质子交换膜水电解槽电池模块设计

摘要

一种PEM水电解槽模块，其包括多个结构板，每个结构板具有在相对末端面之间延伸的侧壁，所述结构板具有半电池室开口、至少一个脱氧室开口，以及至少一个氢气收集歧管开口，各开口在相对末端面之间延伸贯穿所述结构板。所述结构板在相对的末端板之间面对面并置。

说明书

技术领域

本发明涉及用于生产氢气和氧气的聚合物电解质膜(PEM)水电解槽的设计，确 切地说，涉及一种PEM水电解槽模块及其组件。

背景技术

电解槽使用电通过电化学反应，即在与电解质接触的电极处发生的反应，将反应 化学物质转换成所需的产物化学物质。氢气是一种在化学工艺中，还可能在由氢燃料 电池引擎或氢内燃机供应动力的氢交通工具(或混合氢交通工具，部分也由电池供应 动力)中，使用需求逐渐增加的产物化学物质。可产生氢气的电解槽包括：水电解槽， 其通过水和电产生氢气和氧气；氨水电解槽，其通过氨水和电产生氢气和氮气；以及 氯碱电解槽，其通过盐水和电产生氢气、氯气和苛性碱溶液。

水电解槽是用于将气态氢作为主要的电解产物生产出来的最常见类型的电解槽。 至少在小范围内，聚合物电解质膜(PEM)水电解槽的商业用途越来越普遍。PEM 水电解槽通常用聚合物电解质膜，以及沉积在任一侧上的经过适当催化的电极来形成 膜电极组合件(MEA)。电极之间通过电流时，在阴极(负电极)处产生氢气，且在 阳极(正电极)处产生氧气。对实际大小给定的电解槽而言，在没有寄生反应的情况 下，产生氢气与氧气的速率与电流成比例。最常见类型的聚合物电解质膜是质子交换 膜，质子交换膜的反应如反应式(1)到(3)所示：

阴极：        2H⁺+2e^-→H₂                (1)

阳极：        H₂O→¹/₂O₂+2H⁺+2e^-         (2)

电池：        H₂O→H₂+¹/₂O₂              (3)

电解质包括水合质子交换膜，所述水合质子交换膜通过质子在一定电压梯度下在 离子交换基之间移动而具有离子(质子)导电性。固体膜也用来保持氢气与氧气分离 并具有高纯度。

PEM电解槽在商业应用中的规模通常限制在约10Nm³/h或更少，即使具有多个 电池堆也是如此。通常情况下，PEM水电解槽电池堆的有效电池面积以及每个电池 堆的电池数目是有限的。对设计并证明按比例增加的PEM水电解槽电池堆而做出的 尝试极为有限。

斯塔基(Stucki)等人(应用电化学杂志(J.Appl.Electrochem)，28(1998) 1041-1049)报告了对具有120个电池、有效电池面积为400cm²的相对较长的电池堆 进行的测试；报告了重要的耐久性和寿命问题。PEM水电解槽的耐久性和寿命仍是 一个待解决的难题，即使电池堆较小也是如此，尤其是涉及到质子交换膜的耐久性和 寿命时。该难题倾向于随着电池堆的大小/容量而缩放，而且会因为趋于使用较薄的 膜来提高电池极化性能而加重。假定的膜失效模式包括：(i)使“热点”局部化，这 是因为局部电流密度较高和/或冷却不足；(ii)在膜上施加机械应力，这是因为在膜 两端具有压力差的情况下工作，从而导致膜蠕变，尤其是处于80℃到90℃的典型高 运行温度时更是如此；以及(iii)通过过氧化物反应中间体对膜的全氟化碳主链进行 化学侵蚀。解决(iii)的方法包括出现“化学性质稳定的”全氟磺酸膜以及开发具有 化学稳定性得到改善的主链结构，例如类聚砜结构，的膜，例如US 20080275146所 述。解决(i)和(ii)的常见方法是通过“支撑部件”或“压缩部件”设计，例如 US 6,500,319、US 6,855,450、US 7,217,472和US 20090114531所述。电池设计的新 方法通常可进一步解决(i)和(ii)，尤其可解决对在膜两端具有显著压力差情况下 进行操作的需要，以及对所有电池，尤其是较大电池堆中的电池，进行充分并均匀冷 却的需要。

要求不仅按比例增加到较大数目个电池，而且要扩大到更大的有效电池面积，以 满足当前以及潜在的大型工业应用对氢气的需求。近滕(Kondoh)等人(电化学系 统新材料杂志(J.New Mat.Electrochem.Systems)3(2000)61-65)报告了对具有2,500 cm²的较大有效电池面积但只有10个电池的PEM水电解槽电池堆进行的有限测试； 按比例增加到300个电池的目标的可行性仍然未知。清楚的是，适合于有效电池面积 较大而且本身可相对于每个电池堆的电池数目进行缩放的设计具有优越性。

本文中所用的术语“半电池”、“半电解电池”及其等效的变化指代一种结构，包 括一个电极及其为气体或气体-液体(水)流出半电池提供空间的对应半电池室。术 语“阴极半电池”指代含有阴极的半电池，且术语“阳极半电池”指代含有阳极的半电池。

本文中所用的术语“电池”、“电解电池”及其等效变化指代一种包括阴极半电池 和阳极半电池的结构。电池还包括通常位于阴极与阳极之间并与其成整体的膜。因此， 这个膜构成了每个半电池的一侧。每个半电池的另一侧由电子传导定模板构成，所述 电子传导固体板通常包括金属、碳、碳聚合物复合材料或其组合，而且通常被称为双 极板。双极板的功能是保持邻近电池的邻近半电池室中的流体分离，同时在邻近电池 之间以电子方式传导电流。每个半电池室还含有一般称为集电器或载流子的电子传导 组件，以在电极与双极板之间传导电流通过半电池室。

