第一中間區段。中間區段303是第二中間區段。隔膜305包括第一側307和相反的第二側309。第一多個電極311在隔膜305的第一側307的第一附近區域。第二多個電極313在隔膜305的相反的第二側309的第二附近區域。
圖4示出了使用軟管夾401將第一半罩、隔膜電極陣列和第二半罩緊固。圖4的緊固的實施例示出了隔膜電極陣列在部位403處被適當切口以容納軟管夾。用于電解器的實施例的防漏緊固的緊固件包括夾具,例如諸如軟管夾、西德福夾(Stauff clamp)以及帶夾。緊固件還包括導線扎帶、電纜扎帶、扎帶、環氧樹脂、粘性密封墊片、水族槽粘合劑、接合劑、洗衣機粘合劑、焊接、加熱、銅焊、壓接、纏繞、膠合、包裹、鉸接、錫焊、夾緊、閂鎖件、錨定、銷、銷釘、搭扣、壓條、扣環、夾子、定向能、螺釘、凸緣、螺栓、螺母和/或其中的一個或多個的選擇組合。在某些實施例中,上述緊固件中的一個或多個被排除。
圖5A示出了軟管夾,并且圖5B示出了半罩的中間區段以及用于電解器裝置的實施例的防漏緊固的密封墊片。周帶501繞電解裝置的周圍纏繞并且通過蝸輪組件503的旋轉運動來擰緊。圖5B示出了第一中間區段505和第二中間區段507。第一對襯墊條509與第一中間區段505相鄰。第二對襯墊條511與第二中間區段507相鄰。該多條襯墊條509和511通過填塞典型邊緣513以及隔膜電極陣列而提供額外的防漏緊固和密封能力。為了清楚起見,隔膜電極陣列在圖5B中未示出。包 括粘合劑、密封劑、膠合劑和環氧樹脂的添加物的襯墊與任何緊固夾結合使用。襯墊材料的實例包括橡膠、氟橡膠(Viton)、氯丁橡膠、柔性石墨、碳纖維、海帕倫(hypalon)、聚氨酯、硅樹脂、PTFE、含氟彈性體、玻璃纖維以及尼龍。
圖6A示出了帶夾,并且圖6B示出了西德福夾,該西德福夾用于電解器裝置的高溫和/或高壓實施例的防漏緊固。圖6A是帶夾601。螺栓603和螺母605用于將帶夾601繃緊。圖6B是具有擰緊螺栓609的西德福夾607。這兩種夾具都捆綁大致圓形截面的電解器裝置的周邊,并且利用旋轉運動來緊固第一半罩、隔膜電極陣列以及第二半罩,以對電解裝置進行防漏緊固。
圖7A和7B示出了用于將隔膜701密封在不可滲透框架703中的定向能的使用。圖7A示出了鄰接不可滲透框架703的隔膜701的分解圖。框架703是不透離子、氣體和水的。框架703的不可滲透特性是繞部件接觸的裝置的邊緣的防漏密封的一部分。在切口的頂部處的邊緣705將隔膜701與頂部空間屏障707分離。水填充液位709指示電解器裝置中的水位。液位709大約在邊緣705和框架703的頂邊緣之間的中途。圖7B是組裝圖。使用緊固件711將隔膜701緊固在框架703中。緊固件711例如包括定向能、加熱、焊接、錫焊、熔融和膠合。
圖8A和8B示出了用于電解器裝置的實施例的防漏緊固的定向能的使用。圖8A示出了所公開的電解器裝置實施例的分解透視圖。第一多個電極801在圖7的鑲框隔膜的第一側的第一附近區域。圖8中不可見的第二多個電極在鑲框隔膜的相反的第二側的第二附近區域。圖8B示出了被夾在第一半罩805和第二半罩807之間的隔膜電極陣列803的組裝透視圖。第一半罩805、隔膜電極陣列803以及第二半罩807的防漏緊固通過施加在部件在其處接觸的邊緣811處的緊固件809來實現。緊固件例如包括定向能、加熱、焊接、錫焊、熔融和膠合。
圖9A和9B分別示出了施加電力到在隔膜的相反兩側的附近區域中的多個陽極電極和陰極多個電極的電力源的陽極側和陰極側透視圖。圖9A示出了陽極電極透視圖,而圖9B示出了隔膜電極陣列的陰極電極透視圖。多個陽極電極901位于隔膜905的第一側903的第一附近區域。多個陰極電極907位于隔膜905的相反的第二側909的第二附近區域。至少一個電力源的陽極輸出共同地接觸多個陽極電極901。至少一個電力源的陰極輸出共同地接觸多個陰極電極907。
