CN107112556A - 用于电化学电池堆的中间模块 - Google Patents

Abstract

公开了一种电化学电池堆，该电化学电池堆具有多个堆叠式平面电化学电池模块、位于堆叠式平面模块的第一端的第一端板、以及位于堆叠式平面模块的第二端的第二端板。堆中还包括设置在堆中的邻近电化学电池之间的中间平面模块。在一些方面，中间模块包括内设于中间模块内的腔体，该腔体以比在中间模块的任一侧上的电化学电池堆的操作压力高的压力与流体源流体连通。在一些方面，电化学电池堆包括与堆中的多个电化学电池流体连通的导电处理流体，并且中间平面模块包括与导电处理液体流体连通的非导电通道。

Description

用于电化学电池堆的中间模块

技术领域

本文公开的主题涉及电化学电池，具体地，涉及一种用于电化学电池堆的中间模块。

背景技术

在诸如从氢或碳氢化合物燃料发电、氢的生产或压缩、氧或富含氧的空气的生产和压缩、或富含氮的空气的生产等各种应用的堆式配置中，通常使用电化学电池。尽管堆式配置可以改变，然而，常见设计涉及一系列的平面隔膜电极组件(MEA)，每个组件均以堆叠式框架设置，由导电隔板隔开，也被称为双极板。双极板用于串联式连接堆叠的MEA并且将位于每个MEA的阳极侧上的流体与位于堆中的邻近MEA的阴极侧上的流体分离。输送并且接收来自电池的流体流的流体流通道通常被整合到堆叠式部件的框架中。堆通常具有位于堆的每一端处的端板。堆叠式部件在来自穿过堆在端板之间延伸的螺栓的压缩负载下被组装。然而，难以在电化学电池堆的操作过程中所遇到的所有多个压力周期保持该压缩负载或以更高的操作压力(例如，>100psi)保持该压缩负载。这些问题的常用的解决方法包括使用在螺母和螺栓连接中使用压缩弹簧，然而，该技术仅使问题得到缓解，但并未消除该问题。而且，在操作压力下确保对电池堆进行绝对的密封所需的高端板负载还会引起受到压缩负载的电池隔膜以及其他塑料部件的滑动。此外，在较高内部压力下，由于堆的阳极侧与阴极侧之间的压力差引起的电池部件脱载，电化学电池堆可能经历导电率降低。

在用于电化学电池的一些应用中，具有导电性的处理流体与堆中MEA的一个或多个部分接触。例如，一些PEM电化学电池堆使用包含在邻近电池之间的堆叠式框架中具有流体连接的电介质的水，诸如与堆中的MEA单元的两侧接触的氯化氢。然而，与处理液体接触的堆的不同部分之间的负电势之差可导致在处理液体中形成分流电流。这样的分流电流会降低电化学电池堆的效率、引起腐蚀、并且导致从处理液体的电化学反应形成不期望的气体(例如，在HCl溶液处理流体中，产生不期望的H₂、O₂、以及Cl₂气体)。

除如上所述管理电化学电池堆的轴向负载之外(即，沿着横过堆叠式平面模块的平面的堆的轴的负载)，侧向负载也是一个问题，特别是在诸如使用用于氢压缩的电化学电池堆的应用中遇到的较高操作压力情况下。堆操作过程中向外方向的侧向应力会引起关键部件变形、流体泄露、以及电异常。

发明内容

根据本发明的一些方面，一种电化学电池堆包括多个堆叠式平面模块，该多个堆叠式平面模块包括电化学电池、位于堆叠式平面模块的第一端的第一端板、以及位于堆叠式平面模块的第二端的第二端板。堆还包括设置在堆的邻近电化学电池之间的中间平面模块。

