可缩放的电解池和堆及高速制造它们的方法与流程

本公开涉及电化学电池，更特别地，涉及设计用于可缩放的高速制造的电化学电池和堆。

背景技术：

0、背景

1、电化学电池是用于利用电诱导化学反应或利用化学反应产生电的装置。如果电是输出，则电池可以被认为是燃料电池或膨胀电池(expander cells)，这取决于化学产品。如果电是输入，则电池可以被认为是电解池、压缩电池(compressor cells)或净化电池(purifier cells)，这取决于化学产品。例如，电解池获取电能并通过将水分解成其组成元素而将其储存在燃料例如氢中。相反，燃料电池可被认为基本上是以反向运行的电解池，即将氢和氧提供给电池，然后该电池将这些分子结合以形成水，在该过程中释放电能。这些装置的基本元件是两个电极、离子导电电解质和分隔两个电极的离子可渗透层，尽管也可以在无膜构造中操作电解池或燃料电池。电化学电池还可包括在电极之间的隔离件，以防止产物在电池的内部混合。在固体电解池的情况下，膜和隔离件可以组合成一体化的固体离子导电层。完整的电化学电池还可包括用于将反应物输送到电极的流场、用于将反应物彼此隔离并与环境隔离的密封件以及一个或多个用于将一个电池与堆中的相邻电池隔离的不可渗透的隔离板(也称为双极板)，并且在某些实施方案中，其用于容纳用于电池的热管理的单独的冷却流体。

2、各种电解质可用于电化学电池，包括质子交换膜、阴离子交换膜、固体氧化物陶瓷膜和液体碱性溶液例如氢氧化钾和氢氧化钠。不同的电解质需要不同的操作条件，并且每种电解质都具有其自身的益处和限制。质子和阴离子交换膜电解质的优点可包括相对低的操作温度和可使用一体化层电解质/膜构造的电池。使用这样的膜的电解池具有优于其它电解池的显著优点，即能够使用纯的液体水而不是苛性溶液或水蒸气作为进料来操作，从而大大简化了实践中的系统的平衡。这样的电解池也可在阴极上无液体水的情况下操作，允许产生具有低的蒸气相水分含量的氢气。

3、二氧化碳对全球气候变化的影响被充分记载。随着社会对解决全球气候变化的努力加速，对大部分或所有人类能源使用的深度脱碳的需求已变得明确且迫切。氢作为不含碳的能量载体的用途对于到达难以或不可能直接用电脱碳的人类工业的某些领域是必要的。这种领域的实例包括钢铁生产、肥料制造、建筑和重型运输例如卡车运输、海运和航空运输。除了这些领域之外，氢的能量密度和稳定的储存特性已使得其成为仅使用可再生电力的季节性规模能量储存和建立电网韧性的最可行的候选，这对于将能量使用完全转化为不含碳的来源将是需要的。这些和其它益处已驱使了对“绿氢”生产的高度兴趣。

4、如果氢通过电解从可再生电(风、太阳能、水电等)而产生，则其被赋予“绿色”标签。满足对未来全球能源系统中的绿氢的潜在需求所需的规模令人望而却步。在接下来的十年中，电解池的生产能力将需要提高许多量级，并且降低它们的成本十倍或更多倍来满足这样的需求。到目前为止，氢电解池的生产一直是具有基于设计用于研究和开发的电池和堆的小型系统和有限配置的小众工业。对于以与社会最终需要相称的速度生产和组装电池和堆所需的制造速度，仅已做出了很少的考虑。

技术实现思路

0、发明简述

1、认识到对创新的电解池技术的迫切需要，本技术的发明人已开发了可缩放的电解池和堆以及可缩放的堆压缩系统和高速制造的方法。本技术的实施方案使用于生产宽范围的电化学电池堆尺寸的资本成本最小化，并且使得能够快速制造电化学电池，包括水电解池。

2、水电解的基本过程包括向带正电的阳极提供水，并在该阳极和带负电的阴极之间传导离子。在室温下在海平面上在阳极处产生氧气，同时在阴极处产生氢气。在阳极和阴极之间传导的特定离子取决于所使用的电解质。在酸性电池中，带正电的水合氢离子从阳极传导至阴极。在碱性电池中，带负电荷的氢氧根离子从阴极传导至阳极。在两种系统中，总反应是相同的：(2)h2o(l)→(2)h2(g)+o2(g)。必须提供电以驱动反应。氢到液体水的基本反应的开路或热中性电压是1.481，因此必须将高于1.481的电压施加到用液体水进料的氢电解池，以引起反应进行(如下所述，通常需要过电势以使反应以可接受的速率进行)。电池的尺寸(即，活性区域)决定了在给定的施加电压下从一个电池产生氢/氧的速率。特定的施加电压所需的总电流可与电池的尺寸(即，活性区域)成比例。在实践系统中，多个电池可以“堆叠”在彼此的顶部上以提高生产能力。这种电池的堆导致需要施加更高的电压(电池计数的整数倍)来驱动反应。例如，1000cm2的单个电池可以产生与500cm2的两个堆叠的电池相同的氢气流，但是500cm2的堆将需要2x电压和1/2x电流的输入。在选择所需电压和电流方面中的灵活性可以是在整体电解系统的设计和成本中的重要考虑。例如，用于较高电流和较低电压的电源由于所需的电导体和构造它们所需的另外的材料的尺寸而可以比用于较高电压和较低电流的电源更为昂贵。

