基于高压质子交换膜的水电解器系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于高压质子交换膜的水电解器系统，所述水电解器系统可以包括一系列质子交换膜（ＰＥＭ）电池，所述质子交换膜（ＰＥＭ）电池可以电联接到一起且联接到质子交换膜以形成螺旋缠绕在传导的中心柱上的膜电极组件（ＭＥＡ），其中ＭＥＡ的最内侧ＰＥＭ电池可以与传导的中心柱或中心电极电连接，且其中ＭＥＡ的最外侧的ＰＥＭ电池可以电联接到压力容器缸或外电极。每个ＰＥＭ电池可以包括由ＰＥＭ膜的部分分开的阳极部分和阴极部分。另外，不可渗透的分隔件层也可以围绕传导的中心柱螺旋缠绕且分开ＰＥＭ芯的缠绕部分。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总的涉及电解器的领域，且更特定地涉及基于高压质子交换膜的电解器系统。
技术介绍
电解器借助电的通过，通常通过将化合物分解为元素或更简单的产物，而将丰富 量的化学物转化为更珍贵的物质。基于质子交换膜的水电解器(或基于PEM的水电解器) 是这样的系统，其中水在氧化电极或电池阳极处被氧化以产生氧气，从而释放氢离子或质 子，和电子。氢离子在跨过电池施加的电场的作用下通过固体聚合物电解质从电池阳极迁 移到电池阴极，或氢电极，而电子由直流(DC)电源转移到阴极。质子和电子在电池阴极处 再组合以产生氢。氧和氢以与施加的电池电流成比例的速度按化学计量比而生成，即每一 体积单位的氧对应两体积单位的氢。高压水电解器可以在足以用于存储的压力(高达或超 过10000磅每平方英寸)下生成氢气和氧气，无需机械压縮。
技术实现思路
根据一个示例性实施例的基于高压质子交换膜的水电解器系统可以包括具有内 部区域和水入口的外电极；联接在外电极的另一个部分内的气体出口 ；联接在内部区域内 且通过直流电源电联接到外电极的中心电极；具有多个质子交换膜电池的在内部区域内围 绕中心电极螺旋缠绕的膜电极组件，其中所述多个质子交换膜电池的最内部的一个可以电 联接到中心电极且其中多个质子交换膜电池的最外部的一个可以电联接到外电极；和围绕 中心电极缠绕且联接到中心电极和外电极的非导体分隔件，非导体隔膜防止多个质子交换 膜电池之间的电接触。当外电极是阴极时中心电极可以是阳极，或替代地中心电极可以是 阴极而外电极是阳极。 在另一个示例性的实施例中，大体上如上所述的基于高压质子交换膜的水电解器 系统也可以包括另外的结构，所述另外的结构通过重力分层将基于高压质子交换膜的水电 解器内所生成的氢气和氧气在其离开系统前分离。 本专利技术的其他示例性的实施例将从下文中提供的详细描述中变得显见。应理解的 是详细描述和具体例子虽然公开本专利技术的示例性实施例，但仅意图于阐述目的而不意图于 限制本专利技术的范围。附图说明 本专利技术的示例性实施例将从详细描述和附图中变得更完整地理解，各图为 图1是根据一个示例性实施例的基于高压质子交换膜的水电解器系统的剖面图； 图2是图1的容器沿线2-2截取的截面视图； 图3是图2的膜电极组件在铺开和展开位置的透视图； 图4是根据另一个示例性实施例的基于高压质子交换膜的水电解器系统的剖面6图； 图5是根据图1或图4的任一示例性实施例的包括基于高压质子交换膜的水电解器系统的电动车辆的平面图。具体实施例方式如下的实施例(多个实施例)的描述仅在本质上是示例性的(说明性的)，且不意图于限制本专利技术、其应用或使用。 首先参考图1至图3，根据一个示例性实施例的基于高压质子交换膜的水电解器系统10可以包括压力容器缸或称外电极12，该外电极12具有水入口 14和气体出口 16。水位传感器19也可以结合在容器10内，指示外电极12的内部部分20内的水位。水位传感器19与水入口 14的止回阀部分通信，以将其在打开位置和关闭位置之间移动，以当传感器19指示内部部分20内的水位过低时允许水通过水入口 14进入内部部分。 系统10也可以包括传导的中心柱或称中心电极18，该中心电极18部分地容纳在外电极12的内部部分20内且通过绝缘的馈通部分22延伸到系统10的外侧。外电极12和中心电极18可以是阳极电极或阴极电极，其中当中心电极18是阴极电极时外电极12是阳极电极，且其中当中心电极18是阳极电极时外电极12是阴极电极。