在本发明的一些方面中，中间平面模块包括内设于中间模块被的腔体，该腔体以比在中间模块的任一侧上的电化学电池堆的操作压力高的压力与流体源流体连通。

在本发明的一些方面中，其中，电化学电池堆包括与堆中的多个电化学电池流体连通的导电处理液体，中间平面模块包括与导电处理液体流体连通的非导电通道。

在本发明的一些方面中，电化学电池堆包括含电化学电池的多个堆叠式平面模块，堆叠式平面模块具有外周边表面。堆还包括至少一个板，该至少一个板在与堆叠式平面模块的平面平行的方向上延伸超过堆叠式平面模块的外周边表面。多个锚件沿着该至少一个板的周边部分设置，锚件在与堆叠式平面模块的平面垂直的方向上从板延伸。锚件包括针对与堆叠式平面模块的平面平行的方向上的应力沿着堆叠式平面模块的外周边表面提供结构支撑的表面部分。

附图说明

在本说明书结论的权利要求中具体指出并且清楚地要求保护被视为本发明的主题。从结合所附附图进行的下列细节描述中，本发明的上述特征和其他特征、以及优点将变得显而易见，其中：

图1是根据本发明的示例性实施方式的中间模块的分解图的示意性描述；

图2是根据本发明的示例性实施方式的中间模块的装配图的示意性描述；

图3是根据本发明的示例性实施方式的包括中间模块的电化学电池堆的示意性描述；以及

图4是根据本发明的示例性实施方式的包括多个中间模块的电化学电池堆的示意性描述。

细节描述通过参考附图的实施例对本发明的实施方式以及优点和特征进行了说明。

具体实施方式

现参考图1，示出了示例性中间模块10。中间模块10包括中间模块外端板12、14，中间模块内板16、18设置在中间模块端板12、14之间。板12、14、16、18中的流通端口19提供用于在中间模块10的任一侧上的电化学电池之间传输电化学处理流体的通道。导电体插入件17通过堆中邻近的电化学电池之间的中间模块10提供导电性。

在一些实施方式中，中间模块内板16、18被配置成使得当将它们装配在一起时，其间存在腔体20。腔体20通过压力端口21和压力通道22与流体源保持流体连通。在操作过程中，来自压力源的流体以比位于中间模块的任一侧上的堆的操作压力更高的压力对腔体20加压。中间模块内板16与18的性成腔体20的平面表面沿着它们的周边、但包括薄壁中央部分被密封，并且中间模块10用作压力垫片，其中，在操作过程中，来自腔体20内的压力的应力能够通过这些薄壁部分转移至堆中的邻近部件。在一些实施方式中，诸如弹性体垫片20'的可选弹性体垫片可设置在腔体20中，以向堆提供额外的压力垫片特性和性能。

在一些实施方式中，中间模块10包括诸如中间模块内板18中所示的非导电通道24和26的一个或多个非导电通道。在操作过程中，非导电通道24和26通过端口23和25与处理液体(例如，包含电介质的水)流体连通，处理液体与位于中间模块10的每一侧上的电化学电池流体连通。中间模块10可选地包括诸如用于通过冷却液端口27'引入的冷却液流经的通道27的额外特征。

在一些实施方式中，中间模块10可包括沿着中间模块端板24、26的周边部分设置的可选锚件28。为易于示出，图1中仅描述了位于中间模块端板24上的锚件28。图2描述了处于装配状态的图1中的中间模块10。如图2所示，锚件28在与电化学电池堆的平面模块的平面垂直的方向上在中间模块端板24与26之间延伸并且超过中间模块端板24与26。

现转向图3，示出了装配到电化学电池堆30中的中间模块10。各个电化学电池可以以堆叠形式被设置为模块，被互连件隔开，所述互连件可以提供流体场结构以及电池之间的电连接以提供在堆中的电流流动。通常，堆中的电池以电串联式连接，通过与堆入口和出口流体连通的管头通道(header passage)将流体流分配到堆中或从堆收集流体流。应认识到，每个电化学电池或堆均可包括本领域已知的另外的部件。例如，这些额外的部件包括气体扩散层、集流器等。