3、随着反应进行，水被消耗并产生氢气+氧气，因此必须向电池持续提供水以供给反应。化学计量是一个涉及化学反应的“平衡”的术语。在电化学电池中，术语“化学计量(stoichiometry)”或“化学计量(stoich)”是指相对于使总反应精确平衡所需的量，进料到电池的反应物的比。例如，在2水化学计量下操作的电解池将具有产生离开电解池的氢和氧所需的水的量的两倍作为其输入。在1化学计量下系统的质量守恒意味着每小时1kg的氢产生与每小时约8kg的氧产生和每小时约9kg的水消耗相关。电解池可以通常以大于1的最小水化学计量运行，以确保电池中各处都有足够的反应物。例如，在1的水流化学计量比下，为电池提供的所有水可在阳极上转化为氧，使得电池出口处的氧分数为100％(即，没有水离开电池)。这种情况可以是不稳定的，并且可以因出口附近电池的阳极缺乏(anodestarvation)而导致损坏。由于离开电池的所有物质都是蒸气，因此这也可导致出口处的高流体速度和压力损失。因此，可选择工艺条件以将电池出口处的氧蒸气分数保持在低于给定阈值。例如，＜40％的出口氧气分数可导致流场速度从水入口到出口增加小于2x。为了保持＜40％的氧气分数，可以需要最高或大于100的水化学计量。

4、电解过程不是100％有效的，并且因此，输入电力中的一些在电池内转化为热而不是作为氢储存的化学能。这导致实际氢输出流量需要大于热中性电压(1.481)的电压。系统的能量守恒可意味着，输送到电池的变为热的电功率(电压乘以电流)的分数可以等于[1-(1.481/v电池)]。实际的电解池可以在1.8v操作，这导致[1-(1.481/1.8)]＝～18％的送到电池的功率转化为热而不是氢。因此，实际的电解池在操作期间需要冷却，并且实现这种冷却的有效方式可以是通过利用工艺用水(process water)本身来冷却电池。取决于电池的操作条件，可需要相对高的水的流量来确保电池的峰值温度保持在低于可接受的阈值，并且电池内的温度梯度也是可接受的。该流量也可以表示远大于1的水化学计量。例如，对于在1.8v工作的电池，将18％的输入能量释放为热并在2.7w/cm2工作，可需要约160的水化学计量来保持跨电池的＜10℃的温度上升。从上述的设计考虑来看，进入电池的水流量可由对足够反应物的需要或由对足够温度控制的需要(其中较高者)来确定。

5、管理为氢电解池/堆提供的水可以是对于整个氢产生系统的主要考虑。必须调节流量、压力、温度和组成以满足电池/堆的要求。典型的系统可包括液体-气体隔离件、热交换器、泵和去电离系统，其与电池/堆的阳极侧以回路连接，以便以所需的流量再循环水。当系统产生氢和氧时，消耗了一个“化学计量”的水。可以通过将1化学计量的新水从可接受品质的来源(例如，软化水、脱盐或城市用水)注入系统回路中来补充消耗的水。当考虑电解设备的规模时，电池/堆所消耗的所需水流可以与设备能力成比例。可以是合意的是，保持其它工艺参数(压力、温度、组成)统一而无论规模如何，因为这可以大大简化系统组件选择、总体系统控制以及配置地点的工程、采购和建造(epc)的成本。例如，通常对于给定的压力能力的水泵而言可以是在宽规模范围的流量下是市售可得的。因此，具有其水流阻力不取决于电池或堆尺寸的基本电池/堆可以是有利的。然后，可以以模块化方式由更多的电池和/或更多的堆来构造更大的系统，而无需改变水泵技术以及对系统和设备的基本压力评级。