在某些實施例中,半罩的端部區段是大致平坦的。大致平坦的底部可有利于構造為直立結構的電解器。在其它實施例中,半罩的端部區段可以是部分或基本上類球形或橢圓體的。這些端部區段的形狀可有利于高壓和高溫電解器。例如,圖10示出了電解器裝置的實施例的組裝圖,其中,半罩包括部分類球形的離散第一端部區段部件1001和部分類球形的離散第二端部區段部件1003。中間區段1005是基本上圓柱形的。第一多個電觸頭1007伸出通過將半罩和隔膜電極陣列緊固而形成的罩。在圖10中不可見的隔膜的相反側上的第二多個電觸頭伸出通過將半罩和隔膜電極陣列緊固而形成的罩。在圖10中,端部區段部件1001包括用于氫氣和氧氣從隔膜電極陣列的陰極側和陽極側移除的管。
圖11A和11B分別示出了包括電解器裝置的過渡件端部區段實施例的半罩的剖切透視圖和立面圖。圖11A包括示出包括錐形頂端部區段1101和圓柱形中間區段1103的電解器實施例的剖切透視圖。為了清楚起見,隔膜電極陣列和底端部區段在圖11中未示出。頂部空間屏障1105始于邊緣1107上方,該邊緣1107還標記隔膜電極陣列的上邊緣的位置。標記1109指示電解器中的水填充水平。標記1109在邊緣1107和邊緣111之間,邊緣111標記到端部區段1101的錐形的過渡部。箭頭1113指向中間區段1103的內部,容納水的空間。上端部區段1101捕獲水中升起并進入標記1109上方的頂部空間的氣泡。上端部區段1101將頂部空間中的氣體匯集到流管1115,所述流管1115流體連接 到頂部空間,用于氣體移除以及后續使用或儲存。為了穩定性和熱接觸,管1115能夠指向下并從外部緊固到中間區段1103。標記1109上方的頂部空間能夠配有折流板并涂有親水表面,以使由水蒸氣吸附引起的蒸發水分損失最小化。親水材料的實例包括丙烯酸樹脂、胺官能聚合物、醚、苯乙烯、乙烯酸和乙烯醇。水在電解過程期間被消耗。根據需要將置換水添加到電解器。
圖12A和12B分別示出了電解器裝置的實施例的剖視透視圖和立面圖,其中排氣流管在裝置的外部和內部。圖12A包括在裝置的外部和內部的排氣流管1201的透視圖。當從頂端部區段1203露出時,管1201扭轉大約180度,在圖12B中指示的位置1205處穿透端部區段1203,重新進入內部,向下下降穿過頂部空間和水并通過在位置1209處穿透中間區段1207而在電解器的底部附近露出。所有的穿透是防漏的。圖12的實施例可提供多個優勢。首先,管1201在從端部區段1203露出時外露于周圍溫度可允許承載在管1201內的氣體在重新進入裝置之前被冷卻。冷卻后的氣體可用來通過熱交換來冷卻用于電解的水并降低蒸發水分損失。第二,如圖13進一步指示,管1201的內部垂直部分(plumbing)可提供用于構造大規模氫氣和氧氣制造系統的獨立的模塊化復制單元,其中很多單元被復制并且其流動通路匯合成更大的氣體制造流。由于中間區段的防護,流動通路的管的內部容納可使管破裂的可能性最小。第三,也如圖13所指示,該實施例可擁有安全特征,這是因為在電解器裝置的陰極室和陽極室產生分開的氫氣和氧氣流,該氫氣流和氧氣流能夠被引導成沿相反的方向流動并隨著氣體流的地下放置而流動,從而使產生和處理大量可燃氣體的潛在危險最小化。圖13還示出了水添加到電解器裝置以置換電解消耗的和蒸發損失的水的行為。
圖14示出了圖13的實施例如何可用作包括氣體壓縮、儲存、分配和使用的大規模生產系統的部分的流程圖、系統級概覽。因為太陽光間歇可用,所以光伏電能是間歇性能源。風力發電電能不總是可用 的。圖14的系統說明太陽能和風能如何可被捕獲并儲存以備后續使用。核能產生的電能也能夠用于氫氣和氧氣的電解生產。核反應堆可位于相對偏遠地區,并且所生產的氫氣能夠用管道輸送到使用中心。