如图3所示，电化学电池堆30包括端板32、34、以及包括端板之间的电化学电池及相关联部件(例如，框架隔膜电极组件、双极板或隔板、垫圈、流场、集流器等)的多个堆叠式平面模块36。连杆38在端板32、34之间延伸并且用于在压缩负载下将端板和插入的堆叠式平面模块紧固在一起，以形成电化学电池堆30。流体连通端口42和43将阴极馈送和/或阳极馈送输送至堆、并且从堆接收阴极排气和/或阳极排气、以及提供与用于水化聚合物电介质隔膜或提供电解原料(例如，水或具有诸如HCl等电介质的水)的处理液体流体连通。加压流体端口44从流体源(未示出)接收加压流体以输送至中间模块的腔体20。冷却剂流体端口21'接收冷却液流以输送至中间模块的冷却端口21以及冷却流通道22。如图3所示，锚件28上的平坦表面与堆叠式平面模块36的外周边表面接合，以对堆的操作过程中产生的向外侧向应力提供支撑。

尽管图1中中间模块10被描述为具有与加压流体源和用于导电处理流体的非导电通道24、26流体连通的腔体20，然而，本发明范围内的中间模块还可仅配置有这两个特征中的一个或另一个。对于包括诸如腔体20的腔体的实施方式，在电化学电池堆的操作过程中，利用来自流体源的流体对腔体加压。腔体压力应高于中间模块任一侧上的堆操作压力，并且来自加压腔体的应力能够通过中间模块内板16、18的薄壁部分转移至堆中的邻近部件，以促进有益的电池与电池接触压力(并且伴随低接触电阻)、以及堆密封完整性。在一些实施方式中，腔体20内的压力为5psi至150psi，高于中间模块任一侧上的堆操作压力。

在堆操作过程中，通过提供选择性地施加来自腔体20内的压力的应力的能力，能够减少装配过程中从连杆38施加的高压缩负载的需求。在一些实施方式中，用于对腔体20加压的流体源可以是压缩气体的外部源。在一些实施方式中，流体源是通过电化学电池堆生产的加压氢。在流体源是通过电化学电池堆生产的加压氢的一些实施方式中，在堆启动过程中，可以使用加压流体的外部来源，直至生产对腔体20进行加压的足够加压氢。加压气体的外部源的实施例可以是通过电化学电池堆的之前操作循环生产的储存的加压氢、诸如氮的储存的惰性加压气体、或诸如水的加压液体。

对于在中间模块中包括诸如通道24、26的非导电通道的实施方式，通过非导电通道24、26经由堆的处理液体的路由流体连通路径管理寄生性分流电流。寄生分流电流能够通过将堆中的用于处理液体的流体连通路径引导通过非导电通道24、26来管理。寄生分流电流可以从以不同的电位与不同的电池流体连通的导电处理液而形成在电化学电池堆中。如本文中使用的，导电处理流体或液体指具有至少0.005西门子/m的导电率的任何流体或液体。出于诸如水化离子聚合物隔膜或从水电解液提供氧和氢来源之目的，在质子电介质隔膜(PEM)电池堆中，通常使用液态的处理液体，并且处理液体通过与堆中的多个电池流体连通。在一些堆设计中，使用具有诸如液态酸(例如，HCl)的电介质的处理液体。在这种情况下，通过电池之间的导电液体的导电路径或具有不同操作电压的电池电极可致使处理液体中产生寄生性电流。诸如通道24、26的非导电通道增加了该路径的额外长度，从而增加了沿着该路径的整体电阻并且由此减少了不期望的分流电流量。在诸如隔膜电极组件框架的流体流通道的其他堆叠部件中，也可以使用非导电路径。然而，中间模块能够提供更长或更具战略性的放置的路径，并且并不受诸如隔膜电极组件的部件设计要求所施加的路径长度或配置局限性约束。