实际PEM水电解槽利用一种包括多个电池的结构，一般称为“电池堆”，其中的 电池通常以串联方式进行电连接。电池堆通常由多个电池组成，其中双极板物理上分 离但电连接邻近电池。构建电池堆的一种方法是使用结构板或“框架”来形成电池堆 主体，例如，如US 6,500,319所述。本文中所用的术语“结构板”指代具有至少一个 半电池室开口的主体。通常使用许多结构板来构建电池堆，以针对流体(气体，或气 体-液体混合物，以及液体)流交替地形成阴极半电池室和阳极半电池室。结构板也 固持功能组件，所述功能组件可包括，例如，MEA、电极衬里层(与MEA分离或作 为MEA的一部分)、集电器以及双极板，这些组件具有相应的适当空间位置和布局。 所述许多结构板和功能组件通常构成压滤机型结构，包括末端压力板。在一种构建电 池堆的替代方法中，结构板、集电器和双极板功能可结合在双极板中，在这种情况下， 双极板进一步包括针对流体流压制、加工或模制的凹槽或通路。

阴极半电池室可“干”操作或“湿”操作：在前一种情况下，阴极半电池室在操 作期间实质上只含有氢气(充满水蒸气，以及任何冷凝水)；在后一种情况下，所述 室在操作期间含有气体-液体混合物(氢气-水)。阳极半电池室通常“湿”操作(以 便向阳极供应给水)，而且在操作期间含有气体-液体混合物(氧-水)。气体或气体- 液体混合物通常在半电池室的出口处被收集到歧管中。气体-液体混合物必须要在脱 气容器中处理，以将相应的气体与所夹带的电解质分离。本文中所用的术语“电解槽 模块”或“电解槽”指代由电解槽电池堆及其相关脱气容器或室组成的结构。

如今，多数实际PEM水电解槽模块利用“干”阴极半电池室和“湿”阳极半电 池室。此外，通常情况下，阳极侧压接近大气压，而阴极侧压要高得多，例如至少 100psig。由于水仅在低压下循环，从而能够使用塑料的气体-液体分离容器、循环泵 以及互连管道，因此这种类型的系统和操作方法简单、成本低且最小化暴露于金属部 分的循环水。这又会最小化水受到金属离子的污染(会“毒害”质子交换膜，从而降 低其电导率)，以及水净化系统要求。然而，此操作方法也导致膜两端产生显著的压 力差、膜上产生应力以及由于蠕变效应而产生的潜在耐久性和寿命问题。膜两端的最 大压力差通常限于300psi(取决于膜的厚度、强化物和电池配置)；因此，在针对“独 立”电池堆的实践中，典型的氢气侧压力已限于显著小于300psi；就是说，在没有 外部压力支撑结构或容器的情况下，电池堆积起来。此外，较薄膜的耐久性较差已成 为实际上实现PEM水电解槽潜在的极好电池性能的障碍。

如果需要较高的氢气压力，那么典型的方法是将电池堆置于压力容器内部。压力 容器通常装满水，且常用作氧气-液体分离容器，从而可在无需机械泵的情况下进行 自然的流体循环，而且易于均衡电池堆外部和阳极半电池室中的压力，同时维持阴极 侧操作方法的灵活性。氢气(阴极)侧可干操作或湿操作，且可处于与氧气(阳极) 侧相同的压力或与氧气侧不同的压力下操作。当然，需要压力容器是个缺点，尤其是 在涉及气体生产能力较高的PEM水电解槽的情况下。

对电池堆的冷却可经由沿着电池堆的长度分散排列的冷却板(具有用于冷却剂循 环的内部通路的板)来完成；然而，这种方法导致复杂性增加，且冷却可能不均匀， 从而增加了热点扩大的可能性。

对电池堆的冷却还可通过冷却循环水来完成，例如，通过热交换器或通过气体- 液体分离容器中的冷却元件。预期使用“湿”阴极半电池室进行的冷却是最有效的。 在使用“干”阴极半电池室的情况下，也依赖阳极侧冷却来除去阴极侧热量中的大部 分，而阳极侧冷却仍提供对每个MEA的进一步直接冷却。

为了解决已知的实际电解槽模块的缺点，需要的是一种简单、低成本的设计，它 能够最小化相关机械连接和组合件，同时解决已知的PEM水电解槽设计中所缺的以 下方面：(i)大得多的规模；(ii)固有的可缩放性(即，在较大范围内自由变化电池 的数目，以满足较大范围的气体生产能力，包括非常高的气体生产能力)；(iii)在 MEA上没有显著压力差的情况下进行简单操作，或者，在较高氢气侧压力下进行简 单操作，而不使用外部压力容器或外部结构支撑件；以及(iv)对电解槽中的每个电 池进行均匀且自动调节的冷却。尤其在经进一步设计以提供较大范围的每电池气体生 产能力时，此设计将在连接到具有可变输出功率的电力源(例如，风力电场或太阳能 电池阵列)时尤其有用。

发明内容

一种PEM水电解槽模块，其包括多个结构板，每个结构板具有在相对末端面之 间延伸的侧壁，所述结构板具有半电池室开口、至少一个脱氧室开口，以及至少一个 氢气收集歧管开口，各开口在相对末端面之间延伸贯穿所述结构板。所述结构板在相 对的末端板之间面对面并置。

