CN110431699A - 新型模块化电化学电池单元和堆叠设计 - Google Patents

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Abstract

一种电化学电池单元、电化学电池单元组装件和组装电化学电池单元组装件的方法。所述电池单元包含一对集电器，所述一对集电器在接合在一起时与离子交换膜形成三维电极组装件，所述离子交换膜安置在所述电极组装件的阳极与阴极之间。所述集电器的大小和形状被设定成使得所述集电器中的一个集电器的三维反应物室体积接受另一个集电器的三维反应物室体积的至少一部分的嵌套式放置。这种设计允许以模块化方式容易并且直接地在这种电池单元堆叠中添加、移除或替换电池单元。另外，易于在反应物歧管上安装和拆卸电池单元促进易于组装二维或三维堆叠结构。

Description

新型模块化电化学电池单元和堆叠设计
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年3月2日提交的美国非临时申请序列号15/447,536的优先权。全部内容通过引用并入本公开。
背景技术
本公开总体上涉及电化学电池单元，并且更具体地说，涉及被构造成改善可维护性和可扩展性属性的电化学电池单元。
如燃料电池单元等电化学电池单元通过电化学反应而不是通过燃烧将燃料转化为可用能量。因此并且除了具有较少易于出故障的机械部件之外，电化学电池单元相比于内燃机(ICE)和相关发电源具有若干环境优势。在一种常见形式中，当被配置为燃料电池单元，如质子交换膜或聚合物离子交换膜(在任一情况下，PEM)燃料电池单元时，其限定总体上很薄的二维结构，所述二维结构包含一对总体上平面的催化电极，所述催化电极由通常被称为膜电极组装件(MEA)的结构中的总体上平面的离子传输介质(如用全氟磺酸制成的介质，其商业版本是NafionTM)隔开。具有在一个或两个相对的主表面上形成的蛇形反应物流动通道的总体上平面的板抵靠电极安置；以这种方式，电化学反应在以下情况下发生：将呈气态还原剂(如氢气H2)形式的第一反应物通过通道引入以便在阳极处电离并且然后使所述第一反应物穿过多孔电极和离子传输介质，使得所述第一反应物与已经通过面对面地放置在另一个电极(阴极)附近的另一个板的通道引入的呈气态氧化剂(如氧气O2)形式的第二反应物组合；反应物的这种组合形成水作为副产物。在氢气电离时释放的电子通过外部电路以直流(DC)的形式前进到阴极，所述外部电路通常包含可以执行有用功的负载(如电动机)。通常通过将多个这种电池单元组合成更大的电流产生组装件来增加通过这种DC电力流动产生的发电量。在一种这种构造中，燃料电池单元在组装件中沿共同堆叠维度串联连接——非常像一幅扑克牌——以形成燃料电池单元堆叠。取决于所需的电力输出，这种堆叠可以包含大量(通常介于约二百个与三百个之间)单独的堆叠电池单元。
类似地，在液流电池中，所储存的化学能在电池放电期间转化为电力，而在充电期间电化学地产生和储存化学物种。储槽用于储存被泵送以便在储槽与电化学电池单元之间循环的电解质溶液，即阳极电解质和阴极电解质。在电池放电期间，阳极电解质在其储槽与电化学电池单元阳极之间泵送，所述阳极电解质在所述阳极处经历电化学氧化，而阴极电解质在其储槽与阴极之间泵送，所述阴极电解质在所述阴极处经历电化学还原。电池单元的所述两个电极通过离子交换膜隔开，所述离子交换膜允许特定离子物种(如质子或氢氧根离子)的选择性扩散。与燃料电池单元的情况一样，液流电池中的堆叠包含多个元件单元(也就是说，电化学电池单元)，所述多个元件单元电气地串联连接(例如，通过双极板)并且液压地并联连接以形成电池单元堆叠。
这种燃料电池单元堆叠或液流电池堆叠通常在压缩下组装，以便密封电池单元或电池并且以便得到并保持反应物板、气体扩散介质和催化剂电极之间的低界面电接触电阻。燃料电池单元堆叠上的期望压缩载荷的范围通常为约五十到约二百psi(并且有时更高)，并且所述压缩载荷由容纳燃料电池单元堆叠的压缩保持外壳保持。在一种常见形式中，外壳包含延伸穿过端板或围绕端板延伸的拉杆，以便使电池单元保持处于压缩状态。
这种方法的问题在于，组装后的堆叠的电力输出由堆叠内的电池单元的数量和这些电池单元被压缩和保持的相对精确的有序方式决定。因此，如果所需要的增量式电力增加大于单个堆叠可以提供的电力但远远少于通过包含额外堆叠来提供的电力，则会出现使用与供应不匹配；这种情况导致可用电力的低效使用。此外，如果堆叠内的电池单元之一需要修理或更换，则拆卸变成一个麻烦的过程，因为必须小心地移除跨越基本上整个堆叠的各种结构连接，以确保在这种拆卸和单独的电池单元移除期间不会损坏轮廓相对较薄的电池单元。这种可维护性问题尤其普遍存在于用于将反应物输送到电池单元内的相应电极组装件的薄双极板结构中。
可以通过使用多个垫圈或相关密封件(通常包含用于反应物板的每个暴露表面的至少一个密封件以及MEA中和周围的其它位置处的密封件)实现另外的密封。这也存在问题，因为大量的密封件使电池单元组装更加困难和昂贵。此外，使用放置在组装好的堆叠上的压缩载荷往往会使这些密封件或垫圈变得不对准或过度压缩，这两者中的任一者都可能破坏密封件完整性。
发明内容