圖15示出了包括用于與周圍環境熱交換的熱沉的電解器裝置的實施例的詳細透視圖。導熱片1501被應用到半罩的中間區段。用于熱交換的熱沉技術也能夠應用到管1503和端部區段1505。能夠通過選擇薄壁導熱材料來制造半罩而進一步增強熱沉技術的利用。
電解器裝置的某些實施例將匯流條連接器與熱沉技術結合以用于冷卻和抑制水分蒸發。圖16A、16B和16C分別示出了電接觸第一多個電極并包括熱沉的匯流條的透視圖、俯視圖和前立面圖。在隔膜1603的第一側的第一附近區域的第一多個電極1601電接觸并熱接觸匯流條1605。匯流條1605還包括通過與周圍流體熱交換而被冷卻的一個或多個熱沉鰭片1607。具有熱沉鰭片的類似的第二匯流條與在隔膜1603的相反的第二側上的第二附近區域的第二多個電極電接觸并熱接觸。為了清楚起見,具有第二熱沉鰭片的第二匯流條在圖16中未示出。“匯流條”是接觸在隔膜的其相應側上的多個電極并且還連接到向電解器裝置供電的電力源的導電體的條。
在某些實施例中,隔膜和電極不伸出半罩。在這些實施例中,與相應的多個電極電接觸是通過被夾在緊貼隔膜電極陣列的半罩的邊緣之間的金屬條進行的。隔膜的暴露面和邊緣被密封以防止流體從電解器漏出。密封件包括軟管夾、導線扎帶、電纜扎帶、扎帶、環氧樹脂、粘性密封墊片、水族槽密封劑、洗衣機密封劑、焊接、加熱、定向能和/或其中的一個或多個的選擇組合。圖17A和17B分別示出了具有與在隔膜的相反側上的多個電極形成電接觸的結合凸片的接觸條的分解和組裝中間區段透視圖。第一電接觸條1701與在隔膜1707的第一側1705的第一附近區域的第一多個電極1703形成電接觸。第二電接觸條1709與在隔膜1707的相反的第二側的第二附近區域的圖17中不可見 的第二多個電極形成電接觸。如圖17B所示,電接觸條1701和1709通過第一半罩1711和第二半罩1714緊貼到在其相應側上的第一多個電極和第二多個電極。第一電接觸凸片1715電連接到第一電接觸條1701。第二電接觸凸片1717電連接到第二電接觸條1709。電接觸凸片伸出第一和第二半罩,從而與電力源接觸。
對于高溫電解器的設計和構造,隔膜和電極伸出組裝好的半罩的程度增加。圖18A、18B、18C和18D分別示出了包括伸出的電觸頭區域的高溫電解器裝置的中間區段透視圖、俯視圖、正視圖和右視圖。在電觸頭邊緣1803處的用于電觸頭的增加伸出1801足夠大,使得電觸頭邊緣1803的溫度由于與周圍環境溫度熱交換而比電解器的發熱區域1805和發熱區域1807的溫度低。對于高溫蒸汽電解,電觸頭邊緣1803可位于發熱區域1805和1807下方,這是由于熱對流而進一步有利于電觸頭邊緣1803的更低溫度的位置。隔膜的所有暴露邊緣和表面被密封以防止泄漏。
圖19A和19B分別示出了與循環水泵一起使用的電解器裝置的實施例的半罩的透視圖和立面剖視圖。排水管1901浸沒在水位標記1903下方。回水管1905在水位標記1903下方穿透半罩1907。為了清楚起見,隔膜電極陣列和底部區段在圖19中未示出。
圖20示出了使用圖19的裝置的系統的實例。在圖20中,組裝好的圖19的電解器實施例是更大的系統的部件。在圖20中,含氫氣的水經由移除管2001從電解器移除并經由路徑2003送到氫氣分離/移除單元2005,用于從水分離氫氣。除去氫氣的水經由回水路徑2007以及回水管2009返回到電解器。類似地,在分離的循環流動系統中,含氧氣的水經由移除管2011從電解器移除并經由路徑2013送到氧氣分離/移除單元2015,用于從水分離氧氣。除去氧氣的水經由回水路徑2017和回水管2019返回到電解器。循環泵可沿任一方向運行。位置2021標記被夾在第一半罩2023和第二半罩2025之間的隔膜電極陣列的位 置。