上面图3出于示出性之目的描述了具有单个中间模块10的电化学电池堆30。然而，本发明并不局限于具有单个该模块的堆，相应地，图4描述了具有设置于其中的四个独立中间模块10的电化学电池堆50。多个中间模块的使用允许管理来自连杆的压缩负载和单个中间模块10不充分的更大堆中的分流电流。例如，在具有更多电池的堆(整个堆的电压差大于具有更少电池的堆的电压差)中，分流电流更容易成为问题。相对于由锚件28提供的侧向支撑，从图4中可以看出，中间模块的间隔和锚件28的尺寸(横过与中间模块10的平面的长度)协作，以沿着堆叠式平面模块36的外周边表面提供连续的支撑。还应注意，本文描述的锚件可用于电化学电池堆中的任何模块，而不仅仅是本文中描述的中间模块。例如，图4中所示的用于各个中间模块10的中间模块端板12、14反而是专用的MEA框架或侧向延伸超过其他堆叠式平面模块36的表面的隔板框架，从而提供具有锚件28的电化学电池堆而没有本文处描述的任何中间模块。

如上所述，电化学电池堆通常包括含堆叠式平面框架中的平面MEA的隔膜电极组件(MEA)。典型的MEA包括诸如具有设置在相对侧上的阳极和阴极的质子电介质隔膜(PEM)的电介质隔膜。阳极侧流场结构和阴极侧流场结构通常设置在MEA的任一侧上。这些流场结构通常设置成在MEA的远端，且MEA和流场结构各自安装在框架组件中(未示出)，以提供用于流体流与MEA接触的空间。质子交换隔膜可以包括在电化学电池的操作条件下为固体的电解质。可以制造隔膜的有用物质包括质子导电离聚物和离子交换树脂。用作质子导电物质的离子交换树脂包括碳氢化合物和碳氟化合物类型树脂。碳氟化合物类型树脂通常表现出卤素、强酸、以及碱类优良的抗氧化性。具有磺酸基团官能的一系列碳氟化合物类型树脂为树脂(从E.I.du Pont de Nemours和Company,Wilmington,Del.可商购)。

从适合执行所需的电化学反应(例如，水的解离或氢气)的催化物质制造阳极和阴极。适合的催化物质包括但不限于铂、钯、铑、碳、金、钽、钨、钌、铱、锇、其合金等、以及上述物质的组合。阳极和阴极被定位成邻近于其相应的电解质隔膜，优选地，与其相应的电解质隔膜接触，并且可以具有包括被吸收到多孔基板中的离散催化粒子的结构。通过包括但不限于喷射、滴定、涂覆、吸收、真空沉积、上述方法的组合的任何方法可以将催化粒子粘附至基板上。可替代地，催化粒子可直接沉积到质子交换隔膜的相对侧上或支撑元件上。

尽管仅结合有限数目的实施方式对本发明进行详细描述，然而，易于理解的是，本发明并不局限于所公开的实施方式。更确切地，可对本发明进行改造，以对之前未描述但与本发明的实质和范围等同的任何数目的变形、更改、替换、或等同布置进行整合。此外，尽管已经对本发明的各种实施方式进行了描述，然而，应当理解的是，本发明的各方面仅包括所描述的一些实施方式。相应地，本发明并不视为受上述描述的限制，而是仅受所附权利要求的范围的限制。

Claims (19)

1.一种电化学电池堆，包括：

多个堆叠式平面模块，包括电化学电池；

第一端板，位于所述堆叠式平面模块的第一端；

第二端板，位于所述堆叠式平面模块的第二端；以及

中间平面模块，所述中间平面模块设置在所述堆中的邻近电化学电池之间，其中，(i)所述中间平面模块包括腔体，所述腔体内设于所述中间模块中以比所述中间模块的任一侧上的所述电化学电池堆的操作压力高的压力与流体源流体连通，和/或(ii)所述电化学电池堆包括与所述堆中的多个电化学电池流体连通的导电处理液体，并且所述中间平面模块包括沿着具有不同操作电压的电化学电池之间的所述处理液体的流体连通路径的非导电通道。

