用于分流型电解流通装置的电极

摘要

本发明涉及用于在无膜碱性电解液中产生和分离气体的装置、系统和方法，特别是涉及在分流型电解流通装置中使用的电极和电极组件。根据本发明的装置包括：进口室；第一渗透性电极和第二渗透性电极，每个电极具有第一侧和第二侧并限定围绕内部区域的内孔径，第一电极和第二电极的第一侧布置成相互面对以在进口室内限定电极间隙；进入外部区域的第一电解溶液进口和进入内部区域的第二电解溶液进口；与第一电极的第二侧流体流动连通的第一出口和与第二电极的第二侧流体流动连通的第二出口。

说明书

技术领域

本发明涉及在分流型电解流通装置中使用的电极和电极组件，并涉及包括这种电极和电极组件的系统、装置和方法。更具体而言，通过根据所述方法利用所述装置和/或系统，所述电极和电极组件适配于促进有效地分离通过液体碱性电解过程所产生的氢气和氧气。

背景技术

本领域中已知用于通过电解溶液(例如碱性溶液或水)产生和分离气体的各种装置、系统和方法。

它们通常能够分为不同的两类。更常规的第一类利用隔膜(在碱性电解槽的情形下)或薄膜(诸如质子交换膜(PEM)(在酸性电解槽的情形下)和阴离子交换膜(AEM)(在碱性电解槽的情形下))来借助电解使电极上形成的组成气体保持分离。第二类不需要常规的薄膜或隔膜来分离组成气体。

隔膜和薄膜的缺陷和不足已是有据可查。

薄膜通常为固体聚合物结构。由于热解和化学分解，薄膜的不透气性、导电性和使用寿命受到限制。

薄膜本身为碱性或酸性，并在其化学组成中包含溶剂化的氢氧根离子或质子。

薄膜在其允许的电流密度阈值方面受到典型地限制，其中尤其是因气体在高电流密度下跨薄膜扩散，因聚合物结构的电荷转移限制而导致的大欧姆电阻，以及因薄膜常规上布置成与电极直接接触。

电极表面上的电流分布不均(高电流收集点造成热点)会导致薄膜的热降解。H

常规的隔膜包括多孔屏障，载流离子通过该屏障自然扩散。由于高孔隙率，形成爆炸性气体混合物的风险增高，这会限制包含隔膜的电解池作业的电流密度。

隔膜还需能够完全润湿以形成通过该隔膜的离子传导通道。然而，这些通道必须足够小才能抑制气体穿越。因此，跨膜的压差也必须受到限制，以防气体渗透问题。对于薄膜而言也同样如此。

从历史上看，用于碱水电解的隔膜包含石棉。在隔膜中使用疏水性聚合物(诸如聚丙烯(PP)和聚四氟乙烯(PTFE))作为石棉的替代，则难以润湿，因此近来薄膜比隔膜更为可取。为了补充含石棉的隔膜，已引入诸如Nafion和Zirfon的隔膜。

薄膜和隔膜共有的定义特征是它们对液体和小气泡的不渗透性。通道尺寸和隔膜上允许的压差皆会受到限制。

隔膜和薄膜涉及到增加系统和操作成本、复杂度、维护要求以及有限的使用寿命。隔膜和薄膜故障会导致交叉气体污染。

薄膜和隔膜的有限电流密度阈值会限制电极每单位面积的产气率。电极表面上产生的气泡和溶解气体过饱和会导致反应的表面区域阻塞，并限制这些系统的操作性能。

隔膜和薄膜的使用寿命有限还可能归因于它们的脆性和无力承受严苛的条件和温度。在高度操作压力下，已知PEM的化学降解率会增高。另外，需要在隔膜或薄膜的厚度、离子电导率或欧姆电阻与交叉气体污染之间进行权衡。而且，隔膜和薄膜暴露于高压差时也容易破裂。另外，电流密度不能迅速波动，因为这会造成更大的压力失衡，从而可能导致上述破裂。

为了克服上述缺陷，开发省除隔膜和薄膜的电解系统、电解池、装置和方法成为了目标。这就引领着开发第二类电解装置和方法。迄今为止，尚未开发出可商购的无膜系统。含有大电极间隙的实验性无膜技术往往受困于电流密度阈值限制和严重的交叉气体污染，并且通常需要较大的寄生负载才能有效运行。

第一种通过无膜系统产生和分离气体的有效方式是由受雇于本申请人的发明人Anagnostopoulos的发明。该发明参阅公告号为US 9,683,298 B2、授权公告日为2017年6月20日的美国专利(“称为专利'298”)，其全部内容通过引用纳入本文。专利'298教导了一种通过电解产生和分离气体的装置，该装置通过将电解溶液在第一渗透性电极与第二渗透性电极之间分流，从而第一双相流体流和第二双相流体流分别通过第一电极和第二电极进入第一出口和第二出口中。这些第一流和第二流有效地从第一电极和第二电极移取组成气体，从而无需隔膜或薄膜就能分离第一组成气体和第二组成气体。由于电解溶液连续流动，从电极表面移取组成气体，从而消除在电极表面形成的浓度梯度和靠近电极表面的过饱和条件。

因此，在专利'298中，分离组成气体的驱动力是电解溶液流的两条分流正向流动通过相对的渗透性电极。然而，本申请人发现，在最佳流体流率方面，需要限定流体路径长度(其被定义为电解溶液沿着电极表面的最大路径长度)，因此，将电极的直径限定为20mm。就此而言，通过确保适当分离组成气体和可接受的气体纯度所需的流量来确定最佳流体流率，同时防止电极表面上出现“死点”。在低于最佳的流率下，在电极间隙内，各个电极的表面上开始形成组成气体的聚积。这种聚积会减小电极的有效面积，若不移除，则会继续扩大，直至来自两个电极的聚积变得大到气体发生交叉污染。

事实表明，专利'298中所述发明的可扩展性面临挑战，因为流体分布不一致，尤其是流向电极中心的流体分布，这与流体路径长度增长有关，从而导致气体纯度不高以及电极间隙内的气体聚积。

当在单个进口室内以阵列形式布置大量电极对时，发现到各个电极对的流体分布不一致，并且电极之间的气体聚积导致气体纯度下降。因此，无法在所有相应的电极对上实现非优先的稳态圆周流。

另外，达到最佳流率的泵送要求会导致寄生负载很大，从而有碍于产气系统的效率。

因此，需要根据第二类产生和分离组成气体，换言之，具体是不使用隔膜或薄膜来增加单位面积的产气量。同时，需要提高由此产生的组成气体的纯度，同时尽量减小电解溶液的流率并因此减小寄生负载。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种电极、一种电极组件以及一种包含所述电极和/或电极组件的电解装置、系统和方法，用于产生和分离高纯度的气体，本申请人认为，它们可以用来缓解上述缺陷，或者它们可以为已知的电极、电极组件、装置、系统和方法提供有益的替选方案。

根据本发明的第一方面，提供一种通过电解溶液的电解产生和分离气体的装置，该装置包括：

-包括内部区域和外部区域的进口室；

-第一渗透性电极和第二渗透性电极，每个电极具有第一侧和第二侧并限定围绕内部区域的内孔径，第一电极和第二电极的第一侧布置成相互面对，以在进口室内限定电极间隙；

-进入外部区域的第一电解溶液进口和进入内部区域的第二电解溶液进口；

-与第一电极的第二侧流体流动连通的第一出口和与第二电极的第二侧流体流动连通的第二出口，

这样，在使用中，第一电解溶液周流从外部区域进入电极间隙，并且第二电解溶液周流从内部区域进入电极间隙，从而将电极浸入电解溶液中，以便可操作地，分别在第一电极和第二电极上形成第一组成气体和第二组成气体，且其中，在使用中，电极间隙内的电解溶液分流成分别通过第一电极和第二电极的第一出口流和第二出口流，从而分别从第一电极和第二电极移取第一组成气体和第二组成气体的至少一部分到第一出口和第二出口中。

