NO328380B1 - Elektrokjemisk celle - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører elektrokjemiske systemer for lagring og leve-ring av elektrisk energi og spesielt, anordning for bygging av slike systemer.

Industrielle elektrokjemiske systemer, slik som sekundærbatterier, brenselceller og elek-trolysere, består typisk av moduler som hver omfatter et antall av repeterende, lagvise under-sammenstillinger holdt sammen slik at de danner en stakk. For eksempel, i et sekundærbatteri av redoksstrømningstypen består typisk hver under-sammenstilling av en elektrisk isolerende strømningsramme (dvs. en innretning som støtter de andre be-standdelene av undersammenstillingen og som også definerer kanaler for elektrolytt-strømningen), en bipolar elektrode, en ioneselektiv membran eller et kombinert membran-elektrodemateriale og, eventuelt, andre komponentlag slik som nett eller elektrokatolyttiske materialer. Et flertall av slike under-sammenstillinger kan "sandwiches" sammen mellom endeplater for å danne et flertall elektrokjemiske celler i serie. Hver celle omfatter således den positive og negative flaten av to bipolare elektroder med en ioneselektiv membran anbragt mellom disse, for å definere adskilte anolyttinneholdende og katolyttinneholdende kammere i hver celle, nevnte kammere omfatter eventuelt til-leggskomponenter slik som nett eller elektrokatolyttiske materialer. De to elektrolyttene får typisk tilførsel fra to reservoarer til cellekammerene via et elektrolyttsirkulasjons-nettverk. Elektrokjemiske systemer av denne typen er godt kjent for en fagmann.

I fremstillingen av komponenter for dannelsen av slike sammenstillinger er det et stort antall viktige betraktninger. Spesielt er det ønskelig å dempe/undertrykke shuntstrøm-mer inne i elektrolyttsirkulasjonsnettverket. Shuntstrømmer skjer fordi ledningsbaner dannes av nettverket av elektrolyttforbindelser koblet til cellekammerene. De er et spesielt problem for stakker som inneholder et stort antall bipoler og de reduserer effektivi-teten av cellen. I tillegg er det fordelaktig å gjøre effektivt bruk av hele det tilgjengelige overflatearealet av elektroden. For å gjøre dette, må elektrolyttene være jevnt fordelt over overflatene av elektrodene når de kommer inn i cellekammerene. Videre, for å sikre at væskene som er inne i stakkene er isolert fra hverandre og inneholdt med minimal lekkasje til utsiden, er det nødvendig å frembringe tilfredsstillende tetninger mellom de enkelte komponentene i stakken.

GB 2163595 A beskriver en brenselcellestruktur (20) bestående av et flertall plan (21, 32,42,24). Da angitte flertall plan (21,32,42,24) er stablet sammen og dannet tre uav-hengige væskekretsløp, et elektrolyttkretsløp med en inngangsåpning (88a, 98a) og en utgangsåpning (88b, 98b), et brenselkretsløp med en inngang og en utgang (108) for ureagert brensel, et oksidantkretsløp med åpning til friluft for tilgang til oksidant. Krets- løpet er forseglet fra hverandre samt omverdenen (bortsett fra oksidantkretsløpet som skal ha tilgang til en oksidant). Forseglingene mellom de angitte flertall plan (21,32, 42,24) vil kunne være mangelfull dersom de angitte flertall plan (21,32,42,24) ikke er parallelle nok til å danne en tett forsegling. Dette løses med en utstikkende del på et utvalg av de angitte flertall plan (21,32,42,24) som har motlagende groper i motstående plan (21,32,42,24), og som ved sammenføyning danner en tett forsegling.

