CN111996544A - 高压或差压电解槽 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高压或差压电解槽，其包括：具有高压侧和低压侧的电化学电池，电化学电池包括：第一和第二流场板；位于第一与第二流场板之间的膜，膜具有低压侧的第一侧和高压侧的第二侧；第一多孔支撑体，位于膜的第一侧与第一流场板之间，第一多孔支撑体相比于位于第一与第二流场板之间的其它材料而言是相对不可压缩的；第一密封件，围绕第一多孔支撑体，在膜的表面处在第一多孔支撑体与第一密封件之间具有间隙；第二密封件，位于膜的第二侧与第二流场板之间，其中，如在平面图中所见的，第二密封件的至少一部分位于间隙的内侧，由此防止膜被电化学电池的高压侧的压力推入间隙内。

Description

高压或差压电解槽
本申请是申请日为2016年9月26日、发明名称为“高压或差压电解池”的申请号为201680056515.0的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种电化学电池，特别地，涉及一种电解池。
背景技术
氢燃料加注站以高压(典型地，350至700巴)输出氢气。工作的压缩机消耗大量的能量以达到输出压力。在一些情况下，在燃料加注站通过水的电解产生氢气。在电解槽自身中以电化学的方式产生压缩氢气消耗额外的能量，但不及压缩至相同压力所需的能量。在能量存储应用中，以60至80巴产生氢气可以使氢气能够被注入区域天然气管道而不需要进一步的压缩。因而，通常期望在大气压力以上的压力下产生氢气。然而，增加电解单元的成本可能导致在应用所需的全压力下产生氢气是不期望的。通常，虽然已经提出了在例如120至350巴的高压下的电解，但在大约40至80巴的压力下通过电解产生氢气很可能是有成本效益的。
在一些情况下，电解池的两侧在压力下工作。这会产生高压氧气，增大了着火的风险。在另一些情况下，电解单元在差压下工作，其中氧气侧在低压下甚至在大气压力下工作。这样更加具有电效率，避免产生高压氧气并且能够使设备的氧气侧平衡能够由低压材料制成。
差压电解在电池的两侧产生机械应力并且对于用于防止泄露的密封系统提出挑战。即使在无压差电池中，电解池的氢气侧通常在比氧气侧更高的压力下进行操作以避免氧气泄露至氢气中。当总压力大时(例如120巴以上)，在引起电池的任一侧的压力波动的同时保持这样的差异，能够至少暂时地在电池的两侧产生大的压差。
美国专利7,432,008说明了具有位于第一反应物流场板与第二反应物流场板之间的膜电极组(MEA)的电化学电池。在EMA与各流场板之间设置有密封件和气体扩散层(GDL)。在各实施例中，GDL的边缘部是无孔的并且与密封件重叠。这样的重叠被用来消除或者至少最小化原本会存在于GDL与密封件之间的间隙，并且因而解决了压差使MEA变形进入这样的间隙中的问题。
发明内容
本申请说明了一种电化学电池。所述电池可以被用于质子交换膜(PEM)电解池，例如高压或差压电解池。所述电池还可以适用于具有实心板形式的膜的其它电化学电池。
发明人已经注意到，美国专利7,432,008中的结构在适用于高压的能力方面受到制约。这主要是因为这些结构依靠气体扩散层的形成为无孔的部分以及在一些实施例中的用于参与形成密封的压缩。在可能暴露于高压差的的电池中，膜的低压侧必须被相对不可压缩的多孔支撑件(烧结钛)支撑。这样的支撑件至少难以在选定区域中变为无孔的并且不具有良好的密封质量。
本文中所述的电解池具有位于两个流场板之间的膜，所述膜可以具有粘附的电极/催化层。在所述膜的低压侧，设置有被密封件围绕的多孔支撑体。所述多孔支撑体和所述密封件被所述膜和所述流场板夹在中间。在所述膜的高压侧，设置有被密封件围绕的另一多孔支撑体。所述高压侧的所述密封件跨越位于所述膜的所述低压侧的所述多孔支撑体和所述密封件之间的间隙。所述电池的上述结构有助于防止或者减少(如在平面图中所见的)在所述低压侧的所述间隙内的由于在所述高压侧含有气体导致的压差而造成的所述膜的变形。