第一电极和第二电极可以呈限定内孔径的连续带的形式。第一电极和第二电极中的每一个可以包括由内径和外径限定的基本上环形的带。该带的径向尺寸可以等于或小于50mm。

第一电极和第二电极的相互面对的第一侧可以布置成基本上相互平行。第一电极和第二电极的第一侧之间的电极间隙可以处于1mm至6mm的范围内，并可以具体地等于2.5mm。

第一电极和第二电极可以安装到定位于装置主体内的第一非导电电极壳体和第二非导电电极壳体，这些电极壳体可以包括限定壳体间隙的内部结构和外部结构。壳体间隙可以基本上等于电极间隙。

内部结构和外部结构的外表面可以具有平滑的表面光洁度，并可以布置成与电极的第一侧齐平。内部结构和外部结构的长度可以被选择成确保电解溶液流在进入电极间隙时充分展开。从进口室的外部区域进入电极壳体的外部结构的入口和从进口室的内部区域进入电极壳体的内部结构的入口可以呈倒圆，以在使用中减少流入壳体间隙的电解溶液湍流。

第一电极和第二电极可以被安装成分别与第一电流分配器和第二电流分配器相接触，该第一电流分配器和第二电流分配器可以分别在第一电极和第二电极上赋予正电荷和负电荷，以在第一电极与第二电极之间产生电势差。

第一进口的横截面积可以超过第二进口的横截面积，以助于进入进口室的外部区域的电解溶液体积流率超过进入进口室的内部区域的电解溶液体积流率。

替选地，可以将一个以上第一进口设置到进口室的外部区域中，以助于进入进口室的外部区域的电解溶液体积流率超过进入进口室的内部区域的电解溶液体积流率。

第一出口和第二出口可以分别布置成与第一出口收集器和第二出口收集器流体流动连通。

第一出口室和第二出口室可以设置成与第一出口收集器和第二出口收集器流体流动连通。可以分别在第一出口室和第二出口室中另外设置第一气体分离器和第二气体分离器，以分别从第一出口流和第二出口流中移取第一组成气体和第二组成气体。

第一组成气体可以为氢气，并且第二组成气体可以为氧气。电解溶液可以为中性溶液、酸性溶液、盐水溶液、海水、碱性电解溶液，诸如氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)。

进口室可以由聚丙烯制成。

进口室的操作顶端可以包括收集腔，其用于收集可操作地积聚在进口室内的组成气体。可以设置与收集腔流体流动连通的净气出口，其用于从收集腔中移取积聚的组成气体。

所述装置可以包括进入外室的第三进口和进入内室的第四进口。在使用中，可以建立通过第一进口和第三进口进入外部区域的电解溶液的逆流。第二进口和第四进口都可以向内部区域提供电解溶液的正流。

在使用中，进口室的外部区域可以包括分配通道，以使电解溶液沿着第一电极和第二电极的外周分配到不同的部分，以使电解溶液沿着第一电极和第二电极的外周的平衡流动。

所述装置可以另外包括：

-第三渗透性电极和第四渗透性电极，每个电极具有第一侧和第二侧并限定围绕进口室的外部区域的内孔径，第三电极和第四电极的第一侧布置成相互面对以在进口室内限定第二电极间隙；

-进口室的围绕第三电极和第四电极的最外区域；

-进入最外区域的第五进口；

-与第三电极的第二侧流体流动连通的第三出口和与第四电极的第二侧流体流动连通的第四出口，

这样，在使用中，第三电解溶液周流从外部区域进入第二电极间隙，并且第四电解溶液周流从最外区域进入第二电极间隙，从而将第三电极和第四电极浸入电解溶液中，以便在使用中，分别在第三电极和第四电极上形成第一组成气体和第二组成气体，且其中，在使用中，第二电极间隙内的电解溶液分流成分别通过第三电极和第四电极的第三出口流和第四出口流，从而分别从第三电极和第四电极移取第一组成气体和第二组成气体到第三出口和第四出口中。

根据本发明的第一方面的装置可以另外包括布置在第一渗透性电极的第一侧之上的非导电渗透性层，其中，在使用中，非导电渗透性层可以抑制已在第一电极上形成的第一组成气体迁移到电极间隙中。

另外，第二非导电渗透性层可以布置在第二渗透性电极的第一侧之上。在使用中，第二非导电渗透性层可以抑制已在第一电极上形成的第二组成气体迁移到电极间隙中。

根据本发明的第二方面，提供一种电极组件，其可操作地形成用于借助电解从电解溶液中产生和分离组成气体的装置的一对相对电极组件的一部分，具有可操作地在这对相对电极组件之间限定电极间隙，该电极组件包括：

-具有相对的第一侧和第二侧的导电材料的渗透性电极，其中，在使用中，电极布置在所述装置的第一出口之上，使得第一侧面向电极间隙，并且第二侧面向第一出口；以及

-布置在渗透性电极的第一侧之上的非导电渗透性层，

其中，在使用中，非导电渗透性层抑制已在第一电极上形成的第一组成气体迁移到电极间隙中。

非导电渗透性层可以包括非导电渗透性片。非导电渗透性层或片可以对液体和气体具渗透性。

非导电渗透性层可以具有界限明确的孔径结构。

渗透性电极可以由基础材料制成，诸如钛、镍、碳、钴、铂、铂族金属(PGM)中的任何一种、铝、铁合金或者上述的合金或组合。

电极的外表面的至少一部分可以包括催化材料层，该催化材料可以包括以下之一：钛；镍；碳；钴；铂；铂族金属(PGM)中的任何一种；铝；铁合金；以及其合金、组合或氧化物。

外层可以通过已知方法形成，诸如将催化材料电沉积到基础材料上，喷涂，浸涂，气相沉积，或者真空金属喷镀。

渗透性电极可以呈有孔、多孔或穿孔，并可以具有25μm至200μm的孔径等级。

通常，渗透性电极可以具有超过80μm的孔径等级。

电极可以包括以下之一：i)交替编织网；ii)电铸网；以及iii)分解过滤网。

编织网可以包括以下之一：i)平直编织；ii)平纹编织；iii)荷兰编织；iv)斜纹编织；以及v)其组合。

渗透性电极可以包括多层过滤网。

渗透性电极可以包括以下之一：i)泡沫金属；以及ii)网和泡沫金属的组合。

渗透性电极可以呈圆形、矩形、正方形或限定内孔径的连续带的形式，该内孔径可以呈环形、矩形、正方形或卵形。

非导电渗透性层可以由塑料或聚合材料制成，塑料或聚合材料选自下列：尼龙、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)和聚氯乙烯(PVC)。