外电极12和中心电极18可以各通过直流(DC)电源11相互电联接。外电极12和中心电极18因此形成DC电源ll的正极端子和负极端子。 如在图2中最佳地示出，膜电极组件或MEA 38可以在外电极12的内部20内围绕中心电极18缠绕。也在图2中最佳地示出不可渗透的分隔件层40，该分隔件层40可以单独地围绕外电极的内部20内的中心电极18缠绕，且可以联接到中心电极18和外电极12两者。不可渗透分隔件层40可以帮助防止MEA 38的远程部分之间的电接触，该分隔件层螺旋缠绕MEA38的远程部分且因此靠近所述远程部分。不可渗透分隔件层40暗含地也可以大体上防止水或氧气或氢气或氢离子通过它的流动。 虽然MEA 38和不可渗透分隔件层40在图2中都示出为以逆时针方向从中心电极18缠绕到外电极12，但也可以利用从中心电极18到外电极12的顺时针方向。 如在图3中最佳地示出，MEA 38可以由一系列电连接的质子交换膜(PEM)电池30形成，所述质子交换膜(PEM)电池30以交替的方式联接在PEM膜36的相对侧23、33上。每个PEM电池30可以包括阳极电极32和阴极电极34，它们相互之间以间隙27分开。 在膜36的一侧23或另一侧33上每个PEM电池30与相邻的PEM电池30以间隙43分开。另外，每个PEM电池30可以通过横过间隙43的电接线25而电联接到位于PEM膜36的相同侧23或33上的相邻的PEM电池30。 当中心电极18是阳极电极时，如在图3中示出，最内侧PEM电池30的阳极电极34A电联接到中心电极18，且最外侧PEM电池30的阴极电极32B电联接到外电极12(外电极12是阴极电极)，以完成回路。 相反地，在可以想到但本文未示出的相反的布置中，当中心电极18是阴极电极且外电极12是阳极电极时，最内侧PEM电池30的阴极电极32电联接到中心电极18，而最外侧PEM电池30的阳极电极34电联接到外电极12，以完成回路。 电极(阴极电极32、32B和阳极电极34、34A)可以是催化剂层，该催化剂层可以包括催化剂微粒和离子传导材料，例如与微粒混合的传导质子的离聚物。质子传导材料可以是离聚物，例如全氟磺酸聚合物。催化剂材料可以包括金属，例如铂、钯，和金属混合物，例如铂和钼、铂和钴、铂和钌、铂和镍、铂和锡、其他的铂过渡金属合金，以及本领域中已知的其它燃料电池电催化剂。催化剂金属可以按需要被磨碎。 多种不同类型的膜可以用于本专利技术的实施例。在本专利技术的多种实施例中有用的固体聚合物电解质膜可以是离子传导材料。合适的膜的例子在美国专利No 4， 272， 353和No3， 134， 689中披露，且在Journal of PowerSources，第28期(1990) ， 367-387页中披露。这样的膜也已知为离子交换树脂膜。树脂包括处于其聚合物结构的离子组；其一个离子成分被聚合物基质固定或保持，且至少一个其他的离子成分是可移动的可替换离子，它与固定的成分静电结合。可移动离子在合适的条件下与其他离子可替换的能力赋予了这些材料的离子交换特征。 离子交换树脂能够通过将成分的混合物聚合而制备，所述成分之一包含离子组分。阳离子交换质子传导树脂的一个广泛的类型是所谓的磺酸阳离子交换树脂。在磺酸膜中，阳离子交换组是接附到聚合物骨架的磺酸组。 将这些离子交换树脂形成为膜对于本领域一般技术人员是熟知的。优选的类型是全氟磺酸聚合物电解质，其中整个膜结构具有离子交换特征。这些膜在商业上是可获得的，且商用磺酸全氟化碳质子传导膜的典型例子由E. I.DuPont de Nemours&Company以Nafion⑧为商标销售。其他这样的膜从Asahi Glass and Asahi C本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括基于高压质子交换膜的水电解器系统的产品，包括：　　具有内部区域和水入口的外电极；　　联接在所述外电极的另一个部分内的气体出口；　　联接在所述内部区域内的中心电极，所述中心电极通过直流电源电联接到所述外部电极；　　在所述内部区域内围绕所述中心电极螺旋缠绕的膜电极组件，所述膜电极组件包括多个串联电联接的质子交换膜电池，所述多个质子交换膜电池的每个联接到质子交换膜，其中所述多个质子交换膜电池的最内部的一个可以电联接到所述中心电极，且所述多个质子交换膜电池的最外部的一个可以电联接到所述外电极；和　　围绕所述中心电极缠绕且联接到所述中心电极和所述外电极的非导体分隔件，所述非导体隔膜防止所述多个质子交换膜电池之间的电接触。

