CN114747052A - 用于pem型电化学电池的密封装置 - Google Patents

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Abstract

密封装置设置用于电化学电池并具有金属板(7)和设置在金属板上的密封件(18、19)，密封件形成至少一个封闭的且设置在金属板(7)上的密封环。根据本发明，形成环绕的、向内支撑密封件(18、19)的内部支撑结构(20、22)以及向外支撑密封件(18、19)的外部支撑结构(21、23)，内部支撑结构和外部支撑结构由烧结的金属形成并与板(7)材料配合地连接。

Description

用于PEM型电化学电池的密封装置
技术领域
本发明涉及一种电化学电池，尤其是电化学电池堆，特别是一种用于PEM型电化学电池、尤其是用于电解槽的密封装置。
背景技术
上述类型的电化学电池通常安装在堆叠中，其中多个这种电池串联连接并且设置在堆叠中。这种堆叠例如属于燃料电池领域中现有技术的一部分并且用于通过氢气的催化氧化来发电。电解槽也可在这种堆叠布置中使用，借助电解槽通过引入电能和水来产生氢气和氧气，其中一种组分，通常是氢气，被临时储存。为了尽可能有效地设计发电和储存，试图将堆叠设计为，使得堆叠能够以例如100bar的尽可能高的工作压力运行，因为这样通常可以放弃对所产生气体的后压缩，或者能够以相对小的能量消耗进行后压缩。在电化学电池中压力越高，作用在堆叠中的力就越大。虽然能够通过将端板和拉杆的强度设计为更大的来吸收机械力，但是随着压力的增大，电池的密封件成为较大的问题。随着压力的增大，密封件承受的负荷也越大，然而如果密封件失效，则整个堆叠无法使用。
发明内容
在该背景下，本发明所基于的目的是，提出一种用于PEM型电化学电池、尤其是用于电解槽的密封装置，使得密封能够承受尽可能高的压力。
根据本发明，该目的通过具有在权利要求1中给出的特征的密封装置来实现。本发明的有利的设计方案在从属权利要求、以下的说明书和附图中给出。
根据本发明的用于PEM型电化学电池、尤其是用于电解槽的密封装置具有金属板和设置在所述金属板上的密封件，所述密封件形成至少一个封闭的、设置在板上的密封环。根据本发明，形成环绕的、向内支撑密封件的内部支撑结构以及向外支撑密封件的外部支撑结构，所述内部支撑结构和外部支撑结构由烧结的金属形成并且与板材料配合地连接。
根据本发明的解决方案的基本构思是，在金属板上向内以及向外提供支撑结构，所述支撑结构在两侧上支撑所述密封件，所述金属板通常在中心具有介质可穿透的凹部并且在该处例如构成为带孔金属片，所述带孔金属片例如在中间接入碳绒作为气体扩散层的情况下位于离子可穿透的气密的膜片(PEM膜片)上。根据本发明，所述支撑结构由烧结的金属形成并且与所述板材料配合地连接。优选地，支撑结构由与板相同的金属形成并且例如通过烧结与所述板材料配合地连接。
如果呈最简单的形式的密封件是设置在板上的环绕的密封环，那么所述密封环向内通过支撑结构支撑，所述支撑结构防止密封材料在施加力时向内迁移，并且向外通过外部支撑结构支撑，所述外部支撑结构防止材料向外迁移。密封件因此优选材料配合地保持在支撑结构之间，使得有效地禁止否则在高的表面压力下出现的流动行为。所述支撑结构不仅能够防止密封件的流动，而且还能够形成某种类型的间隔垫片，所述间隔垫片确保在金属板与与此相对地要密封的配合面之间的最小间距。
原则上，支撑结构设置在密封件的两侧上，即向内和向外设置是有利的。然而，尤其是在电化学电池运行时，尤其是在具有高的内部压力的电池堆叠运行时，如这在电解槽中用于以压缩的方式储存反应气体有利的是，通过仅一个支撑结构就足以，尤其有利地是提供外部的支撑结构，以便能够以这种方式形成对外的屏障，以防止密封件由于内部压力提高而蠕变。
