用于制备高压且高纯度的气态氢的模块化电解单元的制作方法

本发明涉及通过水电解在高压下以高纯度产生气态氢的领域。因此，本发明还涉及用于执行所述电解的新型模块化电解单元以及采用该电解单元的制氢装置。

背景技术：

新的制氢技术正朝着将氢用作能源载体的方向发展。通过布置在阴极和阳极板之间的聚合物电解质膜(pem)进行水电解是一种很有前途的制氢技术，《国际氢能杂志》38(2013)第4901-4934页提供了有关pem水电解的全面综述。

美国公开的专利申请us2011/0266142a1公开了一种用于在高压下产生氢气的单元式电解装置。根据一个实施例，该设备包括压力容器、水电解单元和供水装置。水电解单元安装在容器上或容器中，并用于制备用于在高压下容纳在容器中的氢。供水装置容纳在容器内，该供水装置流体联接至水电解单元，以向水电解单元提供水的阴极供给。尽管可以用该设备产生较高压力的气态氢(高达约340bar)，但所获得的气体的纯度不高。

美国公开专利申请us2005/0115825a1涉及一种电解单元，其中水在电解质层(例如，mea)的表面上的分布得到改善。具体地，提供了一种电解单元，其包括：阳极流场板；阳极流场板；布置在阳极流场板和阴极流场板之间的电解质层；和布置在阳极流场板和电解质层之间的第一平面筛和第二平面筛，其中每个筛具有相应数量的开口并且是导电的。由于这种构造，水在电解质层的整个活性表面上更均匀地分布，这继而可导致在电解质层的活性区域上的更均匀的反应速率。产生的气态氢的压力和纯度都不高。

在文献中，已知的一个问题是通过电解制高压气态氢。典型地通过采用压力容器(请参见上文)、非常厚且笨重的端板(例如，美国专利号5,783,051)、移动活塞(例如，美国专利号7,846,307b2)、位于外部的弹簧操作的溢流阀(例如ep-0,659,218b1)、单独的加压气体如氮气(例如fr-2,466,515)、高度复杂的压力控制和调节系统(中国专利申请cn105862066a)等来确保对压力的操纵，这些仅提及一些方案。这些方案很麻烦，并且在某些情况下不足以可靠到能在没有人工监视和干预的情况下以自主方式运行。

另一个已知的问题是制高纯度的气态氢。为此，公认的实践是将h2/o2再化合器以外部再化合器的形式应用于在膜本身中或应用在位于单元内或单元外的钛熔融件的背面上。但是，这些方案均不能令人满意。特别地，膜内的再化合器将逐渐破坏膜，从而缩短其寿命。在较高的压力下，在钛熔融件上以背衬的形式施加变得不足。使用外部再化合器会大大增加h2的制备成本，需要额外的空间，而这在仪器内部是不可得的，并且甚至可能由于氢气必须通过仪器从单元流向再化合器而导致危险。

鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种新颖的电解单元。

本发明的另一个目的是提供一种电解单元，其解决与上述已知方案相关的至少一些缺点。

本发明的又一个目的是提供一种电解单元，其能可靠地处理单元内的高压差。

本发明的又一个目的是提供一种电解单元，该电解单元能够以可变生产率生产具有高纯度的气态氢。

本发明的又一个目的是提供一种基于层叠件的电解单元，尤其是具有多个电解层叠件的模块化电解单元，其可以相对简单且廉价地制造。

本发明的又一个目的是提供一种电解单元，该电解单元例如在膜元件方面具有高的灵活性(当更换单元中的膜元件时)。

本发明的又一个目的是提供一种电解单元，该电解单元能够在所需气体生产速率发生变化或甚至气态物质的种类发生变化的情况下根据需要而容易且简单地进行重构。

本发明的其他目的以及方面、特征和优点将在下面的描述中阐明。

技术实现要素：

上述目的是通过根据权利要求1所述的电解单元实现的。根据本发明的电解单元的进一步优选实施例在权利要求2至11中提出。上述目的还通过根据权利要求12的制氢装置来实现。在权利要求13和14中阐述了根据本发明的制氢装置的优选实施例。

特别地，本发明涉及能够在高压差下操作的水电解单元的新部件和新组件。它分别基于阴极和阳极侧的水(h2o)的电化学还原(2h3o 2e^-＝h2 2h2o)和电化学氧化(h2o–2e^-＝2h 0.5o2)。由于提出的技术新颖性以及模块化的结构，提出的电化学单元的结构具有高度的可扩展性和灵活性。该单元的大小/尺寸和使用的层叠件数量均可容易地放大，同时保持耐压性。集成到电解单元中的催化再化合器允许在很大的压力和h2流量范围内实现气体的高纯度。这允许本发明的电解单元在各种工业中的应用，例如化学、制药和能源工业。高压和高纯度在合成有机化学(在制药和化学工业中)和能量存储领域(尤其是在汽车领域)特别重要。