Tilstedeværelsen av shuntstrømmer inne i slike celleoppstillinger (arrays) diskuteres av P.G. Grimes og R.J. Bellows i en artikkel med tittelen "Shunt current control methods in electrochemical systems-applications", i Electrochemical Cell Design, R.E. White, utgiver: Plenum Publishing Corp., 1984, side 259. Typisk reduseres shuntstrømmer ved frembringelse av labyrintveibaner for elektrolyttene mellom elektrolyttsirkulasjonsnett-verkene og de enkelte cellekammerene. En metode for å oppnå en slik strømningsbane har vært å forbinde lange rør mellom elektrolyttsirkulasjonsnettverket og hver av de enkelte cellekammerene. Denne fremgangsmåten lider imidlertid av den ulempen at den krever minst to tetninger/forseglinger, en ved hver ende av røret, hvilket kompliserer sammenstillingsprosedyren og kan forårsake problemer med elektrolyttlekkasje spesielt siden tetningene/forseglingene utsettes for trykkforskjeller som vanligvis eksisterer mellom det indre systemet og de ytre omgivelsene. En annen fremgangsmåte for å frembringe en labyrintbane involverer dannelsen av en lang fordypning inn i overflaten av strømningsrammen fra et punkt i forbindelse med elektrolyttsirkulasjonsnettverket til et punkt i forbindelse med det enkelte cellekammeret. Når sub-sammensetningene stakkes, blir en plate "sandwiched" mellom påfølgende lag for å tette/forsegle fordypningen og danne en labyrintveibane for elektrolytten. Denne metoden lider av den ulempen at kostnadene med dannelse av fordypninger kan bli høy og at et ekstra lag, dvs. platen, må vanligvis inkorporeres i sammenstillingen for å frembringe effektiv forsegling. Denne metoden krever også ofte store rammeareal der fordypningene dannes på. Elektrolyttlekkasje er et spesielt problem i metoder for å kontrollere shuntstrømmer som involverer labyrintveibaner for elektrolytter. Effektiv fluidforsegling av veibanene kreves for å forhindre lekkasje og dette problemet kan forsterkes ved det faktum at det ofte kreves høye pumpetrykk for å skyve elektrolyttene gjennom de smale veibanene. Andre løs-ninger på problemet med shuntstrømmer innbefatter elektrisk oppbrytning av kretsen ved å gjøre det slik at strømningen brytes opp i dråper eller spray ved å bruke en eller annen for form sifong/hevert; selv mekaniske vannhjultypestrukturer har blitt foreslått. Slike løsninger brukes imidlertid sjelden i praksis fordi det mekaniske og strømnings-systemene er vanskelig å implementere. Andre løsninger, fremfor å eliminere shunt-strømmene, forsøker å styre deres effekt, f.eks. ved med hensikt å shunte strømmen gjennom en hjelpeelektronisk krets eller ved å passere en egnet strøm gjennom den van-lige manifolden eller kanalinterkonnektorer. Disse teknikkene reduserer imidlertid ikke nødvendigvis det totale strømningstapet.

Det vil være fordelaktig å frembringe en strømningsramme, egnet for dannelse av en sub-sammenstilling som beskrevet ovenfor, som er en repeterende strukturell enhet med en oppstilling av elektrokjemiske celler dannet av en stakk av nevnte sub-sammensitllinger. Strømningsrammen vil fordelaktig frembringe et rammeverk for støt-ting av alle de andre elementene i celleoppstillingen innenfor en forseglet omgivelse sammen med innretninger for å frembringe motstand for shuntstrømmer og innretninger for å distribuere en jevn elektrolyttstrømning gjennom kammer ene i hver celle.

Følgelig frembringer den foreliggende oppfinnelsen en strømningsramme for dannelse av en sub-sammenstilling; nevnte sub-sammenstilling omfatter en bipolar elektrode og en ioneselektiv membran montert på nevnte strømningsramme og der nevnte sub-sammenstilling kan stakkes sammen med andre slike sub-sammenstillinger for å danne en oppstilling av elektrokjemiske celler, hver celle omfatter således to elektrodeflater med en ioneselektiv membran anbragt derimellom slik at det defineres adskilte anolyttinneholdende og katolyttinneholdende kammere i hver celle; der nevnte strømnings-ramme er laget av et elektrisk isolerende materiale og omfatter

(i) en kammerdeifnerende del for støtting av en elektrode og en membran innenfor et definert rom, (ii) minst fire manifolddefinerende deler som, ved staklring/stabling på nevnte strømningsrammer, definerer fire manifolder gjennom hvilke anolytten og katolytten tilføres til og fjernes fra nevnte anolyttinneholdende og katolyttinneholdende kammere, (iii) minst to kammerinngangsåpninger for å tillate anolytten og katolytten å strømme fra nevnte manifolder inn i nevnte anolyttinneholdende og katolyttinneholdende

kammere, og

(iv) minst to kammerutgangsåpninger for å tillate anolytten og katolytten å strømme fra nevnte anolyttinneholdende og katolyttinneholdende kammere inn i nevnte

manifolder,

kjennetegnet ved at en eller flere av de manifolddefinerende delene også definerer en veibane for passasje av anolytt/katolytt mellom manifolden og kammerinngangs/utgangsåpningen.