根据本公开的一个实施例，公开了一种电化学电池单元。所述电池单元包含一对集电器，所述一对集电器在接合在一起时与离子交换膜形成电极组装件，所述离子交换膜安置在所述组装件的电极之间。另外，包含用于将相应反应物输送到所述电极组装件和所述离子交换膜的反应物流动路径。所述集电器中的内部(即，第一)集电器的构造为使得电极结构具有三维体积形式，所述三维体积形式可以通过将由所述第一集电器限定的体积插入穿过在外部(即，第二)集电器中形成的开口而嵌套在所述第二集电器内形成的大小和形状兼容的体积内。以这种方式，一旦所述两个集电器以嵌套方式接合，相应的三维体积就形成电极组装件，其中所述离子交换膜安置在所述集电器之间。所接合的集电器的面对面相邻安装表面促进所述开口的周界周围的密封接触。所述离子交换膜被构造成使得，当所述反应物中的一种反应物在与所述集电器中的一个集电器相关联的电极处电离时，所述反应物流过所述膜，然后与在另一个集电器的电极处电离的另一种反应物电化学地接合。
在本公开的上下文中，虽然本公开的大部分可以被解释为将所述内部集电器描述为充当用于接收待氧化反应物(例如，氢气H2)的阳极并且将所述外部集电器描述为充当用于接收待还原反应物(例如，氧气O2)的阴极，但应当理解的是，还设想了以相反方式配置的电化学电池单元，其中被氧化的反应物输送到所述外部集电器，而被还原的反应物输送到所述内部集电器。同样，电极配置的问题是：递送到电化学电池单元的反应物对应于燃料和氧气供应或相反地氧气和燃料供应(对于燃料电池单元)还是对应于第一电解质和第二电解质(在液流电池的情况下)，并且将根据上下文中理解哪种反应物或电解质与哪个电极和对应集电器关联。因此，两种变体都被视为处于本公开的范围内。
此外，在本公开的上下文中，内部集电器和外部集电器的三维体积属性旨在与常规笛卡尔坐标系中电池单元尺寸之一大大小于另外两个电池单元尺寸的那些电池单元配置进行区分。例如，当具有在其它方面为平面的属性的电池单元的贯穿厚度尺寸比长度或宽度尺寸(如与常规PEM燃料电池单元相关联的尺寸)薄一个数量级以上时，认为所述贯穿厚度尺寸限定基本上二维的结构，而所公开的电池单元的内部集电器和外部集电器的贯穿厚度尺寸限定基本上三维的结构。
根据本公开的另一个实施例，由反应物递送导管和多个电化学电池单元构成的电化学电池单元组装件。所述应物递送导管包含第一部分和第二部分，所述第一部分和所述第二部分中的每一个部分被配置成与另一个部分输送不同的反应物，而所述电化学电池单元的流动路径流体联接到递送导管以便以在之前的实施例中所阐述的方式来往于电极输送相应反应物。
根据本公开的又一个实施例，公开了一种组装电化学电池单元组装件的方法。所述方法包含提供多个电化学电池单元，所述多个电化学电池单元中的每一个电化学电池单元包含内部集电器、外部集电器和离子交换膜。所述集电器中的每一个集电器包含一个或多个在尺寸上被配置成产生相应三维体积的电极。以这种方式，可以使对应于内部集电器的电极穿过在外部集电器中形成的开口，使得在将所述离子交换膜放置在内部集电器的电极与外部集电器的电极之间时，内部集电器的内部三维体积的至少一部分嵌套在外部集电器的三维体积内。另外，通过将所述组装件内的每个电化学电池单元的所述内部集电器和所述外部集电器彼此固定，来自每个集电器的相对安装面在所述开口的周界周围形成可释放的密封件。此外，通过内部反应物流动路径在所述组装件内的每个电化学电池单元的所述内部集电器与反应物递送导管的第一部分之间建立流体联接，所述内部反应物流动路径包括进而与所述内部反应物室流体连通的内部反应物入口和内部反应物出口。同样，通过外部反应物流动路径在所述组装件内的每个电化学电池单元的所述外部集电器与反应物递送导管的第二部分之间建立流体联接，所述外部反应物流动路径包括与在所述外电极周围形成的间隙空间流体连通的外部反应物入口和外部反应物出口。
以类似的方式，可以通过以下来操作这种经过组装的电化学电池单元：将所述第一反应物和所述第二反应物中的一种反应物的至少一部分从所述反应物递送导管的所述第一部分和所述第一流动路径引入到所述内部集电器中，同时将所述第一反应物和所述第二反应物中的另一种反应物的至少一部分从所述反应物递送导管的所述第二部分和所述第二流动路径引入到所述外部集电器中。随后，所述反应物在所述电极处电离，使得所引入的第一反应物或第二反应物中的所述一种反应物的经过电离的部分中的至少一些穿过所述离子交换膜，以便稍后与所引入的第一反应物或第二反应物中的另一种反应物的经过电离的部分电化学地组合。然后可以使用通过对所引入的第一反应物或第二反应物的电离产生的电流来执行有用功。
附图说明
当结合以下附图阅读时，可以最佳地理解以下对本公开的具体实施例的详细描述，在附图中，相似的结构用相似的附图标记表示，并且在附图中：
图1展示了根据现有技术的在周围具有双极板的平面燃料电池单元的一部分的简化的部分分解剖视图；
图2A展示了根据本文所示出或描述的一个或多个实施例的被配置为燃料电池单元的电化学电池单元的简化分解等距视图；
图2B展示了图2A的燃料电池单元的不同的简化分解等距视图；
图3展示了根据本文所示出或描述的一个或多个实施例的流体连接到反应物输送导管的图2A和2B的一对燃料电池单元；并且
图4A和4B分别展示了概念性的二维电池单元阵列和线性电池单元阵列的平面图和水平边缘视图。
具体实施方式
本文所公开的实施例包含电源，所述电源以改善电力输出扩展和单独电池单元维护的容易性的方式使用由总体上三维的电化学电池单元构成的重复阵列。这种电池单元包含一对电极，所述一对电极容纳在相应壳体内，使得电池单元限定三维结构。以这种方式，用于将反应物引入到电池单元中以进行随后的电离和电化学组合的流动路径不限于单个平面表面，而相反可以限定三维体积区域。例如，如果电极是立方体的盒状结构的一部分，则每个电池单元有五个这种总体上平面的表面，所有所述表面都与反应物供应流体连通。在一种形式中，由多个这种电池单元形成的组装件可以用于基于地面的(也就是说，静止的)电力单元以进行发电、热电联产(CHP)等。
