r>[0050] "過渡件"是指過渡到不同形狀的元件。
[0051] "水"是指純水、不純水、電解質(zhì)以及所有水溶液。
[0052] "區(qū)段"是指具有特定的特性、目的或用途的半罩或罩的區(qū)域。
[0053] 需要至少兩個(gè)半罩來形成罩。半罩包括至少三個(gè)區(qū)段：（1)第一端部區(qū)段；（2)中 間區(qū)段；以及（3)第二端部區(qū)段。半罩可由不連續(xù)的物體制成，諸如通過將離散的區(qū)部件緊 固來制成。半罩可相反地制成單個(gè)連續(xù)物體。半罩可構(gòu)造成不同形狀和大小。例如，中間 區(qū)段可以是具有包括半圓形、半橢圓形和、或半矩形形狀的橫截面的大致圓柱形。中間區(qū)段 也可以是具有可變截面的非圓柱形。端部區(qū)段可例如是平坦的、部分錐形的、部分類球形的 或部分橢圓形的。端部區(qū)段可包括專門適配部諸如底部支撐或流動(dòng)通路。
[0054] 將水電解分離成氫氣和氧氣的裝置的一個(gè)實(shí)施例可包括（i)第一半罩；（ii)第二 半罩；（iii)位于第一半罩和第二半罩之間的隔膜電極陣列，該隔膜電極陣列包括：(a)通 過離子而阻止氣體通過的隔膜，該隔膜包括第一側(cè)和相反的第二側(cè)；(b)在隔膜的第一側(cè) 的第一附近區(qū)域的第一多個(gè)電極；以及（c)在隔膜的相反的第二側(cè)的第二附近區(qū)域的第二 多個(gè)電極；（iv)緊固件，該緊固件用于將第一半罩、隔膜電極陣列和第二半罩防漏緊固，從 而形成防漏罩；(V)電觸頭，用于向第一和第二多個(gè)電極供電，以及；(vi)構(gòu)造成將氫氣和 氧氣分開地從罩移除的通路。在某些實(shí)施例中，半罩是單個(gè)連續(xù)物體。在其它實(shí)施例中，半 罩包括離散的區(qū)部件。
[0055] 隔膜材料的實(shí)例還包括下列網(wǎng)狀和/或能滲透材料：例如有機(jī)合成物、無機(jī)合成 物、塑料、石棉、石棉纖維、玻璃纖維、PTFE、紙、氈、纖維、聚合物、聚丙烯、石棉片、合成纖維 片、PVC、石棉網(wǎng)、共聚物、陶瓷、包覆石棉、苯乙烯、Al 203、Si02、Zr02&及玻璃纖維。
[0056] 向電解器裝置供電的電力源的實(shí)例包括光伏電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、可再生能源發(fā)電 機(jī)、核能發(fā)電機(jī)以及化石燃料驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。
[0057] 在電解器裝置的某些實(shí)施例中，氣體移除通路包括頂部空間屏障，從而第一半罩 的第一頂部空間與第二半罩的第二頂部空間分隔；流體連接到第一半罩的第一流動(dòng)通路； 以及流體連接到第二半罩的第二流動(dòng)通路。
[0058] 在某些實(shí)施例中，第一流動(dòng)通路包括連接到第一中間區(qū)段的第一上端部區(qū)段和第 一管；而第二流動(dòng)通路包括連接到第二中間區(qū)段的第二上端部區(qū)段和第二管。上端部區(qū)段 形狀的實(shí)例包括平板、部分圓錐形、部分球形、部分橢圓形以及部分矩形形狀。
[0059] 第一管和第二管可在半罩的外部?？商娲?，第一管和第二管可在半罩的外部和 內(nèi)部。某些實(shí)施例包括折流板（baffle)和親水表面以通過水汽表面凝結(jié)使蒸發(fā)水分損失 最小化。某些實(shí)施例包括熱沉技術(shù)，以通過與周圍溫度的熱交換而使蒸發(fā)水分損失最小化。