Således er det i den foreliggende oppfinnelse dannet veibane for passasje av anolytt/katolytt mellom manifoldene og kammerinngangs/utgangsåpningene inne i de manifolddefinerende åpningene av sfrømningsrammen. Veibanene kan omfatte fordypninger kuttet inn i en overflate av de manifolddefinerende delene av strørnningsrammen. Når strømningsrammene stables/stakkes, forsegles fordypningene av den flate overflaten av den manifolddefinerende delen av den nærliggende rammen slik at det dannes forsegle-de veibaner. Fortrinnsvis vil veibanen avgrenset av de manifolddefinerende delene ikke tillate elektrolytten å gå i en rett linje direkte mellom manifolden og kammerinngangs/utgangsåpningene. Fortrinnsvis, forårsaker den at elektrolytten må ta en "krungle-te" eller labyrintaktig vei mellom manifolden og kammerinngangs/utgangsåpningene. Veibanen er fordelaktig innlemmet i de manifolddefinerende delene fordi trykkforskjel-lene som kunne føre til lekkasjer er relativt små, hvilket reduserer problemene forbundet med kravet om effektiv fiuidtetning av nevnte veibane. Videre, siden veibanen er dannet inne i de manifolddefinerende delene vil enhver lekkasje forårsaket av utilstrekkelig tetning bli inneholdt i manifolden og forurenser ikke andre deler av den sammenstilte modulen. Således, har strørnningsrammen i den foreliggende oppfinnelse høyere tole-ranse for lekkasje enn kjente strømningsrammer.

Veibanen er fortrinnsvis hovedsakelig spiralformet. En hovedsakelig spiralformet veibane foretrekkes av flere grunner. For det første, vil man med en slik veibane unngå plutselig fall i fluidtrykk, hvilket kan bli forårsaket av tilstedeværelsen av skarpe hjørner i veibanen. For det andre, så oppnås målet med å adskille fluid ved forskjellige elektris-ke potensialer mens det samtidig opptas et minimum av plass. For det tredje, opprettholdes et nær sirkulært manifoldtverrsnitt som er ideellt for effektiv strømning av elektrolytter inne i manifolden. Til slutt, er den relativt enkel å fremstille.

Fortrinnsvis, er de manifolddefinerende delene selv i en avstand fra den hovedkamme-ravgrensende delen. Dette reduserer videre risikoen for at shuntstrømmer skal gå mellom kammerene og manifoldene.

I en foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen er gangveien definert av en del som er avtagbart innførbar i nevnte manifolddefinerende deler. Som indikert ovenfor, avhenger størrelsen av problemene forbundet med shuntstrømmer av antallet bipolare elektroder som utgjør den fullstendige stakken. Jo større antallet bipoler, jo mer alvorlig er tapet forårsaket av forekomsten av shuntstrømmer. Det er videre kjent at problemene forbundet med shuntstrømmer også varierer i samsvar med egenskapen av elektrolyttene i et gitt system, posisjonen og ytelsen av en enkelt sub-sammenstilling i stakken og beskaffenheten av oppstillingen av stakker. En fordel med frembringelsen av nevnte frigjørbare, innførbare deler er at det tillater skreddersying av enkeltstrømnings-rammer innenfor hver sub-sammenstilling for å justere motstanden for shuntstrømmer og samtidig for å justere motstanden av elektrolyttstrøming i manifolden avhengig av posisjonen av sub-sammenstillingen i stakken og også avhengig av størrelsen og beskaffenheten av hele stakken. Videre, tillater den skreddersying av de enkelte manifolddefinerende delene innenfor hver strømningsramme avhengig av identiteten av elektrolytten i manifolden eller om den leveres til, eller fjernes fra, cellekammeret. En videre fordel forbundet med frembringelsen av frigjørbare, innførbare deler at når sub-sammenstillingen stables for å danne en celleoppstilling, kan de frigjørbare, innførbare delene forskyves i forhold til hverandre slik at punkter inne i manifolden der elektrolytt trykkes inn i veibanene, anbringes i avstand fra hverandre, slik at de ytterligere reduserer effektene av shuntstrømmer.