首先参考图1，以示意性横截面图的形式示出了常规燃料电池单元堆叠的单个燃料电池单元10。燃料电池单元10包含基本上平面的PEM12、与PEM12的一个表面面对面接触的阳极催化剂层14以及与另一个表面面对面接触的阴极催化剂层16。PEM12和催化剂层14和16被统称为MEA 18。阳极扩散层20被布置成与阳极催化剂层14面对面接触，而阴极扩散层22被布置成与阴极催化剂层16面对面接触。扩散层20和22中的每一个扩散层由总体上上多孔的构造形成，以便促进气态反应物行进到催化剂层14和16。阳极催化剂层14和阴极催化剂层16被统称为电极并且可以被形成为如图所示的单独的不同层，或者在替代方案中(如上所述)被形成为分别至少部分地嵌入在扩散层20或22中并且部分地嵌入在PEM12的相对面中；应当理解的是，所有这些变体都处于本公开的范围内。
除了提供用于使反应气体到达聚合物离子交换膜12的适当侧的基本上多孔的流动路径之外，扩散层20和22可以用于在电极催化剂层14、16与相应的导电板24、26之间建立电接触，所述电接触进而可以用于允许电流流到外部电路。此外，通过扩散层20和22的总体上多孔的性质，所述扩散层还形成用于移除在催化剂层14、16处产生的产物气体的导管。此外，由于在阴极扩散层22的表面中或表面上发生经过电离的氢气和经过电离的氧气的电化学组合(或接合)，所述阴极扩散层产生大量水蒸气；应当理解的是，在本公开的上下文中，这种表面还可以包含面对面相邻的阴极催化剂层16。这种产生水分的特征可以用于使PEM12保持适当地水合，同时水管理设备——如疏水涂层、导管、阀门、泵等(均未示出)——也可以用于确保电池单元10中和周围的水位不过量。
尽管为了便于可视化而在概念上将图1示出为具有厚壁结构，但是所述图不应该用于推断相对平面的常规燃料电池单元10具有显著的三维结构，如当电池单元10的沿着笛卡尔坐标系的Y轴的贯穿厚度尺寸的数量级与相应的X轴或Z轴的长度或宽度尺寸的数量级相同时。实际上，虽然平面内尺寸往往相对较大(例如，沿着约一百平方英寸的总电池单元表面积的宽度尺寸和高度尺寸二者测量为几英寸)，但是贯穿厚度尺寸往往相对较小(例如，不超过约百分之一英寸)。在存在主表面到主表面厚度的程度上，其显然是反应物通道24A、26B和限定这种通道的对应板结构24、26的结果，其中这种厚度明显小于长度尺寸和宽度尺寸的数量级。在本公开的上下文中，这种薄的平面电池单元10被视为具有二维结构。在一种形式中，板24、26由金属板或箔冲压或以其它方式形成为双极板，其中通道24A、26A限定于每个板的相对主表面上。无论板24、26是否配置有双极属性，它们都提供面对面相邻的MEA 18和伴随的扩散层20、22与呈堆叠形式的相邻MEA和层(均未示出)之间的分离。一个板24与阳极扩散层20接合，而第二板26与阴极扩散层22接合。通过朝向相应的扩散层20、22凸出并且与其直接接触，通道24A、26A将反应气体流动通道(由箭头示出)的相邻区段分开。此外，虽然目前示出了限定纯矩形反应气体流动通道24A、26A和相关结构的板24、26(为了程式化目的)，但是本领域的技术人员将理解，更准确的实施例将是限定如本领域中已知的总体上蛇形的通道的实施例。
在操作中，将如氢气(H2)等第一气态反应物通过通道24A从板24递送到MEA 18的阳极催化剂层14侧，同时将如氧气(O2，通常呈空气形式)等第二气态反应物通过通道26A从板26递送到MEA 18的阴极催化剂层16侧。分别在阳极催化剂层14和阴极催化剂层16处发生催化反应，从而产生迁移穿过质子传导性PEM 12的质子以及引起电流的电子，所述电流可以借助于通道24A、26A与相应层20和22之间的焊区之间的接触而传输通过扩散层20和22以及双极板24、26。在阴极催化剂层16处，电子和带正电的氢离子与氧气组合形成水，单独水从电池单元10流出。这些反应在公式上表示如下：
2H2→4H++4e- (1)
O2+4H++4e-→2H2O (2)
其中在实际(即“真实世界”)情况下，在PEM燃料电池单元中，每个电池单元的约1.2伏特的理论电压降低为约0.7伏特，其中损耗(如激活损耗、欧姆损耗、燃料交叉损耗和所谓的Nerstian损耗)是所述下降的原因。
接下来参考2A和2B，根据本公开的电化学电池单元100采用呈两部分嵌套构造的简单单元电池单元，而不是使用由总体上上平面的燃料电池单元10构成的堆叠。虽然电池单元100被示出为具有立方体结构，但是其还可以根据电极形成多少个表面来限定其它形状(如半球形、三角形等)，只要一个或多个这种表面提供三维体积反应物室即可。因此，在根据本公开的电化学电池单元100的一个实施例中，每个半电池单元由内部集电器200和外部集电器300构成，其中主要结构分别呈框架240和壳体340的形式。不同于常规燃料电池单元配置——其中各自具有阳极、阴极和中间电解质的多个薄的单独的平面电池单元以堆叠或相关构造的形式布置以实现更高的电力输出，本公开的上下文内的完整电化学电池单元100由具有电极210的内部集电器200的组合形成，所述电极沿着所有三个笛卡尔坐标轴延伸显著方向以限定三维结构。这种电极210由主表面210A、210B、210C、210D和210E构成。与框架240相关联的第六表面与这些主表面210A、210B、210C、210D和210E配合以限定内部三维体积220，所述内部三维体积对应于充当用于引入反应物中的一种反应物的外壳的内部反应物室530。第六表面用于提供承载反应物的入口流动路径510和出口流动路径520所穿过的并且用于电力连接和其它辅助基础设施的壁。