6、氢电解器堆的元件可以包括重复组件的堆和非重复组件的系统。如名称所暗示的，重复组件是其量对堆高度扩展的组件，并且通常可以包括膜/电解质、阳极和阴极电极、水和氢流场、水和氢密封件以及双极的电池隔离板。非重复组件通常可包括端部单元和用于保持堆压缩的机械系统。所述端部单元还可包括电源端子、电绝缘体、流体分配和/或排放/吹扫歧管以及结构端部板。堆压缩系统可包括张力元件、弹簧元件和可调节元件，该可调元件用于将张力和弹簧元件中的机械力(张力)转换为重复组件的堆叠的芯中的机械力(压缩)。堆芯的这种压缩对于确保单独的电池之间以及与端部单元之间的电接触和流体密封件可以是必要的。为了方便起见，我们可以定义具有垂直的x-y-z轴的笛卡尔坐标系，其中“x”平行于水流通过堆的大体方向，“y”垂直于x，但是在由单个电池限定的相同平面中，且“z”大体上平行于电池的堆叠的方向。在这种情况下，压缩系统通常用于沿z轴施加压缩载荷。

7、为了在电解器堆的操作条件的预期范围内适当地发挥作用，压缩系统可以在考虑热膨胀和收缩的温度范围内保持堆上的充分压缩。该系统还可以施加足够高的压缩载荷，以防止电池内的电池在操作压力的预期范围内分离。随着压力增加，分离可导致由于电池之间的接触的丧失、流体泄漏或二者而导致的性能降低。电解池和堆可以设计为在电池的氢和水侧二者上都存在最大可允许工作压力(mawp)。mawp、所需的电池与电池的接触压力、芯的机械刚度、总体操作温度范围和重复组件厚度的预期变化可以是对堆压缩系统设计的主要驱动力。

8、典型的电解池通常可以是圆形或矩形形状，尽管其它几何形状也是可能的。历史上选择圆形电池使得能够在建立电池的mawp中实现圆形电池压力边界。最近，由于在制造期间减少材料浪费的主要益处，因此已经引入了矩形电池。矩形电池可以依靠电池框架和双极板之间的摩擦和/或结合来保持电池压力边界。在两种情况下，所采用的典型压缩系统可涉及两个厚的端部板(在堆芯的端部上各一个)和在该板之间延伸的多个弹簧负载的拉杆，该拉杆大体上均匀地分布在堆的x-y平面的周边周围，以使端部板的变形最小化。该拉杆可以充当压缩系统的张力和可调节元件二者。随着张力载荷在可调节杆中增加，端部板可以起到类似隔膜的作用并弯曲以将压缩载荷输送到堆芯。基本结构力学要求，随着载荷增加(mawp更大，接触或密封件所需的的预载荷更大)，端部板的厚度或材料刚度也可增加，以防止电池的中心区域附近的过度弯曲和接触的丧失。基本结构力学还要求，随着电池的面积在x-y平面中增加，端部板的厚度或材料刚度也可增加，以防止电池的中心区域附近的过度弯曲和接触的丧失。随着面积的增加，杆/弹簧的总数也可以增加，以最小化杆之间的间距以及周边弯曲和接触/密封件问题。当需要较大的电池时，这些改变可以需要从基本水平重新设计、重新工程化和重新验证堆和系统。这进而可由于组件的多维度可变性、改变对处理的要求以及组装过程中的其它不一致性/变化而对制造提出挑战。

9、如上所述，电解池的基本元件可以包括：两个电极、一体化的固体离子导电隔离件、用于将反应物输送到电极的流场、用于将反应物彼此隔离并与环境隔离的密封件以及不可渗透的双极板。电池设计还可包括有利于电池的堆叠和在堆叠的电池之间密封件的特征。这些可包括用于水和/或氢的密封件、用于分配和收集水、氧和氢的在电池周边的窗口和端口以及各种其它详细特征，以确保来自堆芯的压缩的载荷被以适当的比例引导到单独的电池的活性区域和周边密封件。当电池被堆叠时，在电池周边的窗口可以对齐并形成连续的压力通风室，水、氧和氢可以通过该压力通风室被引导进入/离开电池并朝向堆的端部。在典型的电解堆中，由于x-y边界周围的可用区域有限，这些压力通风室可与设置在一个或两个端部板中的孔对齐，从而有利于从系统到堆的外部工艺流体连接。端部板中的通孔特征可削弱它们的结构，并且需要将端部板制造得更厚或更硬。沿z轴离开堆的管道可需要在端部单元中的额外z方向高度，以用于分配和收集来自布置在x-y平面的周边的压力通风室的流体。该空间还可增加端部板的厚度。如果没有分配足够的空间，则可导致流体分布差或通过堆的压力损失高，从而影响性能或耐久性。沿z轴离开堆的管道还可对到系统的管道连接提出困难的安装和对齐的挑战。在一个或两个端部单元内将压力通风室汇集在一起并允许在x和/或y方向上垂直于z进行到堆的工艺连接可以是有利的。然而，对于围绕整个x-y平面的张力元件，对于工艺连接而言，除了沿z轴离开堆边界而不干扰张力构件可以是具有挑战性的。