每个半电池室开口至少部分容纳电解半电池组件，所述电解半电池组件包括：至 少一个MEA，以及与MEA电连通的双极板。所述结构板和半电池组件具有串联连 接的电解电池阵列，其顶上有至少一个脱氧室和至少一个氢气收集歧管。所述结构板 至少在处于所述面对面并置状态时，具有在阳极半电池室的顶部与所述至少一个脱氧 室中的至少一个室的底部之间延伸的相应气体-液体通路，从而在阳极半电池室与所 述至少一个脱氧室中的所述至少一个室之间形成流体连通。所述结构板至少在面对面 并置时，进一步具有在所述至少一个脱氧室中的至少一个室的底部与所述阳极半电池 室的底部之间延伸的离散的经脱气液体通路，用于供经脱气液体从所述至少一个脱氧 室中的至少一个室返回到所述阳极半电池室。所述结构板至少在面对面并置时，还进 一步具有在阴极半电池室的顶部与所述至少一个气体收集歧管中的至少一个歧管之 间延伸的氢气通路。所述PEM水电解槽模块进一步包括：延伸贯穿一个或多个脱气 室中的至少一个脱气室并与脱气室流体连通的相应氧气排放通路和给水通路，用于将 氧气从所述至少一个脱氧室中排出，并用于将给水引入脱气室中；以及延伸贯穿所述 至少一个氢气收集歧管的氢气通路，用于将氢气从所述至少一个氢气收集歧管中排出。

附图说明

下文参阅附图来描述本发明的优选实施例，其中：

图1是根据本发明的电解槽模块的约一半的组合件视图；

图1a是MEA的侧视截面图；

图2描绘根据本发明的电解槽模块的脱气室部分的进一步细节；

图3描绘根据本发明的结构板的一项实施例的正面；

图4(i)到图4(vi)描绘根据本发明的电解槽模块的潜在电连接配置的各种实 例；以及

图5描绘根据本发明的电解槽系统的示意图。

具体实施方式

根据本发明一方面内容的电解槽模块大体如图1中的1所示。图1描绘的是具有 4个电池的电解槽模块的约一半，仅用作说明；电解槽模块的另一半是所述一半的镜 像(在特征12的任一侧，此处指电解槽模块的中点)。在实践中，一般包括更多数量 的电池。电解槽模块1包括结构板10、末端压力板11、中间压力板12、MEA 13、 电极衬里层13a和13b、载流子14和双极板15。典型的MEA大体如图1a中的13所 示，包括膜16、涂覆在膜的一侧上的阴极17a，以及涂覆在膜的另一侧上的阳极17b。 在某些实施例中，电极衬里层也可并入MEA中。此外，如所属领域已知的那样，可 使用内部强化的膜，或者可对MEA进行外部强化，以提高它们的机械稳定性。在图 1所示的实施例中，存在两种主要类型的结构板10：阴极结构板10a和阳极结构板 10b。例如，额外的特殊结构板10c和10d可分别位于中间压力板12和末端压力板 11附近，以帮助容纳冷却管或冷却盘管组合件。还应了解，包括合适的密封垫圈(未 图示)。电解槽模块1因此包括多个电解电池18和关联的脱氧室19和氢气收集歧管 20。电解电池18优选置于电解槽模块1的底部，且关联的脱氧室19和氢气收集歧管 20优选置于电解槽模块1的顶部，位于电解电池18的上面。电解电池包括由两个邻 近结构板构成的阴极和阳极半电池室18a和18b，以及MEA 13、电极衬里层13a和 13b，以及集电器14。双极板15物理分隔并电连接邻近的电池。

如图1到图3所示，每个阳极半电池室18b经由气体-液体通路21和经脱气液体 通路22，直接连接到脱氧室19。同样地，每个阴极半电池室18a经由氢气通路23直 接连接到氢气收集歧管20。因此，PEM水电解槽模块1的内部流体流动要求即取决 于每个半电池的特征，而不是穿过所有电池或大多数电池的循环特征，例如气体-液 体歧管和经脱气液体歧管，这意味着，随着特征长度的增加，压降也逐渐增加。电解 槽模块1因此是固有可缩放结构，因为不仅电池的数目和脱气室的大小，而且流体循 环能力都自动地随着电解槽模块中的电池数目而缩放。此外，电解槽模块1无需机械 电解质泵来促进阳极半电池室与脱氧室之间的流体循环；流体流由气体浮力和重心高 差驱动，因此是自动调节的，因为流体流自动地随着气体生产速率而变化。(商业PEM 水电解槽模块使用机械电解质泵来促进电解槽模块内，以及电解槽模块与外部脱气 (气体-液体分离)容器之间的流体(液态水和液态水-氧气气体混合物)的循环。)

PEM水电解槽模块组合件的电池部分大体可为所属领域中已知的。每个电池的 边界由双极板15构成，双极板15是由诸如镀铂金属、碳或填充碳的聚合物等一种或 多种合适的导电且抗腐蚀材料制成的定模板，以在邻近的电池之间实现电子导电。在 给定的电池中，双极板15与阴极17a和阳极17b中的每个之间的电连接可通过合适 的电子导电多孔载流子14，以及电子衬里层13a和13b来完成，这可使得电极17a、 17b和双极板15的表面上的电流负载和分布均匀，而且使流体相对无阻碍地流过半 电池室20。集电器的合适材料和配置实例是所属领域中已知的，包括多个金属网、 金属层织物、多孔碳层、金属或碳泡沫，或填充有诸如金属或碳等导电材料的聚合物。 在某些实施例中，双极板15可以凹陷、成波状等，因此不使用单独的载流子14便可 提供阴极17a和阳极17b之间的直接连接；通常形成一系列的流道或“流场”。膜16 通常形成一体化MEA 13，其具有相应邻近的阴极17a和阳极17b。膜16因此基本上 位于电解电池18的中间，且分隔出相应的阴极和阳极半电池18a和18b。膜16可以 是诸如NAFION(TM)等无孔离子交换膜。MEA 13可以如所属领域中已知的那样， 其中电极由贵金属催化剂或贵金属催化的高比表面积碳组成，且所述电极直接沉积在 膜13上。例如，对于羟基离子导电膜，可使用成本较低的贱金属催化剂。电流由(例 如)直流电源经由与末端压力板11和(选择性地)中间压力板12的电连接供应到电 解槽模块1的电池部分。

