CN1243551A

CN1243551A - 电化学槽和电化学系统

Info

Publication number: CN1243551A
Application number: CN98801666A
Authority: CN
Inventors: 安德鲁·T·B·斯图尔特; 雷纳·G·拉尚斯; 克里斯·T·鲍恩
Original assignee: Electrolyser Corp Ltd; Stuart Energy Systems Corp
Current assignee: Electrolyser Corp Ltd; Hydrogenics Test Systems Inc
Priority date: 1997-01-03
Filing date: 1998-01-02
Publication date: 2000-02-02
Also published as: WO1998029912A3; BR9806831A; JP2001507406A; NZ336574A; WO1998029912A2; AU5544898A; EP1012893A2; US6080290A; CN1519394A; US6395154B1; US6383347B1; AU734556B2

Abstract

本发明涉及这样的电化学槽和电化学系统,它们采用了以下又称之为双电极板(DEP)的用来电连接两个相邻槽舱的单块电极板,并且其中电流在电极中平行于电极的工作表面流动。在这里所公开的槽设计中,各个槽被组装成一个相连的槽堆,看来类似于用双电极板实现相邻槽之间的电连接的压滤型电化学槽。按照本发明的一个方面,提供了一种单极多堆电解槽(MSE),其中用平面双电极板连接相邻槽堆中的槽。槽的单极特性通过提供空气隙而被保持,该空气隙把由各个双电极板连接的各个相邻槽堆隔离开来。按照本发明的另一个方面,提供了一种利用折迭双电极板来连接单个槽堆中的相邻槽的单堆电解槽(SSE)。在该SSE中,有一个隔离壁把被双电极板连接的相邻电极对组件的槽舱分开。按照本发明的另一个方面,提供了用能提供紧密液封的人造橡胶材料做成的电解液循环框。在多堆电解槽中还在每个槽堆的两端提供了刚性容槽,它们除了为来自不同槽堆的电解液提供混合场所之外还提供了结构上的刚性。

Description

电化学槽和电化学系统

本发明的领域

本发明涉及电化学槽和电化学系统的设计，较具体地涉及适用于单堆和多堆电化学系统的电极支撑板。

本发明的背景

电合成是一种化学反应生产方法，该化学反应由让电流，典型地让直流电流(DC)，通过位于一个阳电极与一个阴电极之间的电解液来驱动。电化学槽用于化学反应，它包括浸没在电解液内的一些阴、阳电极，并且由外部电源产生流过这些电极之间的电流。不存在寄生反应时，反应产率将正比于电流的大小。例如，在液体碱性水电解槽中，直流电流(DC)在两个位于水电解液中的电极之间流过，把水(反应剂)分解成两个成份的气体产物；氢和氧，它们分别在两电极的表面上生成。

为了达到预定的产率，将涉及到增大工作电流密度与增加电解槽数目之间的权衡。由于电解过程的物理特性，电流密度愈大，则每单位产量的能耗将愈高，所以电解槽设计者面临的权衡将是准备承受因槽数增多而增大的成本，还是准备为因能量效率的降低而支付较高的操作费用。增大电流密度还将导致更严格的操作条件，例如较高的电解液温度将要求额外的设计和成本。权衡的最终决定将根据一些外部因素分别对各个具体情况分析而定，这些外部因素中电费是一个重要考虑。

在普通的双权电解槽中，电压施加在一堆电极板的端电极之间。电解时一侧的电极板起阳极作用并产生氧气，另一侧则起阴极作用并产生氢气。这里关于电流的关键是，电流是垂直于电极平面(由产生气体的电极表面所定义的电极平面)地流经电极堆的，并且重要的是，电流被限制在槽堆之内。电极中的电流从电极的所有边缘流向电极板的中央。

在目前商业上广泛使用的普通的单极槽设计中，一个槽或一列(平行的)槽被含在一个功能性电解槽、或一个槽舱、或单个槽箱内。因此，每个槽由一个位于各槽箱内的电极对组件构成，其中每个电极对组件中的各电极对互相并联，起着单个电极对的作用。对槽的连接是用一个互连总线杆通过有限面积的接触实现的，如授予A.T.Stuart(斯图亚特)(1930)的加拿大专利NO.302,737中所公开的那样。利用位于各个槽箱之间的上述总线杆组件，通过点对点的电连接从一个槽中的阴极的一部分取出电流给相邻槽的阳极。通常，从一个电极的几个点上取出电流，并借助于螺栓、焊接等这类方法连接到下一个电极的几个点上，并且每个连接点都必须能通过较大的电流密度。电流从一个连接点散布到电极面积上。电极中的电流仅在电极平面中流动。由于各个槽分别在各个分开的槽箱中，各个槽之间的电流在名义槽堆的外部。这种连接的一个缺点是连接点易于被氧化，而且其他类型的降质将在各槽之间造成明显的电位降，从而降低了电解槽的效率。

大多数压滤型(filter press)电解槽用各种材料来隔离槽的阳极部分和阴极部分，这些材料可以是金属、塑料、橡胶、陶瓷和各种纤维结构。在许多情形中，在框架中加工成了一些O形环状凹槽，或者框架被模铸得能插入O形环。典型地，为了形成一个能包围槽中的电极并生成电解液循环通道、反应剂馈送通道和产物取出通道的组件，至少需要用两种不同的材料。例如，一种材料是硬工程塑料，另一种材料应足够地软，以便实现密封。在大型双极压滤系统中，槽堆的长度可能有几十米。这样的系统需要硬的和刚性的材料，同时其热涨系数需要能互容，并且因温度或压力造成的爬行要最小化。

如果能提供下述这样的一种电化学系统，将是十分有益的，该系统能不需要连接相邻电极的外部接触点，能避免普通单极和双极系统的缺点但同时又保留它们的优点，并能减少组成系统的元件数目。

本发明的概述

本发明的一个目的是提供一种电化学系统，它具有紧凑性和类似于双极电化学系统所固的低槽间电阻的连接。本发明的又一个目的是，提供具有单堆结构和多堆结构的紧凑型电化学系统。

本发明的另一个目的是提供一种带有单块双电极板的电化学系统，其中的单块双电极板适用于上述单堆和多堆电化学系统，用来支撑一个槽舱中的阳极和相邻槽舱中的阴极。

本发明的另一个目的是提供一种电化学槽或一种电化学系统，它们带有电解液循环框，这种框为了免除对分立密封垫的需要，还同时起到密封垫的作用。

本发明的另一个目的是提供上述电化学系统一端或两端处的多用途刚性容槽，它们与各个槽舱有液流交换。这些容器除了起到电解液蓄液池的作用和为使反应产物与电解液分开而提供场地之外，还为系统提供结构上的刚性。

本发明的又一个目的是提供一种双电极板，它带有一个导电框，用来持撑两个被导电框电连接在一起的电极。双电极板可以用作电化学系统中的一个元件，这些电化学系统例如有，但不局限于，电池等储能器件以及酸性和/或碱性燃料池等产能器件，电化学系统可以用于各种电合成反应。

本发明的一个优点是它提供了一种具有紧凑的槽设计的单极电解槽结构系统，同时又减小了双极电解槽所典型具有的槽间电阻因子。根据本发明可以以单个槽单元的形式构筑出功率从小于1kw到几MW的多堆电解槽。本发明电解槽的另一个优点是它们不像普通电解槽那样需要分立的密封垫。

本发明涉及采用单块电极板的电化学槽堆组件的设计，以下把该单块电极板称作双电极板(DEP)，其上支撑了一个阳极和一个阴极。双电极板用来电连接两个相邻的槽单元，其中电极中的电流平行于电极板的工作表面。在这里所公开的槽设计中，一些单极槽被组装成一个相连的槽堆，看来与压滤型电解槽相似，其中相邻堆之间的电连接是用双电极板实现的。

按照本发明的一个方面，提供了一种用来支撑两个电极的双电极板。双电极板包括一个导电框，它的一个第一部分支撑第一电极，它的一个第二部分支撑第二电极。第一电极和第二电极被导电框电连接。

按照本发明的另一个方面，提供了一种电化学系统，它至少包括两个槽，每个槽定义了一个阳极液室和一个阴极液室，邻近阳极液室至少有一个阳极，邻近阴极液室至少有一个阴极。阳极液室和阴极液室各自有一个入口和一个出口。电化学系统至少含有一个带有一个导电框的双电极板，位于至少两个槽的一个槽中的阳极由导电框的第一部分支撑，位于至少两个槽的另一个槽中的阴极由导电框的与第一部分分开的第二部分支撑。