【技术特征摘要】
US 2008-10-15 12/251,822一种包括基于高压质子交换膜的水电解器系统的产品，包括具有内部区域和水入口的外电极；联接在所述外电极的另一个部分内的气体出口；联接在所述内部区域内的中心电极，所述中心电极通过直流电源电联接到所述外部电极；在所述内部区域内围绕所述中心电极螺旋缠绕的膜电极组件，所述膜电极组件包括多个串联电联接的质子交换膜电池，所述多个质子交换膜电池的每个联接到质子交换膜，其中所述多个质子交换膜电池的最内部的一个可以电联接到所述中心电极，且所述多个质子交换膜电池的最外部的一个可以电联接到所述外电极；和围绕所述中心电极缠绕且联接到所述中心电极和所述外电极的非导体分隔件，所述非导体隔膜防止所述多个质子交换膜电池之间的电接触。2. 根据权利要求1所述的产品，其中所述中心电极包括阴极电极且其中所述外电极包 括阳极电极。3. 根据权利要求1所述的产品，其中所述中心电极包括阳极电极且其中所述外电极包 括阴极电极。4. 根据权利要求1所述的产品，其中所述多个质子交换膜电池的每个包括阴极电极和 阳极电极。5. 根据权利要求1所述的产品，其中所述内部部分通过金属丝网筛被分为第一内部部 分和第二内部部分，其中所述膜电极组件完全地包含在所述第一 内部部分内；禾口其中所述第二内部部分包括多个非传导球体。6. 根据权利要求5所述的产品，其中所述气体出口包括氧气出口和氢气出口 。7. 根据权利要求l所述的产品，进一步包括联接到所述水入口的用于控制水流入到所述内部部分内的止回阀，所述止回阀可从关 闭位置移动到打开位置；禾口用于测量所述内部部分内的水位的水位传感器，其中所述水位传感器联接到所述止回 阀且控制所述止回阀在所述打开位置和所述关闭位置之间的定位。8. 根据权利要求1所述的产品，其中所述质子交换膜包括磺酸全氟化碳质子传导膜。9. 根据权利要求1所述的产品，进一步包括联接到所述基于高压质子交换膜的水电解 器系统的燃料电池。10. 根据权利要求1所述的产品，进一步包括电动车辆，所述电动车辆包括所述基于高 压质子交换膜的水电解器系统。11. 根据权利要求1所述的产品，进一步包括电动车辆，所述电动车辆包括联接到权利 要求1所述的基于高压质子交换膜的水电解器系统的燃料电池。12. —种用于基于高压质子交换膜的水电解器系统的螺旋缠绕膜电极组件，所述螺旋 缠绕膜电极组件包括质子交换膜；联接到所述质子交换膜的第一侧的第一质子交换膜电池，所述第一质子交换膜电池具 有阳极电极和阴极电极；联接到所述质子交换膜的第二侧且通过所述质子交换膜电联接到所述第一质子交换膜电池的第二质子交换膜电池，所述第二质子交换膜电池具有第二阳极电极和第二阴极电 极；其中所述质子交换膜的所述第一侧与所述质子交换膜的所述第二侧相反；禾口 联接到所述质子交换膜的所述第一侧且通过所述质子交换膜电联接到所述第二质子交换膜的第三质子交换膜电池，所述第三质子交换膜电池具有第三阳极电极和第三阴极电极；其中所述第三质子交换膜电池与所述第一质子交换膜电池沿所述第一侧以间隙分隔 开；和其中所述第三质子交换膜电池通过横过所述间隙的电线电联接到所述第一质子交换 膜电池。13. —种用于从水生成氢气和氧气的方法，该方法包括(a) 形成基于高压质子交换膜的水电解器系统，该水电解器包括 具有内部区域的外电极； 联接在所述外电极的一部分内的水入口； 联接在所述外电极的另一个部分内的气体出口；联接在所述内部区域内的中心电极，所述中心电极通过直流电源电联接到所述外电极；在所述内部区域内围绕所述中心电极螺旋缠绕的膜电极组件，所述膜电极组件包括多 个串联电联接的质子交换膜电池，所述多个质子交换膜电池的每个联接到质子交换膜，其 中所述多个质子交换膜电池的最内部的一个可以电联接到所述中心电极，且所述多个质子 交换膜电池的最外部的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：DB欧威尔克尔克，NA凯利，TL吉布森，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]