根据本发明的一个有利的改进方案，在板的两侧上设有密封件，所述密封件在每一侧上形成设置在板上的至少一个封闭的密封环，其中在板的每一侧上形成环绕的、向内支撑相应的密封件的内部支撑结构，以及形成向外支撑相应的密封件的外部支撑结构，所述内部支撑结构和外部支撑结构由烧结的金属形成并且与板材料配合地连接。这种布置确保了密封件被稳定在板的两侧上，防止其在高的挤压力下的流动行为，并且此外确保与配合面的最小间距。与相应的配合面相关，支撑结构与板和配合面形成腔室状的空间，所述空间容纳设置在其中的密封环并且将其挤压到一起，意即将密封环的压缩限制为该空间的体积。
根据本发明的一个有利的设计方案，所述板本身也由烧结的金属形成并且优选以3D打印方法制造。在此，优选不仅板本身，而且支撑结构也能够以该方法制造，优选在一个工序中在印刷所述板时制造。
有利的是，形成密封环的密封件构成为，使得所述密封件优选完全填充在内部的支撑结构与外部的支撑结构之间的区域。在此特别有利的是，密封件至少在位于支撑结构之间的区域中直接贴靠在金属板上。通过密封件在所述板上的紧密贴靠，一方面保证了密封件在所述板上的粘附，而另一方面确保了良好且完整的密封效果。可以将可能需要的助粘剂引入该区域中，而不存在以下风险：该助粘剂到达为位于支撑结构之外的区域中进而到达有源的电池结构中。如果所述助粘剂与所述催化剂产生化合反应，则所述助粘剂会损坏或破坏膜片上的催化剂，因此重要的是：在位置上可靠地限制其应用范围。
特别有利的是，密封件优选完全覆盖支撑结构。虽然原则上提出，在位于支撑结构之间的区域中的密封件比支撑结构明显更高地构成，以便确保在该区域中的密封，但支撑结构的覆盖具有优点，在最大程度地压缩密封件的情况下，在支撑结构的上侧和配合面之间始终存在密封材料，即确保附加的密封。此外，通过用密封材料覆盖支撑结构，附加地能够将密封件固定在支撑材料上，由此使在密封件与板或设置在板上的支撑结构之间形成紧密的连接。
特别有利的是，通过隆起形成支撑结构。有利地，在此涉及环形环绕的隆起，所述隆起完全环绕地支撑密封件。在引导气体的通道的区域中，隆起和/或密封件可以被中断或具有较低的高度，而不会因此限制密封件完全支撑在整个环绕的区域上，因为在这种通道的区域中不需要支撑。有利地，支撑结构构成和设置为，使得所述支撑结构在彼此朝向的侧上斜坡状地并且彼此间隔开地构成。即，内部支撑结构，通常是隆起，在朝向外部的支撑结构的方向上具有倾斜且平坦的区域，而外部支撑结构朝向内部支撑结构具有倾斜且平坦的区域，即斜坡状的区域。在此，斜坡状部段彼此间隔开地延伸，使得在它们之间形成的区域不具有支撑结构，使得密封件在此能够直接贴靠在金属板上。在背离密封件的侧上以及在斜坡状的区域上方，支撑结构可以明显更陡峭地延伸，如将在下文根据实施例阐明的那样。
支撑结构的这种斜坡状延伸是特别有利的，以便能够用密封材料尽可能完全地填充由此限界的空间，并且确保密封件在支撑结构的区域中的良好的粘附作用。
在最简单的形式中，设置在内部的支撑结构和外部的支撑结构之间的这种密封环能够在其指向配合面的侧上，即在背离所述板的侧上平坦地构成，然后所述密封环面状地贴靠在配合面上。这种面状贴靠例如有利于贴靠在离子可穿透的膜片上，因为膜片随后在密封件的整个表面上加载有相同的力。然而，尤其在板的另一侧上有利的是，密封件不构成为平面的，而是结构化地构成。因此，密封件能够有利地在背离所述板的侧上设有密封唇，所述密封唇优选在整个密封件上连贯地环绕。在此有利的是，形成多个密封唇，所述密封唇在一定程度上类似于定心环在密封件的指向配合面的侧上设置在内部的支撑结构和外部支撑结构之间。密封件的该侧在横截面上也能够至少在向外指向的侧上波浪状地构成，因此也在位于支撑结构之间的区域中产生定心的接触面。
在板上的支撑结构之间设置的形成环绕的密封环的密封件有利地在制造支撑结构之后通过喷涂而形成。这种密封件例如能够由FKM(氟橡胶)形成，如这属于现有技术一样。喷涂通常以注塑法进行，意即在形成金属板及其支撑结构和限界部的模具中进行。
