CN107949946A - 模块化电化学电池组件、组、系统及制造方法 - Google Patents

模块化电化学电池组件、组、系统及制造方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种制造不同尺寸或配置的电化学电池组的方法，其中，由包括沿着可连接端部的具有配合面的平面模块化部件的第一库存件组装具有第一平面尺寸和配置的第一平面模块。平面模块化部件以共面配置连接以形成具有第一尺寸和配置的第一平面模块。识别包括与第一库存件共用的平面模块化部件的第二库存件，并且由第二库存件组装具有与第一平面模块不同的平面尺寸或配置的第二平面模块。第一平面模块和第二平面模块与其它平面模块和组件组装以形成对应于相应的第一或第二平面模块的平面尺寸和配置的电化学电池组。

Description

模块化电化学电池组件、组、系统及制造方法
背景技术
本文公开的主题涉及电化学电池，并且特别地涉及用于电化学电池和电化学组的模块化组件以及制造方法。
电化学电池通常以组配置用于各种应用，诸如从氢或碳氢燃料发电、氢气的生产和压缩、氧气或富氧空气的生产和压缩，或富氮空气的生产。虽然组配置可以变化，但常见设计包括在平面膜电极组件(“MEA”)中的串联膜(例如，质子交换膜，还称为聚合物电解质膜或“PEM”)，其均设置在可堆叠框架中，由导电隔板(还称为双极板)隔开。双极板用于串联连接堆叠的MEA，并且用于将每个MEA的阳极侧上的流体与组中相邻MEA的阴极侧上的流体隔开。用于输送和接收来自电池的流体流的流体流通道通常被结合在堆叠的组件的框架中。组通常在组的每一端具有端板。在来自在端板之间延伸穿过组的螺栓的压缩载荷下组装堆叠的组件。
电化学电池和组被设计和制造成各种尺寸和配置。这通常需要定制设计和制造不同尺寸的各种组件，这可能导致增加的成本、复杂性和难以保持质量。此外，当以某些尺寸制造时，某些组件的制造规格的维持可能困难或更昂贵。电化学电池中的跨膜(cross-membrane)压差可能非常高(例如，对于某些应用，高达2400psi)，这需要相当大程度的精度以提供有效的无泄漏电池操作。对于每个电池具有相对较小有效面积的组而言，可以容易地实现这种精度，但随着每个电池有效面积增加，诸如电池框架组件、膜等的组件变得越来越难以制造成期望的规格。
发明内容
根据本发明的一些方面，存在一种制造不同尺寸或配置的电化学电池组的方法。根据该方法，由平面模块化部件的第一库存件组装具有第一平面尺寸和配置的第一平面模块，该平面模块化部件沿其可连接端部具有配合面。将平面模块化部件以共面配置连接在一起以形成具有第一尺寸和配置的第一平面模块。将第一平面模块组装到包括多个平面模块的第一电化学电池组中以形成对应于第一平面尺寸和配置的第一电化学电池组。识别包括与第一库存件共用的平面模块化部件的第二库存件，并由第二库存件组装具有与第一平面模块不同的平面尺寸或配置的第二平面模块。将第二平面模块组装到包括多个平面模块的第二电化学电池组中以形成对应于第一平面尺寸和配置的第二电化学电池组。
根据本发明的一些方面，一种平面电化学电池模块包括平面外围框架，该平面外围框架包括多个平面模块化框架部件，该平面模块化框架部件在沿着平面模块化外围框架部件的互连端部的配合面处连接在一起以使所连接的平面模块化外围框架部件沿着平面外围框架的平面延伸。
根据本发明的一些方面，一种电化学电池组包括平面端板，该平面端板包括多个平面模块化端板部件，该平面模块化端板部件在沿着平面模块化端板部件的互连端部的配合面处连接在一起以使所连接的平面模块化端板部件沿着平面端板的平面延伸。
根据本发明的一些方面，平面电化学电池包括多个平面电池模块，该平面电池模块包括选自质子交换膜、隔板、电极、流场或其组合的组件。平面电池模块沿着电化学电池的共用平面设置，并且平面电池模块在沿着平面电池模块的周边端部的配合面处连接到包括多个框架空间的框架的框架构件。
根据本发明的一些方面，一种电化学电池组包括平面电气总线板，平面电气总线板包括多个平面模块化电气总线板部件，该平面模块化电气总线板部件在沿着平面模块化电气总线板部件的互连端部的配合面处连接在一起以使所连接的平面模块化电气总线板部件沿着平面电气总线板的平面延伸。
