EA027473B1

EA027473B1 - Блок электрохимических ячеек

Info

Publication number: EA027473B1
Application number: EA201291054A
Authority: EA
Inventors: Фредерик Андре Маршаль
Original assignee: Айтиэм Пауэр (Рисерч) Лимитед
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2017-07-31
Also published as: CA2796031C; CN103038927A; EP2559093A1; NZ602898A; WO2011128705A1; AU2011241988B2; JP6153556B2; KR101913867B1; CN103038927B; EA201291054A1; JP2015135828A; KR20130073877A; US20130122388A1; CA2796031A1; JP2013527969A; EP2559093B1; MX2012011964A; AU2011241988A1; GB201006403D0; MX354760B

Abstract

В изобретении представлен блок ячеек, содержащий электрохимическую ячейку или множество аксиально расположенных электрохимических ячеек, с концевой пластиной на каждом конце блока, причем каждая ячейка содержит активную зону, окруженную периферийной зоной, причем активная зона содержит мембранно-электродный узел, а периферийная зона включает в себя один или более каналов для реагентов, и при этом блок содержит средство для аксиального прикладывания давления к активной зоне для контакта мембраны и электродов и отдельное средство для аксиального прикладывания давления к периферийной зоне. Кроме того, способ осуществления электрохимической реакции в ячейке, содержащей активную зону, окруженную периферийной зоной, включает в себя прикладывание давления к активной зоне и изменение давления в ходе эксплуатации ячейки, причем активная зона включает в себя мембранно-электродный узел и представляет собой ту зону, где происходит реакция в ячейке.

Description

Настоящее изобретение относится к компоновке блока электрохимических ячеек.

Уровень техники

В традиционных блоках электрохимических ячеек ячейки содержат мембранно-электродный узел, помещенный между биполярными пластинами. Пластины обычно действуют как токосъемник и электрод или упаковочные конструкции, создающие поля течения. Необходимо, чтобы различные элементы ячейки удерживались в блоке вместе и чтобы было приложено давление. Это обычно достигается путем использования расположенных аксиально вокруг периферии ячейки стяжных тяг.

При герметизации ячейки с использованием стяжных тяг иногда бывает сложно обеспечить прикладывание равномерного давления ко всей активной зоне (т.е. мембранно-электродному узлу) ячейки. Другая проблема при этой компоновке состоит в том, что тогда как вокруг периферии ячейки давление находится на хорошем уровне, центр ячейки, т.е. то место, где не расположены стяжные тяги, иногда может выгибаться наружу и терять давление. Также, когда необходимо обслуживание ячеек, процесс удаления стяжных тяг и многочисленных конструктивных элементов пружинного прижима становится трудоемким.

Иногда эластомерные элементы оказываются зажатыми между концевой пластиной и ячейками в каждой крайней точке. Равномерность давления лучше всего достигается с использованием этого типа ячейки, но в этом случае прикладывается постоянное давление. Это является негибким и неконтролируемым, кроме случая замены детали или элемента. Это является проблемой, поскольку величина контакта является определяющей для омических потерь между соседними конструктивными элементами, а следовательно, и для общей эффективности.

Сущность изобретения

Было обнаружено, что выгодно отделить активную зону ячейки от той зоны, которая образует уплотнение и которая поставляет реагенты. Обе эти зоны должны быть сжаты, а также было обнаружено, что выгодно сжимать их по отдельности. Это приводит к равномерному давлению на активную зону, которое можно тонко отрегулировать независимо от силы уплотнения. Поэтому согласно первому аспекту блок ячеек содержит электрохимическую ячейку или множество аксиально расположенных электрохимических ячеек с концевой пластиной на каждом конце блока, причем каждая ячейка содержит активную зону, окруженную периферийной зоной, при этом активная зона содержит мембранно-электродный узел, а периферийная зона включает в себя канал для реагентов, и при этом блок содержит средство для аксиального прикладывания давления к активной зоне для контакта мембраны и электродов, а также отдельное средство для аксиального прикладывания давления к периферийной зоне.

Согласно второму аспекту способ осуществления электрохимической реакции в ячейке, содержащей активную зону, окруженную периферийной зоной, включает в себя прикладывание давления к активной зоне и изменение давления во время генерирования ячейки, причем активная зона включает в себя мембранно-электродный узел и представляет собой ту зону, где происходит реакция в ячейке.

Описание предпочтительных вариантов воплощения

Используемый здесь термин электрохимическая ячейка включает в себя как электролизеры, так и топливные элементы. Изобретение в равной мере применимо к ним обоим.