Rundt omkretsen av den kammeravgrens ende delen av strømningsrammen er det nød-vendig at overflatetopografien forblir hovedsakelig kontinuerlig slik at når en membran innbefattes i den lagdelte sub-sammenstillingen dannes en effektiv forsegling for å sikre at anolytt- og katolyttkammerene forblir hovedsakelig isolerte. Slik isolasjon kan oppnås ved en elastomer tetning, en sveis, eller på annen måte. I en foretrukket utførelses-form, strekkende rundt omkretsen av en overflate av den kammerdefinerende delen av rammen og inne i den integrerte tetnmgsinnretningen beskrevet nedenfor er det frembragt en liten, hovedsakelig kontinuerlig, hevet del slik at når rammene stables, dannes en mekanisk Idemming mellom den nevnte hevede del på den ene rammen og en flat eller fordypet overflate på den rammedefinerende delen av den nærliggende rammen i stabelen. Den mekaniske klemmen er utformet til å sikre en membran i posisjon når den er innbefattet som en del av sub-sammenstillingen for å begrense kryssforurensning av elektrolytter ved kanten av membranen. Fordelene med å bruke en mekanisk klemme som beskrevet ovenfor er at den relativt enkel å fremstille som en del av rammen og den opptar et tilstrekkelig tett grep til å isolere anolytt og katolytt gitt at de har en tendens til kun å ha moderate trykkforskjeller. I en foretrukket utførelsesform kan også en slik mekanisk klemme dannes mellom fordypningene som er skåret i de manifolddefinerende delene ved frembringelse av små hovedsakelig kontinuerlige hevede deler mellom nevnte fordypninger. I dette tilfellet, sikrer klemmingen at når strømningsrammene stables, vil fordypningene som danner labyrintveibanen være isolert fra hverandre slik at fluid og strøm ikke kan strømme mellom nærliggende fordypninger.

Strømningen av elektrolyttene fra manifoldene til elektrolyttkammerene, og omvendt, må utføres mens det opprettholdes gjensidig isolasjon av de anolytt- og katolyttinneholdende kammer ene. Elektrolyttene kommer inn i og går ut av anolyttkammeret og kato-lyttkammeret gjennom kammerinngangs/utgangsåpninger. I kjente strømningsrammer tar vanligvis disse form av strømningskanaler anbragt fullstendig inne i rammetykkel-sen. Denne typen kanal er imidlertid vanskelig å maskinere eller støpe. Følgelig i en foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen omfatter en eller flere av kammerendeinngangs/utgangsåpningene eventuelt frigjørbare innleggsdeler utformet slik at ved innføring i strømningsrammen danner de strømningskanaler mellom enden av veibanen definert av de manifoldavgrens ende delene og de anolytt/katolytitnneholdende kammerene. Den ytre overflaten av nevnte innleggsdel er fortrinnsvis utformet slik at ved plassering av innleggsdelen i kammerinngangs/utgangsåpningen forblir overfiatetopografien av den kammerdeifnerende delen av strømningsrammen kontinuerlig i nærheten av kammerinngangs/utgangsåpningene. Dette er fordelaktig siden, som nevnt ovenfor, det muliggjør en tilstrekkelig tett forsegling/tetning og blir dannet mellom etter hverandre følgende sub-sammenstillinger under stabling og sikrer at membranlaget gripes tett mellom etter hverandre følgende strøm-ningsrammer slik at det hovedsakelig isolerer de anolyttinneholdende og katolyttinneholdende kammerene fra hverandre. Den motstående indre overflaten av innleggsdelen som kontakter gulvet av kanunerinngangs/utgangsåpningen har en eller flere fordypninger kuttet inn i overflaten, størrelsen og formen av fordypningene blir bestemt av de ønskede strømningsegenskapene for innleggsdelen. Fortrinnsvis er fordypningene utformet slik at de innretter strømmen av anolytt/katolytt jevnt over overflaten av elektrodene. Strømningsegenskapene som ønskes i en bestemt kammerinngangs/utgangsåpning i en strømningsramme vil avhenge av et antall faktorer innbefattende totalstørrelse av stakken, posisjonen av strømningsrammen i stakken og strømningsegenskapene av de angjeldende elektrolyttene. Innleggsdelen kan skreddersys i samsvar med dette. Fortrinnsvis er innleggsdelene uttagbart innført på plass slik at strømningsegenskapene til celleinngangs/utgangsåpningene for en bestemt strømningsramme kan endres simpelt hen ved innføring av en annerledes utformet innleggsdel fremfor redesigning av hele strømningsrammen. En ytterligere fordel med denne utformingen er innleggsdelene er relativt enkle å fremstille og de unngår behovet for å maskinere strømningskanalen gjennom tykkelsen av strømningsrammen.