在根据本发明的水电解单元中使用的新部件之一是模块化双极板。代替常规的单项双极板，在单元中使用了两部件式双极板组件，所述组件由也分开制造的两个独立的板部件构建。在这两个部件之间，引入了环形腔室，发现环形腔室是连接相邻层叠件的通道的有效气体输送途径。两部件式设计使组装时的双极板更薄，而整个单元更轻。另外，如果由于任何原因需要，所述双极板组件的一半，即其两个部件之一可以独立于另一部件而改变，从而进一步提高了单元的灵活性。

在根据本发明的水电解单元中使用的另一新部件是h2/o2再化合器，其被集成到在两部件式双极板组件的独立/单独的部件内形成的腔室中。以大表面的网的形式提供的h2/o2再化合器通过增强任一气体与存在于其中的微量其他气体之间的催化再化合反应而有助于提高在根据本发明的电解单元内生成的气态物流(h2、o2)的纯度。

在根据本发明的水电解单元中使用的又一个新的部件是由钛(ti)熔融件(ti-熔融件)制成的定制设计和组装的电流收集器/集电器。所述ti-熔融件由涂覆有催化剂的ti粉末制成，所述ti-粉末以不同平均粒径的各自均被涂覆的ti-颗粒的形式提供，其中在通过压制浸渍有催化剂的ti-颗粒实际制造ti-熔融件之前，通过湿化学方法将纳米颗粒催化剂沉积在每个ti-颗粒的表面上。以此方式，活性催化剂的有效表面积显著增加，这导致在根据本发明的电解单元中生成的气态氢的纯度提高。

在根据本发明的水电解单元中应用的又一个新的部件是流体通道密封组件，该流体通道密封组件在布置在相邻的电解层叠件中的两个催化剂涂层膜之间提供水密密封/不透水的密封。它还提供了一种间隔元件，该间隔元件可简单地与催化剂涂层膜的实际厚度匹配。因此，在更换催化剂涂层膜的情况下，即使是在较高压力下也能实现该单元的完美密封，而无需重新制造电解单元的其他部件。

任选地在根据本发明的水电解单元内使用的又一个新的部件是在单元的两端处形成在布置于该单元的两端处的特定压力室板内的压力室。这些特殊的板从两侧提供对层叠件的自适应压力控制，从而在整个层叠件中提供了均匀的压力分布。这种结构抑制了单元主体的变形，并因此避免了内部部件之间例如催化剂涂层膜与钛-熔融件之间和/或钛-熔融件与钛-板之间的接触面积的减小。即使在升高的压力下，这也导致稳定的单元电阻。重要的是，所述压力室板的应用消除了对作为单元内的压力控制机构的任何运动部件(例如活塞或阀)或弹性塑料元件(这是当前的最新技术)的需求。此外，与任何外部压力控制不同，使用所述压力室板本质上是安全的，因为形成在所述压力室板中的压力室中的压力永远不会高于在电解层叠件中产生的压力。然而，已经发现，为了确保与压力无关的电化学特性/性能，必须成对使用压力室，即，在根据本发明的电解单元的阴极侧存在一个压力室，且在根据本发明的电解单元的阳极侧存在另一个压力室。

附图说明

在下文中，参考附图详细描述本发明，其中：

–图1是根据本发明的电解单元的一个具体的示例性实施例的完整透视图，该电解单元具有三个电解层叠件，这些电解层叠件用于在高压下以高纯度由水生成气态氢；

–图2是图1所示的示例性电解单元的局部分解图；

–图3a和图3b分别示出了图1的示例性电解单元的沿线a-a和b-b截取的各剖视图；

–图4a和4b分别示出了单元中使用的中间电解层叠件的沿a-a和b-b(见图1)截取的各剖视图，该电解层叠件基本上由彼此相邻布置的第一两部件式双极板组件的第一部件和第二两部件式双极板组件的第二部件构件；

–图5示出了两部件式双极板组件，该组件在多个不同的视图中形成电解单元的中间电解层叠件(层叠件n 1)的第一部分和电解单元的相邻的中间电解层叠件(层叠件n)的第二部分，特别地，插件(a)是组件的分解图，插件(b)是第一部分的俯视图，插件(c)是第一部分的仰视图，插件(d)是第二部分的仰视图；