在示例中，电解池具有位于两个流场板之间的膜，所述膜可以具有粘附的电极/催化层。在所述膜的低压侧，设置有被密封件围绕的多孔支撑体。所述密封件由框架(可替代地称为垫圈)和辅助密封件构成，所述框架一般与所述多孔支撑体共面，所述辅助密封件被压缩在所述流场板与所述框架之间。在所述膜的高压侧，设置有被密封件围绕的另一多孔支撑体。所述高压侧的所述密封件也由框架和辅助密封件构成。所述低压侧的所述框架跨越位于所述高压侧的所述框架与所述多孔支撑体之间的间隙。此示例性电池旨在用于如下的差压电解槽，所述差压电解槽输出处于40巴以上的氢气和处于大气压力的氧气，或者以更高的压力和相似的压差工作。
附图说明
图1是电解池的示意性剖面图。
具体实施方式
图1示出了电化学电池10。电池10是大型电池组的一部分，这样的大型电池组是通过通常以组装传统的电池组相同的方式重复电池10的元件并添加诸如端板等其它元件而形成的。在图示的示例中，电池10具有双极流场板12，为了简洁，也可以仅称其为板12。可替代地，各个板12可以由阳极流场板和阴极流场板来替代。电池10因此可以被认为如图1中的括号所示地仅包括各个板12的一半。
为了便于下面的讨论，将以如图1中的定向来说明所述电池。在该定向下，垂直维度是在垂直于板12从一个板12朝着另一板12的方向上。水平或者平面视角维度平行于板12。
在垂直方向上，电池10被膜18分为第一侧14(或者，称为低压侧)和第二侧16(或者，称为高压侧)。电池10的位于任一侧内或者与任一侧直接接触的部分可以类似地被称为是第一组件或第二组件，或者被称为是高压组件或低压组件。
在图示的示例中，膜18是质子交换膜(PEM)。膜18具有粘接至其两侧的(平面图中的)中央区域的催化层20。催化层20还含有导电细丝或其它材料并且起到电池10的电极的一部分的作用。膜18可以被称为膜电极组(MEA)。可替代地，催化剂和导电材料可以设置在不同的层中。
在电池10的低压侧14，第一多孔支撑体24将膜18与板12的含有流场的部分分离。第一多孔支撑体24相比于位于两个板12之间的其它材料而言是相对不可压缩的。在图示的示例中，第一多孔支撑体24是由具有标称0.01"(0.25mm)厚度的烧结钛制成的。
在电池10的高压侧16，第二多孔支撑体22将膜18与板12的含有流场的部分分离。第二多孔支撑体22比第一多孔支撑体24更加可压缩。在图示的示例中，第二多孔支撑体22是碳毡、碳纸或碳布。第二多孔支撑体22能够压缩至0.01"(0.25mm)以下的厚度。
如在平面图中会看到的，多孔支撑体22,24被密封件(具体地，框架26)围绕。框架26起到在板12与膜18之间进行密封的垫圈的作用。多孔支撑体22,24因而被容纳在电池10中的密封空腔内。多孔支撑体22,24允许气体在板12的流场与膜18之间的流通并且还将板12电连接至催化层20。除了在如本领域中已知的通往电池10的入口和出口处之外，框架26含有电池10内的液体和气体。框架26还有助于板12彼此间的电气绝缘。
可选地，在板12与框架26之间可以设置有辅助密封件28。各个板12通常由金属制成并且可能具有相同的表面缺陷。辅助密封件28是由相对于框架26而言的弹性材料制成的，并且也可以直接成型至板12上。辅助密封件28有助于确保气体不会通过框架26与板12之间的任何有缺陷的密封(例如，沿着板12中的划痕)而逸出。然而，在板12与框架26之间具有主密封。
在电池10中，在膜18的低压侧的表面处，在材料中具有间隙E。在图示的示例中，间隙E形成在第一多孔支撑体24与第一框架26之间。通过使电池10的高压侧的(由第二框架26形成的)密封件的內边缘设置在间隙E的水平方向上的内侧，防止膜18被电池10的高压侧的气体推入该间隙内。虽然仅图示了电池10的一个水平维度，但是高压侧密封优选在所有水平维度上位于间隙E的内侧，即，间隙E在电池10的平面图中完全处于高压侧密封的外侧。这样的相对定位尤其应用于针对膜18的位于电池10的高压侧的表面形成密封件。如上所讨论地，高压侧的框架26与板12之间的密封可能是有缺陷的，但是高压气体的存在仅限于板12的表面中的缺陷的区域，并且框架26有助于抵抗这些区域中的气体压力。