10、因此，本公开的一个实施方案提供了在给定操作电压下无论所选活性面积如何都具有基本上相等的对水流的阻力、相等的温度升高和相等的出口氧分数的可缩放电解池。在一些实施方案中，电池可以是基本上矩形的，其特征在于沿x轴的尺寸，其根据在其生产中所使用的膜、电极和/或流场材料的卷幅宽度(w)来选择。在一些实施方案中，可基于将操作单元的工艺参数保持在目标阈值内来选择所需的卷幅宽度(w)。例如，将电池的水压降低保持在低于电池可被安装到其中的系统的泵送压力限制可以是合意的。可选择地，保持水流温度上升低于堆温度梯度限制以确保可接受的性能和寿命可以是合意的。可选择地，将电池出口氧体积分数保持在低于确保电池的稳定性能和寿命的限度可以是合意的。可选择地，可基于用于构造电池的可用来源材料来选择所需的卷幅宽度(w)。例如，选择在组装期间在将卷转化成片的过程中使废料最小化的卷幅宽度可以是合意的。在这种情况下，膜、电极和流场的所需卷幅宽度可以相同或不同。如果它们不同，则可以基于膜、电极或流场中最昂贵的来选择选定的卷幅宽度，并且其它材料卷可以选择为具有与其它材料相一致的幅材宽度(w)，其中一致暗示了优化制造速度和/或总成本的卷幅宽度(w)。

11、在一些实施方案中，通过调整电池沿y轴的长度，可从可缩放电池实现可变电池面积。水分配窗口可沿阳极流场的前沿平行于y-轴布置，并且每个窗口可与阳极流场的单位长度相关联。阳极流场的前沿可被定义为水通过其流入阳极流场中的边沿。可选择每个水分配窗口的面积或有效直径(面积等于该窗口的面积的圆的直径)以在选择为将电池温度升高或氧出口体积分数中的一个或多个保持在低于目标阈值的水流化学计量下将沿z轴通过窗口的水速度保持在低于预先确定的阈值。可以选择与每个水分配窗口相关联的单位长度以将在阳极流场的前沿沿x轴的水速度保持在低于预先确定的阈值。然后，可以选择水分配窗口的数量以实现电池的总体目标氢产生速率，同时保持水流压力损失、水温度升高和氧出口体积分数低于目标阈值。

12、在另一实施方案中，提供了用于可缩放的电解池的双极板组合体，其包括双极板、氢密封件、水密封件和流体分配框架。流体分配框架可以被配置为定位、约束和容纳在两个相邻双极板之间的阴极流场、阴极电极、膜、阳极电极和阳极流场。流体分配框架还可以被配置为将来自一个或多个水输送窗口的水流均匀地分配到阳极流场的前沿。流体分配框架可以进一步被配置为从阳极流场的后沿均匀地收集水和氧气流，并将所述流分配到一个或多个氧收集窗口。后沿可以被定义为水和/或氧通过其从流场流出的阳极流场的边沿。均匀分配或收集可定义为在流场的前沿和/或后沿处小于正或负50％的速度变化。流体分配框架可以进一步被配置为接合该框架和与阴极流场相邻的双极板之间的氢密封件。流体分配框架可以进一步被配置为接收该框架和与阳极流场相邻的双极板之间的水密封件。流体分配框架可以进一步被配置为使得能够通过以下方式来固化氢或水密封件中的至少一个：紫外光、微波、磁致固化、热固化、溶剂固化、两部分环氧树脂固化方法和/或湿度固化。为了实现这一点，框架可以由uv透明材料或微波透明材料构造，以使得紫外光能够触及位于该框架和双极板之间的氢密封件。紫外和微波固化的密封件的优点可以是非常快速的固化和短的周期时间的潜力，导致高速、低成本地制造双极板组合体。可选择地，流体分配框架可以由用于充当密封件的材料构造，从而消除固化的需要。例如，框架本身可以由硅橡胶或聚氨酯或具有适于在压缩下变形并形成氢密封件、水密封件或二者的性质和几何的各种其它聚合物中的任何一种制造。例如，框架可以通过两次注射成型工艺作为单个整体组件而制造，其将硬质基础框架与用于氢密封件、水密封件或二者的重叠注塑的弹性体图案相结合。在另一实例中，流体分配框架可以通过在卷对卷工艺中将氢和/或水密封件丝网印刷到塑料膜的一侧或两侧上来构造。流体分配框架可以进一步被配置为从阴极流场的一个或多个后沿收集氢气流，并将所述气流输送到一个或多个氢收集窗口。流体分配框架可以进一步被配置为接合阳极和阴极流场之间的内部密封件，该密封件被施加到膜、催化剂涂覆的膜、电极、膜-电极组合体的辅助垫圈边界或框架本身中的至少一个。阳极流场可进一步被配置为大于阴极流场，使得阳极流场有利于在电池堆被压缩时将压缩载荷施加到内部密封件。流体分配框架、水密封件和氢密封件可以进一步沿投影视图中的z轴布置，以最小化未支撑的密封件区域，其中未支撑的密封件区域被限定为压缩载荷不可沿z轴在组件之间转移的任何区域。例如，对于密封件性能和可靠性而言，确保小于50％的沿z轴投影密封件保持未支撑的可以是有利的。

