本發明涉及用于通過電化學方法從水中生成氫氣的水電解領域。
背景技術：
1、氫氣是寶貴的工業氣體，廣泛用于制造氨肥、甲醇和其他有用的化學品，以及在石化工業中用于重質烴的加氫。近年來，氫氣越來越多地被用作燃料，因為它燃燒清潔，唯一的副產品是水，并且不排放二氧化碳或其他溫室氣體。氫動力燃料電池越來越多地被用于在車輛和其他應用中生成電移動性。
2、氫氣可以在稱為電解的過程中使用電力從水中生成，該過程于1789年首次被證明，第一臺工業電解器出現在1888年。水電解是一個概念簡單的過程，其中在兩個電極之間施加電流并且水被電化學拆分成在陰極生成的氫氣和在陽極生成的氧氣。補償離子電流在電解質介質中的電極之間流動。
3、用于液態水的電解的最常用的方法是堿性水電解(awe)，采用強堿性電解質和由非貴金屬(諸如鎳或鎳鐵合金)制成的經濟高效的電極。
4、awe使用強堿性電解質，諸如溶解在高純度去離子水中的高濃度氫氧化鉀(koh)或氫氧化鈉(naoh)。雖然koh和naoh是廉價的試劑，但它們的溶液會強烈吸收大氣中的二氧化碳，從而導致碳酸鹽的形成，這降低了電解性能。此外，koh和naoh溶液具有強腐蝕性，并且其使用要求電解器和支撐系統由高質量的耐腐蝕材料制成并且需要格外小心以避免koh與環境和人員接觸。
5、一些awe系統中的電極必須由長度可以為幾毫米的間隙隔開，以防止電極處生成的氫氣與氧氣的交叉。電極之間的間隙中的離子電阻在過程中造成極化和顯著的ir損耗。更先進的awe方法在電極之間使用固體間隔物，例如由聚砜和氧化鋯(諸如ziffron膜)制成的間隔物，這消除了間隙，但引入了附加的成本和電阻。一般而言，awe無法在高差壓下操作，因為氧氣和氫氣在電極之間交叉并混合，因此要求在生產后對氫氣產物進行壓縮。
6、用于水電解的另一種常見方法是質子交換膜水電解(pemwe)，該方法基于質子傳導固體電解質膜。pemwe系統被饋送超純水，其ph值可以是中性ph。但是，陽極處的中性水氧化為氣態氧的過程中生成強酸，其腐蝕性甚至比koh或naoh更強。這種強酸會腐蝕用于將pemwe池連接成堆的雙極板并降級系統的性能。為此，連接成堆的pemwe池要求由鈦合金或鍍金鋼制成的昂貴的耐酸雙極板，以防止酸腐蝕。
技術實現思路
1、簡而言之，本發明包括用于水電解的裝置、池和池堆，其中電解質和電極被分隔在密封的隔室中，并通過多孔的、不可潤濕的氣體和蒸汽可滲透界面與水原料(waterfeedstock)隔開。因此，電化學反應由來自穿過不可潤濕的界面并在密封隔室中冷凝的液態饋水的水蒸氣來供給。由電解生成的氫氣和氧氣在相反方向上移動，穿過不可潤濕的界面，并離開密封的反應隔室。
2、密封隔室處于高壓下，從而促進產生的氣體逸出密封隔室并允許產生加壓的氫氣。
3、本發明還提供了集成電極結構及其制造方法，以及實現位于密封隔室內的電化學活性金屬電極與位于密封隔室外的電流承載結構(雙極板或預電極)之間電連接的其他方法。
4、本發明的裝置可以既可以用于awe又可以用于pemwe。
5、當用作awe系統時，本發明的裝置和方法使用awe中常用的部件—koh或naoh電解質和非貴金屬電極—同時消除了awe的大部分缺點：
6、i.允許使用低質量和純度的水原料，包括海水(低品質水)，從而消除了對高純度水以及相關聯的脫礦系統和成本的需求。
7、ii.消除了在密封反應隔室外處置高腐蝕性堿性氫氧化物，從而允許所有饋送、輸出和其他輔助系統都由經濟實惠的材料制成并降低了濃縮的koh或naoh溶液的健康、安全和環境風險。
8、iii.允許直接在電解器中生產高純度和高壓氫氣產品，從而降低了后處理的成本。
9、iv.消除了koh或naoh溶液與大氣的接觸，從而導致減少的二氧化碳吸收和改進的性能。
10、v.降低電極間間隔物的電阻，從而降低電ir損失并允許在更高電流密度下操作。
11、當用作pemwe系統時，本發明的裝置和方法使用pemwe中采用的常用的部件—膜、催化劑電極材料和多孔運輸層(ptl)—通常組裝成膜-電極組件(mea)—同時消除了一些pemwe缺點：
12、i.消除了陽極生成的酸向雙極板(bpp)的泄漏，從而允許使用諸如不銹鋼之類的廉價材料構造bpp。
13、ii.允許使用低品質水原料，從而消除了對高純度水以及相關聯的脫礦系統和成本的需要。
1.一種具有密封隔室的水電解池，包括：
2.如權利要求1所述的電解池，還包括位于所述密封隔室內部的所述第一電極與所述第二電極之間的間隔物。
3.如權利要求1所述的電解池，還包括預電極，所述預電極位于所述密封隔室外部并與所述第一電極和所述第二電極電接觸。
4.如權利要求1所述的電解池，還包括預電極，所述預電極位于所述密封隔室外部并經由導電釘與所述第一電極和所述第二電極電接觸。
5.多個如權利要求1所述的電解池，經由雙極池電連接并且被布置在電解堆中。
6.一種集成電極結構，包括：
7.如權利要求5所述的集成電極結構，其中所述突起通過所述多孔不可潤濕的界面的所述孔隙被電鍍。
8.如權利要求5所述的集成電極結構，其中所述突起通過所述多孔不可潤濕的界面的所述孔隙被無電鍍。
9.一種具有密封隔室的水電解池，包括：
10.如權利要求9所述的電解池，還包括位于所述第一集成電極結構與所述第二集成電極結構之間的間隔物。
11.多個如權利要求9所述的電解池，經由雙極池電連接并且被布置在電解堆中。
12.一種具有密封隔室的水電解池，包括：
13.多個如權利要求12所述的電解池，經由雙極池電連接并且被布置在電解堆中。