非导电渗透层的孔径等级可以为5μm至75μm，并可以通常为25μm。

非导电渗透性层的孔径等级可以小于电极的孔径等级。

非导电渗透性层的厚度可以为50μm至85μm，并优选为66μm至78μm。

非导电渗透性层的尺寸可以设成使得其覆盖电极的第一侧。

在使用中，非导电渗透性层可以通过锁环相对于电极固定，该锁环在电极之上拉伸非导电渗透性层并与电极相接触。

根据本发明的第三方面，提供一种用于通过电解溶液的电解产生和分离气体的装置，该装置包括：

-用于通过进口可操作地接收电解溶液的进口室；

-第一渗透性电极和第二渗透性电极，每个电极具有第一侧和第二侧，第一电极和第二电极的第一侧布置成相互面对，以在其间限定电极间隙；

-布置在第一渗透性电极的第一侧之上的第一非导电渗透性层，第一非导电渗透性层和第一电极共同构成第一电极组件；

-分别与第一电极和第二电极的第二侧流体流动连通的第一出口和第二出口，

这样，在使用中，电极间隙内的电解溶液分流成第一出口流和第二出口流，第一出口流和第二出口流分别通过第一电极和第二电极进入第一出口和第二出口，其中，在第一电极和第二电极上施加电势差后，分别在第一电极和第二电极上形成第一组成气体和第二组成气体，此后，分别通过第一出口流和第二出口流从第一电极和第二电极中移取第一组成气体和第二组成气体的至少一部分到第一出口和第二出口中，且其中，第一非导电渗透性层抑制已在第一电极上形成的第一组成气体迁移到电极间隙中。

在使用中，可以在非导电片与形成一对相对的电极组件的一部分的第二电极之间限定间隙。

非导电渗透性片的孔径等级可以根据可操作地形成在电极上的组成气体的气泡尺寸分类来选择，并可以小于可操作地形成在电极上的析出气泡的平均尺寸或主要尺寸。

第一电极和第二电极的相互面对的第一侧可以布置成基本上相互平行，且其中，电极间隙可以处于1mm至6mm的范围内，并通常约为2.5mm。

第二非导电渗透性层可以布置在第二渗透性电极的第一侧之上，使得第二非导电渗透性层和第二电极共同构成第二电极组件，该第二电极组件可以基本上类似于第一电极组件。

第一电极和第二电极可以安装到定位于装置主体内的第一非导电电极壳体和第二非导电电极壳体。

第一电极和第二电极可以被安装成分别与第一电流分配器和第二电流分配器相接触。可操作地，第一电流分配器和第二电流分配器可以分别在第一电极和第二电极上赋予负电荷和正电荷，以在第一电极与第二电极之间产生电势差。

第一电极和第二电极可以构成电极对。所述装置可以包括多个电极对的堆栈。

第一电极和第二电极可以安装到双极板。可以对堆栈的端板施加电势差。

第一组成气体可以为氢气，并且第二组成气体可以为氧气。电解溶液可以为中性溶液、酸性溶液、盐水溶液、海水、碱性电解溶液，诸如氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)。

进口室可以由非导电聚合材料制成，通常诸如聚丙烯。

第一出口和第二出口可以布置成与第一出口收集器和第二出口收集器流体流动连通，该第一出口收集器和第二出口收集器的尺寸可以设成，在使用中，出口收集器内的电解溶液压力保持低于进口室内的电解溶液压力，以便在第一电极和第二电极的每一个之上限定压降或压差。

可以分别在第一出口收集器和第二出口收集器中设置第一气体分离器和第二气体分离器，以分别从第一出口流和第二出口流中移取第一组成气体和第二组成气体。

进口室可以围绕第一电极和第二电极，在使用中，使得第一电极和第二电极浸入电解溶液中，且可操作地，使得电解溶液外周流从进口室流入电极间隙，之后分流成第一出口流和第二出口流。

第一电极和第二电极的外形呈圆形、卵形或矩形。

第一电极和第二电极中的每一个可以限定内腔。可以设置第二进口，以在使用中，将电解溶液供应到内腔中，并使得电解溶液内周流可操作地从内腔流入电极间隙中。

替选地，第一电极和第二电极中的每一个可以限定内腔，而进口室被限定在第一电极和第二电极的内腔内，使得内周流可操作地从内腔流入电极间隙中。在此情形下，可能不需要任何外周流。

进口室的操作顶端可以包括收集腔，其用于收集可操作地积聚在进口室内的组成气体。可以设置与收集腔流体流动连通的净气出口，其用于从收集腔中移取积聚的组成气体。

根据本发明的第四方面，提供一种用于通过电解溶液的电解产生和分离气体的方法，该方法包括：

-通过第一进口将第一电解溶液流供应到电解装置的进口室的内部区域中，该内部区域被限定电极间隙的第一渗透性电极和第二渗透性电极围绕，使得第一电解溶液周流从内部区域进入电极间隙中。

-通过第二进口将第二电解溶液流供应到进口室的外部区域中，该外部区域围绕第一电极和第二电极，使得第二电解溶液周流从外部区域进入电极间隙中；

-将电极间隙内的电解溶液分流成通过第一渗透性电极的第一出口流和通过第二渗透性电极的第二出口流；

-在第一电极和第二电极上施加电势差，使得电解溶液发生电解，并且在第一电极上形成第一组成气体和在第二电极上形成第二组成气体；以及

-借助第一出口流和第二出口流，从第一电极和第二电极移取第一组成气体和第二组成气体的至少一部分到第一出口和第二出口中。

通过第一进口进入外部区域的电解溶液体积流率可以超过通过第二进口进入内部区域的电解溶液体积流率达体积流率因数，该体积流率因素可以等于电极的外周长与电极的内周长之比。

通过第一电极和第二电极中的每一个的横截面正面的电解溶液平均流速可以保持在0.05m.s

通过第一电极和第二电极中的每一个的横截面正面的电解溶液平均流速可以保持在0.075m.s

在第一进口和第二进口中的电解溶液流速可以保持在0.5m.s

在第一进口和第二进口中的电解溶液流速可以保持在约1.1m.s

第一电解溶液周流的流速可以基本上等于第二电解溶液周流的流速。

外部区域内部的电解流体压力可以与内部区域内部的电解流体压力相匹配。

根据本发明的第四方面的方法可以包括收集和存储所分离的第一组成气体和第二组成气体的进一步步骤。

提供给第一电极和第二电极的电势差可以加以脉动，以助于分别从第一电极和第二电极移取第一组成气体和第二组成气体。

根据本发明的第五方面，提供一种用于产生和分离气体的电解装置，其包括：

-间隔开的第一电极和第二电极，它们至少部分地浸入进口室中；

-至少第一进口，其用于使电解溶液进入进口室中，在进口室处，跨电极施加电势差后发生电解，以在第一电极上形成第一组成气体以及在第二电极上形成第二组成气体；

-进口室内的收集室，其用于在使用中收集余留在进口室内的第一组成气体和第二组成气体的任何部分；以及

-净气出口，其用于在使用中从收集室中移除第一组成气体和第二组成气体的一部分。

第一电极和第二电极可以基本上平行，并且有孔电极完全浸入进口室内。进口室可以围绕第一电极和第二电极。

所述装置可以被配置成使得电解溶液在电极之间分流成第一出口流和第二出口流，使得第一出口流通过第一电极，从而随着第一出口流进入第一可燃流体出口，从第一电极移取第一组成气体的至少一部分。另外，第二出口流可以通过第二电极，从而随着第二出口流进入第二可燃流体出口，从第二电极移取第二组成气体的至少一部分。

收集室可以用于收集未分离到第一可燃流体出口和第二可燃流体出口中的第一组成气体和第二组成气体的任何余留部分。

根据本发明的第六方面，提供一种用于通过电解溶液的电解产生和分离气体的方法，该方法包括：

-通过进口将电解溶液供应到电解装置的进口室中，该装置包括：第一渗透性电极和第二渗透性电极，每个电极具有第一侧和第二侧，第一电极和第二电极的第一侧布置成相互面对，以在其间限定电极间隙，以及允许电解溶液进入电极间隙；