同样，相当的电极310由外部集电器300的主表面310A、310B、310C、310D和310E形成，所述表面也沿着所有三个笛卡尔坐标轴延伸显著方向。由电极310限定的体积310以在总体上立方体的电极310与周围壳体340的内表面之间形成至少部分中空的间隙体积(未示出)的方式定位在壳体340内。如图所示，电极210、310二者均限定了总体上立方体的结构，其中与每个相应集电器200、300相关联的所有各个电极表面由直角构造的相对于彼此具有基本相等的长度尺寸和宽度尺寸的总体上连续的构件构成。如上文所讨论的，本领域的技术人员应理解，还可以采用其它三维形状，只要所述三维形状促进电池单元100的三维构造以及在第一集电器200与外部集电器300之间的相对无阻碍的插入和移除。显然，由内部集电器200内的电极210限定的内部三维体积220的大小和形状被设定成可穿过开口330插入到由外部集电器300内的电极310限定的体积中。
构成电极210的表面形成基本上连续的三维流体边界，以供接收反应物中的一种反应物；以这种方式，当密封地固定在框架205上限定的安装表面250上时，电极210以及其相应表面210A、210B、210C、210D和210E形成不透流体的容器，使得其中包含的非电离反应物的唯一实质性进出通过流动路径500和其相应入口510和出口520来实现。以类似的方式，电极310的各个表面310A、310B、310C、310D和310E的连续边对边连接确保所述表面形成基本上连续的三维流体边界，以供接收反应物中的另一种反应物；以这种方式，当密封地固定在壳体340内时，这些表面310A、310B、310C、310D和310E形成不透流体的容器，使得其中包含的非电离反应物的唯一实质性进出路径通过流动路径600和其相应入口610和出口620来实现。
在一种形式中，相应内部集电器200和外部集电器300的连续电极表面210A、210B、210C、210D和210E或310A、310B、310C、310D和310E通过将电催化剂(如铂等)安置在接触所引入反应物的流体多孔并且导电的介质上来获得其电极状态。例如，如果催化剂直接分散到离子交换膜400上并且离子交换膜400呈PEM形式，则所述组合可以被称为催化剂涂覆膜(CCM)。本领域中已知的任何合适的多孔介质——如编织或细粉形式的碳——可以用作电催化剂的载体。
离子交换膜400安置在电极210、310之间。离子交换膜400被构造成使得当第一反应物在多个连续电极表面210A、210B、210C、210D和210E或310A、310B、310C、310D和310E(取决于集电器200、300中的哪个集电器被配置成接收被氧化的反应物)处电离时，所述反应物流过离子交换膜400，然后与在集电器300、200中的另一个集电器的所述多个连续电极表面310A、310B、310C、310D和310E或210A、210B、210C、210D和210E处电离的第二反应物电化学地接合。
在一种形式中，内部集电器200的框架240限定总体上矩形的形状，所述形状用于提供平面安装表面250，以牢固地附接电极表面210A、210B、210C和210D的边缘。类似地，外部集电器300的壳体340在可以安放在内部集电器200的框架240的平面安装表面250上的一端处与所暴露的平面安装表面350形成刚性附接。可以将垫圈700固定或以其它方式安装到平面安装表面250、350中的一个或另一个表面上。在一种形式中，在平面配合表面250、350中的对应一个表面上形成垫圈700中的仅一个垫圈，而在另一种形式中，可以在每个相应的平面安装表面250、350上形成所述垫圈。使用单个垫圈700确保引入到电极210的内部体积220中的反应物不会与引入到电极310的反应物过早或无意地组合。
显然，所提出的垫圈700配置允许单个外围垫圈，从而相对于结合图1所讨论的平面燃料电池单元设计的密封构造显著简化密封构造。这不仅减少了泄漏反应物或副产物的机会，而且使得垫圈在其它方面在每个平面燃料电池单元内将需要多个垫圈的电池单元100配置中更容易实现(并且更便宜)。此外，可以形成螺栓或其它紧固构件360，所述螺栓或其它紧固构件从外部集电器300的平面配合表面350向外凸出，以便装配在形成于内部集电器200中的孔260内，从而压缩垫圈700并且在配合平面安装表面250、350之间提供紧密、牢固的附接。类似地，在使用酸性电解质的情况下(如用于水的电解或H2和O2反向重组为水)，可以总成本显著降低，因为在垫圈必须由耐酸的——并且因此更昂贵的——材料制成的这种情况下，所需垫圈的数量越少，所产生的意义就越大。可以使用酸性电解质的本文所讨论组装件的一个实例是单独的电池单元100被配置为磷酸燃料电池单元(PAFC)的组装件。尽管电解质不同，但对H2和O2二者的依赖意味着如方程式(1)和(2)所示的它们的电极反应是相同的。同样，电极和催化剂的构造在PEM构造与PAFC构造之间往往非常相似。在本文讨论的组装件由PAFC(而不是PEM)电池单元100形成的情况下，电解质可以分布在多孔层(例如，由碳化硅等制成的多孔层)中。与基于PEM的配置一样，可以有利地使用水管理导管。