金属板有利地通过薄膜部段形成，即金属片部段。将板从薄膜分离出来是特别有利的，这种薄膜能够低成本地获得并且能够通过切割制成稍后的金属片部段的期望的尺寸。
支撑结构本身有利地以3D打印制造，所述支撑结构要么直接施加到板上，要么首先施加到由塑料制成的载体薄膜上，其中支撑结构通过烧结与所述板连接。如果借助于3D打印将所述支撑结构施加到金属板上，则材料在打印期间熔化，即在涂覆时直接建立材料配合的连接，或者但是将金属粉末与粘合剂一起施加，所述粘合剂在稍后烧结时被移除，其中将金属粉末相互连接并且与位于下方的金属板材料配合地连接。
支撑结构能够有利地和替选地以丝网印刷方法来涂覆，这尤其在批量制造中具有成本效益和生产效率。然后，支撑结构与金属板的连接有利地通过烧结进行。在此，支撑结构能够通过丝网印刷直接施加到金属板上或者通过丝网印刷施加到作为载体的塑料薄膜上。
如果借助塑料薄膜作为载体施加支撑结构，则在烧结时移除塑料薄膜，在此支撑结构与板连接。易于理解的是，如果在两侧上提供支撑结构，则所述支撑结构同时或者但是在分开的工序中(首先在一侧上，并且然后在另一侧上)通过烧结与所述板连接。
有利地，支撑结构和薄膜以3D打印在一个工序中制造，在此，薄膜可以由用于支撑结构的金属部分的粘合剂或者由另一种塑料材料形成，于是所述塑料材料不仅有利地形成载体，而且整个支撑结构都被覆盖并且仅在烧结时才被移除。
如果将支撑结构施加到作为载体的塑料薄膜上或塑料薄膜中，则所述支撑结构于是被置于金属板上并且通过烧结与所述金属板连接。在此，支撑结构通常分别在所述板的一侧上施加在塑料薄膜中，并且然后通过烧结与所述板连接。
如果密封装置确定用于PEM型的电解槽，则金属板有利地由钛制成并且具有0.2mm至0.5mm的厚度。如果密封装置用于燃料电池，则金属板有利地由不锈钢制成并且具有在0.1mm和0.2mm之间的厚度。
支撑结构有利地由与金属板相同的材料形成。
一方面，支撑结构应尽可能平坦并且尽可能高地构成。优选地，支撑结构在垂直于所述板的方向上延伸超过约0.2mm至1.2mm。
支撑结构的横截面形状可以变化，通常在板的一侧上彼此间隔开地设置两个隆起，在这两个隆起之间构成密封件。所述隆起可以具有半圆形的、梯形的或其它横截面，隆起宽度有利地位于0.2mm和2.0mm之间。
如上所述，有利的是，支撑结构除了实际的隆起以外还具有斜坡状延伸的部分，该部分有利地具有0.5mm至7mm的宽度并且构成为比实际的隆起明显更平坦的。在此，斜坡状延伸的部分设置为，使得它们彼此间具有一定的间距，使得在位于它们之间的区域中，密封件直接贴靠在金属板上。平均的隆起间距，即形成实际的支撑结构的隆起的纵向中心线的间距有利地位于1.5mm和15mm之间。在本发明意义上的平均间距应理解为纵向中心彼此间的间距，正如在图3中在下文中示出的。
上文提及的尺寸尤其对于在例如5至250个电池的堆叠中的电池装置是有利的，所述电池在直至约100bar的压力下作为电解电池运行。
附图说明
下面借助于在附图中示出的实施例描述本发明。附图示出：
图1示出根据本发明的密封装置的俯视图；
图2以极度放大的示意图示出穿过电池堆叠的电解电池的剖面；和
图3以放大的示意性剖视图示出在密封件和支撑结构的区域中的金属板。
具体实施方式
借助附图示出的密封装置是电化学电池的一部分，其结构在图2中示意性地示出。下面描述的实施方案涉及一种用于电解电池的密封装置，电解电池用于利用电能从水中产生氢气和氧气。易于理解的是，在使用其它介质或在过程相反的情况下(燃料电池)，电化学电池的基本结构保持不变，然而需要进行各种不同的修改，无论是关于所使用的材料还是它们的布置方面。