13、在一些实施方案中，描述了制造用于可缩放电解池的双极板组合体的方法。在一些实施方案中，该方法涉及在设计用于高速组装的连续生产线中的一系列制造步骤。首先，用于双极板、氢密封件、水密封件和流体分配框架的材料可以选自与待制造的电解池的生产、操作、性能和寿命期望相适应的适当候选材料。第二，双极板可以由选定材料的卷材通过冲压、激光切割、水射流切割或其它适当的金属成形技术来生产。如果性能或耐久性需要，则双极板可以用适当的材料层涂覆。例如，pem电解池可以需要薄金层，而aem电解池可以需要薄镍层。可选择地，可以不需要涂层，并且所生产的双极板可以仅需要在成形之后钝化和/或吹扫以消除污染并促进待施加的氢密封件的粘附。可以使用各种标准的钝化和清洗方法来确保在双极板表面上的游离金属和疏水性污染物最小化。第三，可以将氢密封件以未固化状态施加到双极板。包括丝网印刷、旋转丝网印刷、模版印刷(stencilprinting)、机器人分配、注射成型、压缩成型或压印印刷的方法可以基于包括但不限于工艺速度、周期时间、材料浪费和机器成本的因素来选择。例如，丝网印刷可以是非常快速的过程，但是可不适合于太厚的密封件或者设计上不平坦的密封件。在另一实例中，可以执行多个丝网印刷来建立密封件所需的厚度。第四，在单独的工艺中已生产的流体分配框架可以与双极板和氢密封件在x-y平面中对齐，并且用合适的力压制到未固化的氢密封件上，以确保在电池的阴极流场与水分配窗口电池的外周二者之间可以产生未破损的密封件。还可以将流体分配框架压制到氢密封件上以实现双极板组合体的特定目标厚度。该方法可以允许氢密封件的最终厚度变化，从而减小由于双极板厚度、流体分配框架厚度或二者中的变化而导致的公差叠加和整体双极板厚度变化。此时，氢密封件可通过适当的工艺(如本文所讨论)来固化或保持未固化。第五，可以将水密封件以未固化状态施加到流体分配框架。包括丝网印刷、旋转丝网印刷、模版印刷、机器人分配、注射成型、压缩成型或压印印刷的方法可以基于包括但不限于工艺速度、周期时间、材料浪费和机器成本的因素来选择。第六，如果之前未固化，则水密封件和氢密封件可以基于包括工艺速度、周期时间和机器成本的因素使用适当的方法固化，例如紫外光固化、微波固化、热固化、溶剂固化、两部分环氧树脂固化方法或湿度固化。例如，紫外光固化可以是非常快速的过程，但需要光源具有到未固化的密封件材料的视线(line-of-sight)。在双极板和流体分配框架之间在这些部件是不透光的情况下的氢密封件的固化可以阻止紫外光固化起作用。如果流体分配框架或双极板对紫外光透明，那么使用该技术可以快速固化。选择透明材料用于流体分配框架的优点可以是，其使得能够同时固化氢和水密封件二者，消除与单独的固化步骤相关的成本和处理时间。

14、在另一实施方案中，描述了可缩放电解器堆压缩系统，其适于接收并压缩多个具有沿x轴的大体上固定的尺寸和沿y轴的可变的尺寸的可缩放电解池。压缩系统可被配置为具有沿大体上矩形的电池堆的两个相对侧的张力构件，这些侧平行于y轴，使得该张力构件的应力区域与电池的可变y轴尺寸(例如，y轴长度)成比例地增长。与该张力构件相邻的两侧可以保持开放，以促进高速堆组装和与堆的有效工艺连接，或者可以任选包括另外的张力构件。在一些实施方案中，张力构件的特征可进一步在于，其由大体上平坦的材料片包裹成围绕堆的端部和两个可变长度侧的框架结构构造而成。包裹物可以在堆的每个端部处成形为半圆柱形形状，在沿y轴观看时产生大体上椭圆形跑道的轮廓。该形状可具有以下优点：允许包裹材料被构造以使包裹物中的机械应力可以基本上是拉伸应力并且半圆柱形端部单元的弯曲可被最小化。该包裹物可以被配置为允许在包裹物和相关联的电池堆的半圆柱形端部单元之间的滑动表面。具有沿x轴大体上固定的尺寸和沿y轴(电池面积)和z轴(电池数量)二者的可缩放尺寸的特性的包裹物可使得能够使用相同的材料和厚度，而无论电池活性面积或堆高度如何。随着通过增加沿y轴的长度而增加电池面积，沿y轴的包裹深度可任选成比例地增加。由于增加的活性面积可以需要增加的压缩载荷以用于组装，因此自然地增加以增加包裹物的y轴深度的材料可以提供在相同的包裹物厚度下以直接比例承载该载荷的结构。该几何可缩放性可以在不同堆的包裹物的简化和一致的生产以及原材料采购的规模经济方面提供优点。然后包裹物的厚度可仅为固定的电池的x轴尺寸、组装时施加到堆芯的所需预载荷和/或电解池的额定最大可允许工作压力的函数。包裹物的厚度可大于或等于阴极流场沿x轴的尺寸乘以电解器的最大可允许工作压力与选定的包裹物材料的拉伸强度的比。