[0060] 在隔膜電極陣列的某些實(shí)施例中，電極包括導(dǎo)線。導(dǎo)線材料例如是金屬、合金、半 導(dǎo)體、超導(dǎo)體、復(fù)合物、碳、碳纖維或?qū)щ娋酆衔铩?dǎo)線的表面可被紋理化以將實(shí)際表面面積 增加到超過表觀表面積并通過添加催化劑來改性。在某些實(shí)施例中，導(dǎo)線基本上平行于隔 膜的第一側(cè)和隔膜的相反的第二側(cè)。在其它實(shí)施例中，電極通過例如諸如光刻、化學(xué)鍍、著 墨（inking)、氣相沉積或?qū)щ娪推岬某练e技術(shù)來沉積。
[0061] 公開了制造隔膜電極陣列的多種方法，諸如導(dǎo)線施加機(jī)和/或繞線機(jī)技術(shù)的使 用。例如，制造在電解器裝置中使用的隔膜電極陣列的方法包括：（i)將通過離子而阻止 氣體通過的隔膜安裝在繞線機(jī)上；（ii)使用導(dǎo)線施加機(jī)將導(dǎo)線施加在隔膜的第一側(cè)的第 一附近區(qū)域以及在隔膜的相反的第二側(cè)的第二附近區(qū)域；（iii)將第一半罩、導(dǎo)線、隔膜以 及第二半罩緊固，從而形成防漏罩，以及；（ iv)修剪導(dǎo)線；從而制成在電解器裝置中使用的 隔膜電極陣列和電解器裝置。導(dǎo)線施加方法的具體實(shí)例包括（i)漸進(jìn)式軸向旋轉(zhuǎn)繞線法； (ii)漸進(jìn)式軌旋轉(zhuǎn)繞線法；（iii)蛇形繞線法；（iv)漸進(jìn)式軸向旋轉(zhuǎn)閂鎖繞線法；以及（V) 多股式導(dǎo)線定位施加法。
[0062] 電解器裝置包括（i)第一半罩；（ii)第二半罩；（iii)夾在第一半罩和第二半罩 之間的隔膜電極陣列，其中，隔膜電極陣列使用繞線和/或?qū)Ь€施加的方法來制成；（iv)構(gòu) 造成將氫氣和氧氣分開地從罩移除的通路；以及（V)用于向裝置供電的電觸頭。
[0063] 高溫電解裝置包括與電解器的高溫隔開的電觸頭。電觸頭的溫度低于電解器的操 作溫度。溫差通過增加電觸頭的區(qū)域和高溫電解器的發(fā)熱區(qū)域之間的距離以及通過觸頭和 周圍溫度之間的熱交換來實(shí)現(xiàn)。
[0064] 公開了一種教育學(xué)生的可再生能源制造的科學(xué)技術(shù)的裝置和方法。該方法依賴于 將水轉(zhuǎn)化成氫氣和氧氣的所公開的電解器的具體實(shí)施例。該裝置和方法解決了將科學(xué)和工 程實(shí)踐集成到K-12自然科學(xué)課程中，如弗吉尼亞州阿靈頓（Arlington) ? 2012全國自然 科學(xué)教師協(xié)會(huì)的K-12自然科學(xué)教育機(jī)構(gòu)的77頁的全國自然科學(xué)教師協(xié)會(huì)讀者指南所述， 并全部以引用的方式并入。所公開的裝置是電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的實(shí)用教學(xué)工具。裝置與教 授可再生能源制造、儲(chǔ)存、分配和使用的科學(xué)和工程原理的泵、分離器、壓縮機(jī)和儲(chǔ)存單元 相互作用。
[0065] 所公開的隔膜電極陣列的實(shí)施例能夠被用于制造燃料電池的薄膜電極組件。
[0066] 所公開的電解器還可用于除了制造氫氣和氧氣的水電解外的工業(yè)工藝。一種這樣 的工藝是氯堿工藝。