本发明还提供了一种电化学系统，它至少包括一个至少含有两个槽的槽堆，在至少一个槽堆中，每个槽都含有一个阳极和一个邻近于该阳极的阳极液室，以及一个阴极和一个邻近于该阴极的阴极液室。该电化学系统含有位于槽堆相对两端处的刚性支撑元件，刚性支撑元件至少含有第一和第二刚性容槽。阳极室与第一刚性容槽有液流交换，阴极液室与第二刚性容器有液流交换。

本发明还提供了一种电化学系统，它至少包括一个至少含有两个槽的槽堆，每个槽都含有一个支撑一个阳极的第一导板和一个支撑一个阴极的第二导板。第一和第二导板各含有两个相对的周边表面。每个槽都至少含有一个第一框元件，该元件与规定了一个阳极液室的第一导板的两相对周边表面中的一个周边表面相密封啮合。每个槽都至少含有一个第二框元件，该元件与规定了一个阴极液室的第二导板的两相对周边表面中的一个周边表面相密封啮合。第一和第二框元件用可压缩人造橡胶类材料做成，并且其中在装配了电化学系统后第一和第二框元件被紧压得形成紧密液封。

本发明提供了一种单堆电化学系统。该系统包括n个串连排列成一个槽堆的槽，其中n是大于或等于2的整数，每个槽都至少含有一个阳极和一个与之邻近的阳极液室以及一个阴极和一个与之邻近的阴极液室。两个槽位在槽堆的相对两端，其中一个槽至少含有一个接触阳极，另一个槽至少含有一个接触阴极。接触阳极和接触阴极适合于连接到一个电源上。设置了用来隔离槽堆中相邻槽的隔离元件。该系统至少含有n-1个双电极板，每个双电极板都至少含有一个导电框，导电框有一定的长度和宽度，具有一个用来支撑一个位于一个槽内的阳极的第一部分和一个用来支撑一个位于相邻槽内的阴极的第二部分，还具有一个位于阳极和阴极之间用来电连接两电极的幅板部分。幅板部分的至少一部分位在含有被双电极板支撑的阳极和阴极的两个槽的外部。双电极板被基本上沿着幅板部分的中央线折迭，并且当两个接触电极之间有电压降时，电流将沿着导电框的长度汇集，并在双电极板的平面内通过导电框和阳、阴极的宽度从一个槽流向另一个槽。

这里所公开的利用双电极板的电化学槽堆设计比基于各个单个槽箱的普通单极设计对于电解槽单位体积电化学反应有高得多的表面面积率，因此相对于目前的系统来说本电解槽堆实施例的空间要求和系统重量都要明显地小。在不改变电流密度和因增大了电极高度而对槽电压有最小影响的情况下，该电化学系统所占的地面面积也可进一步减小。

根据本发明利用双电极板构筑的电化学槽或系统提供了尺寸紧凑和普通双极电解槽所具有的槽间电阻因子小的优点，同时又提供了较低成本的单极电解槽。本发明的另一个优点是利用多堆电解槽(MSE)结构可以以单个槽单元构筑出1MW或更高功率的槽组件。

附图的简单说明

现在将仅借助于一些例子参考附图说明根据本发明的电化学槽和电化学系统，在附图中：

图1是一个多堆电化学(MSE)系统的分解透视图，该MSE系统由4个由并联的两个槽组成的堆的连接而成；

图2是沿图1的2-2线的水平截面图，示出了槽单元中的电流路径；

图3a是根据本发明构筑的气体分离器组件的透视图。

图3b是沿图3a的3b-3b线的视图；

图4a是一个电解液框的透视图，该电解液框用于图1的多堆电化学(MSE)系统或图7的单堆电解槽(SSE)；

图4b是一个隔离密封垫的透视图，该密封垫用于图1MSE系统；

图5是一个双电极板(DEP)的透视图，该DEP用于图1MSE系统；

图6示出一个用于图1MSE系统的单电极板(SEP)；

图6a是一个槽单元的一部分的截断透视图，示出载有气体的电解液通过槽舱并进入通道的流动路径；

图6b是沿图6a的6b-6b线的视图；

图7是根据本发明构筑的双槽单堆电解槽(SSE)的分解透视图；

图8a是用于图7所示SSE的双电极板的透视图；

图8b示出图8a的双电极板经过沿其中线折迭180°后的情形；

图9示出一个用于图7SSE的单电极板(SEP)；

图10是用于图7SSE的一个电解液框/隔离壁组件的分解透视图；

图11是用于图7SSE的一个端壁的透视图；

图12是沿图7的12-12线的水平截面图，示出了通过SSE槽单元的电流路径；

图13(a)和13(b)示出根据本发明构筑的其他不同的电解槽结构；

图14是带有一个头盒的MSE电解槽的另一个实施例的分解透视图；

图15是安装在图14所示MSE电解槽的支架上的头盒的截面图。

本发明的详细说明

本发明涉及以压滤型布局对一些电化学槽阵列(槽堆)进行电连接以形成一个槽单元的设计和方法。具体地说，本发明涉及电化学槽、电化学系统和槽电极的设计，包括对它们的支撑和反应剂/产物的运送管道，以及涉及对各个槽、堆和/或单元进行电连接以形成功能性电化学系统，例如电解情形中的电解槽，的一些方法。此外，本发明为用于电化学系统的各种元件提供了独特和有优点的设计。本发明公开了构筑电化学系统的方法学，在它在提供几种电(总线)连接结构方面具有较大的灵活性，从而在选择直流(DC)电源的尺寸上提供了灵活性。

这里所用的术语“槽”或“电化学槽”是指这样一种结构，其中至少包括一对电极，即一个阳极和一个阴极，每个电极被适当地支撑在一个容槽内，电解液即通过该容槽循环，产物则通过该容槽取出。槽含有一个分离器组件，该组件具有适当的密封手段和把分离器机械支撑在容槽内的手段。多个槽可以串联地或并联地连接在一起以形成槽堆，而且用来形成槽堆的槽的数目没有限制。在一个槽堆中，各个槽以相同的方式或是并联或是串联地互相连接。槽单元是这样一个单元，它包括一个或多个槽堆，并且多个槽单元用外部总线杆互相连接。功能性电解槽包括一个槽或多个并联地、串联地、或两者结合地连接在一起的槽。

多堆电化学(MSE)系统

图1和2示出一个根据本发明构筑的优选的电化学系统，总的由代号20表示，以下称该系统为多堆电化学(MSE)系统。图2所示的截面图示出了电极的极性和通过各单个槽堆的电流的方向以及各个槽堆之间的电流方向，后者是这种电解槽结构作为单极电化学槽系统的特征。电化学系统20被示为一个槽单元，它包括4个槽堆22，各槽堆之间是串联连接的，而每个槽堆中的两个槽24则是并联连接的。从图2可以清楚看出每个槽堆22有两个槽24，但应该理解，每个槽堆也可以沿箭头A方向包括任意数目的槽。槽堆的高度是可以改变的。

相邻两槽24(除了两端的槽堆22中的槽)中的阳极和阴极由双电极板110提供，其中包括由双极板的一半所支撑的一个阳极114和由双电极板的另一半所支撑的一个阴极116。图2电解槽右端的槽堆中的各个槽包括位于双电极板110的一半上的阳极114和安装在单电极板30上的阴极144。图2电化学系统20左端的槽堆中的各个槽包括支撑在双电极板110一半上的阴极116和支撑在单电极板31上的阳极142。下面将更详细地说明双电极板110和单电极板30、31的结构。

如图2所示，每个堆22都包括两个槽，含有两个阳极和两个阴极，但也可以沿箭头A的方向有任何数目的槽，箭头A的方向垂直于电流流经单元20的方向。在每个槽舱中，有一个阳极液框38位于阳极邻近，它定了一个阳极液室，还有一个阴极液框40位于阴极邻近，定义了一个阴极液室。在结构上阳极液框38与阴极液框40基本相同，总的可以叫做电解液循环框，下面将有更详细的讨论。应该指出，在这里所说明和示出的实施例中，阴极液框的结构不一定要与阳极液框的相同，但当它们相同时可以实现较低的单位产量成本。

在一个给定的槽中的每个阳极和阴极室(沿箭头A的方向，见图2)都被一个分离器36分开。分离器36的作用是减少阳极和阴极室中产生的不同电解产物之间的混合，对此后面有进一步说明。从图2可以明显看出，具有相同极性的相邻电极被两个电解液框分开。例如，电化学系统最右侧的堆22的中央舱中含有两个阳极框38，它们把位于两个双电极板110中的两个相邻阳极114分开。在每个堆中含有多于两个槽的电化学系统中，这些双重的框将改变为一些与沿A方向的堆的单电极板电极相关连的单框。应该理解，比所示的框38和40厚的单框也可以用来分离相邻的阳极或阴极。