–图6是沿图1的线a-a截取的两部件式双极板组件的局部放大剖视图，该图示出了流动通道和腔室的系统，水通过这些流动通道和腔室引入电解单元内的发生电解并因此生成氢的位置；

–图7示出了在电解单元内使用的通道密封组件的剖视图，该通道密封组件确保了两个相邻的电解层叠件中所布置的两个催化剂涂层膜之间的密封，并提供可待与所述膜的厚度匹配的可调节的间隔元件；

–图8分别以从插图(a)和(b)中的底部和顶部的方向看的透视图示出了阴极侧(顶部)压力室板；

–图9是沿图1的线a-a截取的阴极侧(顶部)压力室板的剖视图；

–图10示出了在根据本发明的电解单元中使用的定制设计且由钛制成的弹簧；

–图11示出了根据本发明的包括不同数量的电解层叠件特别是一个“插图(a)”层叠件、三个“插图(b)”层叠件和六个“插图(c)”层叠件的电解单元的电流/电压特性；

–图12示出了根据本发明的包括不同数量的电解层叠件特别是一个“插图(a)”层叠件、三个“插图(b)”层叠件和六个“插图(c)”层叠件的电解单元的h2生成性能/特性；

–图13a基于本发明的电解单元的电化学阻抗谱测量结果示出了在具有(星形)和不具有(实心正方形)压力室板的情况下的单元电阻随单元电压的变化；

–图13b示出了在1bar至100bar范围内的各单元压力下，根据本发明的3个层叠件式电解单元在没有ir补偿的情况下、在室温(25℃)下的单元工作电压；

–图14示出了在根据本发明的电解单元中用作h2/o2再化合元件的pt涂覆的ti网的、以逐渐增大的放大倍数拍摄的扫描电子显微镜图像；

–图15是在根据本发明的电解单元中用作层叠件的钛-熔融件元件的材料的裸钛-熔融件(图像a)和镀铂的钛-熔融件(图像b、c和d)在不同放大倍率下的顶视图扫描电子显微镜图像；最后

–图16是包括根据本发明的电解单元的示例性制氢装置的示意图。

具体实施方式

图1至图3示出了根据本发明的电解(电化学)单元100的示例性实施例，该电解(电化学)单元100用于通过引入到所述单元100中的水的电解来制备高压且高纯度的气态氢。特别地，图1是单元100的透视图，而图2以及图3a和3b是局部分解图，它们分别示出了图1中所示的所述电解单元100的沿a-a线的剖视图和沿b-b线的另一剖视图。为了进一步参考，图3a的剖视图显示了单元100内的h2输送通道结构，而图3b的剖视图显示了水/o2输送通道结构。此外，在图1至图3中，为了简单和清楚起见，提供了电解单元100的一个实施例，其包括三个电解层叠件24，所述三个电解层叠件24彼此(上下/叠置地)相邻布置并通过通道密封组件13彼此流体/气体连接。然而，从对单元100的以下详细讨论中将清楚的是，可以利用基本上任何数量的n个电解层叠件来实现该单元。然而，根据实际考虑，人们选择数字n为至少一个且至多二十个，优选地至多十五个，更优选地至多十个；特别地，在单个电解单元100中，所应用的层叠件的数量n优选地为1至10个，更优选地为3至8个。

如在图1和图2中可以看到的，电解单元100是模块化结构，所包括的各种部件由具有不同功能的板状元件提供。板状部件可以具有任意的平面形状，在图1所示的示例性实施例中，这些部件是基本上圆形的。在下文中，术语“纵向”是指基本上垂直于所述板状部件的表面平面的方向。因此，如图2所示，板状部件设有沿纵向方向的多个通孔。所述通孔中的一部分用作用于接纳螺栓20的内孔23，所述螺栓用于将所述部件组装到电解单元100中并且然后借助于垫圈19和拧在插入到相应内孔23中的螺栓20上的螺母21以密封方式连接所述部件。也彼此正确地对准并借助于可插入通孔中的特定通道密封组件13(在下面详细介绍)被密封的其余的所述通孔用于形成单元100内的水/o2和h2输送通道结构的纵向流通部分/纵向流动穿过部分，以便用于将水引入每个电解层叠件24中，以及从每个层叠件24排出过量的水和气态氧和在电解反应后从每个层叠件24排出气态氢，并且因此水的分解发生在单元100内设置的所有层叠件24中。