[0067] 構(gòu)成電解器裝置的半罩可以是類似的或基本上相同的。它們構(gòu)造成具有互補(bǔ)形 式，使得它們將隔膜電極陣列夾在中間以形成防漏罩，并允許用于氣體和/或液體移除的 流體連接以及在電極觸頭處的電極的供電。緊固件可被松開或切割以允許接近隔膜電極陣 列來進(jìn)行維護(hù)、維修和/或更換而產(chǎn)生最少廢料并獲得材料重新使用的機(jī)會(huì)。半罩通過例 如機(jī)加工、鑄造、模制、旋壓、層壓、鍛造、乳制、擠壓、拉拔、彎曲、旋壓、沖壓、沖切、鋸削、攻 螺紋、拉削、鉆孔、車削、鉆孔、銑削、研磨、切削、電火花加工來制造。其能夠包括例如生物材 料、碳、陶瓷、復(fù)合材料、玻璃、納米材料、耐火材料、半導(dǎo)體、薄膜、功能級(jí)材料以及諸如聚氯 乙烯、聚乙烯、聚丙烯以及聚碳酸酯的碳聚合物。
[0068] 半罩能夠制成單個(gè)連續(xù)物體或由離散部件區(qū)段制成。半罩包括用于氣體移除的通 路。半罩可功能用作制造隔膜電極陣列的夾具，該夾具便于制造所公開的電解器裝置的實(shí) 施例的制造技術(shù)的使用。制造技術(shù)包括例如機(jī)器人技術(shù)、機(jī)器人視覺、機(jī)器視覺以及數(shù)字控 制運(yùn)動(dòng)和導(dǎo)線定位機(jī)。
[0069] 圖IA和IB分別示出了包括連續(xù)區(qū)段半罩的電解器裝置的實(shí)施例的分解圖和組裝 圖。第一半罩101和第二半罩103將隔膜電極陣列105夾在中間。隔膜電極陣列105包括 在隔膜109的第一側(cè)的第一附近區(qū)域的第一多個(gè)電極107。圖1中不可見的第二多個(gè)電極 在隔膜109的相反的第二側(cè)的第二附近區(qū)域。分界線111將隔膜109與頂部空間屏障113 隔開。頂部空間屏障113是不透離子、氣體和水的。水填充標(biāo)記115指示罩中的水位。填充 標(biāo)記115的位置大約在分界線111與半罩101和103的頂部之間的中間。圖IB示出電解 器裝置117的組裝透視圖。第一多個(gè)電極觸頭119在隔膜109的第一側(cè)的第一附近區(qū)域。 圖IB中不可見的第二多個(gè)電極觸頭在隔膜109的相反的第二側(cè)的第二附近區(qū)域。氧氣移 除通路和氫氣移除通路允許當(dāng)添加有水并且電力被施加到第一和第二多個(gè)電極觸頭時(shí)從 電解器裝置117分開地移除氧氣和氫氣。
[0070] 圖2A和2B分別示出了包括離散部件區(qū)半罩的電解器裝置的實(shí)施例的分解圖和組 裝圖。中間區(qū)段201是第一中間區(qū)段；中間區(qū)段203是第二中間區(qū)段。端部區(qū)段匹配凸緣 205和底板207被緊固到中間區(qū)段。包括氣體移除通路的防漏蓋板209與匹配凸緣205配 合。圖2的隔膜電極陣列、分界線和水填充標(biāo)記基本上與圖1的相同。
[0071] 圖3A和3B是包括在隔膜的第一側(cè)和相反的第二側(cè)的附近區(qū)域中的多個(gè)電極的電 解裝置的實(shí)施例的中間區(qū)段區(qū)域的前透視圖和后透視圖。中間區(qū)段301是第一中間區(qū)段。 中間區(qū)段303是第二中間區(qū)段。隔膜305包括第一側(cè)307和相反的第二側(cè)309。第一多個(gè) 電極311在隔膜305的第一側(cè)307的第一附近區(qū)域。第二多個(gè)電極313在隔膜305的相反 的第二側(cè)309的第二附近區(qū)域。