В одном варианте воплощения конструкция каждой ячейки содержит проводящий диск (биполярную пластину), который предпочтительно является двумерным и обладает соответствующей деформируемой толщиной. Предпочтительно диск включает в себя множество врезанных в периферию коллекторов (каналов для реагентов). Проводящий диск имеет внешнюю область, которая образует часть периферийной зоны блока, и внутреннюю область, которая образует часть активной зоны блока.

В предпочтительном варианте воплощения ячейка по изобретению содержит прокладку, которая является полой и которая предпочтительно имеет такое же расположение вырезанных из конструкции коллекторов. Предпочтительно прокладка является термопластовой, эластомерной, полимерной или керамической. Условия сборки прокладки хорошо известны специалистам в данной области техники.

В предпочтительном варианте воплощения ячейка по изобретению содержит полую периферийную пластину. Она может быть металлической или неметаллической. В одном варианте воплощения она является полимерной. Однако в ячейке высокого давления предпочтительной является металлическая периферийная пластина. Предпочтительно рамочное кольцо является практически двумерным, т.е. очень тонким и плоским. Оно может иметь текстурированную или нетекстурированную лицевую поверхность. Предпочтительно оно также содержит множество коллекторов.

Как будет очевидно из чертежей, блок электрохимических ячеек образован аксиальным расположением отдельных конструктивных элементов. В предпочтительном варианте воплощения блок является практически трубчатым.

Каналы или коллекторы представляют собой средства для направления продуктов и реагентов в ячейку и из нее. В одном варианте воплощения коллекторы периферийной пластины поперечно просверлены с образованием по меньшей мере одного отверстия, которое направляет поток продуктов-реагентов между мембранно-электродным узлом и коллекторами. В другом варианте воплощения будет удалена целая часть периферийной пластины для намного большего проема между мембранно-электродным уз- 1 027473 лом и коллектором. Предпочтительно проем будет затем заполнен пористой структурой, допускающей конфигурацию с высокорегулируемым потоком. Этот вариант воплощения проиллюстрирован на фиг. 5.

В другом варианте воплощения нет никакой необходимости в поперечном сверлении, а вместо этого используется способ гравировки, за счет чего поверхность периферийных(ой) пластин(ы) предназначена для того, чтобы текучая среда могла проходить из коллекторов к активной зоне. Это также может быть достигнуто путем замены одной периферийной пластины двумя отдельными периферийными пластинами, сопряженными между собой и имеющими по меньшей мере одну канавку, вырезанную на поверхности сопряжения, чтобы позволить реагентам проходить к активной зоне. Между двумя поверхностями сопряжения должна быть проложена прокладка, чтобы сделать возможным прохождение текучей среды там, где предусмотрена канавка, и гарантировать то, что другие коллекторы уплотнены.

В предпочтительном варианте воплощения мембрана представляет собой полимерную мембрану. Предпочтительно она представляет собой гидрофильную полимерную мембрану. Наиболее предпочтительно она образована сополимеризацией гидрофильного мономера, гидрофобного мономера, мономера, содержащего сильно ионную группу, и воды. Предпочтительно полимер является сшитым.

Блок электрохимических ячеек согласно настоящему изобретению герметизируют между двумя концевыми пластинами. В одном варианте воплощения внешнее давление прикладывают только непосредственно к активной зоне ячейки, т.е. центру аксиальной компоновки. В этом варианте воплощения внешнее давление не прикладывают к периферийной зоне блока, т.е. внешней части аксиальной компоновки. Давление прикладывают в аксиальном направлении.

В предпочтительном варианте воплощения средство для прикладывания давления к активной зоне является настраиваемым, так что уровень давления можно регулировать/изменять согласно потребностям ячейки.

Предпочтительно средство для прикладывания давления к активной зоне представляет собой поршень (плунжер), предпочтительно гидростатический плунжер или гидравлический насос. Однако существуют и другие подходящие средства для прикладывания давления, и они будут известны специалистам в данной области техники. Например, для прикладывания давления к активной зоне можно использовать пружину.

В другом варианте воплощения блок содержит средство для прикладывания давления к активной зоне и отдельное средство для прикладывания давления к периферийной зоне. Средство для прикладывания давления к периферийной зоне может быть того же типа, что и средство, используемое для прикладывания давления к активной зоне, например гидростатическим насосом. В качестве альтернативы, для прикладывания давления к периферийной зоне можно использовать стяжные тяги. Ключевым признаком является то, что средство для прикладывания давления к активной зоне развязано со средством для прикладывания давления к периферийной зоне (прокладке).