根据本发明的电解单元100用于通过电解使水分解并因此制备气态氢。为此，单元100包括一定数量的n个电解层叠件24，这些电解层叠件彼此相邻地布置并通过水/o2和h2输送通道结构的纵向部分彼此流体/气体连通。因此，电解单元100包含由电解层叠件24构成的系列24'，该系列包括相互连接的中间层叠件和两个边缘层叠件，边缘层叠件在所述系列的每一侧各一个。中间层叠件和边缘层叠件具有基本上相同的结构(见下文中的细节)。每个电解层叠件24均由相邻布置的第一两部件式双极板部件25的第一部件25a和第二两部件式双极板组件25'(未完整示出)的第二部件25b构成，如分别沿a-a和b-b(见图1)截取的各剖视图4a和4b所示。

参照图1至图3，层叠件24/由层叠件构成的系列24'形成单元100的核心结构元件，其沿纵向方向从其相对侧被夹设在用于将电流引入电解所需的单元100中的阳极板9和阴极板4之间。此处，阴极板4和阳极板9实际上由边缘层叠件的最外层金属板部件形成，但在其他构造中，当组装电解单元100时也可采用单独的阴极/阳极板，所述单独的阴极/阳极板紧挨两个边缘层叠件的最外层金属部件布置。

在单元100的阴极侧，在所述阴极板4上配置有阴极绝缘板3，在阴极绝缘板3上布置有带有压力室的(顶部)压力室板2，并且阴极侧端板1在该系列板状部件中完成该单元100。端板1设置有与单元100的水/o2和h2输送通道结构流体/气体连通的适当的开口。所述开口由至少一个水入口1b、至少一个水/o2出口1b’和至少一个氢气(h2)出口1a形成。

在单元100的阳极侧，阳极绝缘板10布置在所述阳极板9上，带有压力室的(底部)压力室板11布置在阳极绝缘板10上，并且阳极侧端板12在该系列板状部件中完成该单元100。

为了确保处于组装状态的电解单元100在高压下的水密气密结构/不透水且不透气的结构，存在沿相互连接的流通通道在所述板状部件之间布置在单元100中的适当的密封机构，根据需要，所述密封机构优选呈o形环16、17、18、密封环6和通道密封组件13的形式。大多数密封机构是本领域技术人员已知的，下面将参照图7详细讨论新颖的密封机构。

图4a和4b分别在图1的a-a和b-b截面中同时示出了一个电解层叠件24的组件以及一个双极板的组件25。单个电解层叠件24包括(按图1中从单元100的阴极侧到阳极侧的顺序)：双极板组件25的第一(底部)部件25a、由ti制成的定制弹簧22、定制的ti-熔融件15、催化剂涂层膜5、另一定制的ti-熔融件14和双极板组件25的第二(顶部)部件25b。

第一部件25a在该层叠件中(即，在当考虑单元100中的整个层叠件系列时的层叠件i中)充当阴极。第一部件25a设有气体通道28(见图6)，该气体通道28被机加工、特别是cnc铣削到所述第一部件25a的表面中；气体通道28通过腔室26将产生的h2气体引导至h2通道结构。应注意，双极板组件25的第二部件25b在上方的层叠件中(即层叠件i-1中)中充当阳极。

如图10所示，定制的ti弹簧22包含波纹部22a和孔洞22b，以同时确保适当的接触和气体流动。弹簧22通过如下方式由具有给定厚度的钛箔制成：首先以规则的图案和密度在箔中切割出孔洞，然后优选以为箔的厚度的约两倍大的幅度将箔压成波状。

定制的ti-熔融件15用于将双极板组件25和催化剂涂层膜5连接。

催化剂涂层膜5设置有位于阴极侧上的pt/c；优选由例如全氟磺酸(nafion(dupont))制成的质子传导膜；和在阳极侧上的ir/irox催化剂。为了避免氢气从催化剂涂层膜5的边缘泄漏，采用了基于o形环16的密封技术。催化剂涂层膜5是可商购的(例如由德国格平根的quinteche.k.生产)。

为了实现电解层叠件24内的压力管理，在单元100的组装状态下，所述ti弹簧22将ti-熔融件15持续地压到催化剂涂层膜5上，从而在ti-熔融件15与催化剂涂层膜5之间提供实际上恒定大小的接触面积。这样，当单元100工作时，可以长期维持高的h2产生率。