形成有流动路径500以提供到内部集电器200的流体通路。第一反应物和第二反应物中的一种反应物通过入口流动路径510引入到内部集电器200的内部反应物室530中，而多余的反应物通过出口流动路径520取出。具有入口流动路径610和出口流动路径620的相当的流动路径600用于将第一反应物和第二反应物中的另一种反应物输送穿过位于壳体340与外部集电器300的电极310之间的间隙体积V。可以在流动路径500、600的向外引导的端上形成快速连接流体联接器(未示出)，以促进每个电池单元100与将在下文更详细地讨论的反应物递送导管800的连接和断开连接的容易性。这种联接器或相关的流体配件可以用手操作，以便在不需要扳手或相关仪器的情况下进行免工具的连接和断开连接。此外，这种联接器可以配备有自密封阀，从而使残留反应物的溢出最小化。应当理解的是，仅为了便于可视化而将流动路径500、600示出为放置在图2A、2B和3中所描绘的相应内部集电器200和外部集电器300上，并且优选的是将所述流动路径放置在电池单元100上的便于以根据本公开的方式进行制造、组装或拆卸的位置。
特别关于三维几何特征，构成内部集电器200的凸出中空立方体沿着插入(或嵌套)方向(所述方向沿着笛卡尔Y轴)凸出，并且沿着对应的X轴和Z轴侧向凸出。此中空立方体形成具有五个总体上平面的暴露表面210A、210B、210C、210D和210E的电极210之一，而构成外部集电器300的收纳中空立方体形成也具有五个总体上平面的暴露表面310A、310B、310C、310D和310E的另一个电极310。以这种方式，每个电池单元100形成五个图1的大小类似的传统平面燃料电池单元10的电转换能力。通过具有简单的几何形状，结合第一集电器200与外部集电器300之间的快速连接流体联接和压缩的牢固连接，每个电池单元100的自主性得到提高。这一点通过使每个电池单元100的组装和流体连接不依赖于任何相邻电池单元100的组装和流体联接从而使每个电池单元100执行其电流产生功能得到促进。同样，拆卸、移除、修理、重新组装每个电池单元100和将其重新连接到反应物递送导管800(在图3中示出并且在下文讨论)的容易性提供了在图1的压缩堆叠电池单元10中不可获得的增强的可维护性程度，而每个电池单元100的多表面电极配置允许电流和相关电力输出的逐渐增加，而不必连接完全独立的堆叠。此外，流动路径500、600与对应集电器200、300内的相应体积220、320之间的流体连通被配置成使得所述多个连续电极表面210A、210B、210C、210D和210E或310A、310B、310C、310D和310E中的每一个表面与所有其它表面基本上同等地并且基本上同时地接收相应的第一或第二反应物，从而在反应物从下文所讨论的反应物递送导管800流向离子交换膜400时使反应物的压降最小化。
如上所述，虽然图2A和2B公开了内部集电器200充当如用于接收H2或被氧化的相关反应物的阳极并且外部集电器300充当用于接收O2或被还原的相关反应物的阴极的电化学电池单元100，但应当理解的是，对集电器200、300的阳极与阴极的选择是任意的，并且在适当地修改进入形成于每个这种集电器200、300内的电极中的反应物的构造和对所述反应物的引入的情况下，外部集电器300充当用于接收被氧化的反应物的阳极并且内部集电器200充当用于接收被还原的反应物的阴极的以相反方式配置的电池单元100也处于本公开的范围内。
具体参考为清楚起见而省略了图2A的离子交换膜400和垫圈700的图2B，以延伸穿过具有配合表面250的框架240的壁的入口510和出口520的形式示出了第一反应物流动路径500，当固定抵靠在提供外部集电器300的结构和外壳的壳体340的对应配合表面350上时，所述配合表面250充当闭合表面。通过使所有流动路径500、600(以及其相关联的快速连接联接器)定位在电池单元100的一个表面上，通过允许沿着如下文结合图3所示出和讨论的共同的一对反应物输送流体导管等反应物输送流体导管直接插入和拔出电池单元100，促进了扩展和维护的容易性。
在电极组装件和中间离子交换膜400被构造成具有本公开的立方体或相关三维属性的情况下，所得到的MEA和周围的集电器200、300可以受益于平衡的水位以确保正确的操作。具体地，水管理导管(未示出)可以流体连接到每个电池单元100，以确保存在足够的水合水位，从而促进安置在催化电极之间的离子传输离子交换膜400的导电性。当离子交换膜400是PEM时，这是特别有用的，因为这种电池单元内的选择性位置需要移除多余的水以避免反应物流动路径500、600的溢流或相关堵塞。应当理解的是，当在离子交换膜400被配置成具有穿过其中的质子迁移路径的配置中使用这种水管理导管来移除多余的水时，优选地将这种水管理导管连接到MEA的引入O2的流体侧。在电池单元100内的其它位置中，提供另外的水合作用将是有益的。在一种形式中，优选地将水管理导管放置成与发生两种电离反应物的组合的位置流体相邻，并且所有这些变体被视为处于本公开的范围内。这种水管理导管可以与一个或多个水蒸气输送(WVT)单元或装置(也被称为阴极加湿器单元、膜加湿器、燃料电池单元加湿器等)结合使用。在这种WVT单元配置中，湿侧反应物流动路径和干侧反应物流动路径(例如，阴极排气管和阴极入口)可以被放置成通过WVT单元中的膜介质彼此水分交换连通，使得离开阴极排气管的多余水分可以通过介质扩散到阴极入口上的干燥器流动路径。
接下来与图4A和4B一起参考图3，由沿着被分成第一部分810和第二部分820的反应物递送导管800对齐的多个电池单元100(目前示出了其中两个)构成的组装件。在一个实例中，第一反应物R1(如H2或相关燃料)可以通过第一反应物递送导管部分810输送，使得其可以通过入口流动路径510引入到内部集电器200的三维内表面轮廓中，而多余的反应物可以通过出口流动路径520从所述内部集电器中移除。同样，第二反应物R2(如空气或相关的O2供应)可以通过第二反应物递送导管部分820输送，使得其可以通过入口流动路径610引入到三维电极与外部集电器300的壳体340之间的间隙空间中，而多余的反应物可以通过出口流动路径620从所述外部集电器中移除。尽管目前示出了第一集电器200与外部集电器300之间沿着竖直(即，Y轴)方向进行的划分，但应当理解的是，电池单元100的朝向以及其为了实现集电器200、300彼此之间的连接和断开连接以及每个电池单元100与反应物递送导管500的流体解除联接而进行的移动的对应方向可能是要考虑维护和扩展的容易性的设计选择问题，并且所有这种变体被视为处于本公开的范围内。