-将电极间隙内的电解溶液分流成通过第一渗透性电极进入所述装置的第一出口的第一出口流和通过第二渗透性电极进入所述装置的第二出口的第二出口流；

-在第一电极和第二电极上施加电势差，使得电解溶液发生电解，并且在第一电极上形成第一组成气体以及在第二电极上形成第二组成气体；

-借助布置在第一电极的第一侧之上的第一非导电渗透性片，抑制第一组成气体迁移到电极间隙中；以及

-借助第一出口流和第二出口流，从第一电极和第二电极移取第一组成气体和第二组成气体到第一出口和第二出口中。

第一出口流和第二出口流分别通过第一电极和第二电极的流速可以为0.0001m/s至0.012m/s。

电极间隙内的电解溶液可以保持在30℃至150℃之间的温度范围内。

进口室内的电解溶液可以保持在大气压至30巴的压力。

第一出口和第二出口内的压力可以保持低于进口室内的电解质的压力，以便可以分别在第一电极和第二电极上保持压差。

进一步根据本发明的第六方面，提供给第一电极和第二电极的电势差可以加以脉动，以助于分别从第一电极和第二电极移取第一组成气体和第二组成气体。

第一电极和第二电极上的电势差的脉动可以用来从电极间隙移取积聚的气泡到进口室中。

根据本发明的第七方面，提供一种用于分离和产生气体的系统，其包括由多个根据本发明的第三方面所述的装置形成的堆栈。

优选地，该堆栈可以包括压滤机设计。

形成该堆栈的一部分的每个相应装置的第一出口和第二出口可以分别经由第一歧管和第二歧管连接到该堆栈的主要第一出口和该堆栈的主要第二出口。

附图说明

下面将结合附图通过非限制性示例对本发明予以进一步描述，图中：

图1是根据本发明的示例性电解池或装置的进口室的示意性剖视图，该电解池或装置包括第一对相对的第一电极和第二电极；

图2是图1的电解装置的透视图；

图3是图1的电解装置的透视剖视图；

图4是图1的电解装置的环状电极和电极壳体的正视图；

图5是由类似于图1的电解装置的多个电解装置形成的堆栈的透视图；

图6是根据本发明的另一示例性电解池或装置的进口室的示意性剖视图，其中，第二对电极设置成围绕第一对电极；

图7是图6的电解装置的透视剖视图；

图8是一对相对电极组件的示意性剖视图，这对电极组件限定电解装置的进口室内的电极间隙；

图9是图8的一对相对电极的替选示例性实施例的示意性剖视图；

图10是包含图8的一对电极组件的电解装置的示意性剖视图；以及

图11是包含图9的一对电极组件的电解装置的示意性剖视图。

具体实施方式

本申请人认识到，商业上可行的提高产气率的唯一途径是增加进口室内的电极表面积，而非增加电解溶液流过电极的路径长度。

首先尝试增加电极表面积，这要在进口室内设置细长的电极。然而发现，电极的拐角会导致流体路径终止，这不可避免地引起流动区域不足。拐角还可能潜在地引起不理想的高湍流区域。这些区域会造成高压点，通常关系到低流速，从而使气泡积聚在流体路径的上部区域中。这就产生交叉气体污染和电流密度分布不均的情况。进一步的发展参阅下文描述的本发明的实施例。

在附图中，总体上用附图标记10表示用于通过电解溶液的电解产生和分离气体的电解装置或电解池。

电解池10包括进口室12，该进口室包括外部区域14和内部区域16。电解池10进一步包括具有第一侧20和第二侧22的第一电极18以及具有第一侧26和第二侧28的第二电极24。第一电极和第二电极(18、24)中的每一个限定围绕内部区域16的内孔径30(最好如图4所示)。第一电极和第二电极(18、24)的第一侧(20、26)布置成相互面对，以在进口室12内限定电极间隙32。

第一进口34设置成将电解溶液馈送到外部区域14中，而第二进口36设置成将电解溶液馈送到内部区域16中。第一出口38设置成与第一电极18的第二侧22流体流动连通，而第二出口40设置成与第二电极24的第二侧28流体流动连通。

在附图中，由箭头指示流体流，该流体流的流动方向朝向箭头的方向。在使用中，第一电解溶液流42经由第一进口34被馈送到外部区域14中，使得该外部区域14完全充满电解溶液。第二电解溶液流44经由第二进口36被馈送到内部区域16中，使得该内部区域16完全充满电解溶液。第一电解溶液周流或电解液流46从外部区域14进入电极间隙32中，同时第二电解溶液周流或电解液流48从内部区域16进入电极间隙32中，使得第一电极和第二电极(18、24)完全浸入进口室12内的电解溶液中。因此，在使用中，整个进口室12充满电解溶液。

在第一电极和第二电极(18、24)上施加电势差，使得在电极上发生电解溶液的电解，导致第一电极18上形成第一组成气体以及第二电极24上形成第二组成气体。在第一电极和第二电极(18、24)上形成的第一组成气体和第二组成气体最初呈纳米气泡或微气泡的形式，它们最终聚结成更大的气泡。图中未示出组成气体。

进口室12内的电解溶液保持正压。在使用中，第一电解溶液流和第二电解溶液流(42、44)分别连续地流入第一进口和第二进口(34、36)中。由于第一电极和第二电极呈可渗透性，因此电极间隙32内的电解溶液被分流成通过第一电极18的第一电解溶液出口流50和通过第二电极24的第二电解溶液出口流52。通过第一电极18的第一电解溶液出口流50从第一电极18移取第一组成气体的至少一部分并使其进入到第一出口38中，使得第一电解溶液双相流54和第一组成气体流过第一出口38。类似地，通过第二电极24的第二电解溶液出口流52从第二电极24移取第二组成气体的至少一部分并使其进入到第二出口40中，使得第二电解溶液双相流56和第二组成气体流过第二出口40。

第一电解溶液出口流和第二电解溶液出口流(50、52)的分流以及这些流的分别正向连续流动通过第一电极和第二电极(18、24)，有助于分别在第一电极和第二电极(18、24)上形成第一组成气体和第二组成气体之后有效地分离这些气体，而无需隔膜或薄膜。

第一电极和第二电极(18、24)优选由贱金属制成，诸如钛、镍、碳、钴、铂、铂族金属(PGM)、铝、铁合金(诸如钢或不锈钢)或者这些基础材料的合金或组合。

贱金属可以另外设置有适合催化材料的外层(未示出)。通过已知方法，诸如电沉积、喷涂或浸涂、气相沉积或真空金属喷镀，在贱金属上形成外层。

第一渗透性电极和第二渗透性电极(18、24)呈有孔、多孔或穿孔。第一电极和第二电极(18、24)的标称微米等级为25μm至200μm。电极包括替选的编织滤网、电铸网或分解过滤网。该网可以呈平直编织、平纹编织、斜纹编织、荷兰编织或其组合的形式编织。替选地，第一电极和第二电极可以呈泡沫金属的形式。

优选地，编织网呈多层的形式，诸如双层或三层的200μm标称等级的标准荷兰编织过滤网。但包括单层或两层以上的电极也可行。可以设置包括三层的电极以增加有效电极表面积。