I tillegg til frembringelsen av frigjørbare innleggsdeler i kammerinngangs/utgangsåpningene, kan fordelingen av elektrolytter over overflaten av elektrodene forbedres ytterligere ved innelukking av egnede skulpturerte strømningsfordelingsinn- retninger som strekker seg over hovedsakelig hele bredden av begge ender av strøm-ningsrammen og er anbragt ved et punkt nær kammerinngangs/utgangsåpningene. Under dannelsen og oppstablingen/oppstakkingen av elektrode/membran/ramme sub-sammenstillinger definerer strømningsdistribusjonsinnertningene sammen med membranen kanaler for strømning av elektrolytter langs bredden av hver ende av rammen og aperturer åpner inn i cellekammerene på hver side av elektroden for strømning av elektrolytter på eller vekk fra elektrodeoverflatene. Motstanden mot fluidstrømning over bredden av endene av strømningsrammen bestemmes ved tverrsnittarealet av kanalene mens motstanden mot fluidstrømningen på overflaten av elektroden bestemmes ved størrelsen av aperturåpningen inn i cellekammerene. Sammen vil tverrsnittarealet av kanalene og størrelsen av aperturen virke til å spre strømningen av elektrolytter jevnt over overflaten av elektroden. Således, i en foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen, er motstanden mot strømning over bredden av strømningsrammen lavest ved punktene som er nærmest kammerinngangs/utgangsåpningene ved frembringelse av en kanal med et større tverrsnittsareal og høyest ved de punktene som er lengst vekk fra kammerinngangs/utgangsåpningene ved frembringelse av en kanal med et lite tverrsnittsareal. Størrelsen av åpningen inn i cellekammerene forblir konstant over bredden av strørnningsrammen. Således, ved et punkt nær kammerinngangs/utgangsåpningene strømmer elektrolyttene lett langs bredden av rammen enten ved å spres ut over bredden av rammen eller ved å bli trukket inn fra tvers over bredden av rammen. I motsetning til dette, ved et punkt lenger vekk fra inngangs/utgangsåpningene strømmer elektrolyttene mindre lett langs bredden av strøm-ningsrammen og er derfor rettet mot eller trukket vekk fra elektrodeoverflatene. Således tilføres elektrolyttene til eller fjernes fra elektrodeoverflatene i en mer jevn strømning over hele bredden av elektroden. I den foreliggende oppfinnelse, opptrer variasjoner i fluidstrømningsmotstand samtidig og på en motsatt måte ved hver ende av rammen.