可以在相邻电池单元100之间放置交叉互连900，以便在所述电池单元之间提供串联和并联电连接中的一种或另一种电连接，其中可以使用串联连接来增加电压输出并且可以使用并联连接来增加电流输出。以这种方式，可以定制来自多个电池单元100的组装件的期望电压和电流输出，以满足被供电的负载的需要。可以看出，在一种形式中，在相邻电池单元100之间保留少量间隔；除了为任选的交叉互连900创造空间之外，当一个电池单元100被拆开进行维修时，以及当一个新的电池单元被添加到组装件中时，这种间隔有助于避免干扰相邻电池单元。单独的电池单元100中的每一个电池单元所享有的相对自主性意味着，与传统的基于堆叠的设计相关的困难——包含电池单元的预组装压缩和对齐以及在试图移除或替换一个或多个这种电池单元时所需的后续相反步骤——得到减少或消除。
在操作中，第一反应物R1沿第一反应物递送导管部分810的轴线纵向输送。对于每个电池单元100，第一流动路径510——其可以通过快速连接联接器(未示出)流体连接到第一反应物递送导管部分810——起到第一反应物递送导管部分810的侧支815的作用以便总体上充当进入电池单元100的入口以及具体地由三维内部体积220限定的总体上中空的体积空间。引入到三维内部体积220的电极210的反应物R1的多表面暴露和随后的催化反应(如上文在方程式(1)中所描绘的反应)使经过电离的反应物R1穿过导电的离子交换膜400。在一种形式中，离子交换膜400形成由主表面210A、210B、210C、210D和210E构成的电极210的包裹手套状(或袋状)围绕物，而在另一种形式中，离子交换膜400形成由主表面310A、310B、310C、310D和310E构成的电极310的壁纸状覆盖物。从离子交换膜起，经过电离的第一反应物R1可以与从入口流动路径610递送的经过电离的第二反应物R2组合，所述入口流动路径可以通过类似的快速连接联接器流体连接到第二反应物递送导管部分820。以与第一反应物R1的方式类似的方式，引入到电极310中的反应物R2的暴露和随后的催化反应(如上文在方程式(2)中所描绘的反应)使经过电离的第二反应物R2(其无法以与反应物R1相同的方式穿过导电的离子交换膜400)在电极310主表面310A、310B、310C、310D和310E处与反应物R1组合。如上所述，在第一反应物R1是H2并且第二反应物R2是O2的情况下，可以通过水管理导管来管理(包含移除和水合，根据需要包含二者)由这两种反应物的组合产生的水。任何未消耗的多余反应物R1、R2可以通过对应的出口流动路径520、620输送远离相应的第一集电器200和外部集电器300并输送回到在第一反应物递送导管部分810和第二反应物递送导管部分820内流动的相应流中。与入口流动路径510、610一样，出口流动路径520、620可以配备有快速连接联接器。
如图4A具体所示，可以以模块化二维阵列或矩阵的形式布置单独的电池单元100，使得所述电池单元形成更大的组装件。在这种构造中，所述两个反应物递送导管部分810、820可以充当歧管，使得多个侧支815、825可以从相应的歧管延伸，使得可以以所示的矩阵状方式布置各个电池单元100。同样，可以使用各种交叉互连900在所有单独的电池单元100中的一些电池单元之间建立期望的串联和并联电耦接水平。尽管以示例性方式描绘为具有由350个电池单元构成的17×18阵列——所述阵列应该能够借助于每行中的17个电池单元100中的每一个电池单元以负-正串联的形式电连接，然后每行中的最后一个电池单元100连接到相邻行中的第一个电池单元100而产生高电压输出(例如，约300伏特)，但应当理解的是，可以根据需要使用其它阵列和其它形式的交叉互连900。
如图4B具体所示，可以将单独的电池单元100布置为单独的电池单元100的模块化线性阵列的一部分。如图所示，各个电池单元100可以跨越细长的反应物递送导管部分810、820。与图4A中所描绘的二维阵列或矩阵一样，所述两个反应物递送导管部分810、820可以充当歧管，使得多个侧支815、825(如图4A中所示)可以朝向各个电池单元100延伸，以便于流体连接和断开连接。还与图4A中所描绘的二维阵列或矩阵一样，通过自主的单独电池单元100实现的模块化构造意味着仅通过向反应物递送导管部分810、820添加电池单元100中的一个或多个电池单元或从所述反应物递送导管部分移除电池单元中的一个或多个电池单元就可以使线性阵列的电力输出为需要的大小。还应当理解的是，可以构造图4A和4B的实施例的组合，以使组装件具有双深构造。在这种情况下，所述结构可以进一步扩展为三维堆叠。