可存在對具有簡化的電極更換和維修的電解器的需求。公開了這樣的電解器裝置的實施例,其中,用過的電極的移除通過將電極滑進和滑出電解器而不用將裝置拆卸來實現。電解器電極通過例如壓緊O形環或壓緊管配件而保持在位。通過稍微松開配件并將替換電極緊固到電解器電極,替換通過滑動電極以移除用過的裝置電極并用新的或翻新的替換電極來替換用過的裝置電極而實現。圖21A示出了包括可滑動電極的電解器裝置的中間區段分解圖。圖21B示出了包括可滑動電極的電解器裝置的中間區段組裝圖,其中替換電極鄰近待通過滑動而替換的電極。圖21C示出了用于將電解器裝置中的電極緊固到替換電極,以用于裝置中的電極的可滑動替換的緊固件的詳細前透視圖和后透視圖。該電解器裝置包括:(i)第一半罩2101;(ii)第二半罩2103;(iii)定位在第一半罩2101和第二半罩2103之間的隔膜2105;(iv)緊固件,該緊固件在圖21中未示出,用于將第一半罩2101、隔膜2105以及第二半罩2103防漏緊固;(v)第一半罩2101中的至少一對密封聯軸節2107以及第二半罩2103中的至少一對密封聯軸節2109,其被構造成將至少一個電極可滑動地接納并定位在第一半罩2101中以及將至少一個電極可滑動地接納并定位在第二半罩2109中,密封聯軸節對2107的后部元件以及密封聯軸節對2109的后部元件在圖21中不可見;(vi)可滑動并密封地定位在第一半罩2101中的至少一個電極2111,其中該至少一個電極包括第一端2113和第二端2115;(vii)用于定位在第一半罩2101中的所述至少一個電極2111的至少一個替換電極2117(圖21B);(viii)緊固件2119(圖21C),該緊固件2119用于將所述至少一個替換電極2117(圖21B)緊固到第一半罩2101中的所述至少一個電極2111的第一端2113(圖21A)或第二端2115,從而第一半罩2101中的所述至少一個電極2111能夠從第一半罩2101滑動地移除并用所述至少一個替換電極2117(圖21B)來替換;(ix)可滑動并密封地定位在第二半罩203中的至少一個電極2121(圖21A),其中該至少一個電極2121包括第一端2123和第二端2125; (x)用于定位在第一半罩2103中的所述至少一個電極2121的至少一個替換電極2127(圖21B);以及(xi)緊固件2129,該緊固件2129用于將所述至少一個替換電極2127緊固到第二半罩2103中的所述至少一個電極2121的第一端或第二端,從而第二半罩中的所述至少一個電極2121能夠從第二半罩2103滑動地移除并用所述至少一個替換電極2127來替換。
為了將水電解分成氫氣和氧氣,水被添加到電解器裝置并且向電極供電。與電極的電接觸以及電力源能夠以多種方式實現。例如,單一電壓或電流源能夠施加到單一陽極/陰極對。電力源能夠是包括至少一個輸出對的電力源。此外,邊緣連接器包括多個接觸點,該多個接觸點與伸出半罩的多個陽極/陰極電極的電極對分別地匹配。邊緣連接器的實例可在Digi-Key公司(Thief River Falls,MN 56701)目錄中發現,其內容再次全部以引用的方式并入。
公開了一種制造在電解器裝置中使用的隔膜電極陣列的方法。該方法包括:(i)將隔膜安裝在導線施加機上,該隔膜通過離子而阻止氣體通過;(ii)使用導線施加機在隔膜的第一側的第一附近區域以及在隔膜的相反的第二側的第二附近區域施加導線;(iii)將第一半罩、導線、隔膜以及第二半罩緊固,從而形成防漏罩,以及;(iv)修剪導線;由此制成在電解器裝置中使用的隔膜電極陣列和電解器裝置。