15、在另一实施方案中，包裹物可由在单个接缝处接合的一片材料或在若干接缝处接合的多于一片材料构造。例如，由两个相对的半部构造包裹物可以是有利的，所述两个相对的半部在椭圆形跑道轮廓的平坦侧上与铰链销式接头连接。这种构造可以有利于在包裹物的一个半部内通过该包裹物的一个或两个开口侧以高速直接组装堆。它还可以允许在堆叠完成之后使用包裹物的第二半部来有效地预压缩电池堆。还可以允许通过将铰链销沿y轴插入成形为各包裹物半部的对齐的铰链环中，将两个包裹物半部有效地接合成连续的结构边界。连接方法也可以使用替代性接头设计形成，例如搭接焊、搭接螺栓、法兰焊、法兰螺栓、卷边钩和/或支撑的卷边钩。包裹物可被设计为沿y轴大体上连续的，或可被设计为具有沿平坦侧的条带。可以选择条带的宽度和长度以促进选定的接头结构的形成。可以选择条带的宽度和长度以实现所需的强度和/或所需的载荷下弹性。该条带可以部分地围绕一个或两个包裹物半部延伸，或者可以将两个半部完全再分成单独的带。该条带可具有沿z轴的均匀的y轴尺寸或可变化。可以选择在y-z平面中的条带几何的变化以实现所需的强度、所需的弹性或二者。

16、在另一实施方案中，半圆柱形端部单元可以构造为容纳压缩系统的可调节元件。可调节元件可以完全包括在一个或两个圆柱形端部单元内，从而与具有在张力元件边界外的可调节元件的堆相比减小了总体积。可调元件可以包括螺钉、螺母、弹簧、衬垫(pads)、底板(shoes)和将拉伸应力从包裹物转移到堆芯中的压缩应力所需的其它结构组件。可调节元件的组件可以布置为促进两个或更多个组件沿z轴与电池堆对齐从包裹物边界内分离，从而造成在电池堆被压缩时包裹物伸展。当更多电池的电池堆待压缩时，可调节元件可被配置为具有更大的可调节性的长度。可调节元件还可设置为具有允许外部系统在初始组装期间压缩电池堆的特征。例如，可以设置孔和接触衬垫，以允许在组装期间使用作为高速制造机器的一部分的液压缸或气动缸来将电池堆压缩到所需的精确载荷。然后，可以将可调节元件接合以将载荷从制造系统转移到包裹物，并在电池堆上实现最终的所需的精确载荷。可以存在一个或多个可调节元件装配在圆柱形端部单元内。可调节元件的数量可以设计为与电池堆的y轴尺寸和/或选择用于待压缩的可缩放电池的流体分配窗口的数量成比例地缩放。

17、在另一实施方案中，包裹物可设置为具有有利于与电池堆对齐和压缩夹具接合的特征。例如，包裹物可沿一个或两个平坦侧设置为具有孔或狭槽，以使得在组装期间当电池被放置在堆上时对齐轨道能够与该电池的一个或多个边沿接触。应当理解，孔或狭槽不必是矩形或圆形的。这些特征可被设计为使得能够沿z轴完成精确的基准，以确保电池堆中的所有电池相对于彼此以及相对于电池堆压缩系统精确地对齐。包裹物还可设置为具有允许触及一个或两个半圆柱形端部单元内的可调节元件以促进压缩的特征。例如，可以在包裹物中设置孔，以允许液压驱动的柱将电池堆压缩至所需的第一载荷。出于将载荷从压缩机器转移到包裹物的目的，可以设置另外的孔以允许触及可调节的螺钉或螺母。再一次地，应当理解，孔不必是矩形或圆形的。

18、在另一实施方案中，描述了可缩放的电解器堆，其包括可缩放的电解池的电池堆、可缩放的电池堆端部单元和可缩放的电池堆压缩系统。电解器堆包括沿z轴布置的多个单独的电池。在将这些电池对齐为电池堆的过程中，存在于各个电池中的水和氢分配窗口沿z轴对齐，以形成用于向和从电池堆中的单独的电池分配和收集工艺流体的水和氢压力通风室。