定制的ti-熔融件14用于连接双极板组件25和催化剂涂层膜5。

第二部件25b在该层叠件(即，层叠件i)中用作阳极。第二部件25b设置有气体通道29(参见图6)，该气体通道29被机加工、特别是cnc铣削到该第二部件的表面中；气体通道29经由被cnc铣削到所述第二部件25b的表面中的腔室26将产生的o2气体(和残余的水)引导至水/o2通道结构。应注意，双极板组件25的第一部件25a在下方的层叠件中(即，在单元100内的整个层叠件系列中的层叠件i 1中)充当阳极。

在传统上用于电解单元中的钛-熔融件型电流收集元件中，活性再化合催化剂的有效表面积非常有限。在这种单元的操作过程中，在较高的压力下，实际上在超过约30bar的压力下，越来越多的氢通过催化剂涂层膜到达膜的氧侧。因此，氢和氧的再化合变得越来越困难，并且如目前的标准做法那样，在熔融件型电流收集元件的背面上施加简单的涂层(镀层)不能解决该问题。

根据本发明，催化剂浸渍的ti-熔融件于双极板组件25的催化剂涂层膜5与第一/第二部件之间设置在该催化剂涂层膜的阴极侧和阳极侧两者上，充当了该单元中的电流收集板。ti-熔融件14、15是由涂覆有催化剂的ti-颗粒的粉末定制制成的。使用三种不同的ti粉末，典型的平均粒径为50微米、100微米和250微米。通过湿化学方法将催化剂(pt、pd、不同的pd-pt合金)沉积在ti颗粒的表面上(参见图15a的扫描电子显微镜图像)。催化剂是纳米颗粒的，并且它们的粒径由还原剂(例如nabh4)和金属前体(例如，在pt的情况下为ptcl6^2-)的浓度控制。随后，由具有不同粒径的粉末压制成熔融件。当将如此获得的熔融件布置在用于根据本发明的电解单元100的层叠件中时，使ti-熔融件的具有最小粒度的侧面与催化剂涂层膜接触，而使ti-熔融件的具有最大的ti-颗粒的侧面与双极板组件25的由ti制成的所述部件25a、25b接触。由于所有的ti颗粒在制成熔融件之前都被涂覆了纳米结构的催化剂，因此与仅涂覆ti-熔融件背面(即，不是可能发生半体积/准体积的再化合的表面再化合)的制备情况相比，与气体流的接触面积要大得多。在图15b至15d的扫描电子显微镜图像中以不同的放大倍数示出了使用涂覆有催化剂的ti颗粒压制的熔融件。

图5以各种视图示出了根据本发明的两部件式双极板组件25，其具有第一和第二部件25a，25b，该第一和第二部件分别形成中间电解层叠件24(层叠件i 1)的第一部分和相邻的中间电解层叠件24(层叠件i)的第二部件。特别地，插图(a)是组件25的分解图，插图(b)是第一部件的俯视图，插图(c)是第一部件的仰视图，插图(d)是第二部件的仰视图。这里，所述第一部件25a实际上对应于层叠件的布置为从阴极板4起的第二个的h2侧电流收集板8，而所述第二部件25b对应于相邻层叠件的布置为从阴极板4起的第一个的o2侧电流收集板7。图中还示出了以密封位置布置在所述双极板组件25的相应部件中的一些o形环16和通道密封组件13。

图6是沿图1的线a-a截取的两部件式双极板组件25的局部放大剖视图。组件25由第一部件25a和互补的第二部件25b制成，该第一部件和第二部件实际上分别为相邻的两个电解层叠件的h2侧电流收集板8和o2侧电流收集板7，所述相邻的两个电解层叠件经由所述层叠件的相应通道密封组件13的流动通道13b彼此流体/气体连通。由第一和第二部件25a，25b界定的腔室26连接到流动通道13b，以提供流体连通。因此，在双极板组件25的组装状态下，在该双极板组件中形成了包括通道密封组件13的流动通道13b和腔室26的流动路径，水经由该流动路径而(沿虚线箭头)被引入到在ti-熔融件15处的气体通道28中，在ti-熔融件15处发生电解并因此产生氢。

双极板组件25的部件25a，25b由ti制成。首先切割具有适当尺寸的所述部件的板，然后小心地抛光。随后，通过精密cnc铣削来形成腔室26、气体和液体通道28、29、13b以及用于容纳o形环16的凹槽16a。