在PEM水电解槽模块1的操作过程中，氢气在阴极17a放出，且释放到阴极半 电池室18a中，随后经由离散的氢气通路23流向氢气收集歧管20。同样地，在操作 过程中，氧气在阳极17b放出，且释放到阳极半电池室18b中，在其中形成的氧气- 液态水混合物上升并经由离散的气体-液体通路21流向脱氧室19。液态水在脱气室中 与氧气分离，且经脱气液体将经由离散的经脱气液体通路22返回到阳极半电池室 18b。经分离氢气经由连接到氢气收集歧管20的氢气出口25排出；经分离氧气经由 脱氧室中分离的氧气出口26排出。特征25和26通常位于中间压力板12中，或位于 一个或两个末端压力板11中。

图2描绘根据本发明的电解槽模块组合件中的脱氧室的进一步细节。图2中仅显 示了脱氧室19的一部分(对应于几个结构板10)，仅用作说明。应了解，预期可使 用一个以上脱氧室。脱气室体积由多个结构板10中的一系列邻近的脱气室开口构成。 可能需要的用于冷却进入的气体-液体混合物的冷却盘管或冷却管30位于脱气室19 的下部区段中。电解槽模块1包括相应的氧气排放通路和给水通路，所述通路穿过脱 气室19并与其流体连通，用以从脱气室排放气体以及将给水引入到脱气室中。水添 加构件(未图示)会根据需要经由给水通路向脱气室19添加水。因此，脱气室19 具有多个功能：首先，将进入的氧气-液态水混合物分离成经分离氧气和经分离液态 水；其次，根据需要对流体进行冷却，例如，以维持合适的电池操作温度；以及另外， 提供一定体积以添加补给水(替代水电解反应中消耗的水)。在电解槽模块1的操作 过程中，气体-液体混合物经由气体-液体通路21从相应的阳极半电池室进入脱氧室 19。尽管在图中每个阳极半电池只有一个气体-液体通路，但应了解，每个半电池可 具有多个气体-液体通路。进入的气体-液体混合物的气体部分在脱气室体积中上升， 且进而与进入的气体-液体混合物的液体部分分离。也可以使用用于促进气体-液体分 离的构件(例如隔板)来促进给定的脱气室体积中的气体-液体分离。经分离且部分 冷却的气体经由至少一个经分离气体排放出口25从PEM水电解槽模块1的脱气室 19除去，其中所述经分离气体排放出口25位于脱气室19顶部附近的一个或多个合 适位置。经分离且冷却的液体经由相应的经脱气液体通路22返回到阳极半电池室， 从而有效且均匀地冷却每个单独的电池。显然，冷却量是自动调整的，因为随着操作 电流的增大或减小，通过阳极半电池室进行循环的水也会增加或减少。尽管图中每个 阳极半电池只有一个经脱气液体通路，但应了解，每个阳极半电池也可具有多个经脱 气液体通路。

在图2所示的实施例中，添加流引导构件35以沿着脱气室的长度引导从气体- 液体通路进入的气体-液体混合物。这种配置的优点包括：(i)避免进入的气体-液体 混合物扰乱脱气室19顶部的气体层，并提高气体-液体分离效率；(ii)提高脱气室 19中的冷却盘管或冷却管的传热系数；以及(iii)避免半电池背面下方出现过量气载。 在获得这些优点的同时，维持跨越脱气室19的宽度的良好流体流动，因为气体-液体 通路21和经脱气液体通路22的连接点位于脱气室19的相对侧上。流体流动的模型 化表明，如果没有任何流引导构件，则沿着脱气室19的长度的流极少。图中所示的 流引导构件35包括位于气体-液体混合物进入脱气室19的输入点上方的“护罩”，其 由至少一个，至多三个“壁”和一个“顶”组成，其中脱气室的开口对应于流体流的 预定方向。“壁”和“顶”可倾斜或以其它方式适当定向，以获得所需的流体流模式。 虽然“护罩”结构相对容易制造且对流体流的阻力相对极少，但应了解，可使用其它 流引导构件，例如从气体-液体通路延伸到脱气室19中的弯曲管路。

对应于图2所示的实施例的电解槽模块固有地具有高度可缩放性，因为可在模块 中较大范围的电池数目上预期相同的一般流体流模式，且脱气室体积和脱气容量随着 电池数目，或确切来说随着电解槽模块中结构板的数目而自动缩放。此外，通过按比 例增加冷却盘管或冷却管长度，以及选择性地改变冷却剂流动速率，模块的冷却容量 也可随着电解槽模块中的电池数目而缩放。缩放并不会影响电解槽模块1中各个电池 的冷却均匀性。

图3描绘根据本发明的电解槽模块的结构板。在图3所示的优选实施例中，每个 结构板10a或10b具有半电池室开口18a或18b、氢气收集歧管开口20，以及脱氧室 开口19；应了解，对于每种开口类型，每个结构板可具有一个以上开口。与阴极半 电池关联的结构板称为阴极结构板10a，且与阳极半电池关联的结构板称为阳极结构 板10b。每个阴极结构板10a也包括一个或多个氢气通路23，其将半电池室开口18a 的顶部直接连接到氢气收集歧管开口20。每个阳极结构板10b也包括一个或多个气 体-液体通路21，其将半电池室开口18b的顶部直接连接到脱气室开口19。每个阳极 结构板10b进一步包括一个或多个经脱气液体通路22，其将半电池室开口18b的底 部直接连接到脱气室开口19。尽管图3中仅显示了一个气体-液体通路21和一个经脱 气液体通路22，但应了解，也可使用每种类型通路中的多个通路。