电化学系统20在每个堆22的两端都有一个端盒44。具体参见图1，每个端盒44的邻近于阳极液或阴极液室的侧面上都设有一个下开口46和一个上开口48。位于每个端盒44的顶部的气体输出端50提供了收集在电解反应中生成的各种气体的输出端，例如当反应为水电解时这些气为H₂和O₂。槽堆22和整个槽单元20必须用足够大的力保持在一起，以达到紧密的液封防止电解液或气体泄漏。使用刚性结构元件，例如形成端盒44的矩形管夹板52、拉杆和相关的固紧元件(未示出)，将给出一种极好的结构，该结构可以在一般的夹紧压力下得到均匀负载分布的表面以密封堆22。在端盒44的外表面与夹板52之间夹有电绝缘板54，防止各个端盒被夹板互相电连接在一起。或者，也可以用单块横过所有端盒的纵向绝缘板(未示出)来代替图1、2所示的几块绝缘板54。

参见图2，在每个堆端部的电解液框38或40与端盒44之间设有一个隔离平面衬垫26，用来防止端盒44的表面与电解液接触。衬垫26上的分别对齐于端盒44的开口48和46(见图1)的位置处设有一个上开口59和一个下开口59’(见图4b)，用于液流循环。

刚性的端盒44有几个功能，其中除了用作气/液分离器件之外还包括给从槽顶流出的电解液提供一个返回通道。它们也可以为一些用来控制电解液液面高度(液面传感器)和温度(例如加热器、致冷器、或热交换器)的器件提供位置。此外，利用位在端盒内的适当传感器可以监视各个槽堆的电解液和气体纯度。还有，虽然大部分电解液是在电解槽内循环的，但可以从各个端盒44中取出一些电解液液流来提供外部的液面控制以及电解液浓度、温度、槽压力和气体纯度的控制与监视。这些液流可以返回给同一个端盒，也可以与其他类似液体相混合然后返回给各个端盒。或者，也可以把一个探头插入到端盒内来控制这些参数。应该理解，也可以通过改装来修改已知的电化学系统使之含有这里所公开的端盒。

对于用于电合成的电解槽，可以利用两个槽单元的相邻端盒把液体从一个槽单元向前馈送给下一个槽单元，以帮助每次通过时的转换。刚性端盒44可以用各种适合于碱性或酸性的电化学系统的材料做成，这些材料包括钢、不锈钢、镍、或必要时经过了强化处理的塑料。

在图3a和3b中可更清楚地看出分离器组件36的结构。分离器组件36含有一对相同的周边人造橡胶或类人造橡胶框62和一个电解产物分离器64，后者夹在两个框之间用焊接或其他方法连接在一起。每个框62都带有一对相邻的上开口66、68和一对下开口66’、68’，当装配分离器组件36时两个框的相应开口互相对齐。应该理解，分离器组件36的两个周边人造橡胶框可以用单个人造橡胶代替，这时后者被模压有一条凹槽以接纳分离器64。

制作分离器64的材料的选择取决于电化学系统中发生的电化学反应。对于产生气体产物的电解反应，分离器64是一个气体分离器隔膜(diaphram)，它可以是也可以不是一个薄膜(membrane)。能得到低电极间电阻因子(欧姆一平方厘米)的分离器64对于固定的槽电压将允许较大的电流密度。对于碱性水电解，气体分离器隔膜片64最好是多孔的，并用例如硫酸聚苯撑硫或其他类似的抗电解液材料做成，这些材料可以经过表面处理以减小电极间电阻和减小气体渗透性。对于其中的电化学反应易于在电解液循环系统中产生化学梯度，例如水电解槽中的H₂和O₂，的应用情况，电化学系统中的隔离膜片64最好是多孔的。多孔的分离器隔膜片允许电解液能来回穿过阳极和阴极舱之间的薄膜以减小浓度梯度，但禁止每个舱内产生的电化学产物通过。利用具有足够多孔性的隔膜材料来让电解液混合同时又防止过多的产物混合，避免了需要给电解槽增加专门的电解液混系统。这对已知的电化学系统是一个重大的改进，后者使用了低多孔性的分离器，例如石棉，需要用于混合阳极液和阴极液的设备。

框62最好用有弹性恢复的或可压缩的人造橡胶或类似材料(或具有等价功能的材料)做成，以使框能有利地起到密封衬垫的作用。利用有适当硬度的人造橡胶材料可以在装配时容易地形成紧密液封，从而避免了多个分立的衬垫，而在商业电解槽中因使用了较硬的不可压缩材料做框，所以典型地需要分立衬垫。所以，如果使用适当可压缩的人造橡胶材料就可以不用衬垫而直接把槽框62密封在双电极板110上。

图4a示出一种电解液框，它既可用作阳极液框38，又可用作阴极液框40。框38的两端都设有幅板56，它们定义了一个上开口58和相邻的缝隙56”以及一个下开口58’和相邻的缝隙56_框的中央区56’定义了邻近于实际阳极或阴极的反应室，缝隙56_和56”提供了液体进出反应室的入口和出口。类似地，上述图4b中的隔离板或衬垫26上带有开口59和59’，在装配后的电解槽中它们与框38(40)上的开口58、58’和缝隙56”、56_对齐。

框38的构筑材料最好同时具有橡胶衬垫的性质和合适工程塑料的硬度性质，并且可以是与气体分离器隔膜组件36中用来构筑框62相同的人造橡胶材料。这种材料可以用许多方法加工，其中包括对挤压材料进行模切或者注模铸造。图4a所示的电解液框38和分离器36的框62都可以容易地再生制造。用人造橡胶类的材料做成的电解液循环框可以同时起到隔离框和衬垫的作用，以支撑必要的电极板和分离器，采用这种电解液循环框可以降低电解槽系统的元件量和材料量，并可进行低成本的材料加工。这种设计的又一优点是人造像胶框/衬垫与金属电极板的相容性。不需要另外的衬垫。把元件翻转(把表面旋转180°)就可以使两组开口的位置，从而开口通道的位置，换位。这样，用同样的框元件就可得到阳极框和阴极框。应该理解，通过改型可以把已知的电化学系统修改得含有这里所公开的人造橡胶类的电解液循环框。

图5较详细地示出了图1中的双电极板(DEP)110。双电极板110最好是一个具有适当厚度并用对电解液和电解反应产物有足够化学惰性的材料做成的单块金属薄板。双电极板110的设计满足几个目的，其中包括支撑阳极114和阴极116。双电极板110包括一个第一支撑框112和一个与之相连的第二支撑框112’，两个支撑框共有一条边界113(图中以点划线表示)。双电极板110例如可以用镀镍钢做成，支撑框112上支撑阳极114，支撑框112’上支撑阴极116。支撑框112有一个平面周边108，支撑框112’有一个平面周边108’。当槽堆被组装和夹紧在一起时，阳极液框38和40环绕周边108和108’密封在双电极板110的一侧，而气体分离器组件36则环绕周边密封在双电极板的另一侧。

双电极板110在其上端有一对开口118和120，在其下端有一对开口118’和120’。阳极114与阴极116之间的距离最好是尽量地短，典型地为约1mm至约10cm，最好小于5cm，这个距离称为槽间距，与图2的缝隙28相关连。双电极板110在阴极和阳极区之间的非开口部分中沿着电极的长度方向设有几个分开的孔106。在装配好的电解槽中各个孔106与图2的各个缝隙28对齐，夹紧杆(未示出)将穿过这些孔和夹板52上的孔104。夹紧杆的两端可以带有螺纹，使得可以通过拧紧夹紧杆两端上的螺母束压紧槽堆。

开口118和118’比开口120和120’大，其中带有人造橡胶插入件122。插入件122的作用是使在由开口118和118’所规定的通道中流动的液流密封于电极所产生的气体产物，并防止与相邻电极形成电回路，从而防止在通道中发生电解的可能性。另两个较小的开口120和120’规定了让来自电解液框38和40的气体通过的通道开口。把该元件翻转(使表面旋转180°)就可以改变两组开口的位置，从而改变开口通道的位置。这样，用单个双电极板就实现了图1所示槽单元的电极连接。

参见图5，在双电极板110上带有金属通道支架117，用来防止框38(图4a)中的缝隙56”和56_因组装槽堆时为了实现液封而加以足够的压力而被挤压合拢。这些支架也可以插入并保持在框38和40的缝隙56”内。