附图说明
被视作本发明的主题在说明书结尾部分的权利要求中被特别指出并明确地要求保护。从以下结合附图进行的详细描述中，本发明的前述和其它特征以及优点是显而易见的，附图中：
图1是如本文描述的框架模块的分解图的示意图；
图2是如本文描述的框架模块的放大部分的组装图的示意图；
图3和图3B是如本文描述的框架模块的组装图的示意图；
图4A和图4B是如本文描述的多元件模块的分解图的示意图；
图5A和图5B是具有如本文描述的外部框架部件和内部框架部件的框架模块的示意图；
图6是如本文描述的多元件模块的示意图；
图7是如本文描述的另一模块的示意图；以及
图8是包括如本文描述的多个模块的电化学电池组的示意图。
具体实施方式
通过实例，参考附图，具体实施方式解释了代表性实施例以及优点和特征。
在实施例的一些实例中，上述第一模块和第二模块可以是电池框架、电气总线板、端板或选自质子交换膜、隔板、电极、流场或其组合的电池组件。现在参照图1，以分解图形式描绘了示例性电池框架模块10。如图1所示，六个平面模块化框架部件12被组装在一起以形成框架模块10。如图2的放大图所示，模块化框架部件12在沿垂直于平面模块的平面的方向凹入的配合面14、16处连接在一起，其中，配合面14凹入尺寸14'并且配合面16凹入尺寸16’。可以沿着配合面14、16使用粘合剂或钎焊和/或互锁特征件(未示出)来促进连接。平面模块化框架部件12可以在其中具有：开口18，诸如用于将流体输送到电化学电池和从电化学电池输送流体；以及不导电开口20，以在框架模块结合到电池组中时容纳电池组组装螺栓。
平面模块化框架部件可以是用于形成具有与第一平面模块不同尺寸和/或配置的第二平面模块的共用库存件的一部分。例如，在图3A和图3B中示出了具有与图1中所示的模块不同尺寸和配置的平面模块。图3A示出了平面框架模块10'，其具有由十个模块化框架部件12(示出，但未单独编号)组装的图1框架的两倍尺寸(如由表面积所表征的)。图3B示出了具有与图3A相同尺寸(表面积)的平面框架模块10”，但具有由八个模块化框架部件12(示出，但未单独编号)组装的不同配置。
如上所述，由包括平面模块化共用库存件的库存件组装的第一模块和第二模块可以是质子交换膜、隔板、电极、流场或其组合。在图4A和图4B中以分解图形式示出了这种实施例的实例，其描绘了由多个平面流场模块化部件22(图4A中的两个平面流场组件部件22和图4B中的六个平面流场组件部件22)组装的不同尺寸/配置的平面流场。流场组件部件22通过保护桥带元件24沿着配合面连接在一起，这有助于保护敏感元件，诸如相邻流场组件部件22之间的界面处的质子交换膜。如图4A和图4B所示，流场模块化部件22与整体式隔板26和平面框架28组装在一起以形成电化学电池的一部分。流场模块部件22还通常设置在图4A和图4B所描绘的视图中的隔板26的相对侧上以提供阳极侧流场和阴极侧流场两者。平面框架28可以由如图4A和图4B所示的平面框架模块化部件12组装或者可以是整体式框架。不导电螺栓穿过元件30提供用于电池组组装螺栓的开口(未示出)。
在一些实施例中，由平面框架组件组装的平面框架可以包括外围框架和内部框架，如通过图5A和图5B中的实例所示。如图5A和图5B所示，以分解图(图5A)和组装图(图5B)形式描绘的平面框架模块31和31'由平面电池框架模块化部件32、34和36组装。如图5A和图5B所示，组装的框架包括由平面电池框架模块化部件32和34形成的外围框架部分以及由电池框架模块化部件36和电池框架模块化部件34的向内延伸部分34'形成的内部框架部分。