最重要的是，所述腔室允许将功能单元集成到根据本发明的电解单元100中以进行气体(o2或h2)处理，否则该处理必须在单元外进行。例如，为了提高气体流(o2和h2两者)的纯度，可将至少一个h2/o2再化合器30(符合2h2 o2＝2h2o的作用)置于腔室26中，该至少一个h2/o2再化合器呈具有大表面的惰性金属网的形式，该惰性金属网涂覆有纳米结构的贵金属催化剂，优选涂覆有电沉积/电镀的铂(pt)、钯(pd)或pd/pt合金(涂层厚度为0.05mg/cm²至1.0mg/cm²，并且用以完成ptcl6^2- 4e^-＝pt 6cl^-的催化反应。所述网本身例如由ti制成，但它也可由任何其他金属如镍(ni)、铌(nb)等制成，但用于制造所述网的金属具有不同的网密度特性。h2/o2再化合器30被集成到阳极和阴极电路两者中，以通过如此方式分别提高所制成的o2和h2流的纯度，即通过使另一种气体对应物的微量痕量反应(从而形成水)的方式。将h2/o2再化合器30集成到单元100中是进一步有益的，因为升高的工作温度(60℃)和单元的压力提高了催化再化合反应。涂覆有pt的ti-网式h2/o2再化合器的扫描电子显微镜(sem)图像以逐渐增大的放大倍数显示在图14中。

图7示出了在电解单元100中使用的流体通道密封组件13的剖视图。通道密封组件13确保布置在两个相邻的电解层叠件24中的两个催化剂涂层膜5之间的适当密封。还可提供可与所述膜的厚度简单匹配(通过替换它)的可调节的间隔元件，如果在更改催化剂涂层膜的情况下(例如，在拆卸然后重新组装单元100的情况下)，待使用的催化剂涂层膜的厚度可能与被替换的催化剂涂层膜的厚度不同。特别地，不同的催化剂涂层膜通常具有不同的厚度，并且不同的催化剂涂层也导致催化剂涂层膜5具有不同的厚度。但如果单元100中的水/o2和h2输送通道用简单的o形环密封，则该o形环的尺寸必须与由催化剂涂层膜5的厚度确定的距离(通常为50-400微米)相匹配。如果例如必须在电解单元100中安装新型的催化剂涂层膜5(不同的应用目的：高压、高纯度、低电阻等、新的供应商等)，则单元100的所有金属组件例如像端板、电流收集板等都必须重新制造，以确保在较高压力下不会泄漏。为避免这种情况，将简单的o形环替换为通道密封组件13，该组件由简单的塑料主体13a(例如peek或zx-100)制成，具有纵向开口端通道13b和两个o形环17，当通道密封组件13布置在其位于单元100内的位置中时，这两个o形环围绕通道13b布置在塑料主体13a的边缘处(一个在顶部，另一个在底部)。通道13b用于在相邻的电解层叠件24之间输送液体。在此，塑料主体13a的厚度(或高度)必须/可以适应于/迎合布置在给定的电解层叠件24中的催化剂涂层膜5的厚度。单元100的所有其他部分保持不变。这允许将根据本发明的电解单元100与不同厚度的催化剂涂层膜5一起使用。通过简单的cnc铣削来制造其中具有通道13b的塑料主体13a。定制设计的通道密封组件13用于密封以流体/气体方式将各个层叠件24彼此连接的通道。

与现有技术的方案相比，根据本发明的通道密封组件13的应用确保了单元100在用过的催化剂涂层膜5方面具有空前的灵活性，因为替换催化剂涂层膜5不需要重新制造单元100的其他部件。此外，通道密封组件13的这种设计还确保了催化剂涂层膜5的不透水的密封。此外，所述通道密封组件13还用作电解单元100中的加强件。

图8分别以从插图(a)和(b)的底部和顶部看的透视图示出了阴极侧(顶部)压力室板2。图9是沿图1的a-a截面的所述压力室板2的剖视图。压力室板2在其面向单元100中的电解层叠件的表面上设有凹部，即压力室2b。为了完成h2通道结构，压力室2b经由通孔2a与在阴极侧端板1(图1)中形成的h2出口1a气体连通。压力室2b和通孔2a被均等地机加工、优选地数控(cnc)铣削到压力室板2的所述表面中。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，压力室2b及其连通通孔2b也可直接形成在端板1的相应表面中。在阳极侧端板12处布置有具有压力室11b(见图3b)的压力室板11，压力室板11在设计上与压力室板2相似，但是其中没有形成连通孔。