对于阳极和阴极是安装在框112和112’上的分立元件的情况，双电极板110可以用较廉价的导电材料，例如低碳钢，做成，并为得到适当的化学惰性可进行例如镀镍等表面处理。然后把分立的电化学活性阳极114连接到框112上，把阴极116安装到框112’上。在本图中示出的导线栅格是阳极和阴极的基底。由于阳极和阴极占据着双电极板上不同的面积，需要时可以采用例如电淀积、浸渍或溅射等方法较容易和低成本地对两种电极的一个或两个侧面施加不同的表面活性。

或者，双电极板和电极可以做成为单块元件，其中的两个部分电化学激话以形成阳极和阴极。例如，双电极板110可以含有一些穿孔部分，这些部分可用适当的材料激活以得到阳极和阴极。不论哪种类型的结构都明显地优越于目前的单极和双极系统。在双极系统中，典型地阳极活性是施加给阳极活性基底的，然后再把基底结合在双极壁上；类似地阴极活性是施加给阴极活性基底的，然后再把该基底结合或连接在双极壁上。这样的连接往往会导致电极组件化学整体性的丢失。在普通的单极系统中，需要另外的支撑物来把电荷导向或导离电极。因此，当把电极说成是由单极板或双电极板“支撑”时，应该把这个词汇理解为包括了所有可能的结构，其中包括，但不局限于，分立的电极被直接结合在SEP和/或DEP导电框上，并且DEP和/或SEP都由能自身起到电极作用的材料做成，或者DEP和/或SEP可以由易于被镀上或用其他方法加上能起到不同电极作用的材料的材料做成。

由双电极板造成的欧姆损耗直接正比于电极的厚度。对于每个垂直的电极脚可提供100安培或更多电流的电极，该厚度可以小达约0.25mm。计算发现，对于典型单极槽连接一般具有的欧姆级电压降，可以得到电流导体厚度的80％的减小。薄的导体有不少重要优点，其中包括低成本的材料加工(一般的压印、分步压印(progressivestamp)、数控压印、滚动模压成形等)，它具有较小的质量从而在后续加工步骤中更易于处理，并且同样的体积它能承载更大的电流密度。

由于下述原因，为了得到每平方米电极表面面积的最佳氢气产量，双电极板的形状比(高度比宽度)最好大于1，在实践中最好尽量地大。由于电流平行于电极板，所以对于给定的电阻，板的厚度应随有效电极区域的变宽而变大。此外，对于给定的工作电流密度，随着板的变宽整个双电极板的电流率将增大。对于阳极和阴极部分之间的给定欧姆损耗，板的厚度必需增大。这样，为了在保持相同的欧姆损耗和电流密度的条件下增大板的总电流率，最好采用高而窄的结构；或者，通过增大形状比(高度比宽度)，可以使用较薄的电极材料。对于需用昂贵材料并且电流密度受限(或欧姆损耗有限制)的电化学装置来说，这是特别有益的。

图6示出单电极板30和31，它们分别用来支撑两个端部堆的槽中的阴极144和阳极142，并把电源29连接到多堆电解槽上。单电极板30和31有相同的结构，唯一的区别是阴极144被安装在板30上，而阳极142则被安装在板31上。单电极板30包括一块带有一个平面框140的金属薄板，该框上连接了通向电源29的导线。电极板30上设有上开口121、123和相应的下开口121’、123’。框140上还焊有金属的通道支架117，防止框38(图4a)中的缝隙56”和56_在装配电解槽时被挤压合拢。在图1的多堆电解槽(MSE)20中，单电极板30位于最外部的堆或端堆处，两个最外部堆22中每个堆22所需的电极板30的数目等于一个堆中的槽数。沿着框140边缘设置的一些孔106’与靠近夹板52两端的各个孔104(图1)对齐，用来让槽堆固紧在一起。

再次参见图2，电解槽20被装配后各个槽堆22被空气隙28互相绝缘。每个电极板110(图5)上阳极与阴极之间的幅板部分108和108’有预定的宽度，该宽度由相邻槽堆之间的距离决定。电源29连接在单元端部的单电极板30的框140上，并标明了通过单元的不同电极的极性。

应该理解，相似的元件使用了不同的数字代号表示，其目的是想反映元件的多种功能用途，不一定表示它们有不同的结构。例如，阳极液框38与阴极液框40是相同的，但框38定义了一个阳极液室而框40定义了一个阴极液室，例如，在图1中右面的那个堆中，中央的阳极液框38是其两侧的阴极液框绕垂直轴旋转180°。类似地，单电极板30与31是相同的，只是板30上结合的是阴极144，板31上结合的是阳极142。

在每个槽堆中，电极板、电极液框、和气体分离器隔膜组件上的两个分开的开口是对齐的，从而确定了液体流过堆的两条路径，其中第一个通道通过堆一端的端盒44中的开口48交换液体，第二个通道通过堆另一端的端盒44中的开口48交换液体。例如，参见图1，单元右侧端堆22中的第一通道，即右上方通道，是这样确定的：堆中最右侧处端盒22(O₂从此收集)中的开口48、板26中的开口59(图4b)、阴极液框40中的开口58’，单电极板30中的开口121、气体分离隔模64中的开口68，双电极板110中的开口120，阳极液框38中的缝隙56”、DEP110中的开口120，气体分离器隔膜64中的开口68、单电极板30中的开口121，阴极液框40中的开口58’。在多于两个槽的堆中，所有另外的阳极液室都可以用与该第一通道相同的方式连接。

这个右上方通道是载O₂电解液(对于水电解情况)的流出通道，该电解液通过缝隙56_从中央阳极液室流出，经过通道，再通过开口48流到端盒44。阳极液通过开口46从图右侧的端盒44进入各个槽，它通过由各个槽元件中的开口所定义的下通道(在上通道的对角位置)一直到达阳极液框38，在那里它通过缝隙56”(图1中看不到)进入阳极室。O₂在堆的工作中产生，当它返回到端盒44时被从电解液中取出。注意，这第一通道不与堆另一端处的端盒发生液流交换，由于H₂在另一端的端盒处收集，所以载氧电解液不能进入另一端的端盒就不会与氢混合。

各个堆元件中的各另一个相邻的上开口定义了由框40到缝隙56_所定义的阴极液室流出的载H₂电解液的通道。与H₂返回的位于端盒44之间的上通道相对角的并穿过各槽的下通道把电解液运到阴极液槽舱中。再次参见图1，离开堆22的最左方端盒中的开口46(虚线所示)的电解液沿着图的底部进入各个由框40到缝隙56”所定义的阴极液室，并通过上开口48(虚线所示)返回到同一个端盒44中。当H₂滞留在端盒中时将被从电解液中取出。

在上述各个堆元件中，定义了把电极液输送到端盒中去的上(或下)开口位置是一种“小角(kitty comer)”设计，换言之，如图6a所示，在一个特定循环框中的液流在一侧的底部流入而从对侧的顶部流出。应该理解，也可以采用其他形式的布局，例如，可以采用这样的设计，其中流入和流出通道在框/电极/气体分离器组件的同一侧，使液体在组件的同一侧流出和流入。

充分利用双电极板110的最小的可能电解槽只需要两个槽和一个22电极板，电极板的一个支撑框上安装了位于一个槽内的阴极，另一个支撑框上安装了位于相邻的第二个槽内的阳极。此外，应该理解，在可以使用这里所公开的双电极板、人造橡胶类循环框、或端盒的所有电化学系统中，分离器不是最重要的。仅仅对于必须减小电合成产物(或阳极和阴极液中出现的其他成份)之间的混合的那些应用，分离器才是重要的。上面给出的非限制性例子是水的电解，其中需要仔细处理以使氢、氧的混合量最小化。其他的电化学处理不受必须使用分离器的限制。没有分离器时，阳极和阴极实际上共用同一个槽舱。

再次参见图1，其中示出两个相邻槽X和Y共用一个双电极板110，槽X中的阴极116和槽Y中的阳极114共用双电极板110，所以该板位在两个相邻的单极槽之间。这一结构不需要另外的槽间总线板来连接两个单极槽。于是，使用双电极板110使得电流在许多相邻单极槽堆之间易于流动，而不需要复杂的槽间连接器。

这种相邻槽之间的连接比普通的或以往技术的槽布局有高度的优点，在一般的槽布局中，相邻单极槽阳、阴极之间的连接是用电缆或硬金属总线板实现的。这将需要制作并在槽的工作寿命内始终保持一个接触点，为此不得不增加设计和原料供应的费用。采用本双电极板设计可以不要这样的连接。发明人发现，采用双电极板设计后可减小与以往技术相关连的工作效率降低。例如，接触电阻和导体自身的损耗都将减小，槽的质量减小，并且因焊接或其他材料结合技术所造成的板应力也将减小。接触电阻必须是不随时间变化的，而且也不应因氧化，热循环或栓/焊失效而降质。