当然，来自包括两个库存件共用的模块化部件的库存件的第一和第二平面模块的组件不限于单一类型的模块。图4A和图4B示出了一个实施例，其中，框架部件和流场两者由包括两个库存件共用的模块化部件的库存件组装。如上所述，其它类型的模块也可以由共用库存件组装。诸如图5A和图5B所示的内部框架可以提供密封表面，使得诸如膜或隔板的其它部件可以由平面模块化部件而不是覆盖组电池覆盖区的整个表面积的整体式膜或隔板组装。在图6中描绘了这种实施例的一个实例，其描绘了由多个平面模块化部件组装的不同尺寸/配置的电池模块。如图6所示，膜模块化部件38、流场模块化部件22和隔板模块化部件40以共面配置连接(间接地，通过平面电池框架模块化部件34'、36)以形成完整的平面电池模块以用于包含在电池组中。电极(未示出)可以设置在膜的相对侧上，并且可以被印刷或涂覆到膜上或集成到流场中，如本领域已知的。如同在本文公开的其它模块一样，图6中描绘的模块可以以不同尺寸和/或配置组装，例如以来自图5A的框架31的尺寸/配置(如图6所示)和/或以来自图5B的框架31'的尺寸/配置。
如本文描述的可以以不同尺寸/配置组装的另一种类型的电化学电池组模块是如2014年12月29日提交的美国专利申请第62/097,481号中更详细描述的中间模块，其公开全部内容通过引用并入本文。这些中间模块可以(i)包括内部设置在中间模块内的腔体，其在高于中间模块任一侧上的电化学电池组的操作压力的压力下与流体源流体连通，和/或(ii)可以提供沿着电化学电池之间的流体连通路径的不导电通道，其具有用于与组中的多个电化学电池流体连通的导电工艺液体的不同操作电压。中间模块可以包括板，其为锚定件提供抵抗由堆操作压力引起的横向应力的底座。锚定件沿着至少一个板的周边部分设置，其中，锚定件沿垂直于堆叠的平面模块的平面的方向从板延伸。锚定件包括表面部分，其提供沿堆叠的平面模块的外周边表面的结构支撑以抵抗在平行于堆叠的平面模块的平面的方向上的应力。
在图7中以分解图示出了实施例的实例，其中，中间模块端板42和44具有设置在中间模块端板42、44之间的中间模块内板。在操作期间，锚定件45提供增强件以抵抗来自加压流体的横向应力。中间模块内板由具有设置在其中的可选冷却流体流通道48的中间模块内板平面模块化部件46组装。中间模块内板可以以与上述类似的方式使用不同数量和/或配置的内板平面模块化部件46组装。
本文描述的各种模块可在电化学电池组中组装在一起。在图8中以部分分解图示出了这种实施例的实例。如图8所示，组包括膜50、阴极侧电池组件52和阳极侧电池组件54。如图8的上部分解视图部分所示，阴极侧和阳极侧电池组件包括在由模块化框架部分12制成的平面框架28中的隔板26和模块化流场部件22。如图8进一步所示，组还包括由中间模块内板平面模块化部件46、中间模块端板42、44和锚定件45组装的中间模块。螺栓或拉杆50和螺母52将压缩载荷施加到组。
继续参考图8，看到由平面模块化部件组装的附加模块沿着配合面以共面方式连接。电气总线板56由平面电气总线板模块部件58组装，其以导电接触形式彼此对接。绝缘板60由平面绝缘板模块部件62组装以将端板64与电气总线板54电绝缘。端板64由平面端板模块部件66组装。在一些实施例中，端板模块部件66在沿垂直于平面端板的平面的方向凹入的重叠配合面68处连接。
如上所述，电化学电池组通常包括聚合物电解质膜，其具有设置在其相对侧上的阳极和阴极。阳极侧流场结构和阴极侧流场结构通常设置在膜的任一侧上。这些流场结构通常设置在膜远端，其中，MEA和流场结构均安装在如上所述的框架组件中以提供与MEA接触的流体流的空间。流场结构可以是导电的(例如，钢网)以提供通过导电隔板从一个电池的阴极到相邻电池的阳极的电连接，使得组的电池串联电连接。质子交换膜可以包含在电化学电池的操作条件下为固体的电解质。可用来制造膜的有用材料包括质子传导离聚物和离子交换树脂。用作质子传导材料的离子交换树脂包括烃型和氟碳型树脂。氟碳型树脂通常表现出优异的抗卤素、强酸和碱氧化性。具有磺酸基官能团的一族氟碳型树脂是树脂(可商购自E.I.du Pont de Nemours and Company,Wilmington,Del.)。
阳极和阴极可由适用于执行所需电化学反应(例如，水或氢气的解离)的催化材料制造。合适的催化材料包括但不限于铂、钯、铑、碳、金、钽、钨、钌、铱、锇、其合金等，以及上述材料的组合。阳极和阴极定位成与其各自的电解质膜相邻并且优选与其接触，并且可以具有包含吸附到多孔基板上的离散催化颗粒的结构。可以通过任何方法将催化颗粒附着到基板上，该方法包括但不限于喷涂、浸渍、涂装、吸液、气相沉积、前述方法的组合等。替代地，可将催化颗粒直接沉积在质子交换膜的相对侧上或沉积到支撑构件上。