除了操作所需的部件之外，两个压力室板2、11是单元设计中包括的可选元件。这些特殊的元件，或者说是(存在于压力室板中或者在结构中去掉压力室板的情况下直接存在于所述端板中的)压力室从两侧对层叠件进行自适应/适应性压力控制，从而在整个层叠件上提供均匀的压力分布。重要的是，既不使用运动部件(例如活塞或阀)也不使用弹性塑料元件来实现自适应压力控制。此外，与任何外部压力控制不同，在电解单元内的端板上施加/采用/应用压力室本质上是安全的，因为这些室中的压力永远不会高于在电解层叠件中产生的压力。然而，为了确保不依赖压力的电化学特性，发现这两个压力室均是需要的。

这种新颖的构造消除了电解层叠件的变形，因此避免了催化剂涂层膜/ti-熔融件、ti-熔融件/ti-板之间的接触面积的减小。即使在升高的压力下，这也导致稳定的单元电阻，如在图13a中所示的那样，图13a示出了在根据本发明的电解单元具有压力室(星形)和不具有压力室(实心正方形)的情况下的单元电阻随单元压力的变化。在这里，绘制的单元电阻值是从在开路电压下以10mv的电势调制幅度收集的电化学阻抗谱数据中提取的。在十个不同的压力值(1-100bar)下记录了完整的电化学阻抗谱，这是通过在外部用h2填充单元获得的。从该图可以看出，在没有压力室的情况下，当压力从大气压增加到100bar时，电解单元的电阻从0.08ω增加到1.2ω，而在所述压力室向层叠件明显施加反压的情况下，单元电阻几乎恒定。当仅施加一个压力室时(在单元的阳极侧或阴极侧)时，仍然可观察到一些改进，但若要完全避免层叠件的变形，则这两个压力室均是必须的。

单元的恒定电阻导致即使在较高的压力值下也可实现节能运行，并且在施加压力室时无需建立外部压力。在图13b中对前者进行了说明，该图显示了在未对于1.25acm^-2的电流密度下操作的电解单元的内阻进行补偿(即ir补偿)的情况下，根据本发明的3个层叠件式电解单元在室温(25℃)下的性能(操作电压)随建立的在1bar至100bar的范围内的压力差(即，催化剂涂层膜的阴极侧和阳极侧之间的压力差)的变化。清楚可见，所需的单元电压不随压力而变化。

为了说明根据本发明的电解单元的操作，根据所施加的电压监测流过单元的电流。图11示出了根据本发明的电解单元在1atm的压力下的电流/电压特性，该电解单元包括多种不同数量的电解层叠件，特别是一个[图(a)]、三个[图(b)]、和六个[图(c)]层叠件。进给的水固定为0.5l/min。实验在室温(25℃)下进行，没有ir补偿。单元的电压以图中所示的速率扫过。催化剂涂层膜的面积为每个层叠件60cm²。此外，图12示出了根据本发明的包括各种数量的电解层叠件的电解单元的h2生成性能/特性，电解层叠件的数量特别是一个层叠件[图(a)]、三个层叠件[图(b)]、和六个层叠件[图(c)]，(每个层叠件45cm²)。记录h2流量随所施加电压的变化。进给的水固定在0.5l/min。实验在室温(25℃)下进行，催化剂涂层膜的面积为每个层叠件60cm²，并且没有对单元的内阻进行任何补偿。

图中的曲线是在不同的电压扫描速率(即电压变化的速度)下记录的。曲线的几乎完美的重叠证明了单元的良好性能(即没有发生质量输送限制)，而与所采用的电解层叠件的数量无关。该性能证实了根据本发明的电化学单元的电子、几何和机械属性确保了在单个层叠件和多个层叠件构造中的优异性能。

图16示意性地示出了根据本发明的简单的示例性制氢装置200。制氢装置200包括水源，这里是水储罐105，以连续地供应水作为原料，用于通过在根据本发明的电解单元100中发生的电解来制备氢。水储罐105通过合适的管道系统与电解单元100流体连通。如本领域技术人员所清楚的，储罐105还可经由所述管道系统一次同时地或以成批的模式一个接一个地供应多于一个的电解单元。特别地，参考图1，水储罐105通过合适的管道101连接到电解单元100的水入口1b。水储罐105根据实际耗水率通过单独的入口连续地或周期性地充满水。向单元100中的水的进给以及进给速度本身由插入管道101中的泵wp控制。可选地，为了调节进给到单元100中的水的温度，也可在管道101中插入热交换器he。为了收集与离开电解单元100的氧混合的过量的水，水储罐105还通过管道102与电解单元100的水/氧气出口1b'流体连通。因此，过量的水被回收到储罐105并被再循环。与过量的水一起进入储罐105的氧气积聚在储罐105的顶部区域中，并且不时地通过单独的氧气出口从储罐105中排放；该排放也可连续进行。