较具体地说，双电极板110，气体分离器隔膜组件36、和电解液框38的设计使每个电极背面的深度有明显减小，从当前技术的约12.7mm减小到小于约3.75mm。这除了提供明显的经济效益之外还提供了另外的好处，即含有几个并联双电极板的堆的总厚度将减小。例如，对于额定值为1000A的双电极板110，则只需要50个并联的双电极板就可以达到50000A的直流电流。当如这里所提出的减小了双电极板之间的距离时，用人造橡胶做框将使上述电流更容易达到。在同样的电化学产量下这可以减小堆的厚度，为槽的防泄漏所需的弹簧器件的数量也可减少。

这里所公开的双电极板提供了任何相邻槽的电极对中的均匀电流分布，这是因为电流直接在一个槽中的电极板的内部阳极边缘与相邻槽中的同一电极板的内部阴极边缘之间流过。对一组总共66英寸高的被分成32段2英寸的阳极进行了研究，发现当气体生成电极背后的缝隙高度为0.318cm至2.5cm之间时都有均匀的电流分布。缝隙是阳极与阴极液室的深度。因此，电流分布与电极高度无关。

参见图14和15，其中示出了MSE电解槽的另一个实施例，它含有适合于与水平头盒300相耦合的端盒44’。头盒300有一个通气口302，用来产生气体。端盒44’分别带有上、下开口316和318。在头盒300与端盒44’之间夹有一个衬垫310，后者带有一些分开的上开口和下开口对312和314。具体参见图15，当头盒300被固紧在端盒44’上时，头盒中的分开的上、下开口324和326分别对齐于衬垫310中的开口312和314以及端盒44’中的开口316和318。可以用一个档板328来减少或防止进入头盒300的电解液直接通过输出口302释放。设置在室330中的一个热交换螺管320用来按需要对头盒300中的电解液加热或冷却。端盒44’的隔板336保证了流出电解槽堆的液体被向上导引到头盒300的进口中。

跟随着代表液流方向的箭头，载气电极液从槽单元的上部液流通道溢出到端盒44’中，并在端盒中上升，通过由相互对齐的开口316、312和324所定义的上进入口进入头盒300。被分离出了气体产物的电解液通过由开口318、314和326所定义的下部出口重新返回端盒44’。含有头盒300的电解槽300有利地提供了各MSE槽堆之间的电解液混合，从而防止了在电解槽各处建立起化学梯度。还有，这个设计允许只在一个地点既控制电解液水平334又控制电解液温度。

停工时，电解液将流回各个端盒44’，由此切断了各槽堆之间的液体、电解液通路。此外，使用头盒300将不再需要把电解液从一个分开的容槽泵浦到电解槽中，并且在电解槽停工时将可有利地避免在其中出现危险的低液面水平。

单堆电化学(SSE)系统

图7示出电化学系统结构的另一个优选实施例，其中该系统总的由代号160表示，这种结构称作单堆电化学(SSE)系统，其特征为，两个或多个槽舱被一个接在另一个后面地放置，形成一系列或“一串”互相电串联连接的槽舱。在本发明中，各槽之间的电连接是利用折迭双电极板130实现的，使电流绕过图10隔离板76的边缘流动。阳极液框70和阴极液框70’与图4a中相应的电解液框38和40相同。每个槽与其相邻槽由一个电解液框组件180分开，该组件180由两个框之间夹一个不透液板76组成，对此下面有更充分的说明。外部电源(未示出)与电化学系统160的连接由单电极板30’实现。

图7中的电化学系统160含有两个槽，所以有一个双电极板130和分别位于槽堆两端的两个单电极板30’和31’。应该理解，对于含有三个槽的SSE系统将需要两个双电极板130，对于含有四个槽的SSE系统将需要三个双电极板，等等。在槽堆两端邻近端盒44处各使用一个隔离板26’，其上的开口210和212(见图11)与端盒中的开口46和48对齐。

图8a示出双电极板130的几何形状，图8b示出该电极板在已组装好的电化学系统中折迭了180°的情况。参见图7，在组装后的电解槽中，阳极液框70、阴极液框70’、和槽间板76被夹在阳极部分114与阴极部分116之间。双电极板130上有两个上开口132和两个下开口132’。在每个开口132和132’中设置了一个双开口衬垫150(示于图9)，用来隔开阳极流与阴极流通道。双电极板130上还有一些开口134，当该板折迭后(图8b)它们将形成缝隙136，使得当SSE系统按图7组装时在被夹紧之前可以让夹紧杆(未示出)通过。

图9示出单电极板30’和31’。电极板30’中有阴极144’安装在其框140’上，电极板31’中有阳极142’安装在其框140’上。板30’和31’在两端处都有一个扩大的开口148，人造橡胶衬垫150即插入在这些开口中，以定义两个通道或液流管道。开口148的尺寸与图8a双电极板130中的开口132相同。区域140’中的一些孔146在组装后的SSE系统中与一些缝隙136对齐，使夹紧杆(未示出)可以插入其中以把电化学系统固紧在一起。

参见图10，电解液框组件180包括两个周边框70和70’。框70的两端都设有矩形幅板73，在框的一端定义了一个开口72和一个相邻的缝隙74，在框的另一端定义了一个开口72’和相邻的缝隙74”。类似地，框70’的两端都设有矩形幅板73，在框的一端定义了一个开口72”的相邻缝隙74”，在框的另一端定义了一个开口72”和相邻缝隙74’。周边框70和70’的设计与图4a多堆电解槽(MSE)系统的电解液框38和40的设计类似。在框70和70’中，开口72与72’互相位在对方的对角位置上，它们定义了两个液流路径。这两个液流路径与端盒44中的开口46和48对齐，以提供通过槽堆和从槽堆到端盒44的液流循环路径。当电极组件被组装和完成了槽堆之后，框70和70’将提供液封。

不透液板76夹在框70与70’之间，这三个元件用焊接或其他结合方法结合在一起。板76的一端设有一对开口78和78’，另一端设有一对开口80和80’，它们起着液流管道的作用。在板76的上端，有两组通道支架82和82’分别结合在开口78’和78的下方，一组支架82位在板的一个表面上，另一组支架82’位在相对表面上并向相反方向伸出。在板76的下端类似地也有两对位在开口80和80’上方的通道支架82”和82_。当组装了组件180后，通道支架82和82’将在组件上端分别伸入到缝隙74和74’内。类似地，通道支架82”和82_将在组件下端分别伸入到缝隙74”和74_内。这样的组件例如可以用注入模铸法做成为单件元件。

SSE系统160各个元件中的开口是对齐的(类似于图2MSE系统中的每个堆)，以提供端盒44与邻近于阳极142’和阴极144’的阳极液室和阴极液室之间的液流交换。需要指出，图2 MSE系统与图7 SSE系统的差别在于，在SSE系统160中，在整个堆内两种电极是交替的：阳极/阴极/阳极，所以在电极板130上阳极与阴极之间需要有板76；而在MSE系统中，相邻槽中的相邻阳极对或阴极对可以共用一个阳极液室或阴极液室。因此，再次参见图7，从端盒44返回的阴极液将沿箭头D通过开口72’、80’和由缝隙74”中的通道支架82”所产生的通道进行循环。包括阴极液和产物的液体混合物沿箭头E从由邻近于阴极(未示出)的框70所定义的阴极液室注出，通过缝隙74’中的通道支架82’、开口78和72，进入端盒44以分离出气体。

类似地，从槽堆另一端的端盒44返回的阳极液沿着箭头F通过开口72”、80并向上通过由缝隙74_中的通道支架82_所产生的通道进行循环。包括阳极液和产物的液体混合物沿着箭头G从由邻近于阳极(未示出)的框70所定义的阳极液室流出，通过缝隙74中的通道支架82、开口78’和72_，进入端盒44以分离出气体。

除了电极液穿过分离器64的迁移之外，两条阳极液流动路径与两条阴极液流动路径是互相独立的，以使阳极液和阴极液的混合最小化。此外，在MSE系统中，液流是流过一个堆的，而不在各个堆之间流动。在电解情形中，分离器64是一个气体分离器，以防止产物H₂和O₂的混合。

框70和70’的构筑材料最好既有橡胶衬垫的性质又有适当工程塑料的硬度，即是类似于气体分离器36和电解液框38、40的材料，例如聚氨酯/聚醚、聚烯烃和聚四甲基甘醇醚，它们需经过硬度计的选择以具有同样的加工处理的优点。这些材料可以用多种方法加工，例如对挤压材料进行模切或注入模铸。这种加工的另外优点是，全表面人造橡胶框/衬垫与金属电极的互容性。不需要另外的衬垫。由于沿垂直轴把框70旋转180°就可得到框70’，所以它们是相同的。所以可以用同一种框元件来得到阳极液框70和阴极液框70’。隔离板76和26’可以用与电解液循环框38、40和70、70’相同的材料来制作。