这种电化学电池被构建成电池堆叠，即所谓的堆叠，其中数个这种电池通常电串联连接并且上下相叠地设置，在此电池堆叠由拉伸元件机械保持并且在电池堆叠内提供了用于输入和引出介质的通道。所述通道竖直地贯穿所述堆叠，以便能够将每个单独的电池连接到相应的介质入口和出口。这种电池堆叠的基本结构属于现有技术，进而在此不再详细描述。但是，在此上下文中尤其示例性地参考DE 10 2017 108 413A1，在该文献详细描述了这种结构。
如根据图2的剖视图图解示出的，每个电池1具有双极板2，所述双极板在两侧上以形成通道的方式构造。因此，在图2中示出的上侧上形成通道3，而在下侧上形成通道4。上侧是在运行时引导水和氧气的侧，而下侧形成引导氢气的侧。在电池1的在图1中用5表示的有源区域中弹性元件6邻接于双极板2，所述弹性元件通过金属板网形成，但是也可以以其它方式构成。
在图2中以其上侧贴靠于双极板2的该弹性元件6贴靠在板7上的下侧上，所述下侧是密封装置8的一部分。所述板7在电池1的有源区域5中，即在中心区域5中构成为带孔金属片，所述带孔金属片在边缘区域中形成实际的密封装置8。所述板7在有源区域5中位于介质可穿透的层9上，所述介质可穿透的层9被称为多孔传输层(PTL)。该气体可穿透的层位于质子可穿透的膜片10之前，质子可穿透的膜片10在电池1的有源区5中也在背面上设有这种介质可穿透的层11。以本身已知的方式，膜片10在两侧上具有作为催化剂的电极覆层。在图2中未示出的双极板2又再向下邻接于所述介质可穿透的层11，该介质可穿透的层11形成邻接于其上的电解电池的一部分。电池的结构为，使得介质通过通道3和4输入和引出并且能够面状地到达膜片10，更确切地说在电池1的有源区域5中。
然而，构件6、7、9和11不仅必须是介质可穿透的，以便能够使反应物接近膜片10或从膜片10引起，所述膜片还必须能够导电，以便输入对于反应所需的电流。接触分别经由双极板2进行。因此，在所示出的实施方式中，双极板2、弹性元件6、板7和介质可穿透的层11由钛形成，更确切地说双极板2通过压印的金属片形成，弹性元件6通过根据某种类型的金属板网的金属片形成，板7通过钛箔形成，而介质可穿透的层11通过由钛纤维制成的织物，类似于毡形成。介质可穿透的层9由碳绒形成。
如从图1中可见的是，电池1的有源区域5与用于形成通道和用于将电池相互固定的边缘12区分开。在该边缘12中形成竖直地穿过电池的堆叠伸展的通道13、14、15和16，经由所述通道输入和引出介质。此外，在角部区域中设有凹部17，所述凹部设置用于穿引夹紧螺栓，借助所述夹紧螺栓将电池堆叠压在一起并且保持。能够在边缘区域中设有用于拉杆的更多的凹部。
如图1表明的，密封装置8在边缘12中环绕地构成，即构成为封闭的环。所述封闭的环向外包围通道13至16。此外，所述密封装置具有封闭的环，所述封闭的环分别包围通道13至16并且包围有源的区域5。后一个环分部段地在高度方面减小，以便将相应的电池1的通道3与在堆叠中竖直地伸展的通道14和16连接。经由通道14和16供应水以及引出所产生的氧气。
尤其通过通道4和在弹性元件6中的自由空间形成的氢气侧的空间的连接如下进行：密封件18在与通道13和15相邻的区域中降低，以便在此建立通道连接，以引出氢气。而向外包围通道13至16的环绕的密封件18和19连贯地贴靠地构成并且向外密封相应的电池。
如图2和3所示出的，所述密封装置8包括在附图中的上部密封件18和下部密封件19，所述上部密封件18相对于双极板2密封，所述下部密封件19相对于膜片10密封。所述密封件18、19由氟橡胶制成并且是喷涂的。
在板7的上侧上的密封件18分别向内，即朝向通道13至16被环绕的内部支撑结构20包围，以及向外被外部支撑结构21包围。在下侧上的密封件19相应地具有内部支撑结构22和外部支撑结构23。每个支撑结构(20-23)由环绕的隆起24和斜坡状的区域25构成，所述斜坡状的区域侧向地邻接位于密封件18或19下方的区域。每个支撑结构的斜坡状区域25从隆起24大致安置在一半的高度处延伸直至朝向相对置的隆起25延伸的板7上。在延伸的区域25之间形成自由空间，其中密封件18或19直接贴靠在板7上。