第一电极和第二电极可以呈限定/围绕内孔径的连续带的形式。

最好如图4所示，第一电极和第二电极(18、24)的第一侧(20、26)包括由内径58和外径60限定的环形带。在本示例性实施例中，电极的径向尺寸62(并因此内半径与外半径之差)为50mm以下。

本申请人已发现，在最佳流体流速下，在本发明的本示例性实施例中，电解溶液的路径长度不应超过25mm，以确保池10的效率。出于本公开的目的，“路径长度”被定义为平行于电极的路径，电解溶液在电极间隙32内沿着该路径流动。由电解溶液的流速、进口室12内的电解溶液压力、电极间隙32等确定允许的路径长度。

第一电解溶液周流和第二电解溶液周流(46、48)主要在径向方向上流入电极间隙中。通过设置从外部区域14进入电极间隙32的第一周流46和从内部区域16进入电极间隙32的第二周流48，第一周流和第二周流(46、48)中的任何一个的路径长度64被限定为径向尺寸62的二分之一。因为径向尺寸62被限定为50mm，因此最大路径长度64被限定为25mm。

如果使用圆形电极，并将路径长度限定为25mm，则电极的直径就被限定为50mm。然而，因第一电极和第二电极(18、24)呈环状，故第一电极和第二电极(18、24)的电极表面积远超圆形电极的表面积。这会直接影响池10的产气量，并为可行的大规模产气所必需的。

外径60在理论上不受限制。

第一电极和第二电极(18、24)的相面对的第一侧(20、26)可以布置成基本上相互平行。

第一电极和第二电极(18、24)的第一侧之间的电极间隙32可以在1mm至6mm的范围内。优选地，该电极间隙为2.5mm。2.5mm的间隙允许第一电极和第二电极(18、24)的第一侧(20、26)之间充分分离，以免交叉气体污染(第一组成气体和第二组成气体相互接触的情况并变得混合的情况)，允许足够量的电解溶液触及电极的整个第一侧，并在电极的整个第一侧上保持相对恒定的电解溶液流率，同时使电极足够相互靠近，以免会阻碍电解效率的大的欧姆电阻。电流密度可能还会受到使用合适催化剂的影响。组成气体聚积在电极间隙内会对第一电极和第二电极(18、24)上的电流密度产生负面影响。因此，通过分流的出口流(50、52)从第一电极和第二电极(18、24)移取第一组成气体和第二组成气体，会对第一电极和第二电极(18、24)上的电流密度产生正面影响。

第一电极18安装到第一电极壳体66，而第二电极18安装到第二电极壳体68。第一电极壳体和第二电极壳体(66、68)可以由非导电材料制成。第一非导电壳体和第二非导电壳体(66、68)均在进口室内具有外表面(分别为70和72)。第一壳体和第二壳体(66、68)将第一电极和第二电极(18、24)在进口室12内保持就位。

替选地，第一电极壳体和第二电极壳体(66、68)可以由导电材料制成，以用作电极的电流分配器。当第一电极壳体和第二电极壳体由导电材料制成时，外表面(70、72)涂覆有非导电涂层。

第一电极壳体和第二电极壳体(66、68)包括内部结构(分别为74和76)和外部结构(分别为78和80)。内部结构和外部结构(74、76、78、80)在它们之间限定内部壳体间隙和外部壳体间隙(分别为82和84)。内部壳体间隙和外部壳体间隙(82、84)的尺寸基本上类似于电极间隙32的尺寸。

最好如图1所示，内部壳体间隙82被形成为邻近电极间隙32朝向进口室12的内部区域16，并且外部壳体间隙84被形成为邻近电极间隙32朝向进口室12的外部区域14。

第一电极壳体和第二电极壳体(66、68)的外表面(70、72)具有平滑的表面光洁度，并与第一电极和第二电极(18、24)的第一侧(20、26)齐平。内部结构和外部结构(74、76、78、80)的长度足以确保第一周流和第二周流(46、48)在进入电极间隙32时完全展开。第一周流和第二周流(46、48)的完全展开流为周向、径向且非优先的流。内周流和外周流具有基本相等的流速。

第一电极壳体和第二电极壳体(66、68)具有倒圆的边缘，以减少第一周流和第二周流(46、48)在进入内部壳体间隙和外部壳体间隙时的湍流。此外，进口室被设置成不具有任何尖锐的边缘，以避免电解溶液的湍流，这会使气态的弯月面失稳。

当第一电极壳体和第二电极壳体(66、68)由非导电材料制成时，第一电极和第二电极(18、24)安装在第一电极壳体和第二电极壳体(66、68)内，并与第一电流分配器和第二电流分配器(未显示)相接触。第一电流分配器和第二电流分配器分别在第一电极和第二电极(18、24)上赋予正电荷和负电荷，以在第一电极和第二电极(18、24)之间或之上产生电势差。因此，在使用中，第一电极可以为阳极，而第二电极可以为阴极。第一电流分配器和第二电流分配器连接到第一导电杆和第二导电杆(90、92)，该第一导电杆和第二导电杆延伸通过池10主体的一部分直到池10之外。

池10的效率取决于电极(18、24)之上的电解溶液流动尽可能保持恒定。需要避免无流区或电解溶液流率更高或更低的区域。第一电极和第二电极(18、24)的外周长度必然与其内周长度不同，因此第一周流46的总流率需要超过第二周流48的总流率。

因此，通过第一进口34进入外部区域14的第一电解溶液流42的总体积流率超过通过第二进口36进入内部区域16的第二电解溶液流44的体积流率达体积流率因数。体积流率因数等于电极的外周长与电极的内周长之比。在环形电极的情形下，体积流率因数能够被简化为电极的外径60与内径58之比。

需要体积流率因数来确保第一周流进入电极间隙的流速矢量幅值等于或至少基本等于第二周流进入电极间隙的流速矢量幅值。然而，如果有必要(诸如在移取未分离到第一出口和第二出口中的气体期间，如下进一步讨论)，第二周流的流速矢量可能略微超过第一周流的流速矢量。

利用单个供应泵(未示出)来同时通过第一进口和第二进口(34、36)供应第一电解溶液流和第二电解溶液流(42、44)。通过节流板或阀(未示出)对通过第二进口36的第二流44进行节流；通过将池设计成使得第一进口34的横截面积超过第二进口36的横截面积；或者通过将一个以上的第一进口34提供到外部区域14中，可以实现如上所述的体积流率的差异。在使用中，外部区域14内的电解溶液压力可以基本上等于内部区域16内的电解溶液压力。

在本示例性实施例中，第一电解溶液流和第二电解溶液流(42、44)的流速可以保持在0.5m.s

结果，通过电极的横截面正面的电解溶液平均流速保持在0.05m.s

第一出口和第二出口(38、40)布置成与第一出口收集器和第二出口收集器(39、41)流体流动连通。第一出口和第二出口的尺寸选择成降低出口收集器内的背压。因此，第一出口收集器和第二出口收集器(39、41)中的压力低于进口室压力，使得电极之上形成压力梯度，从而驱动或促进电解溶液分别流入第一出口收集器和第二出口收集器(39、41)。第一出口室和第二出口室(未示出)设置成与第一出口收集器和第二出口收集器以及第一出口和第二出口流体流动连通。第一出口室和第二出口室分别设置有第一气体分离器和第二气体分离器(未示出)，以分别从第一双相和第二双相流(54、56)中移取第一组成气体和第二组成气体。

