CN103038927B - 电化学电池堆 - Google Patents

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Abstract

一种电池堆，包括一个电化学电池或者多个轴向配置的电化学电池，在电池堆的每个端部处具有端板，每个电池包括被外周区域所包围的活性区域，其中，活性区域包括膜电极组件，并且外周区域包括一个或多个反应物通道，以及其中，电池堆包括用于向活性区域轴向施加压力以使膜和电极接触的装置，以及单独的用于向外周区域轴向施加压力的装置。此外，一种在电池中执行电化学反应的方法，电池包括被外周区域包围的活性区域，该方法包括向活性区域施加压力以及在电池工作期间改变所述压力，其中，活性区域包括膜电极组件，并且活性区域是发生电池反应的区域。

Description

电化学电池堆
技术领域
本发明涉及一种用于电化学电池的堆配置。
背景技术
在常规的电化学电池堆中，电池包括夹在双极板之间的膜电极组件。双极板通常作为集流器，并且电极或“填充结构”构成流场。必须把电池的不同部件一起保持在电池堆中，并且施加压力。这通常是使用围绕电池的外周且轴向地配置的拉杆来实现的。
当通过使用拉杆来密封电池时，有时候很难确保在电池的整个活性区域(即，膜电极组件)施加均匀的压力。这种配置的另一个问题是，当围绕电池的外周施加充足程度的压力时，电池的中心(即没有配置拉杆的地方)有时候会向外弯曲并失去压力。同样，当需要维护电池时，拆除拉杆和多个弹簧加载部件的过程是很费劲的。
有时候，弹性体部件压缩在端板和电池两端之间。这种类型的电池可以更好地解决压力的均匀性，但是施加的是永久性的压力。除了更换零件或部件之外，这是不灵活的且不可控制的。这是个问题，因为接触量对相邻部件之间的欧姆损耗来说影响很大，因此对整体效率影响也很大。
发明内容
已发现，将电池的活性区域与形成密封和传递反应物的区域隔离开是有利的。这些区域都需要加压，并且还发现将它们分开地加压是有利的。这导致均匀的活性区域压力，该压力可以独立于密封力而微调。因此，根据第一方面，电池堆包括一个电化学电池或者多个轴向配置的电化学电池，电池堆的每个端部处具有端板，每个电池包括被外周区域包围的活性区域，其中，活性区域包括膜电极组件，外周区域包括反应物通道，以及其中，电池堆包括用于向活性区域轴向地施加压力以使膜和电极接触的装置，以及用于轴向地向外周区域施加压力的单独装置。
根据第二方面，一种执行电池中电化学反应的方法，电池包括被外周区域包围的活性区域，该方法包括向活性区域施加压力以及在电池发电期间改变该压力，其中，活性区域包括膜电极组件，并且活性区域是发生电池反应的区域。
具体实施方式
本文使用的术语电化学电池包括电解池和燃料电池两者。本发明同等地适用于这两者。
在一个实施例中，每个电池结构包括导电盘(双极板)，其优选为两维的并且具有能够适当变形的厚度。优选地，该导电盘包括在外周上切出的多个歧管(用于反应物的通道)。导电盘具有：外侧区域，其形成电池堆的外周区域的部分；和内侧区域，其形成电池堆的活性区域的部分。
在优选的实施例中，本发明的电池包括垫圈，其是中空的，并且优选地具有从该结构上切出的相同的歧管配置。优选地，该垫圈是热塑性材料、弹性体材料、聚合物材料或者陶瓷材料。垫圈的装配条件是本领域技术人员公知的。
在优选的实施例中，本发明的电池包括中空的外周板。它可以是金属或者非金属。在一个实施例中，它是聚合物。然而，金属外周板在高压电池中是优选的。优选地，框架环基本上是两维的，即，它非常薄且平。它可以具有织构化表面或非织构化表面。优选地，它也包括多个歧管。
如附图所示，电化学电池堆由各个部件轴向配置而形成。在优选的实施例中，电池堆是基本上管状的。
通道或者歧管是用于引导产物和反应物进出电池的装置。在一个实施例中，外周板的歧管被交叉钻有至少一个孔，其引导膜电极组件和歧管之间反应产物的流动。在另一个实施例中，外周板的一个完整部分被去除，以在膜电极组件和歧管之间形成更大的开口。优选地，该开口然后被多孔结构填充，以允许极为定制化的流动形态。该实施例在图5中示出。
在另一个实施例中，不需要交叉钻孔，而使用雕刻方法替代，这样，使得外周板的表面为锯齿状，以使得流体能从歧管传输到活性区域。这也可以通过以下方式来实现：将一个外周板替换为两个单独的外周板，这两个外周板是配合的，并且在配合面上加工出至少一个凹槽，以允许反应物传输至活性区域。垫圈应当夹在两个配合面之间，以在形成凹槽的部位处允许流体通过，并且保证其它的歧管密封。
在优选的实施例中，膜是聚合物膜。优选地，它是亲水性聚合物膜。最优选地，它通过亲水性单体、疏水性单体、包括强离子基团的单体和水的共聚而形成。优选地，聚合物是交联的。