При использовании системы стяжных тяг для создания и поддержания давления на периферийной зоне давление действует предпочтительно на столбик прокладки, непроводящее (например, полимерное) рамочное кольцо и внешнюю область мембраны, чтобы осуществить уплотнение через всю ячейку за счет возможного перепада давления между сторонами и обеспечить общую герметичность. Этот вариант воплощения проиллюстрирован на фиг. 2.

При использовании гидростатического насоса для прикладывания давления к активной зоне шток плунжера предпочтительно прикреплен к токовводу, который также предпочтительно образован из материала с высокой проводимостью.

В предпочтительном варианте воплощения блок не имеет традиционной концевой пластины, стяжных тяг и тарельчатых пружин. В этом варианте воплощения периферийное давление прикладывается отдельно от давления на активную зону, а традиционные концевые пластины отсутствуют. Может быть использовано салазочное устройство, содержащее двутавровую стальную конструкцию, вмещающую в себя два отдельных гидравлических контура для выполнения функции прикладывания периферийного давления и разведенного давления на активную зону. Данный вариант воплощения особо желателен изза возможности масштабирования, а также простоты сборки, поскольку он разбивает блок на несколько составных частей и смещает точку привязки заказа клиента (разрыв между методами управления товарными запасами по прогнозу и по спросу) для максимизации дающих обратную реакцию или движимых спросом элементов цепочки поставки.

Второе преимущество состоит в простоте замены рабочих деталей при отсутствии необходимости в полном удалении и обслуживании деталей, которые менее склонны к повреждению с течением времени. Третье преимущество состоит в резком снижении числа конструктивных элементов.

Существуют и другие преимущества того, что средства для прикладывания давления к различным зонам (активным и периферийным) управляются по отдельности. Например, во время периодов холостого хода системы может быть выгодным сброс давления на активной зоне, вследствие чего мембране (которая может быть гидрофильной) дают возможность повторно абсорбировать воду. Это может повысить долговечность системы. Кроме того, было показано (в примере), что выходную мощность ячейки можно регулировать, изменяя давление. Выгодно и энергоэффективно делать это отдельно от давления на прокладку.

- 2 027473

Когда давления на активной и периферийной зонах разделены, также существует возможность совокупного повышения давления, оказываемого на материал мембраны, чтобы деформировать материал так, чтобы его конструктивная целостность не пострадала.

В одном варианте воплощения область между коллекторами и активной зоной содержит пористый материал, чтобы сделать возможными хорошее распределение реагентов и удаление продуктов. В предпочтительном варианте воплощения между двумя рассматриваемыми коллекторами можно использовать систему с различающейся пористостью, которая может обеспечить небольшое противодавление, что приводит к более оптимизированному массопереносу внутри ячейки. Пористые материалы могут содержать металлический агломерат (спекшийся материал), полимер или керамику. Эти спекшиеся материалы могут быть адаптированы таким образом, чтобы они обеспечивали дополнительное преимущество от активного управления потоками реагентов и накоплением воды по всему блоку.

Полое непроводящее рамочное кольцо может быть полимером. Предпочтительно оно выполнено из любого температуростойкого конструкционного полимера с низким общим содержанием органического углерода (То1а1 Огдашс СагЬои, ТОС).

Непроводящее кольцо является уникально рентабельным и поддается точному прогнозированию формования благодаря используемым материалам и тому факту, что оно является практически двумерным.

Тонкая биполярная пластина (проводящий диск) является уникально рентабельной из-за небольшого количества используемого материала и, опять-таки, из-за ее двумерной формы.

В предпочтительном варианте воплощения биполярная пластина обладает подходящей деформируемой толщиной, что допускает требуемое перемещение от ячейки к ячейке. Это обеспечивает потенциально новый путь устранения допусков на сборку несущих мембрану конструкций, а также средство для обеспечения равномерного сжатия каждой ячейки.

Периферийная зона, образованная непроводящими полыми рамками, придает ячейке противоударную или вибрационную защиту.

Конструкция смонтированной на салазках системы концевого давления содержит двутавровые балки, которые обычно бывают оцинкованными. Два отдельных гидравлических контура (периферийного давления и давления на активную зону) и приводимые в движение поршнем концевые пластины предпочтительно приводятся в действие напорными усилителями, работающими на сжатом воздухе.