2.根据权利要求1所述的电化学电池堆，其中，所述中间平面模块包括腔体，所述腔体内设于所述中间模块中以比所述中间模块的任一侧上的所述电化学电池堆的操作压力大的压力与流体源流体连通。

3.根据权利要求2所述的电化学电池堆，其中，所述流体源包括通过所述电化学电池堆产生的加压氢。

4.根据权利要求3所述的电化学电池堆，其中，所述流体源进一步包括在所述电化学电池堆启动过程中使用的储存的加压流体。

5.根据权利要求2所述的电化学电池堆，其中，所述流体源包括储存的加压流体。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的电化学电池堆，其中，所述中间平面模块进一步包括内设于其中的弹性体垫片。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的电化学电池堆，其中，所述电化学电池堆包括与所述堆中的多个电化学电池流体连通的导电处理液体，并且所述中间平面模块包括沿着具有不同操作电压的电化学电池之间的所述处理液体的流体连通路径的非导电通道。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的电化学电池堆，其中，所述中间模块设置在中间模块端板之间，所述中间模块端板设置在所述中间模块的每一侧上的所述堆中。

9.根据权利要求8所述的电化学电池堆，其中，所述中间模块端板在与所述堆叠式平面模块的平面平行的方向上延伸超过所述堆叠式平面模块的周边，并且包括多个锚件，所述锚件沿着每个端板的周边部分并且在与所述堆叠式平面模块的所述平面垂直的方向上在所述中间模块端板之间延伸。

10.根据权利要求9所述的电化学电池堆，其中，所述锚件延伸超过所述端板、沿着所述堆叠式平面模块的外部远离所述中间模块。

11.根据权利要求10所述的电化学电池堆，其中，所述锚件包括针对与所述堆叠式平面模块的所述平面平行的方向上的应力沿着所述堆的外表面提供结构支撑的表面部分。

12.根据权利要求11所述的电化学电池堆，其中，所述锚件的所述表面部分是平坦的。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的电化学电池堆，包括多个所述中间模块，多个所述中间模块由包含在中间模块之间的电化学电池的一个或多个平面模块隔开。

14.一种操作权利要求2至6中任一项或从属于权利要求2至6中任一项的权利要求7至13中任一项所述的电化学电池堆的方法，包括在操作所述电化学电池堆的同时利用来自所述流体源的流体对所述腔体进行加压。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，在至少100psi的压力下操作所述电化学电池堆。

16.一种操作权利要求7或从属于权利要求7的权利要求8至13中任一项所述的电化学电池堆的方法，包括沿着以不同电压操作的两个电化学电池之间的路径保持所述导电处理液体流体连通，所述路径包括所述中间模块的非导电通道。

17.一种电化学电池堆，包括：

多个堆叠式平面模块，包括电化学电池，所述堆叠式平面模块具有外周边表面；

设置在所述堆中的至少一个板，在与所述堆叠式平面模块的平面平行的方向上延伸超过所述堆叠式平面模块的所述外周边表面；以及

多个锚件，沿着所述至少一个板的周边部分并且在与所述堆叠式平面模块的所述平面垂直的方向上从所述至少一个板延伸，所述锚件进一步包括针对与所述堆叠式平面模块的所述平面平行的方向上的应力沿着所述堆叠式平面模块的所述外周边表面提供结构支撑的表面部分。

18.根据权利要求17所述的电化学电池堆，其中，所述锚件的所述表面部分是平坦的并且与所述堆叠式平面模块的所述外周边表面平面接合。

19.根据权利要求1至13、17、以及18中任一项所述的电化学电池堆、或权利要求14至16中任一项所述的方法，其中，所述电化学电池各自包括具有设置在隔膜的相对侧上的电极的质子电介质隔膜。