阳极结构板10b中的脱气室开口19可视为具有上部区段和下部区段。经分离气 体上升进入上部区段，且经脱气液体下降进入下部区段。气体-液体通路21的排放开 口经优选地定位，以避免将气体引入经脱气液体中以及将液体引入气体中。因此，气 体-液体通路21进入脱气室19中除经脱气液体通路22的入口下方以外的其它位置， 即脱气室开口19的上部区段的下部(最好是最下部)区域，从而最大化气体-液体分 离体积。此外，气体-液体通路21的入口和经脱气液体通路22的入口位于脱气室的 相对侧上。

阳极结构板10b进一步包括流体流引导构件35，其位于气体-液体通路21与脱 气室开口19的连接点上。在该实施例中，流体流引导构件35包括位于气体-液体通 路21与脱气室开口19的连接点上方的“护罩”。“护罩”由至少一个，至多三个“壁” 和一个“顶”组成，其中包括对应于流体流的预定方向的开口。虽然“护罩”结构相 对容易制造，且对流体流的阻力相对极少，且不会对周围区域的结构完整性造成负面 影响，但应了解，可使用其它流体流引导构件。

预期气体-液体传送的通路21和经脱气液体通路22可采用不同的结构，包括： (i)表面通道，即在结构板10的表面中形成的通道；(ii)内部通路，即在结构板10 的内部中形成的通路；(iii)在某些区段中变为内部通路的表面通道；以及(iv)在某 些区段中变为表面通道的内部通路。在图3中，所示通路包括表面通路，除了与半电 池室开口18的连接点附近以外，在该处表面通路变为内部通路以便在密封垫圈固持 特征下方通过。该方法有助于可制造性；对于大型零件，由于需要获得高气体生产能 力，因此优选且可能需要使用上述的结构(i)和(iii)(表面通路和/或在某些区段变 为内部通路的表面通路)，以获得可制造性。应了解，原则上，所预期的四种不同通 路结构中的任一种都可用于任一给定通路，且用于通路的不同方法的组合可在任一给 定结构板中使用。还应了解，在表面通路的情况下，通路可在邻近的结构板的一个或 两个相对表面中形成。

气体-液体通路21和经脱气液体通路22的长度和截面面积也是电解槽模块中的 流体流动速率和空隙分率(表示气体滞留的程度)的主要决定因素。当然，不需要限 制流体流量，且在电解槽模块中需要足够的液体循环(例如)来维持低空隙分率和良 好的热传递特性。但是，流道的大小当然受到以下因素的限制：支持结构材料和强度 的需要，尤其是在高压下操作的需要，以及诸如载流子14等零件的有限厚度的合意性。

在当前实施例中，通过使用“狭槽”几何形状而扩大通路截面面积；即，虽然对 应于结构板厚度的通路尺寸受限，但在同一表面的垂直方向上伸长的狭槽几何形状可 用以提供显著的截面面积，其又实现电解槽模块中的良好流体流动和循环。

结构板10优先由合适的电绝缘材料制成，所述材料与水或水汽或气体(例如氧 气、氢气、氮气或氯气)，以及可能接触的其它潜在材料不发生反应。合适材料的实 例包括诸如聚苯醚(PPO)、聚苯硫醚(PPS)和相似物，尤其是聚砜等聚合材料，以 及诸如碳化硅等陶瓷材料。可通过诸如注射模制或铸造等常规模制技术，或者通过诸 如研磨和钻孔等常规加工技术来制造板。通过用模制技术制造，可考虑减少结构板 10中的材料，具体是通过包括额外的开口、取芯，或类似方法(考虑到可模塑性、 重量、成本，以及潜在的应变消除)，以及使用复杂形状的主体、半电池室开口、氢 气收集歧管开口、氢气通路、脱气室开口、气体-液体通路和经脱气液体通路。此外， 倘若可制造的零件在大小上存在潜在限制，那么预期也可通过可经互连或接合而形成 完整结构板的多个部分来形成结构板。

结构板进一步包括第一和第二相对表面，其具有用于定位和固持包括MEA 13和 双极板15在内的功能电池组件的固持特征。这些固持特征实现功能组件在装配好的 电解槽模块中的正确定位和对齐。例如，给定功能组件的每个固持特征可包括“L” 形座，其环绕相应的半电池室开口。每个“L”形座包括座背部和座壁，其优选彼此 正交。每个“L”形座向内面对半电池室开口。功能组件大小经设定以完全“坐落” 在座内，使得电极、膜或双极板的一个平面表面与在其中支撑这些零件的结构板的表 面大体上在同一平面内。

结构板进一步包括第一和第二相对表面，其具有用于定位和固持密封垫圈的固持 特征。密封件可如所属领域中已知，以防止气体、液体或气体-液体混合物(a)从电 解槽模块内部向外部，以及(b)从包含这些物质的室或通路内部泄漏。此类密封件 可包括(但不限于)例如平坦垫圈或(优选地)o形环。在平坦垫圈的情况下，可将 诸如肋等其它特征添加到一个或多个相对表面。对于一些特征，尤其在密封并不重要 的情况下，也可使用不具有密封垫圈的互锁特征或抗压肋。通常情况下，用于定位和 固持密封垫圈的主要固持特征首先是那些环绕所有或至少一部分脱气室开口、氢气收 集歧管开口的特征，环绕半电池室开口的特征，以及环绕所有含流体体积的主要外部 密封件，其中所述含流体体积包括所有脱气室开口、氢气收集歧管开口、半电池室开 口、一个或多个氢气通路、一个或多个气体-液体通路，以及一个或多个经脱气液体 通路。预期也可使用用于定位和固持密封垫圈的多个密封件和固持特征。