19、电解器堆还可包括在由x-z平面限定的面上的工艺端口，该工艺端口通过压缩系统的可自由触及侧进入和/或离开堆压缩系统边界。该堆可以包括在该堆的一个端部单元中的工艺歧管和在相对的端部单元中的排放/吹扫歧管。这些歧管可被配置为将堆处理端口与电池堆中的适当的流体压力通风室流体连接。以这种方式，单个水流可被输送到堆的水入口端口，在多个水入口压力通风室之中被再分，并且被进一步再分和输送到单独的水分配窗口和阳极流场的前沿的相关联长度。阳极流场的前沿的各相关联长度可以以一定的质量流量和速度将水流输送到阳极电极，以确保在阳极流场中沿x轴的流动长度上，压力损失、温度升高和氧体积分数的增加低于每个参数的目标阈值。在阳极流场的后沿处，后沿的相关联长度可将水/氧流输送到相关联的水收集窗口，其可结合以形成水收集压力通风室，该水收集压力通风室将水和氧输送到公共歧管，并最终输送到用于连接到电解系统的单个水出口端口。

20、电力端子可以设置在两个端部单元中，一个正和一个负以用于向堆供电。也可在电池堆的一个或两个可自由触及侧上设置到电池堆的单独的电池的入口，以探测单独的电池电压。在某些情况下，当z轴与重力矢量基本上对齐时，堆的正极在顶部且负极在底部可以是有利的。在这种配置中，在电池的阳极侧上形成的气泡可由重力推动而移动远离电极，从而释放用于水进一步反应的入口，并且潜在地改善电池堆的性能。在其它配置中，其中z轴基本上不与重力矢量对齐，由于类似的原因，因此堆的正极相对于负极上升可以仍然是有利的。

21、在某些情况下，对于工艺连接(进水、出水/氧和出氢)而言，在顶端部单元中可以是有利的。在该配置中，当氧气泡变成阳极侧上的出口流体的显著体积百分比时，它们可由于水出口压力通风室中的重力而倾向于上升。在顶部具有工艺歧管的情况下，上升的氧气泡可以在所需的大体方向上流动，并且可以帮助防止由气泡逆重力流动而潜在地引起的液体腾涌、蒸气塞和/或其它流动不稳定性。在某些情况下，排放/吹扫歧管在底端部单元中可以是有利的。在电解器堆的启动和使用期间，可以需要在将该堆与系统连接或断开之前从电解器堆中排放滞留的水。在使用或操作期间，可以需要吹扫氢收集压力通风室的冷凝水。位于相对于重力的最低点的排放/吹扫歧管可以最好地促进水从堆中完全排出。在使用期间，还可以需要在阴极上首先产生氢气之前用惰性气体例如氮气吹扫阴极。排放/吹扫歧管还可以被配置为接收用于堆的阴极侧的惰性气体吹扫的工艺连接。

22、在另一实施方案中，描述了制造可缩放电解器堆的方法，所述电解器堆包括位于电池组装线的末尾处的堆组装站。堆叠站可被布置为允许多个操作者同时进行操作，从而加速完成的堆的生产量并使得能够高速生产电池和堆二者。例如，全规模的堆可以包括300个电池，并且被配置为在一年中生产1,000兆瓦的电解器堆的制造设施可以需要在每一年中加工最高1,000个这样的堆和300,000个对应的电池。对于每年操作1,750个工作小时的一个生产轮班而言，该生产能力需要约20秒每电池的粘性时间。对于每堆300个电池，每个堆站可具有最多1.8小时。在一些实施方案中，站可以包括1)在组装夹具中准备和负载非重复堆组件；2)电池放置和对齐；3)电池堆压缩、泄漏检查和锁定；和4)堆完成和卸载。这些站可以方便地定位在电池生产线的末尾处的旋转台上。这些站可以彼此成90度角，由此非重复站可以是第一站，电池放置站可以是第二站，电池堆压缩和泄漏站可以是第三站，以及堆完成和卸载站可以是最后站。各个站可以包括特定的工具、夹具和设备以利于任务。例如，电池放置和对齐站可以包括一个或多个电池对齐轨道，单独的电池可以抵靠该电池对齐轨道放置以确保沿z轴笔直且准确的对齐。可以通过特征例如堆压缩包裹物中的孔和/或狭槽来促进所述轨道的功能。在将堆中的最后一个电池在第二站中放置并对齐之后，可以控制台每1.8小时旋转90度。某些站可以比其它站需要更多的劳动时间，并且单个工人可以在多于一个站履行职责。