圖22A是導線在其使用漸進式軸向旋轉繞線法被施加到隔膜時的透視圖。圖22B和22C分別示出了使用漸進式軸向旋轉繞線法將導線施加到隔膜的俯視圖和前立面圖。圖22A、22B和22C示出了繞由旋轉箭頭對2203限定的軸線旋轉的隔膜2201。箭頭2205指示隔膜的線性運動。導線2207沿由箭頭2209所指示的方向被饋送到隔膜2201。旋轉和線性運動同步以接納導線2207。隨著隔膜2201旋轉并沿箭頭2205的方向線性移動,導線施加在隔膜2201的第一側的第一附近區域以及在隔膜2201的相反的第二側的第二附近區域。
隔膜的制備包括隔膜材料的選擇、將隔膜材料切成適當大小以及將導線錨固到隔膜。制備好的隔膜被安裝在導線施加機上。導線施加機未示出。可使用的繞線機包括在一下文獻中描述的繞線機,William Querfurth的《Coil Winding:A Description of Coil Winding Procedures,Winding Machines and Associated Equipment》(G.Stevens Mfg.Co.Pub.1954,128頁)以及Carl Hering的《Practical Directions for Winding Magnets for Dynamos》(BiblioBazaar,2008年重新印刷,76頁)。這兩本書的內容全部以引用的方式并入本文。隔膜包括通過離子而阻止氣體通過的材料。
可存在圖22A、22B和22C以及其它圖的教導的變型。例如,導線饋送和隔膜之間的相對線性運動可通過例如在隔膜旋轉以接納導線時導線饋送(wire feed)的線性豎直運動來實現。在圖22的方法的這種變型中,隔膜旋轉,但不線性移動。是導線源隨著導線被饋送到隔膜而線性移動。將導線施加在隔膜的第一和相反的第二側的附近的另一實例是漸進式軌旋轉繞線法。
除了是導線饋送繞隔膜軌道旋轉同時相對于隔膜線性移動外,漸進式軌旋轉繞線法類似于漸進式軸向旋轉繞線法。其它導線施加技術包括蛇形繞線法、漸進式軸向旋轉閂鎖繞線法以及獨立導線股放置法。繞線的某些實施例使用繞隔膜的同軸套筒來在繞線過程期間增強和支承隔膜。在某些實施例中,旋轉和線性運動通過諸如機器人技術、機器人視覺、機器視覺以及/或數字控制運動裝置、系統或定位器的自動化制造技術實施。
導線施加到隔膜后,第一半罩、導線、隔膜以及第二半罩被緊固在一起,并且隔膜的邊緣上的導線被修剪,如圖23所示。圖23A和23B分別示出了第一半殼體、第二半殼體以及導線已經施加到其上的定位在半殼體之間的隔膜的中間區段透視圖和立面分解圖。圖23C和23D 分別示出了第一半殼體、第二半殼體以及導線已經施加到其上的被夾在半殼體之間的隔膜的中間區段透視圖和立面組裝圖。圖23E和23F示出了圖23C和23D的視圖,其中導線被從隔膜的邊緣修剪,從而第一多個導線電極緊固在隔膜的第一側的第一附近區域,而第二多個導線電極緊固在隔膜的相反的第二側的第二附近區域。
漸進式軸向旋轉閂鎖繞線法是漸進式軸向旋轉繞線法的變型。由于隔膜通常由諸如例如聚合物的相對柔軟的材料制成,圖22的繞線方法的變型包括通過在繞線過程期間使用導線作為切割工具在隔膜上開槽口而將導線閂到隔膜。槽口用作導線的局部閂鎖或固定點,該槽口當集成并用于改變合成旋轉和線性運動時可用于在隔膜的第一側和相反的第二側的附近建立交替的導線圖案。