当将结构板10排列在一起以形成图1所示实施例中的电解槽模块1时，一个结 构板的第一表面与邻近的结构板的第二表面对齐，以使功能组件和密封垫圈与相应的 固持特征对齐，从而实现MEA 13和双极板15由相应的结构板支撑，且半电池室、 脱气室和电解槽模块的周边被充分密封。

图3所示实施例中的结构板10的大小取决于所需的半电池室开口、脱气室开口 的大小和形状，且在一定程度上取决于所需的气体-液体通路和经脱气液体通路的大 小和路径。半电池室开口是根据针对电解槽模块中给定操作范围的电流密度和电池数 目的所需或适当的有效电极区域来设定大小。脱气室开口和气体-液体通路以及经脱 气液体通路的大小、形状和配置则随后按需要而设定大小，以获得目标液体流动速率、 空隙分率和气体-液体分离效率。

图3和图4所示实施例中的结构板10的总厚度在其相对表面之间测量出，所述 总厚度可基于应用、零件直径、结构材料、操作压力、操作温度、制造方法等而变化， 但必须足以容纳气体-液体通路21和经脱气液体通路22。例如，对于PEM水电解槽， 总厚度可高达(例如)1.5cm，且对于较高容量的PEM水电解槽所使用的直径较大 的结构板，更可取为0.8cm到1.5cm。显然，基于可制造性的考虑(例如，对于通 过注射模制来制造)，直径较大的结构板中任何给定点处的实际零件厚度通常都小于 总零件厚度。

通常情况下，图3所示实施例中的结构板10的主体、半电池室开口18、氢气收 集歧管开口20，以及脱气室开口19优选无尖角的形状，以避免应力集中。具体形状 取决于设计要求，例如容纳不同的通路路径、获得所需的结构强度，以及容纳获得良 好的流体流动和气体-液体分离所需的大小等。例如，脱气室开口19优选具有带圆角 的不规则形状，但也可具有带圆角的直线形状或圆形。

还使用用以通过末端压力板11对模块的任一末端施加密封压力的压缩系统，如 所属领域中所公知。举例来说，使用Belleville垫片堆叠的若干系杆组合件也可用以 维持模块上的密封压力，其中系杆位于电解槽模块的主体外部周围和/或穿过电解槽 模块的主体。末端压力板11包括主体，且可由各种材料制成，包括但不限于具有或 不具有涂层或镀层的金属或合金，例如钛、钢、不锈钢，或纤维增强聚合物，或这些 项的组合。末端压力板11通常用于使用所属领域中已知的合适电连接构件，促进与 电解槽模块1的电连接。末端压力板11的主体的至少一部分，或者，插入末端压力 板11的主体中的适当涂覆或镀覆的零件28是导电的，以促进电流流过末端压力板上 对应于有效电池面积的部分。

优选地，电解槽模块中也包括一个或多个中间压力板12；在一个中间压力板12 的情况下，其优选位于电解槽模块的中点上(即两侧的电池数目相等)。中间压力板 12的主体的至少一部分，或者，插入中间压力板12的主体中的适当涂覆或镀覆的零 件29是导电的，以促进双极板功能。中间压力板12(除末端压力板11之外)也可 用于促进与PEM水电解槽模块1的电连接。这些电连接可以是仅用于接地的载流功 率连接，或非载流连接。根据与PEM水电解槽模块1的电连接的配置，用于(例如) 冷却剂循环、给水添加、产物气体排放出口、惰性气体引入和排水的外部管道可末端 压力板11和中间压力板12中的一个或多个压力板建立连接。可加入或定位额外的中 间压力板12，以便将电解电池的总数分成含有相等数目电池的各个区段，具体取决 于与PEM水电解槽模块1的电连接的配置。

在PEM水电解槽模块极小的情况下，可能可以排除中间压力板12。在这种情况 下，只有结构板10可直接安装在末端压力板11之间，且外部管道的连接将通过末端 压力板11来建立。

无需为中间压力板12提供气体液体分离器室形开口。中间压力板12的一项功能 是提供某一位置，供气体从氢气收集歧管和氧气液体分离器室的两侧上排出。这可通 过实际为安装在中间板12的相对侧之间的“班卓琴式(banio)”接头的通孔来实现。 通孔在相对侧上与氢气收集歧管20和氧气流体分离器室19流体连通，且与流体导管， 例如从中间压力板延伸的氢气出口25和氧气出口26流体连通。

中间压力板12包括主体，所述主体可由各种材料制成，包括但不限于具有或不 具有涂层或镀层的金属或合金，例如钛、钢、不锈钢，或纤维增强聚合物，或这些项 的组合。

有几种可能的方法用于与PEMWE模块1建立电功率连接以经由多个电解电池 来传送电流。这些方法可大体分类如下：(a)正电功率连接到一个末端压力板11， 且负电功率连接到另一末端压力板11；(b)负电功率连接到两个末端压力板11；以 及(c)正电功率连接到两个末端压力板11。在上述所有情况中，也可与一个或多个 中间压力板12建立载流电功率连接。在情况(a)中，使用了偶数个中间压力板12 (如果使用中间压力板，则至少需要两个)；在情况(b)和(c)中，使用了奇数个 中间压力板12(需要至少一个中间压力板)。在所有情况中，中间压力板12优选将 总电池数目分成具有相等数目电池的各个区段，此外，与中间压力板12的交替式负 电功率连接和正电功率连接经过定位，以使负电功率连接和正电功率连接在电解槽模 块1的长度上交替。在情况(a)中，经由与其中一个末端压力板11的正电连接所供 应的电流是经由与中间压力板12的正电连接所供应的电流的一半。