把各个槽元件组装起来，然后用足够大的力把它们夹在一起，以达到机械整体性和全槽堆各元件之间的密封。夹紧是借助于穿过夹板52’上的孔104’的夹紧杆系统(未示出)来实现的，见图7。

图12的水平截面图示出通过槽的电流流动，这是这种电化学系统结构作为单极槽组件的特征。

当在同一个电化学系统中串联连接两个或多个槽时，每个槽中的电极对必需与下一个槽中的电极对完全电绝缘。为了使例如一个槽舱的阴极液与下一个槽舱的阴极液有最小的混合量，对于一个给定的槽，电极液也必须至少是部分地被限制在这个槽的“边界”之内。这种混合易于在反应室外部形成电回路，导致出现会造成减小槽的电流效率和影响产物纯度的电流路径。因此，互相串联连接的各个槽必须在它们的功能性组件中含有位于每一侧的分离壁，以控制电解液的混合量。如图10所示，同一个分离壁可以由两个相继的槽共用，以形成一个槽间壁或隔离槽壁76。

采用双电极板由于几个原因而有很大的优点。在图1和7所示的电化学系统结构中，可以看到它们都可被看作是单极槽布局，其中的双电极板110和136分别被一些互相隔离的不同的槽共用，在MSE结构中该隔离由空气隙提供，在SSE结构中则由隔离壁提供，并且电极中的电流位于电极平面内。这种设计通过有效地把电流从一些并联的堆系列的一端传送到另一端而有利地利用了并联-串联结构。

由于电流从沿着双电极板导电框边缘注入到一个槽中的DEP电极中，并由位在两电极之间的导电框部分被传送给相邻槽中的支撑在DEP上的另一个电极，所以对于MSE和SSE系统都不需要各槽之间的外部点对点连接。这排除了采用点对点连接的电解槽中的效率损失特性的一个重要根源。换言之，在普通的单极设计中，电极中的电流仅仅在电极平面中，并且相邻槽之间的电流出现在槽堆的外部；但在本电化学系统中，与电流从一个连接点流到电极表面上的普通单极系统不同，各槽之间的电连接是用DEP板实现的，其中从连接点处的电极厚度和机械地连接两个元件的费用的角度来看，实现了本发明设计相对于普通系统的优越性。

本发明允许使用比普通设计中所需的板厚薄的双电极板，这些普通设计的特征是各槽间的点对点连接。本发明系统中DEP板的厚度取决于电极处反应所需的电流密度。此外，连接支撑两个电极的DEP的两部分的导电框的导电幅板部分的宽度可以根据使用了DEP的SSE、MSE、或任何其他系统的物理要求而予以改变。

采用这里所公开的DEP的单极槽堆设计的另一个重要优点是，各个槽不一定需要强迫的电解液循环来保持各电极间的电解液供应，而这种强迫循环在其他“压滤”(双极)型电解槽中经常是需要的。通过仔细选择电解液通道的大小和每堆中的槽数，可以建立起合适的循环以保证低的电极间电阻因子和不发生可能导致热斑和损坏电解槽的空隙(voidage)。在采用DEP的单极槽堆中，通过权衡通道尺寸和前述的紧凑尺寸优点，可以在不需要机械泵的情况下实现电解液循环液动力的优化。不使用机械泵后，各个槽就不再像普通双极设计那样需要涨满(flooded)，并且可以在电解槽的顶部而不是在分开的室中进行气体从含气电解液的分离。

刚性端盒舱的布局有可能改变，例如，可以不像图13(a)的MSE系统和图13(b)的SSE系统那样使端盒位于堆的两端，而是使两个端盒44并列地设置在一端并在该端收集两种产物气体，同时在另一端设置一个刚性板45。

由于两种类型电解槽中各个槽的单极性质，电极中的电流平行于DEP110和SEP30和31的工作表面(并垂直于在通过电解槽的电解液通道(未示出)中的气流方向)。

虽然已把碱性或酸性水电解(电解槽)作为本发明工业应用的非限制性例子对这里所公开的电化学槽和系统的结构的各个实施例进行了示例性说明，但应该理解，熟悉本技术领域的人们也可以使用这里所公开的各种元件来构筑能进行其他电化学处理的系统。因此，本发明也能应用于其他的电化学处理，其中包括但不局限于如下提出的仅是少许的例子，例如其他电合成反应、燃料槽装置和蓄能电池。双电极板110的设计细节可以根据系统的要求作出改变，例如形成通道的开口的数目和位置、导电框和电极的尺寸等都可改变。因此，给出了本发明方法和设备的优选实施例的前述说明是为了阐明本发明的原理而不是为了把本发明限制于所说明的特定实施例。希望本发明的范畴由被后附各权利要求项及其等效物所涵括的所有实施例来确定。

Claims

1.一种用来支撑两个电极的双电极板，它包括：

一个含有一个用来支撑一个第一电极的第一部分和一个用来支撑一个第二电极的第二部分的导电框，上述第一电极和上述第二电极被上述导电框电连接。

2.根据权利要求1的双电极板，其中上述导电框至少含有一个幅板部分，该幅板部分在上述第一与第二电极之间有预定的宽度，用来电连接上述第一和第二电极。

3.根据权利要求1或2的双电极板，其中上述导电框至少有一个长度和一个宽度，上述长度大于上述宽度，并且其中上述第一第二电极各自都有一个长度和一个宽度，上述长度大于上述宽度。

4.根据权利要求1、2或3的双电极板，其中上述第一部分含有一个第一电极开口，上述第一电极含有一个位于上述第一电极开口内并连接在位于从上述第一电极开口周围伸出的上述导电框的一个部分上的电极元件，并且其中上述第二部分含有一个第二电极开口，上述第二电极含有一个位于上述第二电极开口内并连接在位于从上述第二电极开口周围伸出的上述导电框的一个部分上的电极元件。

5.根据权利要求1、2或3的双电极板，其中上述第一电极至少含有一个施加在上述导电框的上述第一部分的一个穿孔部分上的第一电活性镀层，并且其中上述第二电极至少含有一个施加在上述导电框的上述第二部分的一个穿孔部分上的第二电活性镀层。

6.根据权利要求1、2、3、4或5的双电极板，其中上述导电框可以沿着上述双电极板的上述长度方向的位于上述第一与第二电极之间的上述幅板部分基本上对半折迭，当对半折迭时上述第一部分与上述第二部分将成相面对的关系。

7.根据权利要求1、2、3、4、5或6的双电极板，其中上述导电框的第一部分和第二部分各自都至少含有一对相对的表面，并且上述一对相对的表面中的每个表面都含有一个环绕着第一和第二电极的周边伸出的平面周边。

8.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7的双电极板，其中上述导电框的上述第一部分至少有一个与上述第一电极分开的开口，并且其中上述导电框的上述第二部分至少有一个与上述第二电极分开的开口。

9.根据权利要求8的双电极板，其中上述第一部分中的至少一个与上述第一电极分开的开口是在上述长度的一端处的两个分开的开口和在上述长度的另一端处的两个分开的开口，并且其中上述第二部分中的至少一个与上述第二电极分开的开口是在上述长度的一端处的两个分开的开口和在上述长度的另一端处的两个分开的开口。

10.一种电化学系统，它包括：

a)至少两个槽，每个槽都确定了一个阳极液室和一个阴极液室，并至少含有一个邻近于上述阳极液室的阳极和一个邻近于上述阴极液室的阴极；以及

b)至少一个带有一个导电框的双电极板，位在上述至少两个槽中的一个槽内的阳极被支撑在上述导电框的一个第一部分上，位在上述至少两个槽中的另一个槽内的阴极被支撑在上述导电框的一个与上述第一部分相分开的第二部分上。

11.根据权利要求10的电化学系统，它至少含有两个单电极板，每个单电极板都含有一个用来支撑一个阳极或一个阴极的导电框。

12.根据权利要求11的电化学系统，其中上述双电极板的第一和第二部分都至少含有一对相对的表面，这一对相对表面中的每个表面都含有环绕被支撑阳极和阴极的周边伸出的基本上为平面的周边表面，并且其中单电极板的导电框含有一对相对的表面和在相对表面的每个表面上的环绕着被支撑在单电极板上的阳极或阴极的周边伸出的一个平面周边表面。