虽然本公开特别适用于燃料电池单元，但是其也可以用作液流电池(在本文中也被称为二次电池，未示出)中的电源。液流电池以电活性材料的形式储存化学能，而不是通过与本文针对燃料电池单元所讨论的基于MEA的结构相关联的还原-氧化反应来产生电能，所述电活性材料可以方便地储存并且因此用作负电极反应和正电极反应放电过程的一部分以产生电流。可以使用一对储槽来储存电活性材料。这些活性材料从所述储槽中的每一个储槽通过用于递送到内部集电器200和外部集电器300中的一个或另一个集电器中的对应泵来形成离子交换膜400的等效物(尽管呈液体形式)。在一种形式中，电解质溶液包含一种或多种可被氧化或还原的过渡金属，所述过渡金属进而引起产生对应的电动势。因此，结合本公开制造的电池与传统电池的不同之处在于电解质储存在外部储槽中。以这种方式，储存的能量不需要含于大块电极材料以及伴随的与电池操作相关的机械和热应力内。这有助于提高整体组装件模块性以及其相关的可维护性和可扩展性属性。当被配置为电池时，一旦含于储槽内并且从泵泵送到电池单元100的电解质引入到电池单元100中，所述电解质仍然被视为安置在所述两个电极组装件(如与电极210、310相关联的电极组装件)之间，即使是呈液体形式而不是与基于PEM的配置相关联的膜的形式也是如此，因为这种电解质仍然用于离子传输。
尽管未示出，但是本公开还可以被配置为使用电力和催化活性电极来促进在其它方面非自发的化学反应的电解槽。在一种示例性形式中，可以使用电解槽将水(H2O)转化为H2和氧气O2。在一种示例性形式中，这种电解槽可以使用PEM，使得其与阳极和阴极一起形成本文所讨论的MEA。因此，为了获得H2，被配置为电解槽的电池单元100可以使用常规水源(如海水等)，使得电极由可以承受高电流密度和高电压的材料制成。在一种形式中，所供应的水呈酸性或碱性，而在另一种形式中，水相对无盐性、酸性或碱性，因此相对纯净。这种电解槽还可以用于：电化学加工；除锈；电镀；由金属化合物制备金属；以及产生氯、氢氧化钠、电解水等。
应注意的是，出于描述和限定本公开中讨论的特征的目的，应注意，本文中对作为参数或另一变量的函数的变量的提及并非旨在表示所述变量仅为所列参数或变量的函数。相反，本文中对作为所列参数的函数的变量的提及旨在是开放式的，使得所述变量可以是单个参数或多个参数的函数。同样，应注意的是，本文中对以特定方式配置或编程以体现特定属性或以特定方式起作用的本公开的部件的叙述是结构性叙述，与既定用途的叙述相反。更具体地说，本文中对编程或配置部件的方式的提及表示部件的现有物理状况，并且因此，将被视为部件的结构特性的明确叙述。
应注意的是，以下权利要求中的一项或多项权利要求利用术语“其中”作为过渡性短语。出于限定本公开中所讨论的特征的目的，应注意的是，此术语在权利要求中作为开放式过渡性短语引入，所述短语用于引入对结构的一系列特征的叙述并且应当以与更常用的开放式前导词术语“包括”的方式类似的方式解释。
应注意的是，如“优选地”、“总体上”和“通常”等术语在文本中并非用来限制权利要求的范围或者暗示某些特征对于本文所公开的结构或功能来说是关键的、必要的或者甚至是重要的。相反，这些术语仅旨在突显可能或可能不在所公开主题的特定实施例中使用的替代性或附加特征。同样，应注意的是，术语“基本上”和“近似”以及其变体在本文中用于表示可以归因于任何定量比较、值、测量或其它表示的固有不确定度。因此，这些术语的使用表示在不引起所关注的主题的基本功能变化的情况下，定量表示可以所陈述参考不同的程度。
对于本领域的技术人员来说显而易见的是，在不脱离要求保护的主题的精神和范围的情况下，可以对本文描述的实施例进行各种修改和变更。因此，本说明书旨在覆盖本文描述的各个实施例的修改和变更，条件是这种修改和变化落入所附权利要求及其等同物的范围内。

Claims (26)

1.一种电化学电池单元，其包括：
内部集电器；
内部反应物流动路径；
外部集电器；
外部反应物流动路径；以及
离子交换膜，其中
所述内部反应物流动路径包括内部反应物入口、内部反应物出口以及与所述内部反应物入口和所述内部反应物出口流体连通的内部反应物室，
所述内部集电器包括一个或多个内部电极，所述内部电极在尺寸上被配置成产生形成所述内部反应物室的至少一部分的内部三维体积，
所述外部集电器包括一个或多个外部电极，所述外部电极在尺寸上被配置成产生在其中形成开口的内部三维体积，
所述内部集电器和所述内部集电器的所述内部三维体积通过所述开口嵌套在所述外部集电器的所述三维体积内，使得所述内部集电器的所述内部三维体积位于所述内部集电器和所述外部集电器二者内，
所述内部集电器的所述内部电极跨所述离子交换膜与所述外部集电器的所述外部电极相对，
所述外部反应物流动路径通过所述外部电极与所述离子交换膜分隔，并且
所述内部集电器和所述外部集电器包括相对的安装面，所述相对的安装面在所述开口的周界周围形成可释放的密封件。
2.根据权利要求1所述的电化学电池单元，其中所述内部集电器和所述外部集电器中的每一个集电器的所述电极包括单个连续的表面。
3.根据权利要求1所述的电化学电池单元，其中所述内部集电器和所述外部集电器中的每一个集电器的所述电极包括多个不同的电极表面。
4.根据权利要求3所述的电化学电池单元，其中所述内部集电器和所述外部集电器中的每一个集电器的所述电极包括至少三个不同的电极表面。
5.根据权利要求3所述的电化学电池单元，其中所述内部集电器和所述外部集电器中的每一个集电器的所述电极包括至少四个不同的电极表面。
6.根据权利要求3所述的电化学电池单元，其中所述内部集电器和所述外部集电器中的每一个集电器的所述电极包括限定基本上呈立方体的结构的至少五个不同的电极表面。
7.根据权利要求3所述的电化学电池单元，其中所述内部集电器的所述多个不同电极表面中的每一个电极表面与所述内部集电器的所述多个不同电极表面中的所有其它电极表面基本上同等地并且基本上同时地接收反应物，同时所述外部集电器的所述多个不同电极表面中的每一个电极表面与所述外部集电器的所述多个不同电极表面中的所有其它电极表面基本上同等地并且基本上同时地接收反应物。