Fortrinnsvis er hele omkretsen/ytterkanten av strømningsrammen utstyrt med innretninger som danner en forsegling mellom nærliggende rammer når de er stablet for å danne en sub-sammenstilling. Ytterligere fortrinnsvis omfatter nevnte tetningsinnret-ning en ibygget forseglingsinnretning som beskrevet i vår patentsøknad nr. W097/24778. Den integrerte forseglingsinnretningen omfatter en kontinuerlig fordypning på den ene flate av rammen som definerer en hunnåpning som har bredde på w og en dybde på h og har en kontinuerlig krage på den andre flaten av rammen som har en bredde >w og en høyde < h. Tetnmgsinnretningene er utformet til å holde rammene sammen når de er lagt i en stabel og til å forhindre at elektrolytter unnslipper fra cellene. Fortrinnsvis, strekkende innover fra den kammerdeifnerende delen av rammen, er det frembragt innretninger for støtting av en elektrode inne i rommet avgrenset av nevnte kammerdefinerende del.

Strømningsrammen i den foreliggende oppfinnelsen kan være laget av et hvilket som helst elektrisk isolerende materiale. Fortrinnsvis, kan den imidlertid være laget av en eller flere polymerer fra ut fra polyetylen, polypropylen og kopolymerblandinger av etylen og propylen, acetal, nylon, polystyren, polyetylentereftalat, polyvinylidenfluorid, polyvinylklorid, polytetrafluoretylen, fluorinert etylenpropylenkopolymer, polyfluoramid, klorinert polyoksymetylen og mange andre. Den ønskede konfigurasjonen av sfrømningsrammen kan være utformet av disse polymere materiale ved maskinering, injeksjonsstøping, presstøpning eller ekstrudering.

Den foreliggende oppfinnelse innbefatter også i sitt omfangsområde en elektrokjemisk anordning omfattende en strømningsramme som tidligere beskrevet.

Den foreliggende oppfinnelse innbefatter også i sitt omfangsområde en elektrokjemisk anordning omfattende flere strømningsrammer, og enten flere bipolare elektroder og et flertall av ioneselektive membraner og et flertall av kombinerte membranelektrodemate-rialer og, eventuelt, et flertall av nett/trådduker og/eller elektrokatolyttiske materialer "sandwiched" sammen slik at de danner en oppstilling av elektrokjemiske celler.

Den foreliggende oppfinnelse skal nå beskreves ved hjelp av eksempel med henvisning til tegningene, der: Figur 1 er en skjematisk presentasjon av en strømningsramme ifølge den foreliggende oppfinnelse. Figur 2 er en forstørret representasjon av en del X av figur 1 som viser, i detalj, en manifolddefinerende del av en strømningsramme ifølge den foreliggende oppfinnelse, innbefattende de eventuelt frigjørbare spiralbanedefinerende delene men ikke de eventuelt frigjørbare innleggsdelene.

Figurene 3A, 3B og 3C viser tverrsnitt langs hhv. linjene A-A, B-B og C-C.

Figur 4 er en representasjon av en frigjørbar innleggsdel ifølge den foreliggende oppfinnelse. Figur 5 er et splittriss av en stabel/stakk av unders ammenstillinger, hver undersammen-stilling er dannet av en strørnningsramrne ifølge den foreliggende oppfinnelsen, en bipolar elektrode, eventuelt et nett/trådduk eller katolyttisk lag og en membran. En slik stakk kan utgjøre en del av en oppstilling av elektrokjemiske celler.

Det henvises til figur 1, strørnningsrammen omfatter en hovedsakelig rektangulær

kammerdefinerende del 1 med fire hovedsakelig sirkulære manifolddefinerende deler 2, 3,4 og 5 anbragt to ved hver ende av den rektangulære kammerdefinerende delen. Den kammerdefinerende delen tjener til å støtte en bipolar elektrode og en membran i rommet dannet deri. Rarnmen/elektroderj/membransub-sammenstillingen således dannet kan "sandwiched" sammen med et flertall av andre slike sub-sammenstillinger for å danne et flertall av elektrokjemiske celler i serie (se figur 5). Hver celle omfatter således den

positive og negative overflaten av to bipolare elektroder med en membran anbragt derimellom for å definere adskilte anolyttinneholdende og katolyttinneholdende kammere i hver celle. En fagmann vil forstå at posisjonen av de manifolddefinerende delene i forhold til den kammerdefinerende delen og de valgte rektangulære og sirkulære formene av hhv. rammen og de manifolddefinerende delene ikke er kritiske for den foreliggende oppfinnelse. I den viste utførelsesformen, avgrenser de manifolddefinerende delene 2 og 4, under stakking av rammene, manifoldene 6 og 7 som kan tilføre/fjerne katolytten til/fra de katolyttinneholdende kammerene. De andre manifolddefinerende delene 3 og 5 avgrenser, under oppstabling av rammene, manifoldene 8 og 9 som kan tilføre/fjerne anolytt til/fra de anolyttinneholdende kammerene.