13.根据权利要求12的电化学系统，其中每个槽都至少含有一个位于阴极液与阳极液室之间的分离器，上述阳极液和阴极液室各自都含有一个入口和出口，并至少含有一个与上述阴极液室连接的液流通道和一个与上述阳极液室连接的液流通道。

14.根据权利要求13的电化学系统，其中在每个槽中，上述分离器至少含有一个周边框，上述周边框被密封地啮合在支撑上述阳极的导电支撑框的一对相对表面中的一个表面的平面周边表面与支撑上述阴极的导电支撑框的一对相对表面中的一个表面的平面周边表面之间。

15.根据权利要求14的电化学系统，其中每个槽都含有一个形成了密封地啮合在支撑上述阳极的导电支撑框的上述相对表面中的另一个表面的平面周边表面上的框元件的阳极液室，以及一个形成了密封地啮合在支撑上述阴极的导电支撑框的上述相对表面中的另一个表面的平面周边表面上的框元件的阴极液室。

16.根据权利要求15的电化学系统，其中形成了框元件的上述阳极液和阴极液室和分离器的周边框都用可压缩的人造橡胶类材料制作，并且其中形成了框元件的上述阳极液和阴极液室和分离器的周边框在上述电化学系统被组装后都可被压缩得形成紧密液封。

17.根据权利要求16的电化学系统，其中上述分离器是一个至少含有一个气体分离板和环绕上述气体分离板的周边粘结的上述周边框的气体分离器。

18.根据权利要求16的电化学系统，其中双电极板和单电极板的上述导电框各自都至少具有一个长度和一个宽度，上述长度大于上述宽度，并且其中被支撑在上述单电极板和上述双电极板上的上述阳极和阴极都各自具有一个长度和一个宽度，上述长度大于上述宽度。

19.根据权利要求18的电化学系统，其中双电极板和单电极板的上述导电框在上述长度的一端含有互相分开的第一和第二开口以及在上述长度的相对端含有互相分开的第三和第四开口，其中形成了框元件的上述阴极液和阳极液室和上述分离器各自都至少含有一对相对的端部分和位于一个端部分处的互相分开的第一和第二开口以及位于相对端部分处的第三和第四开口，并且其中每个槽内的上述导电框、上述分离器和上述形成了框元件的阳极液和阴极液室中的各自的上述第一、第二、第三、第四开口是分别对齐的，由此定义了四个分开的通过上述槽的电解液流通道。

20.根据权利要求19的电化学系统，其中上述四个分开的电解液流通道中的第一通道连接上述阳极液室的入口，上述四个电解液流通道中的第二通道连接上述阳极液室的出口，并且其中上述四个电解液流通道中的第三通道连接上述阴极液室的入口，上述四个电解液流通道中的第四通道连接上述阴极液室的出口。

21.根据权利要求16的电化学系统，其中在一个单堆中有n个依次排列的槽，其中n是一个大于或等于2的整数，包括位于上述堆相对两端处的两个槽，其中电解槽至少含有n-1个双电极板和两个单电极板，其中一个单电极板支撑一个阳极并位于上述堆的一端处的槽中，另一个单电极板支撑一个阴极并位于上述堆的另一端处的上述槽中，并且其中每个双电极板都有位于一个槽中的上述第一部分和位于上述堆中相邻槽中的上述第二部分，并含有一个夹在每个双电极板的第一与第二部分之间的隔离板。

22.根据权利要求21的电化学系统，其中双电极板和单电极板的每个上述导电框都至少具有一个长度和一个宽度，上述长度大于上述宽度，并且其中被支撑在上述单电极板和上述双电极板上的上述阳极和阴极各自都有一个长度和一个宽度，上述长度大于上述宽度。

23.根据权利要求22的电化学系统，其中上述双电极板被沿着其中央部分析迭，使得被导电框的第一部分所支撑的阳极将与上述相邻槽中的被导电框的上述第二部分所支撑的阴极形成面对面关系，并且其中上述隔离板含有与双电极板的中间夹有上述隔离板的第一和第二部分的平面周边表面相对齐的人造橡胶类材料周边边缘。

24.根据权利要求23的电化学系统，其中在工作中当在上述堆的上述两个端槽中的上述两个单电极板之间连接上一个电源时，在上述两个单电极板之间将出现电压降并且电流将沿着上述双电极板的上述导电框的上述长度汇集，并通过导电框的宽度和上述阳极和阴极的宽度在上述双电极板的一个平面内从一个槽流向另一个槽。

25.根据权利要求24的电化学系统，其中双电极板和单电极板的每个上述导电框都在其上述长度的一个端部分含有互相分开的第一和第二开口以及在其上述长度的相对端部分含有互相分开的第三和第四开口，其中形成了框元件的上述阴极液和阳极液室、上述隔离板、和上述分离器各自都至少含有一对相对的端部分以及位于其中一个端部分处的互相分开的第一、第二开口和位于相对端部分处的第三和第四开口，并且其中上述堆中的上述导电框、上述分离器、上述隔离板和上述形成了框元件的阳极液和阴极液室各自的上述第一、第二、第三、第四开口是分别对齐的，由此定义了四个分开的通过上述堆的每个槽的电解液流通道。

26.根据权利要求25的电化学系统，其中上述四个分开的电解液流通道中的第一通道连接每个阳极液室的入口，第二通道连接每个阳极液室的出口，并且其中上述四个分开的电解液流通道中的第三通道连接每个阴极液室的入口，第四通道连接每个阴极液室的出口。

27.根据权利要求26的电化学系统，其中的单堆被紧压在位于上述堆的相对两端处的刚性支撑元件之间。

28.根据权利要求24的电化学系统，其中上述刚性支撑元件含有第一和第二刚性容槽，上述第一刚性容槽与与上述堆中的每个阳极液室有液流交换的第一和第二液流通道有液流交换，并且上述第二刚性容槽与与上述堆中的每个阴极液室有液流交换的第三和第四液流通道有液流交换。

29.根据权利要求28的电化学系统，它至少含有位于上述第一和第二刚性容槽内的温度传感装置，用来在工作时探测每个容槽中的电解液的温度，上述温度传感装置连接在上述第一和第二刚性容槽内的热交换装置上，以控制上述电解液的温度。

30.根据权利要求28的电化学系统，它至少含有分离装置，用业按比重将上述第一和第二刚性容槽内的上述电解液中的气体分离出来。

31.根据权利要求16的电化学系统，其中上述电化学系统是一个多堆电解槽，它至少含有多个槽堆，其中包括相对的第一和第二外侧槽堆，上述各槽堆基本上被平行地布局以定义多个槽行，其中每个槽堆中的各个槽定义了一个槽列，交且其中在一个特定的行中的各个槽在这个行中是与相邻槽分开的。

32.根据权利要求31的电化学系统，其中上述第一外测槽堆中的每槽都含有一个被支撑在一个单电极板上的阳极，上述第二外侧槽堆中的每个槽都含有一个被支撑在一个单电极板上的阴极，并且其中所有其余的阳极和阴极都被支撑在双电极板上，其中每个双电极板沿着预定的行把相邻列中的两个槽电连接起来。

33.根据权利要求32的电化学系统，其中双电极板和单电极板的上述导电框各自都至少具有一个长度和一个宽度，上述长度大于上述宽度，并且其中被支撑在上述单电极板和上述双电极板上的上述阳极和阴极各自都有一个长度和一个宽度，上述长度大于上述宽度。

34.根据权利要求33的电化学系统，其中在每一行两端的上述第一和第二槽堆中的各个槽的两个单电极板之间连接上一个电源，以建立一个跨越每一行的电压，并且当在每一行两端的两个堆中的上述两个单电极板之间建立了一个电压降时，电流将沿着上述单电极板和双电极板的上述导电框的上述长度汇集，并通过导电框的宽度和上述阳极和阴极的宽度在上述双电极板的一个平面内在每一行中从一个槽流向另一个槽。

35.根据权利要求34的电化学系统，其中双电极板和单电极板的每个上述导电框都在上述长度的一个端部分处含有互相分开的第一和第二开口，并在上述长度的相对端部分处含有互相分开的第三个第四开口，其中上述形成了框元件的阴极液和阳极液室以及上述分离器各自都至少含有一对端部分和其中一个端部分处的互相分开的第一和第二开口以及相对端部分处的第三和第四开口，并且其中上述堆中的上述导电框、上述分离器、以及上述形成了框元件的阳极液和阴极液室各自的上述第一、第二、第三、第四开口是分别对齐的，由此定义了四个分开的通过每个堆中的各个槽的电解液流通道。

36.根据权利要求35的电化学系统，其中上述四个分开的电解液流通道中的第一通道连接上述堆中的每个阳极液室的入口，第二通道连接上述堆中每个阳极液室的出口，并且其中上述四个分开的电解液流通道中的第三通道连接上述堆中每个阴极液室的入口，第四通道连接上述堆中每个阴极液室的出口。