23、如前所述，系统可有助于基于沿x轴的固定的卷幅宽度(w)组装可缩放的电池和堆。电池组装线可以在与y轴大体上对齐的方向上传送组件。由于较大或较小电池的变化的电池尺寸是在传送方向上，并且将不需要较宽的电池组装带、机器和处理设备，因此这样的传送机可以灵活地处理具有各种面积的电池。在电池组装线的末尾处，可以将旋转的堆组装站定位为使得配置为不同尺寸的电池的堆压缩系统能够接收所述电池。可缩放的压缩系统，也基于相同的固定的卷幅宽度(w)，可以仅允许沿y轴的用于拾取和放置操作的距离变化，以处理不同面积电池的堆的组装。

24、该系统还可以允许大于每年1,000堆的生产速率。例如，在旋转台处的操作员可仅需要30分钟来完成他们的任务。这可以使得电池生产速率能够提高四倍，导致每个电池约5秒的粘性时间。高速固化技术例如紫外光固化可以有助于这样的周期时间，从而使得单个堆生产线能够在单次轮班中每年生产最多4,000兆瓦级的堆。可缩放电池、堆和制造工艺设计的灵活性质可使得能够保护这样的线中的投资免于早期废弃，因为技术改进且市场可需要不同尺寸的堆。

25、所述的制造系统在电解技术方面也可以是灵活的。只要在电池组装线中使用pem组件和材料，该系统就可以生产pem电解器。只要在电池组装线中使用aem组件和材料，该系统就可以生产aem电解器。

26、在另一实施方案中，描述了用于高速制造用于可缩放的电解池的内部密封件的方法。可以选择所需的沿x轴的卷幅宽度的膜或催化剂涂覆的膜。来自卷材的材料可以被引导沿y轴通过密封件施加机器，其中可以使用丝网印刷、旋转丝网印刷、模版印刷或机器人分配方法中的一种将未固化的内部密封件施加到材料的一侧。方法的选择可以基于所需的生产速度(即，工艺周期和/或粘性时间)进行，并且可以采用多个施加周期来建立用于在密封件上起作用所需的厚度。所施加的内部密封件可以使用高速固化系统来固化，例如紫外光固化、微波固化、热固化、溶剂固化、两部分环氧树脂固化方法或湿度固化。然后，可以使用平刀模头(flat knife-die)、滚刀模头(rolling knife die)、激光或任何其它常规的切割方法将膜-垫片组合体或催化剂涂覆的膜-垫片组合体卷材切割成离散的零部件。所得的单独的零部件可以被输送到电池组装机器，以整合成完整的可缩放电解池。

27、在另一实施方案中，描述了制造用于可缩放电解池的一体化电极流场的方法。所需的沿x轴的卷幅宽度的电极基材可选自泡沫、毡、织造筛网、拉制金属网(expandedmetal)或烧结的金属熔块中的一种。所需的沿x轴的卷幅宽度的流场基材可选自泡沫、毡、织造筛网、拉制金属网或烧结的金属熔块中的一种。来自卷材的电极基材材料可沿y轴被引导通过压延辊，所述压延辊被配置为实现电极基材的每侧的所需厚度和表面性质。例如，置于基材幅材的任一侧上的压延辊可以具有相同的直径或不同的直径，或者它们可以是相同的材料或不同的材料的。在电极基材待转化为活性电极的一侧上使用较硬和/或较小的卷材以实现用于转化的更致密和/或更光滑的表面可以是有利的。在电极基材待层压到流场基材的一侧上使用较软和/或较大的卷材以保持用于层压的更多孔和/或更粗糙的表面也可以是有利的。

28、电极基材可以通过适当的方法转化为活性电极。例如，可以使用热和/或压力将电极材料喷涂、丝网印刷、旋转丝网印刷、刮涂、缝模涂覆、幕涂、揉搓涂覆(squeegee coated)或层压在电极基材的适当表面上。电极转化过程还可以包括后涂覆步骤。例如，涂层可被干燥、热处理、退火或以其它方式物理或化学处理以促进与基材的结合和/或电池的功能性能。来自卷材的流场基材材料可沿y轴被引导，并与活性电极幅材相邻放置，并且通过层压工艺，可造成电极和流场幅材粘附在一起。该层压工艺可包括辊压延，其中电极幅材和流场幅材的匹配表面被机械地挤压，使得基材的固体纤维和/或带状物(ligaments)缠结并锁定在一起。然后，层压的电极流场卷材可被切割成离散的零部件，其可被输送到电池组装机器，以整合成完整的可缩放电解池。

29、应当理解，前面的大体描述和下面的详细描述二者都仅仅是示例性和说明性的，而不是对所要求保护的本公开的限制。当结合附图考虑时，本技术的进一步的目的、特征和优点将从下面阐述的优选实施方案的详细描述中变得显而易见。