通过操作泵wp，水从水储罐105被供给到单元100的阳极侧。然后，水在电解层叠件的阳极隔室中被氧化(在此发生h2o-2e^-＝2h 0.5o2的过程)，并且过量的水通过o2/水通道循环回到水储罐105中，该o2/水通道穿过电解单元、连接各个电解层叠件、并且最后通过出口1b'通向管道102。通过使从相应阳极侧输送通过涂覆有催化剂的阳离子交换膜的h3o 离子还原(通过2h3o 2e^-＝h2 2h2o过程)来在所述层叠件的阴极室中生成h2气体。如此生成的h2气体经由单元100内的h2通道离开层叠件，然后经由该(一个或多个)氢出口1a离开单元100而进入管道103，该管道103可根据需要将气态氢输送到进一步处理的地方，即可选地用于干燥的地方。尽管如此，在此应注意，由于生成h2气体的方式以及根据本发明的电解单元的构造(例如，在电解单元内施加压力室板)，所获得的氢气的纯度非常高且无杂质。所获得的氢气实际上包含一些水蒸气。为了去除水含量，将h2气体分别在机械式水分离器110和热式水分离器120中进行机械和热水分离。为此，h2气体通过管道103被输送到机械式水分离器110，然后被输送到热式水分离器120。在所述机械式水分离器110中，液相水与气态氢机械分离。在所述热式水分离器120中，气态氢被冷却到其露点以下，并且剩余的水由此冷凝。热式水分离器120优选地被实现为珀耳帖冷却器。从分离器120排出完全脱水的气态氢(具有99.99％的高纯度)。随后，纯h2气体通过质量流量控制器mfc输送给用户，质量流量控制器mfc确保了所需的压力和流速。此外，还存在多种不同的安全线路，所述安全线路具有适当地设计的安全阀/减压阀rv1、rv2，用于在发生任何故障的情况下排放h2。在图16中，为了便于理解，如在图16本身中所指示地，用不同类型的线来表示用于运输氢、水和氧的路线。

简要总结

从上面的详细讨论中可以清楚地看出，本发明提供：

·h2(阴极)侧相对于o2(阳极)侧(其通常保持在1atm的压力下)的可控的压力差(1-130bar)；

·可控的h2制备速率(取决于大小/尺寸/粒径和所施加的电流密度，每个层叠件20-5000cm³)；

·电解层叠件的尺寸和/或数量的在大范围内的可变化性，电解层叠件的数量可在1个到10个之间变化，优选在3个到8个之间变化；

·层叠件中催化剂涂层膜的应用，其中该膜是阳离子交换膜，阴极催化剂是pt/c，阳极催化剂是ir/irox；

·使用常规和定制设计的o形环和o形环组件的复杂密封机构的应用；

·特定的通道密封组件在单元中的采用，该通道密封组件的高度可调节，以便：(i)提供用于在各电解层叠件之间输送水/氢/氧的密封的气体和液体通道；以及(ii)使得能够使用/更换掉或使用/更换为具有宽范围的厚度(即厚度不同)的催化剂涂层膜，从而在根据需要重构电解单元方面提供高度的灵活性；以及(iii)在单元内充当加强件；

·与相应端板相邻的特定(顶部和底部)压力室板/压力室的施加/应用，这些压力室在层叠件上提供在单元内部产生的、完全相同的压力，从而避免了层叠件的机械变形，这允许在高压下以及在不降低h2流速的情况下的优秀的h2制备性能；

·由两个部件组装而成的双极板组件的使用，这允许所述板更薄，因为可以创新的方式将流动通道集成到板的体积中，就是说，无需构造多个贯通通道；此外，可在双极板内部引入腔室，该腔室一方面用作流过气体和液体(即水)的通道，但另一方面可将功能部件容纳在单元的内部；

·h2/o2再化合装置可整合到在所述双极板中形成的所述腔室中，以提高气体纯度，而无需在电解单元之外的其他装置；

·使用定制设计的气体扩散层，其呈由ti-颗粒压制而成的ti-熔融件的形式，所述ti-颗粒在压制之前涂覆了h2/o2再化合催化剂，以允许气体流中的量少的组分与量大的组分反应形成水，从而生成高纯度(99.99％)的h2。

此外，对于本领域技术人员还显而易见的是，本发明的方案，无论是单独考虑还是以任何组合考虑，均不限于示例性实施例(即，用于制气态氢的电解单元)，而是也可应用于例如制氧装置和其他电化学设备(如燃料电池)。