在所示出的实施方式中由钛箔构成的板7具有0.3mm的厚度26。在板的两侧上延伸的支撑结构20至23分别具有环绕的隆起24，所述隆起具有垂直于板7的0.6mm的延伸部27。在所示出的实施方案中，隆起24的宽度28是1mm，斜面状延伸的部分25的宽度31是1.5mm。内部的支撑结构20或22的隆起24与外部的支撑结构21或23的平均间距29为8mm。
在所示出的实施方式中，板7由钛箔形成，所述钛箔在活性区域5中以穿孔的方式构成，以便能够是介质可穿透的。在上侧上的支撑结构20和21以及在下侧上的支撑结构22和23通过3D打印创建并且同样由钛制成。通过烧结形成彼此间以及与板7构成的复合结构。在此，如在引言中所提出的，制造可以是不同的。
在形成具有位于板7上的支撑结构20至23的板7之后，上部的密封件18和下部的密封件19以注塑法制造。密封件在此在延伸的斜坡状区域25之间的区域中直接贴靠在板7上。在本实施方案的变型形式中，密封件完全覆盖隆起24。虽然下部的密封件19具有作为密封侧的平坦的下侧，所述平坦的下侧以小的间距与支撑结构22或23的隆起24间隔开，但是上部的密封件18在横截面中具有波浪状的上侧，即密封侧，其中波谷大致在密封件的上侧的高度上基本上位于隆起24的区域中，并且波峰形成环绕的密封唇30，所述波峰明显高于波谷。
附图标记列表
1 电池
2 双极板
3 通道
4 通道
5 电池的有源区域
6 弹性元件
7 板
8 密封装置
9 介质可穿透层
10 膜片
11 介质可穿透层
12 板7的边缘
13 竖直的通道
14 竖直的通道
15 竖直的通道
16 竖直的通道
17 凹部
18 上部的密封件
19 下部的密封件
20 上部的内部支撑结构
21 上部的外部支撑结构
22 下部的内部支撑结构
23 下部的外部支撑结构
24 隆起
25 斜坡状的区域
26 板7的厚度
27 隆起24的高度
28 隆起24的宽度
29 平均隆起间距
30 密封唇
31 斜坡状区域的宽度。

Claims (22)

1.一种用于PEM型电化学电池(1)的、尤其是用于电解槽的密封装置，所述密封装置具有金属板(7)和设置在该金属板上的密封件(18)，所述密封件(18)形成至少一个封闭的、设置在所述金属板(7)上的密封环，其特征在于，形成环绕的、向内支撑所述密封件(18)的内部支撑结构(20)和/或向外支撑所述密封件(18)的外部支撑结构(21)，所述内部支撑结构和外部支撑结构由烧结的金属形成并且与所述金属板(7)材料配合地连接。
2.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于，在所述板(7)的两侧上设置密封件(18、19)，所述密封件在每一侧上形成设置在所述板(7)上的至少一个封闭的密封环，其中，在所述板(7)的每一侧上形成环绕的、向内支撑相应的所述密封件(18、19)的内部支撑结构(20、22)，和/或形成向外支撑相应的所述密封件的外部支撑结构(21、23)，所述内部支撑结构和外部支撑结构由烧结的金属形成并与所述板(7)材料配合地连接。
3.根据权利要求1或2所述的密封装置，其特征在于，所述板(7)由烧结的金属制成并且以3D打印制造。
4.根据上述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，所述密封件(18、19)填充所述内部和所述外部支撑结构(21、22；22、23)之间的区域并且优选至少在所述支撑结构之间的区域中直接贴靠于所述板(7)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，所述密封件(18、19)优选完全覆盖所述支撑结构(20-23)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，优选每个支撑结构(20-23)具有环形环绕的隆起(24)。