图4(i)到图4(iv)中示意性描绘电功率连接配置的实例：(i)连接到PEM水 电解槽模块1的一个末端压力板11a的负电功率连接，以及连接到另一末端压力板 11b的正电功率连接；(ii)连接到一个末端压力板11a的负电功率连接，以及连接到 另一末端压力板11b的正电功率连接，其中具有在PEM水电解槽模块1的中点连接 到中间压力板12的非载流接地电连接；(iii)连接到末端压力板11a和11b的负电功 率连接，以及在PEM水电解槽模块1的中点连接到中间压力板12的正电功率连接； 以及(iv)连接到末端压力板11a和11b的正电功率连接，以及在PEM水电解槽模 块1的中点连接到中间板12的负电功率连接。

通过在同一电解槽模块中与多个中间压力板12建立电功率连接，可实质上将 PEM水电解槽模块分成两个或多个平行(或独立)的电功率连接组；例如，图4(iii) 到图4(vi)所示的配置。配置(v)和(vi)的潜在优点包括降低杂散电流驱动力和 可使用较多的潜在外部管道连接点。如图4(i)到图4(vi)所示，负电功率连接可 连接到相同的电接地端。可使用一个或多个电源(交流到直流转换器和/或直流到直 流转换器)来经由上述电功率连接配置向PEM水电解槽模块供应直流电力。

通常与负中间压力板12或接地中间压力板12或末端板11建立外部管道连接。 此类外部管道的说明性实例包括：(a)脱氧室和氢气收集歧管分别具有一个或多个气 体出口，其位于一个或多个中间压力板中，或位于一个或两个末端压力板中；(b)脱 氧室可含有一组或多组冷却盘管或冷却管，其经由一个或多个中间压力板，或经由一 个或两个末端压力板，连接到一个或多个外部冷却剂循环回路；(c)脱氧室可含有添 加给水的构件，其连接到一个或多个中间压力板，或一个或两个末端压力板；以及(d) 传感器(针对电平、温度、压力或其它测量)或传感器储存器经由一个或多个中间压 力板，或经由一个或两个末端压力板，连接到脱氧室或氢气收集歧管。

图5描绘根据本发明的电解槽系统的示意图。根据本文中所述的任意一般电连接 配置，PEM水电解槽模块1电连接到电力源(电源)。所供应电力一般是来自电源81 的直流电力，电源81可为(例如)直流-直流转换器，用以从直流母线提供稳压直流 电力，或可为交流-直流转换器，用以从交流母线提供稳压直流电力；主要电力源可 为电力网和/或其它电力源，例如风力涡轮机或风力电场，或太阳能电池阵列或太阳 能电场，选择性地包括用于诸如电力传输、变换和“非稳压”整流等中间过程的一些 或全部设备。PEM水电解槽模块1也连接到给水源82，其中通常(例如)通过反向 渗透和/或离子交换单元进行中间给水净化。选择性地，如果需要的话/可根据需要将 污水流从PEM水电解槽模块1内部的水中排出，以有助于将水的纯度维持在可接受 的水平。PEM水电解槽模块1进一步连接到冷却剂源83，冷却剂源83可包括冷却剂 储存器，所述冷却剂储存器具有冷却器或其它除热构件，以及冷却剂循环和流动速率 控制构件。

氢气出口可连接到用于任何下游应用或存储的处于所需压力下的缓冲体积84a； 类似的缓冲体积84b也可用于氧气出口。此类缓冲体积可用于实现气体在不同流动速 率下从电解槽模块1的连续流动。

选择性地，可使用所属领域中已知的除雾构件85a和85b来分别除去氢气中的雾 气，以及优选地除去氧气中的雾气。除雾构件可位于PEM水电解槽模块1的相应气 体出口与缓冲体积84a和84b之间的任何点上。此外，氧气除雾构件可并入脱气室中。

电解槽系统可进一步包括用于氢气的气体调节(气体净化)构件86a和/或用于 氧气的气体调节(气体净化)构件86b，两者可包括(例如)催化净化器和干燥器。 氢气压缩构件87a和/或氧气压缩构件87b可根据下游压力需要而加入，且可位于气 体调节构件86a和/或86b的上游或下游，具体取决于由PEM水电解槽模块1产生的 气体的压力。如果需要存储过量氢气和/或氧气以供未来使用，则可选择性地包括氢 气输送和/或存储构件88a和/或氧气存储构件88b。用户89a和89b可为同一实体， 且可包括(例如)使用氢气和/或氧气的工业过程、用于氢动力交通工具的氢燃料分 配系统，或发电机。

固有的可缩放PEM水电解槽模块产生氢气和氧气的方法通常是，首先在电解槽 模块中所含的多个电解电池中产生氢气和氧气。氢气经由氢气通路，从每个阴极半电 池室的顶部直接输送到整体包含在电解槽模块结构中的一个或多个氢气收集歧管。氢 气从一个或多个氢气收集歧管的顶部除去。

同时，氧气-电解质混合物经由从每个阳极半电池室直接延伸到一个或多个脱氧 室的相应气体-液体输送通路，从每个阳极半电池室的顶部直接输送到整体包含在电 解槽模块结构中的一个或多个脱氧室的上部区段的底部。氧气-液态水混合物流也从 每个阳极半电池带走热量，并沿着一个或多个脱氧室的长度纵向流动，以便促进向冷 却盘管或冷却管的热传递。在一个或多个脱氧室中，氧气与液态水分离，以产生氧气 和经脱气液态水。所得到的氧气从一个或多个脱氧室的顶部除去，且经脱气液态水经 冷却盘管或冷却管冷却，并经由将一个或多个脱氧室直接连接到每个阳极半电池室的 经脱气液体通路，从一个或多个脱氧室的下部区段的底部直接输送到阳极半电池室的 底部。重新循环的经脱气和经冷却液态水用以冷却PEM水电解槽模块1中的每个电池。