虽然仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但应容易理解，本发明不限于这种公开的实施例。相反，可以修改本发明以包含迄今未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变化、更改、替换或等效布置。此外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但应该理解，本发明的各方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明不被视为受前述描述的限制，而仅受所附权利要求的范围限制。

Claims (35)

1.一种制造不同尺寸或配置的电化学电池组的方法，包括：
由包括平面模块化部件的第一库存件组装具有第一平面尺寸和配置的第一平面模块，所述平面模块化部件沿着所述平面模块化部件的可连接端部具有配合面，该组装包括将所述平面模块化部件以共面配置连接在一起以形成具有所述第一尺寸和配置的所述第一平面模块；
将所述第一平面模块组装到包括多个平面模块的第一电化学电池组中以形成对应于所述第一平面尺寸和配置的所述电化学电池组；
识别包括与所述第一库存件共用的平面模块化部件的第二库存件，并由所述第二库存件组装具有与所述第一平面模块不同的平面尺寸或配置的第二平面模块；以及
将所述第二平面模块组装到包括多个平面模块的第二电化学电池组中以形成对应于所述第二平面尺寸或配置的所述第二电化学电池组。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二平面模块包括的共用的所述平面模块化部件的数量与所述第一平面模块中的共用的所述平面模块化部件的数量不同。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二平面模块包括的共用的所述平面模块化部件的数量与所述第一平面模块中的共用的所述平面模块化部件的数量相同，所述第二平面模块包括与所述第一平面模块不同的配置。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，多个所述平面模块化部件在沿着第一平面模块化部件的配合面的沿垂直于平面模块的平面的方向凹入的部分与沿着第二平面模块化部件的配合面的配置成与所述第一平面模块化部件的凹入部分互补的部分之间具有连接。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述第一模块和所述第二模块均是电池框架、电气总线板、端板或者选自质子交换膜、隔板、电极、流场或其组合的电池组件。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一模块和所述第二模块均是电池框架。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一模块和所述第二模块均是端板。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一模块和所述第二模块均是电气总线板。
9.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一模块和所述第二模块均选自质子交换膜、隔板、电极、流场或其组合。
10.一种平面电化学电池模块，包括平面外围框架，所述平面外围框架包括多个平面模块化框架部件，所述平面模块化框架部件在沿着所述平面模块化外围框架部件的互连端部的配合面处连接在一起以使所连接的所述平面模块化外围框架部件沿着所述平面外围框架的平面延伸。
11.根据权利要求10所述的平面模块，其中，所述平面外围框架保持功能模块。
12.根据权利要求11所述的平面模块，其中，所述功能模块选自质子交换膜、隔板、电极、流场或其组合。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的平面模块，其中，所述平面模块化外围框架部件在沿着第一平面模块化外围框架部件的配合面的沿垂直于所述平面外围框架的平面的方向凹入的部分与沿着第二平面模块化外围框架部件的配合面的配置成与所述第一平面模块化外围框架部件的凹入部分互补的部分之间被连接。