可以设置另外的出口与第一出口收集器和第二出口收集器(39、41)流体流动连通。设置另外的出口以增强出口收集器内的流动，并确保电极之上可以维持压力梯度。在电极的外径变得相对较大的情况下，或者在第二组电极或另外一组电极同心围绕第一电极和第二电极设置在池10内的情况下，另外的出口变得尤为必要。

分离的第一组成气体和第二组成气体可以被收集并存储在第一存储容器和第二存储容器(未示出)中。

电解溶液可以为碱性电解溶液，即氢氧化钾(KOH)和氢氧化钠(NaOH)之一。第一组成气体可以为氧气，并且第二组成气体可以为氢气。

在第一电极和第二电极(18、24)上形成的一小部分第一组成气体和第二组成气体未被分离到第一出口或第二出口(38、40)中，而是保留在电极间隙32内或从电极间隙32朝向进口室12的外部区域14迁移。这部分组成气体最终可能随同第一出口流或第二出口流之一输送到第一出口和第二出口(38、40)之一中，因此可能导致交叉气体污染，从而降低所收集的第一组成气体和第二组成气体的纯度，由此降低池10的效率。

这部分组成气体聚结以形成包含组成气体中的任一种或其组合的气泡。当气泡的尺寸超过电极的孔径的尺寸时，气泡的附着力和浮力会抑制气泡分别随同第一出口流和第二出口流通过电极。

因此，这些气泡在进口室内聚集并增长。当这些气泡聚集在电极间隙内时，它们可能导致空隙破裂、交叉气体污染和无效电极表面区域。

一般而言，浮力迫使气泡朝向进口室的可操作上部区域。

已经发现，通过从进口室12的外部区域14移取这部分组成气体，可以消除或至少减少上述负面影响。

为此，收集腔94设置成朝向进口室12的外部区域14的该可操作上部区域。收集腔94收集未分离并输送到第一出口和第二出口(38、40)中的第一气体和第二气体以及聚结的气泡的一部分。

净气出口96设置成与收集腔94流体流动连通，以将收集在收集腔94中的组成气体输送出进口室12。因此，在使用中，第三出口流98从进口室12流出，并流过净化出口96。第三出口流98可以包括第三双相流，这取决于存在收集腔94中所形成的组成气体。从第三双相流中移取第一组成气体和第二组成气体，并进行处置，此后余留的电解溶液可以经由第一进口和/或第二进口(34、36)重新引入到进口室中。

在使用中，对电极提供电流可以加以脉动。这样首先可以增强分别从第一电极和第二电极移取第一组成气体和第二组成气体到第一出口收集器和第二出口收集器中，其次可以增强如上所述的未分离组成气体的气泡朝向收集腔94的迁移。

应当理解，使用收集腔94和净气出口96，以便获得更高纯度的收集的组成气体，这能够用于其他电解池和电解装置中，诸如参阅专利'298和其他已知的碱性或酸性电解池，包括利用隔膜，PEM和AEM的电解池。因此，专利'298或这些已知的电解池与当前公开的收集腔94和净气出口96的组合落入本发明的范围内。

池10通常包括第三进口35和第四进口45，该第三进口将第三电解溶液进口流提供到外部区域14中，该第四进口将第四电解溶液进口流47提供到内部区域14中。借助第一进口流和第三进口流，使电解溶液逆流流入外部区域中。第二进口流和第四进口流都向内部区域16提供电解溶液正流。

电解溶液从两侧进入内部区域以及电解溶液逆流流入外部区域中促成进入室内的压力均匀，以促进流入电极间隙的周流的均匀性。

在第一电极和第二电极的外径变得过大的情形下，进口室的可操作的底部区域和顶部区域之间的电解溶液压差可能无法沿着电极整个外周提供稳定的非优先流动。在此情形下，进口室的外部区域14可以设置有分配通道(未示出)，用于使电解溶液沿着电极的外周输送到不同且明确的部分，以确保流率和这些部分内的电解溶液压力保持尽量相近。以此方式，这些部分中电解溶液流动得以平衡。

并非直接在电极间隙处将电解溶液注入到进气腔中，以防干扰电极间隙内的气态弯月面。

进口室12被限定在由非导电材料制成的池主体100内。优选地，池主体100由聚丙烯或另一种合适聚合材料制成。可以通过堆栈第一外板102、中央板104和第二外板106而形成池主体100。可以分别在中央板104与第一外板和第二外板(102、106)之间设置乙烯丙烯二烯烃单体(EPDM)橡胶密封件。可以分别通过第一外板和第二外板(102、106)将第一电极壳体和第二电极壳体(66、68)以及第一电流分配器和第二电流分配器保持就位。

各个进口和出口可以形成在中央板和外板(102、104、106)内，如此堆栈200可以由多个池100形成，它们堆栈在一起并用于反应器系统中。可以通过堆栈相互接触的两个相邻池10的第一外板102以及相互接触的两个相邻池10的第二外板106而形成堆栈200。第一端板(如图5所示)可以被堆栈成与堆栈200的第一池10的第一外板102相接触，而第二端板(未示出)可以被堆栈成与堆栈200的最末池10的第二外板106相接触。该布置可以使得堆栈200内的池10的全部第一进口34处于流体流动连通。类似地，堆栈200中的每个池10的第二进口36可以布置成相互流体流动连通，堆栈200中的每个池10的第一出口38可以布置成相互流体流动连通，堆栈200中的每个池10的第二出口40可以布置成相互流体流动连通，并且堆栈200中的每个池10的净化出口96可以布置成相互流体流动连通。应当领会，图5中的堆栈示为立于其一侧上，并且在使用中，堆栈200将布置成使得板基本上垂直布置，使得净气出口96布置在堆栈的顶部处。

优选地，堆栈200可以包括如上所述堆栈在一起的七个池10。可以利用单个供应泵(未示出)向构成堆栈200的全部池10的第一进口和第二进口(34、36)供应电解溶液。当电解系统中仅用单个池10时，还利用供应泵(未示出)将电解溶液供应到池10的第一进口和第二进口(34、36)。

在未示出的替选实施例中，可以由多个双极板形成堆栈。在这样的配置中，仅最外的板连接到电源。因此，这种配置会降低堆栈的硬件要求。而且，当使用双极堆栈配置时，堆栈的安培数类似于单个池的安培数，而堆栈的总电压要求等于各个池组电压之总。这意味着，当使用双极板堆栈设计时，所需的安培数有所减少，这对电流分配硬件的成本产生正面影响。

形成一部分堆栈的每个第一电极或第二电极设置成与双极板之一的相应侧相接触。因此应当理解，单个双极板在其第一侧上与第一电极相关联，并在其第二侧上与第二电极相关联。

为了进一步增加有效电极表面积，可以设置第三渗透性电极和第四渗透性电极(在图6和图7中示为108和110)。第三电极和第四电极(108、110)中的每一个限定围绕进口室12的外部区域14的内孔径。类似于第一电极和第二电极(18、24)，第三电极和第四电极(108、110)布置成相互面对以限定第二电极间隙112。此时，进口室10另外包括围绕第三电极和第四电极(108、110)的最外区域114。进口115将电解溶液进口流提供到最外区域114。因此，在使用中，第三电极和第四电极浸没在电解溶液中。第三出口和第四出口(116、118)设置成与第三出口收集器和第四出口收集器(117、119)流体流动连通，该第三出口收集器和第四出口收集器又设置成分别与第三电极和第四电极(108、110)流体流动连通。应当领会，在第三电极和第四电极(108、110)上形成和分离组成气体以及使电解溶液流动通过该第三电极和第四电极与第一电极和第二电极(18、24)的情况基本相似。第一电极和第三电极(18、108)基本上同心布置，而第二电极和第四电极(24、110)基本上同心布置。应当理解，可以设置另外的同心电极组。