[0072] 圖4示出了使用軟管夾401將第一半罩、隔膜電極陣列和第二半罩緊固。圖4的 緊固的實(shí)施例示出了隔膜電極陣列在部位403處被適當(dāng)切口以容納軟管夾。用于電解器 的實(shí)施例的防漏緊固的緊固件包括夾具，例如諸如軟管夾、西德福夾（Stauff clamp)以及 帶夾。緊固件還包括導(dǎo)線扎帶、電纜扎帶、扎帶、環(huán)氧樹脂、粘性密封墊片、水族槽粘合劑、接 合劑、洗衣機(jī)粘合劑、焊接、加熱、銅焊、壓接、纏繞、膠合、包裹、鉸接、錫焊、夾緊、R鎖件、錨 定、銷、銷釘、搭扣、壓條、扣環(huán)、夾子、定向能、螺釘、凸緣、螺栓、螺母和/或其中的一個(gè)或多 個(gè)的選擇組合。在某些實(shí)施例中，上述緊固件中的一個(gè)或多個(gè)被排除。
[0073] 圖5A示出了軟管夾，并且圖5B示出了半罩的中間區(qū)段以及用于電解器裝置的實(shí) 施例的防漏緊固的密封墊片。周帶501繞電解裝置的周圍纏繞并且通過蝸輪組件503的旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來擰緊。圖5B示出了第一中間區(qū)段505和第二中間區(qū)段507。第一對(duì)襯墊條509與 第一中間區(qū)段505相鄰。第二對(duì)襯墊條511與第二中間區(qū)段507相鄰。該多條襯墊條509 和511通過填塞典型邊緣513以及隔膜電極陣列而提供額外的防漏緊固和密封能力。為了 清楚起見，隔膜電極陣列在圖5B中未示出。包括粘合劑、密封劑、膠合劑和環(huán)氧樹脂的添加 物的襯墊與任何緊固夾結(jié)合使用。襯墊材料的實(shí)例包括橡膠、氟橡膠（Viton)、氯丁橡膠、柔 性石墨、碳纖維、海帕倫（hypalon)、聚氨酯、硅樹脂、PTFE、含氟彈性體、玻璃纖維以及尼龍。
[0074] 圖6A示出了帶夾，并且圖6B示出了西德福夾，該西德福夾用于電解器裝置的高溫 和/或高壓實(shí)施例的防漏緊固。圖6A是帶夾601。螺栓603和螺母605用于將帶夾601繃 緊。圖6B是具有擰緊螺栓609的西德福夾607。這兩種夾具都捆綁大致圓形截面的電解器 裝置的周邊，并且利用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來緊固第一半罩、隔膜電極陣列以及第二半罩，以對(duì)電解裝 置進(jìn)行防漏緊固。
[0075] 圖7A和7B示出了用于將隔膜701密封在不可滲透框架703中的定向能的使用。 圖7A示出了鄰接不可滲透框架703的隔膜701的分解圖?？蚣?03是不透離子、氣體和水 的。框架703的不可滲透特性是繞部件接觸的裝置的邊緣的防漏密封的一部分。在切口的 頂部處的邊緣705將隔膜701與頂部空間屏障707分離。水填充液位709指示電解器裝置 中的水位。液位709大約在邊緣705和框架703的頂邊緣之間的中途。圖7B是組裝圖。使 用緊固件711將隔膜701緊固在框架703中。緊固件711例如包括定向能、加熱、焊接、錫 焊、熔融和膠合。
[0076] 圖8A和8B示出了用于電解器裝置的實(shí)施例的防漏緊固的定向能的使用。圖8A 示出了所公開的電解器裝置實(shí)施例的分解透視圖。第一多個(gè)電極801在圖7的鑲框隔膜的 第一側(cè)的第一附近區(qū)域。圖8中不可見的第二多個(gè)電極在鑲框隔膜的相反的第二側(cè)的第二 附近區(qū)域。圖8B示出了被夾在第一半罩805和第二半罩807之間的隔膜電極陣列803的 組裝透視圖。第一半罩805、隔膜電極陣列803以及第二半罩807的防漏緊固通過施加在部 件在其處接觸的邊緣811處的緊固件809來實(shí)現(xiàn)。緊固件例如包括定向能、加熱