14.根据权利要求10-13中任一项所述的平面模块，还包括保持在所述外围框架内的平面内部框架。
15.根据权利要求14所述的平面模块，其中，所述平面内部框架包括多个平面模块化内部框架部件，所述平面模块化内部框架部件沿着所述平面模块化内部框架部件的配合面彼此连接或连接到所述外围框架。
16.根据权利要求15所述的平面模块，其中，所述平面模块化内部框架部件在沿着第一平面模块化外围框架部件的配合面的沿垂直于所述平面外围框架的平面的方向凹入的部分与沿着第二平面模块化内部或外围框架部件的配合面的配置成与所述第一平面模块化内部框架部件的凹入部分互补的部分之间被连接。
17.根据权利要求14-16中任一项所述的平面模块，其中，所述平面内部框架与所述平面外围框架一起形成多个框架空间。
18.根据权利要求17所述的平面模块，其中，所述多个框架空间保持功能模块。
19.根据权利要求18所述的平面模块，其中，所述功能模块选自质子交换膜、隔板、电极、流场或其组合。
20.根据权利要求10-19中任一项所述的平面模块，其中，在所述平面模块化框架部件中包括或配合成包括用于电池组组装螺栓的不导电开口。
21.根据从属于权利要求11时的权利要求20所述的平面模块，其中，所述不导电开口延伸穿过所述功能模块。
22.根据权利要求20所述的平面模块，其中，所述开口延伸穿过两个连接的所述平面模块化框架部件的配合面。
23.一种电化学电池组，包括多个根据权利要求10-22中任一项所述的平面电化学电池模块。
24.根据从属于权利要求20-22中的任一项时的权利要求23所述的电化学电池组，包括延伸穿过平面模块化框架部件中的电池组组装螺栓开口的电池组组装螺栓。
25.一种电化学电池组，包括平面端板，所述平面端板包括多个平面模块化端板部件，所述平面模块化端板部件在沿着所述平面模块化端板部件的互连端部的配合面处连接在一起以使所连接的所述平面模块化端板部件沿着所述平面端板的平面延伸。
26.根据权利要求25所述的电化学电池组，其中，所述平面模块化端板部件在沿着第一平面模块化端板部件的配合面的沿垂直于所述平面端板的平面的方向凹入的部分与沿着第二平面模块化端板部件的配合面的配置成与所述第一平面模块化端板部件的凹入部分互补的部分之间被连接。
27.根据权利要求26所述的电化学电池组，还包括延伸穿过所述第一模块化端板部件和所述第二模块化端板部件的连接配合面的电池组组装螺栓。
28.一种平面电化学电池，包括多个平面电池模块，所述平面电池模块包括选自质子交换膜、隔板、电极、流场或其组合的组件，所述平面电池模块沿所述电化学电池的共用平面设置，所述平面电池模块在沿着所述平面电池模块的周边端部的配合面处连接到包括多个框架空间的框架的框架构件。
29.根据权利要求28所述的平面电化学电池，其中，带框架的所述平面电池模块包括隔板。
30.根据权利要求29所述的平面电化学电池，其中，带框架的所述平面电池模块还包括质子交换膜、电极、流场或其组合。
31.根据权利要求30所述的平面电化学电池，其中，带框架的所述平面电池模块包括质子交换膜、隔板、电极和流场。
32.根据权利要求28所述的平面电化学电池，包括整体式质子交换膜，并且其中，带框架的所述平面电池模块包括隔板、电极、流场或其组合。
33.根据权利要求32所述的平面电化学电池，其中，带框架的所述平面电池模块包括隔板、电极和流场。
34.根据权利要求28所述的平面电化学电池，包括整体式质子交换膜和整体式隔板，并且其中，带框架的所述平面电池模块包括电极和流场。
35.一种电化学电池组，包括平面电气总线板，所述平面电气总线板包括多个平面模块化电气总线板部件，所述平面模块化电气总线板部件在沿着所述平面模块化电气总线板部件的互连端部的配合面处连接在一起以使所连接的所述平面模块化电气总线板部件沿着所述平面电气总线板的平面延伸。
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