如图7所示，另外的出口(120、122、124、126和128)可以设置成与所指示的各个出口收集器流体流动连通。此外，另外的进口(130、132、134、136和138)设置成与进口室的相应区域流体流动连通。

通过设置具有内孔径的电极，诸如环形电极，电极的有效面积显著增加，而不必增加有效路径长度或池的整体尺寸。以此方式，本发明能够实现与专利'298的电解池相似的气体纯度和效率，同时显著增加所产生的分离气体量。通过围绕第一电极和第二电极同心设置另外的电极对，有利地显著增加所产生的分离气体量。

通过在进口室内提供收集腔和净气出口，可以确保或改善所收集的第一组成气体和第二组成气体的纯度。

应当理解，本发明的上述示例性实施例相对于‘298专利存在以工业规模产气所必需的各种优势。

但已发现，在某些情况下，以如上所述流速通过装置10的电解溶液循环导致装置10上的寄生负载过高，从而借助装置10产生和分离气体的效率低下。

如下所述且如图8至图11所示的实施例旨在减小与通过装置10供应电解溶液的流率相关的寄生负载。

在这些附图中，总体上用附图标记250表示用于通过电解溶液的电解产生和分离气体的电解装置或电解池。

装置250包括用于通过进口254可操作地接收电解溶液的进口室252。第一渗透性电极256和第二渗透性电极258布置在进口室252内，并在使用中浸没在电解溶液中。最好如图11所示，第一电极和第二电极(256、258)具有第一侧和第二侧(260、262)。第一电极和第二电极(256、258)的第一侧(260)布置成相互面对并间隔开以限定电极间隙264。

第一电极256的第二侧262布置成与第一出口266流体流动连通，同时第二电极的第二侧262布置成与第二出口268流体流动连通。第一电极和第二电极(256、258)呈渗透性，因此进口室252中的电解溶液进入电极间隙264中，在此其被分流成通过第一电极256流入第一出口的第一出口流270以及从电极间隙264通过第二电极258流入第二出口的第二出口流272。

第一非导电渗透性片274布置在第一电极256的第一侧260之上。第一渗透性电极256和第一非导电渗透性片274共同构成第一电极组件276。

类似地，第二非导电渗透性片278布置在第二电极258的第一侧260之上。第二渗透性电极258和第二非导电渗透性片278共同构成第二电极组件280。

第一电极组件和第二电极组件(276、280)可以基本上相似，并形成在装置250中使用的一对电极组件。

因此，电极间隙264被限定在电极组件(276、280)之间并且其范围为0.5mm至6mm。优选地，电极间隙范围为1mm至4mm。1mm至2.5mm的电极间隙表现出有效的性能，同时防止电流密度的过度下降。

第一非导电渗透性片和第二非导电渗透性片(274、278)既能渗透气体又能渗透液体，使得第一流和第二流(270、272)能够穿过它们。

第一非导电渗透性片和第二非导电渗透性片(274、278)用于抑制在第一渗透性电极和第二渗透性电极(256、258)(如下文更充分描述)上形成的组成气体进入电极间隙264。

第一非导电渗透性片和第二非导电渗透性片(274、278)抑制组成气体进入或迁移到电极间隙264中的机制是，组成气体的气泡与非导电渗透性片相互作用时在气泡中产生的粘附力、气泡的浮力、以及因第一出口流和第二出口流(270、272)分别通过第一非导电渗透性片和第二非导电渗透性片(274、278)的正流所引起的拖曳力的组合。非导电渗透性片(274、278)还会减少电极(256、258)的第一侧260上的电解反应，从而将气体形成引向电极(256、258)的第二侧262，同时添加气泡必须克服才能迁移到电极间隙264中的压力要求。如下文更充分地描述，基于组成气体的类型和装置的气泡尺寸分类来选择非导电渗透构件的孔径尺寸。

现将进一步阐述第一非导电渗透性片274的特征。应当理解，第二非导电渗透性片278类似于第一非导电渗透性片274。

第一非导电渗透性片274包括呈平直编织、平纹编织、荷兰编织、斜纹编织或前述组合中的任何一种形式的织物型编织网。片274由塑料或聚合材料制成，诸如尼龙、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)或聚氯乙烯(PVC)。

一般而言，片274的孔径尺寸范围为5μm至75μm，并选择成小于第一电极256上形成的析出气泡的平均尺寸或主要尺寸。通常，非导电渗透性片274的孔径尺寸小于第一渗透性电极256的孔径尺寸。已经发现，在最佳流率下(如下文更充分地讨论)，非导电渗透性片274的孔径尺寸为25μm，会抑制第一电极256上所形成的组成气体的足够的部分。

应当指出，非导电渗透性片274增大对第一出口流流过第一电极组件的阻力，而同时略微减小可用于电解作用的有效电极表面积。鉴于泵送要求降低以及低的电解溶液流率和高的气体纯度，必须考虑到这一点。

第一非导电渗透性片274的厚度为50μm至85μm，并优选为66μm至78μm。

第一非导电渗透性片274具有与电极相似的形状，并大到足以覆盖第一电极256的整个第一侧260。通过锁环282使第一非导电渗透性片274相对于第一电极256固定，该锁环282在第一电极256上拉伸该片，这样第一电极的第一侧260和第一非导电渗透性片274布置成相互直接物理接触。

第二锁环284设置成使第二非导电渗透性片278相对于第二电极258固定。

第一渗透性电极和第二渗透性电极(256、258)由基础材料制成，诸如：钛；镍；碳；钴；铂；铂族金属(PGM)；铝；铁合金(诸如钢或不锈钢)；或者其合金或其组合。

电极(256、258)可以包括合适催化材料的外层。外层可通过电沉积方法形成到基础材料上。替选地，外层可以通过已知的替选方法形成，诸如喷涂或浸涂、气相沉积或真空金属喷镀。渗透性电极(256、258)可以呈有孔、多孔或穿孔。

电极(256、258)的标称微米等级范围为25μm至200μm。但优选地，电极的标称微米等级超过80μm。电极可以包括替选的过滤编织网、电铸网或分解过滤网。电极的编织网可以包括平直编织、平纹编织、荷兰编织、斜纹编织及其组合之一。

替选地，第一电极和第二电极(256、258)可以包括泡沫金属。进一步替选地，第一电极和第二电极(256、258)可以包括多层过滤网，在此情形下，将使用具有较低相关压降或较大孔径等级的网。

进一步替选地，可以使用过滤网和泡沫金属的组合，其中，网朝向电极的第一侧260布置，并且泡沫金属朝向其第二侧262布置。

尤其是在多层网的情形下，需要避免出口(266、268)中的背压增高，以免组成气体聚积在网层之间，这会导致有效电极表面积减小。因此，选择多层网中的穿孔尺寸以防压力增高。而且，多层网可以包括不同类型的网，诸如平纹编织层之后是荷兰编织层。

第一电极和第二电极(256、258)可以为在无需使用薄膜或隔膜的常规电解装置中使用而成型，特别是在专利‘298中更充分描述的那些装置。因此，电极(256、258)可以呈圆形、矩形、正方形或者可以包括可以呈环形(基本上卵形或矩形)的连续带。