根据本发明的电化学电池堆被密封在两个端板之间。在一个实施例中，仅在电池的活性区域(即，轴向配置的中心)上直接施加外部压力。在该实施例中，在电池堆的外周区域(即，轴向配置的外侧)没有施加外部压力。压力以轴向的方式而施加。
在优选的实施例中，用于向活性区域施加压力的装置是可调节的，以便可根据电池的需求而控制/改变压力的大小。
优选地，用于向活性区域施加压力的装置是活塞，优选地是流体静压活塞或者液压泵。然而，本领域技术人员熟知其它用于施加压力的合适装置。例如，可以使用弹簧向活性区域施加压力。
在另外一个实施例中，电池堆包括用于向活性区域施加压力的装置，以及用于向外周区域施加压力的独立装置。用于向外周区域施加压力的装置可以是与用于向活性区域施加压力的装置相同类型的装置，例如，流体静压泵。替代地，可以使用拉杆向外周区域施加压力。关键特征是：用于向活性区域施加压力的装置与用于向外周(垫圈)区域施加压力的装置是分开的。
当使用拉杆系统在外周区域上产生并维持压力时，该压力优选地作用在垫圈柱、非导电(如聚合物)框架环和膜的外侧区域上，以通过在两侧之间的可能的压差而实现跨电池的密封，并且以保证整体的密封性。该实施例在图2中示出。
当使用流体静压泵向活性区域施加压力时，活塞杆优选地被固定到电流穿通密封件上，电流穿通密封件优选地也由高导电性材料形成。
在优选的实施例中，电池堆不包括常规的端板、拉杆和贝氏(Belleville)垫圈。在该实施例中，外周压力的施加与活性区域压力的施加是分开的，并且不具有常规的端板。可采用滑道配置，包括工字梁钢结构，具有两个独立的液压回路，以满足分开地施加外周压力和活性区域压力的作用。该实施例对于可扩展性以及组装容易性来说特别理想，因为它将电池堆分成多个实体，并且移动了订单分离点(预测驱动的库存技术和需求驱动的库存技术之间的分离)以使反作用式或需求驱动的供应链元件最大化。
第二个优点是易于对工作部件进行替换，同时不需要完全地拆除以及维护那些不易随时间损坏的部件。第三个优点是部件的数量得到大幅度减少。
用于向不同区域(活性区域和外周区域)施加压力的装置是分别可控的，这还具有另外的优点。例如，在系统的空闲期间，有益的是释放施加在活性区域上的压力，从而允许膜(其可以是亲水性的)能够重新吸收水。这可以提高系统的寿命。此外，示出了(在示例中)可以通过改变压力来控制电池的输出功率。与垫圈压力分开地这样做是有利的并且是节能的。
当活性区域和外周区域的压力是分开的时，也可共同地增加在膜材料上的压力而使材料变形，以便不危害其结构的整体性。
在一个实施例中，歧管和活性区之间的区域包括多孔材料，以便能很好地分布反应物和移除产物。在优选的实施例中，可以在两个相关的歧管之间使用差异孔隙率系统，这样可以提供小的背压，从而能使电池内的质量传输更为优化。多孔材料可以包括金属烧结材料、聚合物材料或者陶瓷材料。金属烧结材料可以改型，从而提供主动管理整个电池堆中反应物流动和水收集的附加好处。
中空非导电框架环可以是聚合物。优选地，它可以由任何低TOC(总有机碳)、耐热的工程聚合物制造。由于使用的材料以及基本上是两维的，因此非导电环独特地是低成本且适合于精确的成型预测性。
因为使用材料的量少且也是因为两维的形状，因而薄的双极板(导电盘)独特地低成本。
在优选的实施例中，双极板具有合适的可变形厚度，从而允许从电池到电池的所需移动。这就提供了能消除膜支撑结构的组装公差的潜在新方法，以及保证每个电池均匀挤压的装置。
由非导电中空框架构成的外周区域为电池提供了冲击或振动的保护。
滑道式安装的端部压力系统设计包括一般是镀锌的“工字梁”。两个独立的液压回路(外周压力和活性区域压力)和活塞驱动的端板优选地通过用压缩空气工作的增压装置来驱动。
附图说明
图1：单个电池的分解图(一般性设计)
1、钛箔双极板
2、聚合物垫圈
3、电极支撑
4、电池框架
5、膜
6、电池框架
7、电极
8、聚合物垫圈
9、电极
10、网
11、电极支撑
图2：交叉钻孔的单个电池
1、钛箔双极板
2、聚合物垫圈
3、电极支撑
4、电池框架
5、膜
6、电池框架
7、电极
8、聚合物垫圈
9、电极
10、网
11、电极支撑
图3：典型堆的截面
1、拉杆
2、O形环
3、埋头螺钉
4、聚合物垫圈
5、端板
6、聚合物活塞
7、铜板
8、铜杆
9、双极板箔
10、O形环
图4：使用高接触力和优化电极的性能
图5：具有多孔插件的外周板
图6：燃料电池实施例
示例
根据本发明构造出高压电池堆实施例，对其在超过180bar的压力下进行压力测试和密封。图4示出了使用不同电极和不同活塞压力所获得的性能。图4示出了在具有非常高活塞接触力的高压实施例(2011 01 14HP)与较低活塞压力(Lam002)的低压实施例相比在性能上的显著增加。在高压(2011 01 14HP)情况下，电极也得到了优化。
电池中的电流(A/cm2)越高，则电池越有效率。电效率增益约200mV或13.5％。这说明了把压力施加到电池活性区域的优点。