圖24A、24B、24C和24D分別示出了使用蛇形繞線法將導線施加到隔膜的透視圖、俯視圖、前立面圖和右立面圖。圖24示出了隔膜2401、在隔膜2401的相對兩側上的第一組引導柱2403和第二組引導柱2405。引導柱2403和2405是導線2407繞其纏繞以在隔膜2401的兩側上形成蛇形圖案的結構。為了清楚起見,圖24僅示出了在隔膜2401的一側上的蛇形圖案。在隔膜的兩側上的蛇形圖案完成之后,隔膜2401和導線被夾在第一半罩和第二半罩之間并用防漏緊固件來緊固,從而形成防漏罩。為了清楚起見,半罩和緊固件在圖24中未示出。在切割在兩側上的導線并使防漏罩與引導柱2403和2405分開后,在罩中,第一多個電極給緊固在隔膜2401的第一側的第一附近區域而第二多個電極被緊固在隔膜2401的相反的第二側的第二附近區域。
圖25示出了圖24所示的蛇形繞線法,其帶有另外的間隔件,從而導線位于包括導線與隔膜的第一側和相反的第二側之間的空間的附近。間隔件2501是平行于隔膜的第一和相反的第二側的條帶。間隔件可與任何導線施加方法結合使用。
蛇形繞線法的另一實施例是省略導線切割動作并將導線纏繞在添加到引導柱的可旋轉套圈上。可旋轉套圈減小摩擦,使得導線可被拉動穿過電解裝置,而不用拆卸電解器裝置來根據需要提供新電極,從而簡化維護并減少電解器裝置停工期。
圖26A和26B分別示出了已經使用獨立導線股放置法施加的導線的透視圖和俯視圖。獨立導線股放置法是將多條導線施加到隔膜的相反側的另一方法。圖26示出了使用獨立導線股放置法將導線施加在隔膜2601的第一側的第一附近區域以及在隔膜2601的相反的第二側的第二附近區域的透視圖和俯視圖。第一多條獨立導線股2603放置在隔膜2601的第一側的第一附近。第二多條獨立導線股2605放置在隔膜2601的相反的第二側的第二附近區域。在放置所述第一多條獨立導線股2603和所述第二多條獨立導線股2605之后,導線和隔膜被夾在第一和第二半罩之間并用防漏緊固件緊固到第一和第二半罩,并經受導線修剪,從而在形成的罩中,第一多個導線電極被緊固在隔膜的第一側的第一附近區域,并且第二多個導線電極被緊固在隔膜的相反的第二側的第二附近區域。
圖26的獨立導線股放置方法的變型是使第一多條獨立導線股2603和第二多條獨立導線股2605中的導線不修剪并將導線安裝在饋送繞線筒和拉緊繞線筒上。該實施例向導線電極提供移動性,從而導線可拉到拉緊繞線筒并進入電解器以根據需要提供新電極而不用拆卸電解器裝置。該實施例簡化了操作、維護并減少了裝置停工期。
在某些實施例中,電極處于離隔膜預定距離處。該預定距離是精確地、大約、小于或大到例如0.0、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1、0.5、1.0、5、10、50、100、500毫米或在由上述數值中的任意兩個界定的范圍內的距離。物理接觸隔膜的電極能夠通過諸如噴濺、化學氣相、物理氣相、蒸發、電解、著墨、化學鍍以及原子層沉積技術中的一種或多種已知沉積技術來施加。Donald M. Mattox(2010年5月19日)的《The Handbook of Physical Vapor Deposition Processing,Second Edition》公開了可使用的方法并且其內容全部以引用的方式并入。
預定大小的電極用于所公開隔膜電極陣列的某些實施例。單個電極的最長尺寸受組裝好的裝置的橫截面大小支配。例如,如果圖1B組裝好的結構的橫截面是近似圓,每個電極的長度將大約是圓的直徑大小加上伸出(如果有的話)。每個電極的預定長度是精確地、大約、小于或長達例如0.1、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、500、1000厘米或在由上述數值的任意兩個界定的范圍內的長度。電極不含有絕緣涂層。