在使用中，当在第一电极和第二电极(256、258)之上施加电势差时，随之发生电解，此后分别在第一电极和第二电极(256、258)上形成第一组成气体和第二组成气体。进入第一出口和第二出口(266、268)的第一出口流和第二出口流(270、272)从第一电极和第二电极(256、258)移取第一组成气体和第二组成气体。通过在第一电极和第二电极(256、258)之上设置第一非导电渗透性片和第二非导电渗透性片(274、278)，能够显著降低第一出口流和第二出口流(270、272)的流率，同时仍确保有效地分离第一组成气体和第二组成气体。第一出口流和第二出口流(270、272)通过电极的流速范围为0.0001m/s至0.012m/s。

电极间隙内的电解溶液可以保持在30℃至150℃的温度范围内，而进口室252内的电解溶液的压力保持在大气压至30巴的压力下。

第一电极和第二电极(256、258)安装到定位于由非导电材料制成的装置主体290内的第一非导电电极壳体和第二非导电电极壳体(286、288)。

第一电流分配器和第二电流分配器(未示出)分别向第一电极和第二电极(256、258)供应负电荷和正电荷。替选地，电极可以安装到双极板(未示出)，并且可以对装置的端板施加电势差。

第一出口和第二出口(266、268)布置成与第一出口收集器和第二出口收集器(未示出)流体流动连通，该第一出口收集器和第二出口收集器保持在低于进口室内压力的压力下。因此，第一电极和第二电极(256、258)之上存在压力梯度或压差，这有助于第一出口流和第二出口流的流动。

可以分别在第一出口收集器和第二出口收集器中设置第一气体分离器和第二气体分离器(未示出)，以分别从第一出口流和第二出口流中分离出已从第一电极和第二电极移取的第一组成气体和第二组成气体。

收集并存储分离出的第一组成气体和第二组成气体。

电解溶液为碱性电解溶液，诸如氢氧化钾(KOH)和氢氧化钠(NaOH)。氢氧化钾的浓度为25％至30％。第一组成气体可以为氢气，并且第二组成气体可以为氧气。替选地，电解溶液可以为中性、酸性或者盐水溶液或海水。应当理解，在电解溶液为盐水溶液、酸性溶液或海水的情形下，将更改电极材料来适应这样的电解溶液。在此情形下，电极通常将由钨或不锈钢制成。非导电渗透性片(274、278)可以另外用于防止在第一电极和第二电极(256、258)的表面上结垢或聚积其他污染物。

在环形电极的情形下，电解溶液可以从电极间隙的内周和外周或仅从电极间隙的内周进入电极间隙。在后一情形下，进口室252就会被环形电极围绕，并且仅电解溶液的内周流将进入电极间隙。应当理解，向电极添加非导电渗透性层在一定程度上消除了对电极间隙内电解溶液的允许路径长度的限制。因此，在环形电极与装置250配合使用的情形下，径向尺寸(类似于关于装置10描述的径向尺寸62)可以超过50mm。

可以将在第一电极和第二电极(256、258)之上提供的电势差加以脉动，以进一步促进分别从第一电极和第二电极移取第一组成气体和第二组成气体，同时电解溶液的正流继续，且因此分流的第一流和第二流继续。

堆栈(未示出)可以由多个装置250形成。优选地，该堆栈可以包括压滤机设计。形成该堆栈的一部分的每个相应装置250的第一出口和第二出口(266、268)可以分别经由第一歧管和第二歧管(未示出)连接到该堆栈的主要第一出口和该堆栈的主要第二出口。

通过降低第一出口流和第二出口流(270、272)的流速，电极间隙内的湍流和流体动力学影响显著减少。因此，本申请人预见到可以有利地增长装置250的流路长度，以增加每单位装置体积的有效电极面积。而且，通过抑制组成气体向电极间隙中的迁移，减少组成气体在电极的第一侧上的积聚。因此，减少组成气体的交叉污染，并使得所分离的组成气体保持期望的纯度。装置250获得高于99vol％的纯度。

进口室252的外部区域的可操作顶端可以包括收集腔，其用于收集在进口室252内形成但未分离到第一出口或第二出口中的组成气体。浮力可以迫使未分离的气体朝向收集腔通过第一电极和第二电极进入第一出口或第二出口中，以防气体积聚在电极之间，从而防止气体在电极之间的交叉气体污染。

净气出口292可以设置成与收集腔流体流动连通，以从进口室252移取已收集在收集腔中的组成气体。

在不使用第一非导电渗透性片和第二非导电渗透性片(274和278)的情形下，装置252能够最高预测出整个系统理论上高热值效率为42HHV％。然而，通过如本文所述在装置10中结合第一非导电渗透性片和第二非导电渗透性片(274和278)，整个系统能够获得的高热值效率达到50HHV％至60HHV％。本申请人预见到进一步降低流率，或进一步改进非导电渗透性片的类型及其孔径尺寸，可以将整个系统的高热值效率增加到超过60HHV％。

应当理解，非导电渗透性片(274、278)与薄膜和隔膜的本质区别在于，非导电渗透性片(274、278)：

-并非固态聚合物(正如薄膜那样)；

-具有的穿孔远超隔膜上存在的孔/通道的尺寸；

-不含有机或无机亲水性填料和溶剂或载流子；

-具有界限明确的孔径，而非随机和无规则的孔或通路(正如隔膜那样)；

-对液体和组成气体均具渗透性；

-根据本发明的电解池中具有明显有别于本说明书他处提及的常规第一类电解池(即包含隔膜或薄膜的电解池)的功能；以及

-不掺杂任何附加化学物质。

因此，在不存在电解溶液的正流通过非导电渗透性片(274、278)的情形下，组成气体可能良好地迁移到电极间隙264中。因此，正是电解溶液的正流结合气泡与非导电渗透性片(274、278)的相互作用，抑制了向电极间隙中的迁移。然而，非导电渗透性片(274、278)允许显著降低流率，同时仍能实现有效地分离组成气体。

非导电渗透性片(274、278)的更大孔径会促成更佳的离子转移，因此片上的欧姆电阻更低，并引起更小的流动阻力，但抑制气体迁移到电极间隙264中的效果较差。选择适合的孔径尺寸时需要考虑这些因素。

可以将一个以上用于电解溶液的进口设置到进口室252中。

本领域技术人员应当理解，本发明不限于本文所述的精准细节，并在不脱离本公开的范围和精神的情况下，可以作出许多变化。

例如，装置10的第一电极18的外径60可以显著增大，以提高池的生产能力。另外，随着第一周流和第二周流(46、48)的流速增快以及施加于第一电极和第二电极(18、24)之上的电势差增大，电极间隙32可以增大，使得径向伸长62可以增加到超过50mm。

另外，可以预见装置250，其中仅第一电极256设置有非导电渗透性片274，而第二电极258未设置有非导电渗透性片。然而，这种布置的效果可能不及上述布置，因为第二非导电渗透性片会添加组成气体分离中的附加可靠性要素。而且，当非导电渗透性片仅布置在阴极之上时，氧气可能仍会进入电极间隙(尤其是在电解流率较低的情形下)，氧气可能会从该电极间隙进入第一出口(因为非导电渗透性片和第一电极都对气体具有渗透性)。

还应领会，仅出于解释目的提供前述示例，而绝非将这些示例解释为对本发明的限制。尽管仅参照示例性实施例对本发明予以描述，但应当理解，本文中使用的词语为描述性和说明性的词语，而非限制性的词语。本发明也非旨在局限于本文公开的具体细节。而是本发明可扩展到全部功能上等效的结构、方法和用途，诸如在本发明的范围内。