本发明的电解槽模块的预期操作压力介于大气压力与30barg或可能更高压力之 间，具体取决于应用需要和电解槽模块结构的压力维持能力。请注意，PEM水电解 槽模块1的氢气(阴极)侧和氧气(阳极)侧可处于不同的操作压力下。为了维持电 解槽模块固有的可缩放性，不使用额外的压力安全(pressure containment)构件(例 如围绕电解槽模块的压力容器)或负载支承加强支撑件或壳/套管。可考虑加强每一 结构板以维持电解槽模块固有的可缩放性。

本发明在操作PEM水电解槽模块方面的一项优点在于，在操作过程中，氢气侧 压力和氧气侧压力可以不同或者大体相同。通过在大体相同的压力下操作氢气侧和氧 气侧，可实现在操作过程中，MEA两端没有压差，且减少其上的应力，从而提高MEA 的耐久性，并且实现使用较薄的膜(从而提高电池性能并由此减少电力消耗，提高操 作灵活性并降低冷却需要)，即使是在进行大规模加压氢气生产时也是如此。或者， 可在PEM水电解槽模块的氢气侧与氧气侧之间维持高达约300psi的压差，但是由于 氧气侧可在显著升高的压力下操作，例如150psi，因此氢气侧压力的潜在范围得到 扩展，允许氢气侧在高达(例如)450psi的压力下操作。应了解，氢气侧与氧气侧 之间的压差可维持在任何合适的值，但不得高于MEA及其加强硬件所能支承的最大 压力。

电解槽模块优选在预定操作压力下开始操作，尤其是在氧气侧上，以防止因较低 压力下的较大气体体积而产生困难。因此，通过将加压惰性气体引入电解槽模块中， 电解槽模块的内部压力在初始启动之前提高到预定操作压力。术语“初始启动”应理 解为包括在需要对电解槽模块的减压之后的任何启动。合适的惰性气体的实例是氮 气、氩气和氦气。一旦以惰性气体对电解槽模块加压，便可开始电解槽模块的操作； 使产物气体排出，直到气体纯度达到可接受水平为止，这将取决于用户应用。

实例1通过计算流体动力学(CFD)对根据本发明的六电池PEM水电解槽模块 的氧气侧上的流体流进行建模。图3描绘一般结构板配置。电池有效面积为6000cm²。 氢气-液体分离室包括30cmx56.3cmx13.2cm的上部区段。气体-液体通路和经脱气 液体通路的截面面积为3cm²。所研究的最大电流密度为3000mA/cm²。这对应于7.5 Nm³/h的每阴极半电池氢气产生速率。对从100mA/cm²到3000mA/cm²的电流密度 模拟显示：(a)氧气-液体分离效率良好，其中半电池室的夹带氧气可忽略不计；(b) 流体循环速率高；以及(c)阳极半电池室顶部的空隙分率低。在2000mA/cm²和100 mA/cm²下，六个阳极半电池中每个阳极半电池的流体循环速率和空隙分率彼此分别 相差0.5％和3.0％以内，这呈现出固有可缩放性。

实例2接下来，将实例1中PEM水电解槽模块中的电池数目增加到50个电池。 通过CFD对50电池电解槽模块中的流体流进行建模。出于简单性的考虑，此处仅描 述氧气(阳极)侧上的流体流。每个半电池的结果类似于针对六电池电解槽模块中的 半电池获得的那些结果，从而证明设计固有的可缩放性。举例来说，50电池电解槽 模块中的任意经脱气液体通路中的流体流动速率与六电池电解槽模块中的任意经脱 气液体通路中的流体流动速率相差1％以内。此外：(i)对于经脱气液体通路中的流 体流动速率，50电池电解槽模块中所述流体流动速率大于六电池电解槽模块中的所 述流体流动速率，以及(ii)50个阳极半电池中每个阳极半电池的经脱气液体通路中 的流体流动速率彼此相差1％以内。同样地，50个阳极半电池室的顶部的空隙分率几 乎相等，且与六电池电解槽模块中的任意阳极半电池室顶部的空隙分率相差1％以内。

实例3接下来，将实例2中PEM水电解槽模块中的电池数目增加到200个电池。 通过CFD对200电池电解槽模块中的流体流进行建模。出于简单性的考虑，此处仅 描述氧气(阳极)侧上的流体流。每个半电池的结果类似于针对六电池和50电池电 解槽模块中的半电池获得的那些结果，从而证明设计固有的可缩放性。举例来说，200 电池电解槽模块中的经脱气液体通路中的流体流动速率范围与50电池电解槽模块中 的经脱气液体通路中的流体流动速率范围相同。同样地，200个阳极半电池室的顶部 的空隙分率几乎相等，且与50电池电解槽模块中的阳极半电池室顶部的空隙分率几 乎相等。

实例4接下来，针对六电池PEM水电解槽模块研究使用矩形(相对于圆形)电 池面积的影响。一般结构板配置与如图3所示的相同，但电池面积是矩形的而不是圆 形的。电池有效面积是6000cm²(690cmx870cm)。针对2000mA/cm²进行的模拟 显示：(a)氧气-液体分离效率良好，其中半电池室的夹带氧气可忽略不计；(b)流 体循环速率高；以及(c)阳极半电池室顶部的空隙分率低。在阳极半电池室顶部的 流体循环速率和空隙分率沿电解槽模块的长度是均匀的。

预期本发明的PEM水电解槽模块可用于大规模(例如，MW级别)高压应用。

上文描述了本发明的优选实施例以及设备和过程的实例，以说明本发明的原理， 而并非将本发明限于所说明的特定实施例。这意味着本发明的范围由权利要求书及/ 或其等效物内涵盖的所有实施例界定。