單個電極的橫截面是這樣的幾何形狀,其平面垂直于電極的長度方向。例如,如果電極的橫截面是圓,則橫截面的最長線性尺寸是該圓的直徑。對于隔膜電極陣列的某些實施例,使用電極橫截面的最長線性尺寸的預定大小。電極橫截面的最長線性尺寸的預定大小是精確地、大約、小于或大到例如0.01、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4、5、10、100、1000毫米或在由上述數值中的任意兩個界定的范圍內的尺寸。術語“大小”在用于描述電極的尺寸時包括電極的長度尺寸和/或橫截面的最長線性尺寸。
對于在隔膜的第一側的第一附近區域的第一多個電極的電極的某些實施例,使用預定內部多個間距。對于在隔膜的相反的第二側的第二附近區域的第二多個電極的電極的某些實施例,使用預定內部多個間距。內部多個相鄰電極之間的預定間距是精確地、大約、小于或大到例如0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、100毫米或在由上述數值中的任意兩個界定的范圍內的尺寸。
對于每個電極裝置的某些實施例,使用預定數量的電極。電極的 預定數量是精確地、大約、大于或不小于例如4、6、8、10、30、50、100、150、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、2000、3000、4000、5000、6000、7000、8000、9000、10000、50,000、100,000或在由上述數值中的任意兩個界定的范圍內的數量。
對于某些實施例,使用每陽極電極和每陰極電極的預定平均電流值。每個陰極電極的平均電流是指在多個陰極和多個陽極之間流動的總電流除以陰極的數量。相似定義適用于每陽極電極平均電流。每陽極電極和/或每陰極電極的預定平均電流值是精確地、大約、小于或大到例如0.001、0.01、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、50、100、500、1000、5000毫安培或在由上述數值中的任意兩個界定的范圍內的電流。在某些實施例中,包括上述預定數值中的沒有一個、一些、全部。
(i)每電極的預定大小,(ii)相鄰電極之間的預定內部多數間距,(iii)每個電解器裝置的預定電極數量,(iv)每陽極電極和/或每陰極電極的預定平均電流值以及(V)電極離隔膜的預定距離的上述實例中的具體數值的選擇取決于所公開的裝置和方法的使用者的功利目的。例如如果使用者目的是使電極腐蝕、系統維護、建造成本、裝置高度最小化,使電轉化效率和運行壽命最大化并建造在相對較便宜土地上的氫氣和氧氣制造的電解系統,則在上述預定數值中的選擇有利于較低電流密度、靠近隔膜的電極以及具有較短高度的電解器。在另一方面,如果制造系統建造在相對昂貴土地上,如在市區中,其中每單位土地面積的最高產量是因素,則較高電流密度、較高電解器、電極和隔膜之間的增加間距以及每電解器較多電極是有利的。
所公開的實施例可提供相對于現有電解器的優勢。一個優勢可以是減緩電極的腐蝕速度。該優勢可基于電極中的電子流動的固有通路以及電子材料中的電子流動和腐蝕機理。例如參見E.E.Stansbury和R.A.Buchanan(ASM International,Materials Park,Ohio)的《E.E. Stansbury and R.A.Buchanan》、B.Glowacki,M.Vickers和E.Maher(Azo Materials,Sydney,Australia)的論文“Grain Boundaries and Electronic Material”以及J.Kruger(Case Western Reserve University,Cleveland,Ohio)在《Electrochemistry Encyclopedia》中的論文“Electrochemistry of Corrosion”,其內容全部以引用的方式并入。