8.根据权利要求1所述的电化学电池单元，其中所述第一集电器和所述外部集电器中的每一个集电器的所述电极包括安置在流体多孔并且导电的介质上的电催化剂。
9.根据权利要求1所述的电化学电池单元，其中所述离子交换膜包括聚合物离子交换膜，使得所述离子交换膜与所述内部集电器和所述外部集电器的所述电极一起形成膜电极组装件。
10.根据权利要求9所述的电化学电池单元，其中所述离子交换膜基本上包裹所述内部反应物室。
11.根据权利要求9所述的电化学电池单元，其中所述离子交换膜覆盖所述外部集电器的基本上整个所述内部三维体积。
12.根据权利要求9所述的电化学电池单元，其中所述离子交换膜在所述安装面中的至少一个安装面的至少一部分上方侧向延伸。
13.根据权利要求1所述的电化学电池单元，其中所述电化学电池单元包括电池。
14.根据权利要求1所述的电化学电池单元，其中所述电化学电池单元包括燃料电池单元。
15.根据权利要求14所述的电化学电池单元，其进一步包括水管理导管，所述水管理导管与由所述离子交换膜以及所述内部集电器和所述外部集电器的所述电极形成的膜电极组装件流体连通。
16.根据权利要求1所述的电化学电池单元，其进一步包括安置在所述安装面中的至少一个安装面上的垫圈。
17.根据权利要求1所述的电化学电池单元，其中所述内部反应物入口和所述内部反应物出口两者均定位在所述内部集电器的一个表面中。
18.一种电化学电池单元组装件，其包括：
限定第一部分和第二部分的反应物递送导管，所述第一部分和所述第二部分中的每一个部分被配置成与另一个部分输送不同的反应物；以及
多个电化学电池单元，所述多个电化学电池单元各自包括：
内部集电器；
内部反应物流动路径；
外部集电器；
外部反应物流动路径；以及
离子交换膜，其中
所述内部反应物流动路径包括内部反应物入口、内部反应物出口以及与所述内部反应物入口和所述内部反应物出口流体连通的内部反应物室，
所述内部集电器包括一个或多个内部电极，所述内部电极在尺寸上被配置成产生形成所述内部反应物室的至少一部分的内部三维体积，
所述外部集电器包括一个或多个外部电极，所述外部电极在尺寸上被配置成产生在其中形成开口的内部三维体积，
所述内部集电器和所述内部集电器的所述内部三维体积通过所述开口嵌套在所述外部集电器的所述三维体积内，使得所述内部集电器的所述内部三维体积位于所述内部集电器和所述外部集电器二者内，
所述内部集电器的所述内部电极跨所述离子交换膜与所述外部集电器的所述外部电极相对，
所述外部反应物流动路径通过所述外部电极与所述离子交换膜分隔，并且
所述内部集电器和所述外部集电器包括相对的安装面，所述相对的安装面在所述开口的周界周围形成可释放的密封件。
19.根据权利要求18所述的电化学电池单元组装件，其中所述反应物递送导管的所述部分中的每一个部分包括具有多个分支的歧管，所述多个分支基本上彼此平行地并且与含于所述歧管内的反应物流基本上正交地延伸。
20.根据权利要求19所述的电化学电池单元组装件，其中所述多个电化学电池单元以限定基本上二维的电池单元阵列的方式联接到所述反应物递送导管的所述平行延伸的分支。
21.根据权利要求20所述的电化学电池单元组装件，其中所述反应物递送导管的所述歧管在所述二维电池单元阵列的基本上相对的边缘上以平行的方式彼此间隔开。
22.根据权利要求18所述的电化学电池单元组装件，其进一步包括用于在相邻电化学电池单元之间提供串联电连接和并联电连接中的一种或另一种电连接的交叉互连。
23.一种形成电化学电池单元组装件的方法，所述方法包括：
提供多个电化学电池单元，所述电化学电池单元中的每一个电化学电池单元包括：
内部集电器，所述内部集电器具有一个或多个内部电极，所述内部电极在尺寸上被配置成产生形成内部反应物室的至少一部分的内部三维体积；
外部集电器，所述外部集电器具有一个或多个外部电极，所述外部电极在尺寸上被配置成产生在其中具有开口的内部三维体积；
离子交换膜，所述离子交换膜安置在所述内部集电器的所述电极与所述外部集电器的所述电极之间；
对于所述组装件内的每个电化学电池单元，将所述内部集电器插入穿过所述外部集电器中的所述开口，使得所述内部集电器的所述内部三维体积的至少一部分嵌套在所述外部集电器的所述三维体积内；
将所述组装件内的每个电化学电池单元的所述内部集电器和所述外部集电器彼此固定，使得来自每个集电器的相对安装面在所述开口的周界周围形成可释放的密封件；
通过内部反应物流动路径将所述组装件内的每个电化学电池单元的所述内部集电器流体联接到反应物递送导管的第一部分，所述内部反应物流动路径包括与所述内部反应物室流体连通的内部反应物入口和内部反应物出口；以及
通过外部反应物流动路径将所述组装件内的每个电化学电池单元的所述外部集电器流体联接到反应物递送导管的第二部分，所述外部反应物流动路径包括与在所述外部电极周围形成的间隙空间流体连通的外部反应物入口和外部反应物出口。
24.根据权利要求23所述的方法，其进一步包括通过从所述组装件移除所述电化学电池单元之一而不干扰所述组装件内的任何其它电化学电池单元来维修所述组装件。
25.根据权利要求23所述的方法，其进一步包括通过将所述电化学电池单元之一添加到所述组装件而不干扰所述组装件内的任何其它电化学电池单元来增加所述组装件的电力输出能力。
26.根据权利要求25所述的方法，其进一步包括放置用于在相邻电化学电池单元之间提供串联电连接和并联电连接中的一种或另一种电连接的交叉互连。
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