37.根据权利要求36的电化学系统，其中每个堆都被紧压在位于每个堆相对两端处的刚性支撑元件之间。

38.根据权利要求37的电化学系统，其中位于每个堆的相对两端处的上述刚性支撑元件含有第一和第二刚性容槽，其中上述堆中的上述第一刚性容槽与与上述堆中的上述阳极液室相连接的第一和第二液流通道有液流交换，上述堆中的上述第二刚性容槽与与上述堆中的阴极液室相连接的第三和第四液流通道有液流交换。

39.根据权利要求38的电化学系统，它含有位于上述第一和第二刚性容槽内的温度传感装置，用来在工作时测量每个容槽中的电解液的温度，上述温度传感装置被连接在上述第一和第二刚性容槽内的热交换器上，以控制上述电解液的温度。

40.根据权利要求38的电化学系统，它含有第一和第二头盒，上述第一头盒与每个第一刚性容槽有液流交换，上述第二头盒与每个第二刚性容槽有液流交换。

41.根据权利要求40的电化学系统，它含有位于上述第一和第二刚性容槽内的温度传感装置，用来在工作时测量每个容槽中的电解液的温度，上述温度传感装置被连接在位于上述第一和第二容槽内的热交换装置上，以控制上述电解液的温度。

42.一种电化学系统，它包括：

a)至少一个槽堆，在上述至少一个槽堆中含有至少两个槽，每个槽含有一个阳极和一个邻近于上述阳极的阳极液室，以及一个阴极和一个邻近于上述阴极的阴极液室；以及

b)位于上述槽堆的相对两端处的刚性支撑元件，上述刚性支撑元件至少含有第一和第二刚性容槽，上述阳极液室与上述第一刚性容槽有液流交换，并且上述阴极液室与上述第二刚性容槽有液流交换。

43.根据权利要求42的电化学系统，它至少含有位于上述第一和第二刚性容槽内的温度传感装置，用来探测每个容槽中的电解液的温度，上述温度传感装置被连接在位于上述第一和第二刚性容槽内的热交换装置上，以控制上述电解液的温度。

44.根据权利要求42的电化学系统，它至少含有第一和第二头盒，上述第一头盒与每个第一刚性容槽有液流交换，并且上述第二头盒与每个第二刚性容槽有液流交换。

45.根据权利要求44的电化学系统，它至少含有位于上述第一和第二头盒内的温度传感装置，用来探测每个头盒中的电解液的温度，上述温度传感装置被连接在位于上述第一和第二头盒内的热交换装置上，以控制上述电解液的温度。

46.根据权利要求44的电化学系统，其中每个槽都至少含有一个位于阴极液与阳极液室之间的分离器。

47.根据权利要求46的电化学系统，其中上述电化学系统是一个用来产生H₂和O₂的水电解槽，并且其中上述分离器是一个至少含有一个气体分离元件和环绕上述气体分离元件的周边伸出的上述周边框的气体分离器组件。

48.根据权利要求47的电化学系统，其中上述气体分离元件是一个气体分离膜。

49.根据权利要求48的电化学系统，其中上述气体分离膜是一个质子交换膜。

50.根据权利要求42的电化学系统，它含有一个泵，用来使电解液通过上述各个槽和上述第一和第二刚性容槽进行循环。

51.一种电化学系统，它包括：

a)至少一个至少含有两个槽的槽堆，每个槽都含有一个支撑了一个阳极的第一框元件和一个支撑了一个阴极的第二框元件，上述第一和第二框元件各自都含有两个相对的周边表面；

b)每个槽都至少含有一个密封地啮合在定义了一个阳极液室的上述第一框元件的上述相对周边表面中的一个表面上的第一框元件，每个槽都至少含有一个密封地啮合在定义了一个阴极液室的上述第二框元件的上述相对周边表面中的一个表面上的第二框元件；以及

c)上述第一和第二框元件是用一种可压缩的人造橡胶类材料制作的，并且其中当电化学系统被组装后第一和第二框元件被紧压形成紧密液封。

52.根据权利要求51的电化学系统，其中每个槽都至少含有一个位于阴极液与阳极液室之间的分离器，并且其中上述堆中的各个上述阳极液室互相间有液流交换，上述堆中的各个上述阴极液室互相间有液流交换。

53.根据权利要求52的电化学系统，其中上述分离器至少含有一个分离元件和一个沿上述分离元件的周边伸出的周边框，并且其中分离器的周边框是用可压缩人造橡胶类材料制作的。

54.根据权利要求53的电化学系统，其中在每个槽中上述分离器被密封地啮合在上述第一和第二框元件的另一相对的周边表面之间。

55.一种单堆电化学系统，它包括：

a)串联地排列在一个槽堆中的n个槽，其中n是一个大于或等于2的整数，每个槽都至少含有一个阳极和其邻近的一个阳极液室以及一个阴极和其邻近的一个阴极液室，两个槽位于上述堆的相对两端，其中一个槽至少含有一个接触阳极，另一个槽至少含有一个接触阴极，其中接触阳极和接触阴极适合于连接到一个电源上，含有一个用来隔离上述堆中的相邻槽的隔离元件；以及

b)n-1个双电极板，每个双电极板都至少含有一个具有一个长度和一个宽度的导电框，还含有一个用来支撑位于上述槽中的一个槽内的一个阳极的第一部分和一个用来支撑位于相邻槽内的一个阴极的第二部分，还在上述阳极与阴极之间含有一个用来电连接上述两电极的幅板部分，并且其中上述幅板部分中至少有一部分位于含有被上述双电极板所支撑的阳极和阴极的两个槽的外部，上述双电极板被基本上沿着上述幅板部分的中线折迭，当在上述两个接触电极之间建立了一个电压降时，电流将沿着上述导电框的上述长度汇集，并通过导电框以及上述阳极和阴极的宽度在上述双电极板的一个平面内从一个槽流向另一个槽。

56.根据权利要求55的单堆电化学系统，其中上述接触阳极和接触阴极是单电极板，每个单电极板都至少含有两个带有一个导电框的单电极板，上述导电框有一个长度和一个宽度。

57、根据权利要求56的单堆电化学系统，其中双电极板和单电极板的导电框的长度大于各自的宽度，并且其中支撑在上述单电极板和上述双电极板上的上述阳极和阴极各自都有一个长度和一个宽度，上述长度大于上述宽度。

58.根据权利要求57的单堆电化学系统，其中双电极板的上述第一和第二部分各自都至少含有一对相对的表面，上述一对相对表面中的每个表面都含有一个环绕着被支撑的阳极和阴极的周边伸出的平面周边表面，并且其中单电极板的导电框含有一对相对的表面和位于相对表面中每个表面上的环绕被支撑在上述单电极板上的阳极或阴极的周边伸出的平面周边表面。

59.根据权利要求58的单堆电化学系统，其中每个槽都至少含有一个位于阴极液与阳极液室之间的分离器，还至少含有一个连接上述阴极液室的液流通道和一个连接上述阳极液室的液流通道。

60.根据权利要求59的单堆电化学系统，其中在每个槽中，上述分离器至少含有一个周边框，上述周边框被密封地啮合在支撑上述阳极的导电支撑框的两相对表面中的一个表面的平面周边表面与支撑上述阴极的导电支撑框的两相对表面中的一个表面的平面周边表面之间。

61.根据权利要求60的单堆电化学系统，其中每个槽都含有一个形成了框元件的阳极液室，该框元件被密封地啮合在支撑上述阳极的导电支撑框的上述两相对表面中的另一个表面的平面周边表面上；还含有一个形成了框元件的阴极液室，该框元件被密封地啮合在支撑上述阴极的导电支撑框的上述两相对表面中的另一个表面的平面周边表面上。

62.根据权利要求61的单堆电化学系统，其中形成了框元件的上述阳极液和阴极液室、分离器的周边框、以及上述隔离元件的周边框都是用可压缩人造橡胶类材料制作的，并且其中形成了框元件的上述阳极液和阴极液室、上述隔离元件和上述分离器的上述周边框在上述电化学系统被组装后被紧压形成紧密液封。

63.根据权利要求62的单堆电化学系统，其中单堆被紧压在位于上述堆相对两端处的刚性支撑元件之间。

64.根据权利要求63的单堆电化学系统，其中刚性支撑元件含有第一和第二刚性容槽，第一刚性容槽与与堆中每个阳极液室有液流交换的第一和第二液流通道有液流交换，第二刚性容槽与与堆中每个阴极液室有液流交换的第三和第四液流通道有液流交换。