可以构造出各种替代实施例。在一个替代例中，如图1中的A处所示，低压侧的催化层20朝着第一多孔支撑体24的边缘延伸。催化层20不需要一直延伸至第一多孔支撑体24的边缘，而是可以根据需要仅仅延伸至与高压侧的框架26重叠。虽然催化层20具有非常小的厚度，但是这样的延伸可以有助于在电池10的高压侧形成膜18与框架26之间的更强的密封。在延伸或者不延伸电池10的低压侧的催化层20的情况下，类似地，高压侧的催化层20可以例如如图中B处所示地延伸至与高压侧的框架26重叠。
在另一替代例中，一个或两个框架26的边缘可以从对应的板12的边缘缩入至例如图1中所示的线C处。在此情况下，对应的辅助密封件28可以如D处所示地延伸至直接抵靠膜18。在另一替代例中，省略掉辅助密封件28。然而，图1中所示的构造是优选的。如上面讨论地，在电池10的高压侧，刚性板12中的任何表面缺陷都可能损害框架26与板12之间的密封。辅助密封件28针对框架26的顶侧提供了更具弹性的表面以形成密封。如果一部分高压气体可能通过线C，对于膜18而言优选的是被框架26的完整且无损的表面支撑，或者至少被低压侧的框架26支撑。
在另一替代例中，第二多孔支撑体22和高压侧的框架26可以是一个一体化的组件，例如具有不可渗透的边沿的多孔支撑体。然而，发明人在撰写本说明书的时候没有想到能够针对电池10的高压侧的40巴以上的压力进行密封的用于一体化的多孔支撑体和框架的合适材料。因而，该选择现在还不是优选的，这是因为它可能需要例如减少高压侧的框架26仅至线C处并且依靠第二辅助密封件28来承受施加至高压侧的大部分压力。
在另一替代例中，电池的高压侧的辅助密封件28可以位于间隙E的上方或者平面图中的内侧。上述的各种替代例之中的任一个或多个也可以进行组合以形成更多的替代例。
相关申请
本发明要求于2015年9月28日提交的美国临时申请第62/233,774号的权益，并以参考为目的将该申请纳入本文。

Claims (8)

1.一种高压或差压电解槽，其包括：
具有高压侧(16)和低压侧(14)的电化学电池(10)，所述电化学电池包括：
第一流场板和第二流场板(12)；
膜(18)，所述膜位于所述第一流场板与所述第二流场板之间，并且所述膜具有所述低压侧的第一侧和所述高压侧的第二侧；
第一多孔支撑体(24)，所述第一多孔支撑体位于所述膜的所述第一侧与所述第一流场板之间，所述第一多孔支撑体相比于位于所述第一流场板与所述第二流场板之间的其它材料而言是相对不可压缩的；
第一密封件(26)，所述第一密封件围绕所述第一多孔支撑体，在所述膜的表面处在所述第一多孔支撑体与所述第一密封件之间具有间隙(E)；
第二密封件(26)，所述第二密封件位于所述膜的所述第二侧与所述第二流场板之间，其中，如在平面图中所见的，所述第二密封件的至少一部分位于所述间隙的内侧，由此防止所述膜被所述电化学电池的所述高压侧的压力推入所述间隙内。
2.如所述权利要求1所述的电解槽，其中，所述第二密封件与所述间隙重叠。
3.如权利要求1或2所述的电解槽，还包括第二多孔支撑体(22)，所述第二多孔支撑体位于所述膜的所述第二侧与所述第二流场板之间，所述第二多孔支撑体在平面图中位于所述第二密封件的内侧。
4.如权利要求3所述的电解槽，其中，所述第二多孔支撑体比所述第一多孔支撑体更加可压缩。
5.如权利要求1或2所述的电解槽，其中，所述第一多孔支撑体比所述第一密封件或所述第二密封件更坚硬。
6.如权利要求1或2所述的电解槽，其中，所述第二密封件包括框架和辅助密封件(28)。
7.如权利要求1或2所述的电解槽，
其中，所述第二密封件包括框架(26)；并且
所述电化学电池还包括位于所述膜的所述第一侧的第一催化层(20)和位于所述膜的所述第二侧的第二催化层(20)，其中，所述第一催化层或所述第二催化层的至少一者延伸至与所述框架(26)重叠。
8.一种如权利要求1至7中任一项所述的电解槽的用于输出氢气和氧气的用途，其中，所述电解槽在所述高压侧的至少40巴的压力下工作，或者在所述高压侧与所述低压侧之间的至少40巴的压差下工作。
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