Claims (8)

1.一种电池堆，包括一个电化学电池或者多个轴向布置的电化学电池，电池堆的每个端部处具有端板，每个电池包括被外周区域所包围的活性区域，其中，活性区域包括膜电极组件，并且外周区域包括一个或多个反应物通道，以及其中，电池堆包括用于向活性区域轴向施加压力以使膜和电极接触的装置，以及单独的用于向外周区域轴向施加压力的装置，其中，所述的用于向活性区域施加压力的装置与所述的用于向外周区域施加压力的装置是分开的，从而能够在不向所述外周区域施加压力的情况下向所述活性区域施加压力，并且能够在不向所述活性区域施加压力的情况下向所述外周区域施加压力，其中，所述的用于向活性区域施加压力的装置是流体静压活塞或者液压泵，所述的用于向外周区域施加压力的装置是流体静压活塞、液压泵或者至少一个拉杆。
2.根据权利要求1的电池堆，其中，所述一个电池或每个电池包括轴向布置的双极板、中空垫圈、包封电极的中空外周板以及离子交换膜，其中，双极板和膜的外侧区域、中空垫圈和外周板构成所述外周区域，并且其中，膜的内侧区域和电极构成所述活性区域。
3.根据权利要求1或2的电池堆，该电池堆是管状的。
4.根据权利要求1或2的电池堆，其中，用于向外周区域施加压力的装置是至少一个轴向配置的拉杆。
5.根据权利要求1或2的电池堆，其中，用于向活性区域施加压力的装置和/或用于向外周区域施加压力的装置是可调节的，以使得施加压力的大小是可控制的。
6.根据权利要求2的电池堆，其中，所述垫圈是热塑性材料。
7.一种在电池中执行电化学反应的方法，电池包括被外周区域包围的活性区域，其中，所述活性区域包括膜电极组件，并且所述活性区域是发生电池反应的区域，所述外周区域包括一个或多个反应物通道，该方法包括向活性区域轴向施加压力以使膜和电极接触以及单独地向外周区域轴向地施加压力。
8.根据权利要求7的方法，其中，在电池工作期间改变施加的压力。
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