電子材料中的粒子邊界的存在可阻礙并使引起局部發熱的電流的流動轉向。其它導電通路可變得更高度重要,這是由于它們必須輸送更大電流。這能夠引起“熱失控”效應和腐蝕。該問題與大金屬板高電流電極有關。多個電極可通過限制導線中的電流流動例如基本上向導線的方向從而限制阻礙、轉向和局部發熱的選項來降低問題的嚴重性。所公開的實施例的實際效用是,對于給定電流和質量的電極材料,與相同質量的單電極對相比,相同量的氫氣和氧氣可在較低電流密度下通過多對電極制造,從而減緩電極的腐蝕速度,減小過電位并且提高電能轉化成氫氣能的效率。
所公開的實施例可借助電解裝置的使用解決背景部分所述的關于氫氣和氧氣制造的實際大規模實施的問題。具體地說,實施例可簡化結構設計、實施現代自動化技術以及使制造所需的金屬量最少。此外,所公開的實施例的模塊化性質可更容易使它們本身適用于大規模集成系統工業放大。
已經描述的部件、步驟、特征、目的、益處和優點僅是說明性的。它們或涉及它們的討論都不旨在以任何的方式限制保護范圍。很多其它實施例也被考慮到了。這些包括具有更少、另外和/或不同的部件、步驟、特征、目的、益處和優勢的實施例。這些也包括其中部件和/或步驟不同地布置和/或安排的實施例。
除非另作說明,在本說明書中闡述、包含在以下權利要求書中的所有量度、數值、速度、位置、幅度、大小和其它規格是近似的,而不是精確的。它們旨在具有與它們涉及的功能并與它們適合的技術慣 例一致的合理范圍。
在本公開中已經引用的所有論文、專利、專利申請以及其它出版物以引用的方式并入本文。
短語“用于…的裝置”當用于權利要求中時旨在并應解釋成包含已經描述的相應結構和材料及其等同物。類似地,短語“的步驟”當用于權利要求中時旨在并應解釋成包含已經描述的相應動作及其等同物。權利要求沒有這些短語意思是權利要求不旨在且不應解釋成局限于這些結構、材料或動作或其等同物。
保護范圍僅由現在遵循的權利要求書限制。該范圍意指并應解釋成當根據本說明書以及遵循的訴訟歷史解釋時,除了具體意思已經闡述的地方外,像與用于權利要求書中的語言的普遍意思一致的一樣寬,并包含所有結構的和功能的等同物。
諸如“第一”和“第二”等等的相關術語可僅用于將一個實體或動作與另一個區別開,而不一定規定或表明它們之間的任何實際關系或順序。術語“包括”、“包含”及其任何其它變型當在說明書或權利要求書中連同一系列元件使用時,旨在表明該清單不是排它性的,并且可包括其它元件。類似地,前面加“一”或“一個”的元件,如果沒有進一步限制的話,不排除存在另外的相同類型的元件。
所有權利要求都不旨在包含不滿足專利法的章節101、102或103的要求的主題,它們應不以這樣的方式解釋。這種主題的非故意覆蓋由此不被要求權利。除了如僅在本段規定的外,沒有已經規定或說明的任何事物意指或應被解釋成引起任何部件、步驟、特征、目的、益處、優點的貢獻或相當于公開,不管它是否在權利要求書中敘述。
提供摘要來幫助讀者快速確定技術發明的性質。應當理解,其將 不用于解釋或限制權利要求書的范圍或意思。此外,上述具體實施方式中的各種特征在各種實施例中組合在一起以使本發明簡單化。這種公開方法不應被解釋為要求所聲稱的實施例要求比每個權利要求中明確敘述的特征更多的特征。而是,如以下權利要求所反映的那樣,發明主題在于比單個上述所公開的實施例的所有特征更少的特征。因此,以下權利要求由此包含在具體實施方式之中,而各權利要求本身可作為單獨聲稱的主題。

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