Подробное описание чертежей

Фиг. 1 - одиночная ячейка в разобранном виде (общая конструкция):

- биполярная пластина из титановой фольги,

- полимерная прокладка,

- подложка электрода,

- рамка ячейки,

- мембрана,

- рамка ячейки,

- электрод,

- полимерная прокладка,

- электрод,

- сетка,

- подложка электрода.

Фиг. 2 - одиночная ячейка с поперечным сверлением:

- биполярная пластина из титановой фольги,

- полимерная прокладка,

- подложка электрода

- рамка ячейки,

- мембрана,

- рамка ячейки,

- электрод,

- полимерная прокладка,

- электрод,

- сетка,

- подложка электрода.

Фиг. 3 - сечение типичного блока:

- стяжная тяга,

- уплотнительное кольцо,

- винт с потайной головкой,

- полимерная прокладка,

- концевая пластина,

- полимерный поршень,

- медная пластинка,

- 3 027473

- медный шток,

- фольга биполярной пластины,

- уплотнительное кольцо.

Фиг. 4 - рабочие характеристики с использованием высокого контактного усилия и оптимизированных электродов.

Фиг. 5 - периферийная пластина с пористым вкладышем.

Фиг. 6 - вариант воплощения топливного элемента.

Пример.

Вариант воплощения блока высокого давления был спроектирован согласно изобретению и был испытан давлением и уплотнен при давлении свыше 180 бар. Фиг. 4 показывает рабочие характеристики, достигаемые с использованием различных электродов и различных давлений поршня. Фиг. 4 показывает значительное увеличение рабочих характеристик при переходе между вариантом воплощения с высоким давлением (2011 01 14 НР) с очень высоким контактным усилием поршня и вариантом воплощения с более низким давлением и его более низким давлением поршня (Ьат002). В случае высокого давления (2011 01 14 НР) электроды были также оптимизированными.

Чем выше ток (А/см²) в ячейке, тем более эффективна ячейка. Выигрыш в электрическом коэффициенте полезного действия составляет приблизительно 200 мВ или 13,5%. Это иллюстрирует преимущество наличия давления, приложенного к активной зоне ячейки.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Блок ячеек, содержащий электрохимическую ячейку или множество аксиально расположенных электрохимических ячеек, с концевой пластиной на каждом конце блока, причем каждая ячейка содержит активную зону, окруженную периферийной зоной, при этом активная зона содержит мембранноэлектродный узел, а периферийная зона включает в себя один или более каналов для реагентов, при этом блок содержит средство для аксиального прикладывания давления к активной зоне для контакта мембраны и электродов, а также отдельное средство для аксиального прикладывания давления к периферийной зоне, при этом средство для прикладывания давления к активной зоне развязано со средством для прикладывания давления к периферийной зоне, так что давление может быть приложено к активной зоне без приложения давления к периферийной зоне и давление может быть приложено к периферийной зоне без приложения давления к активной зоне, при этом средство для прикладывания давления к активной зоне представляет собой гидростатический поршень или гидравлический насос, и при этом средство для прикладывания давления к периферийной зоне представляет собой гидростатический поршень, гидравлический насос или стяжную тягу.
2. Блок ячеек по п.1, при этом упомянутая или каждая ячейка имеет аксиальное расположение биполярной пластины, полой прокладки, полой периферийной пластины, окружающей электрод, и ионообменной мембраны, причем внешняя область биполярной пластины и мембраны, прокладка и периферийная пластина образуют периферийную зону, и при этом внутренняя область мембраны и электрод образуют активную зону.
3. Блок ячеек по любому предыдущему пункту, который является трубчатым.
4. Блок ячеек по любому предыдущему пункту, при этом средство для прикладывания давления к активной зоне и/или средство для прикладывания давления к периферийной зоне является настраиваемым таким образом, чтобы величину прикладываемого давления можно было регулировать.
5. Блок ячеек по любому предыдущему пункту, при этом средство для прикладывания давления к активной зоне и/или средство для прикладывания давления к периферийной зоне представляет собой поршень.
6. Блок ячеек по любому из пп.2-5, при этом прокладка является термопластовой.
7. Способ осуществления электрохимической реакции с использованием блока ячеек по любому из пп.1-6, включающий следующие стадии:

подача реагентов в блок ячеек;

аксиальное прикладывание давления к активной зоне для контакта мембраны и электродов; отдельное аксиальное прикладывание давления к периферийной зоне.
8. Способ по п.7, при этом давление изменяют в ходе эксплуатации блока ячеек.