Det henvises til figur 2 og figur 3 A, de manifolddefinerende delene 2 og 3 (kun 3 er vist i figur 2, men de samme strukturelle trekkene er også tilstede i 2,4 og S) inneholder eventuelt frigjørbare ringformede elementer 10 og 11 (kun 11 er vist i figur 2) som er utformet for å frembringe en tett tilpasning i de manifolddefinerende delene 2 og 3. Selv om den viste utførelsesformen av den foreliggende oppfinnelsen frembringer en tilpasning for å fastholde de ringformede elementene 10 og 11 i de manifolddefinerende delene 2 og 3, kan man tenke seg andre innretninger for anbringelse og festing av de ringformede elementene i posisjon og dette er innbefattet i omfanget av oppfinnelsen. De frigjørbare ringformede elementene 10 og 11 omfatter to parallelle flater 12 og 13, den ene er en hovedsakelig flat overflate og den andre omfatter en spiralfordypning 14 ut-kuttet deri. Ved stabling av rammene, forsegles fordypningen 14 ved at den kommer sammen med den flate overflaten 13 til en ramme med flat overflate 12 av den nærliggende rammen slik at det defineres en utvidet spiralbane for passasje av anolytt/katolytt mellom manifolden 8 og kammerinngang/utgangsåpningen 15. Overflaten 16 tegner opp den omkretesmessige flaten av de eventuelt frigjørbare elementene som frembringer en tett tilpasning med den indre flaten av de manifolddefinerende delene. De eventuelt frigjørbare elementene kan fjernes eller erstattet av et element med en annen fordyp-ningslengde eller annet fordypnings tverrsnitt areal etter ønske. Det påpekes den relative orienteringen av de eventuelt frigjørbare elementene 10 og 11 i figur 3 A av den viste utførelsesformen. Det skal bemerkes at fordypningene er tilstede på motstående flater av den resulterende strømningsrammen. Således, er de to kammerinn-gang/utgangsåpningene som danner en del av de to manifolddefinerende delene ved den ene enden av rammetilførselsanolytt/katolytt til motstående flater av en elektrode når nevnte elektrode er montert inne i det rektangulære rommet definert av den kammerdefinerende delen.

Det henvises til figur 2 og figur 3B, nær omkretsen av strømningsrammen og strekkende hele veien rundt omkretsen er innretninger 17 og 18 for dannelse av en tetning mellom på hverandre følgende rammer når de er stablet for å danne en oppstilling av elektrokjemiske celler. Innretningene omfatter en kontinuerlig fordypning 17 som avgrenser en hunnåpning som har en bredde w og en dybde h og en kontinuerlig oppkraging 18 som har en bredde > w og en høyde < h.

Det henvises til figur 2 og figur 3C, ved hver ende av den rektangulære kammerdefinerende delen, ved et punkt nær kammerinngang/utgangsåpningene, er det frembragt skulpturerte deler 19 og 19' som strekker seg over hovedsakelig hele bredden av den kammerdefinerende delen med avgrensede kanaler 20,20', 21 og 21' på hver side av de skulpturerte delene 19 og 19'. Tverrsnittarealene Y, Y', Z og Z' av hhv. kanalene 20, 20', 21 og 21' varierer langs lengden av de skulpturerte delene, og gjør så på omvendt måte ved hver ende av den kammeravgrensende delen. Det vil si, Y er stor når Y' er liten og omvendt, mens Z er stor når Z' er liten og omvendt. Tverrsnittarealene er store på punkter nær kammerinngangs/utgangsåpningene og små ved punkter lengre vekk fra kammerinngangs/utgangsåpningene.

Det henvises til figur 2 og figurene 3B og 3C, innoverstrekkende fra de skulpturerte delene 19 og 19' ved hver ende av rammen og fra den indre flaten 22 av hver side av rammen, er det frembragt en kontinuerlig leppe 23 som en elektrode (ikke vist) kan fes-tes til ved dannelse av en sub-sammenstilling.