7.根据权利要求6所述的密封装置，其特征在于，所述支撑结构(20-23)和/或所述密封件(18)在形成通道(3)的区域中比在其余区域中更平坦地构成或者被中断。
8.根据上述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，所述支撑结构(20-23)在朝向于彼此的侧上斜坡状地并且彼此间隔开地构成。
9.根据上述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，密封件(19)在其背离所述板(7)的侧上平坦地构成和/或另一密封件(18)在其背离所述板(7)的侧上具有密封唇(30)，优选波浪状地构成。
10.根据上述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，所述密封件(18、19)在制造了相关的支撑结构(20-23)之后通过喷涂而形成。
11.根据上述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，所述板(7)通过薄膜部段形成。
12.根据上述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，所述支撑结构(20-23)以3D打印来制造。
13.根据上述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，所述支撑结构(20-23)以丝网印刷方法施加到所述板(7)上。
14.根据上述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，所述支撑结构(20-23)通过烧结形成。
15.根据上述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，所述支撑结构(20-23)通过烧结与所述板(7)连接。
16.根据上述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，支撑结构(20-23)施加在作为载体的塑料薄膜上或被引入塑料薄膜中，其中，所述塑料薄膜设置在所述板(7)上并在烧结时被移除。
17.根据上述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，所述板(7)由钛构成并且具有0.2至0.5mm的厚度(26)。
18.根据上述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，所述板(7)由不锈钢构成并且具有0.1至0.2mm的厚度。
19.根据上述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，所述支撑结构(20-23)具有0.2至1.2mm的垂直于所述板的延伸部(27)。
20.根据上述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，所述支撑结构(20-23)构成为隆起(24)，所述隆起具有0.2至2.0mm的隆起宽度(28)。
21.根据上述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，所述支撑结构(20-23)的斜坡状的部分(25)具有0.5至7mm的宽度(31)。
22.根据上述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，所述支撑结构(20-23)具有1.5至15mm的平均隆起间距(29)。
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