Det henvises til figur 2 og figurene 3B og 3C, rundtstrekkende ved omkretsen av en flate av den rektangulære kammeravgrensende delen av rammen, innenfor innretningene 17 og 18 for dannelse av en tetning mellom etterhverandre påfølgende rammer, er det frembragt en liten, hovedsakelig kontinuerlig hevet del 24 for dannelse av en mekanisk sammenklemming, ved stabling av rammene, mellom den hevede delen 24 på en ramme og den flate overflaten 25 på den kammeravgr ensende delen av den nærliggende rammen i stabelen. Denne mekaniske klemmen/sammenklemningen er utformet for å feste membranen i posisjon når den er innbefattet som en del av sub-sammenstillingen og for å minimalisere kryssoverføring og/eller blanding av elektrolytter. Kontinuiteten av denne hevede delen opprettholdes i området av kammerinngangs/utgangsåpningene ved en identisk hevet del på overflaten 33 av innleggsdelene som beskrevet nedenfor.

Strekkende fira den ytre kanten av strømningsrammen er det frembragt en leppe 26 som hjelper til ved håndteringen av strørnningsrammen ved sammenstilling og frakobling av stablene av subsammenstillinger.

Det henvises til figur 4, innleggsdelen for kammerinngangs/utgangsåpningene omfatter et element 30 som er utformet for å frembringe en tett tilpasning mellom kammerinngangs/utgangsåpningene. Overflaten 31 av innleggsdelene som kontakter gulvet av kammerinngangs/utgangsåpningene er utstyrt med flere fordypninger 32, i dette tilfellet fire, for passasje av elektrolytten. Den motstående flaten 33 av innleggsdelen er utformet slik at ved plassering av innleggsdelen inne i kammerinngangs/utgangsåpningene av overflatetopografien av den rektangulære delen av rammen, innbefattende den hevede delen 24 forblir kontinuerlig i nærheten av kammerinngangs/utgangsåpningene. Innleggsdelen i den viste utførelsesformen innehar også tre utformede fremspring 34,35 og 36 som strekker seg fra elementet 30 av innleggsdelen inn i områdene som inneholder de skulpturerte delen 19 og 19'. Disse frembringselementene er utformet slik at de for-deler elektrolyttstrømningen jevnt over flatene av elektroden. Utformingen av de fri-gjørbare innleggsdelene kan endres slik at det frembringes forskjellige strømningskarak-teristikker for strømningsrammen som således kan skreddersys i samsvar med de ønskede karakteristikkene.

Det henvises til figur 5, der det er vist et splittriss av en liten stakk omfattende fire sub-sammenstillinger. De første to sub-sammenstillingene og strømningsrammen for den tredje sub-sammenstillingen er vist sammenklemt. Av de første to sub-sammenstillingene, er kun strømningsrammene (40 og 41) synlige. Den tredje og fjerde sub-sammenstillingen er oppsplittet for å vise de utgjørende lagene av denne. Strøm- ningsrammen 42 for den tredje sub-sammenstillingen støtter en bipolar elektrode 43 inne i rommet avgrenset av nevnte strømningsramme 42. Den bipolare elektoden kan eventuelt være belagt på en side med et lag 44 som kan være dannet av et porøst og/eller elektrokatalytisk materiale. Selv om det ikke er vist, vil en fagmann forstå at et slikt lag av porøst og/eller elektrokatalytisk materiale eventuelt kan anvendes på den andre flaten av den bipolare elektroden. Videre, kan det brukes to slike lag for å dekke flatene på begge sider av den bipolare elektroden. Det neste laget i sub-sammenstillingen er membranen 45. Dette laget har litt større areal enn den bipolare elektroden 43 og eventuelt lag 44. Komponentene 42 til 45 utgjør den tredje sub-sammenstillingen. På lignende måte er den fjerde sub-sammenstillingen laget av en strømningsramme 46, en bipolar elektrode 47, eventuelt et lag 48 og en membran 49. Stakken kan omfatte mange flere enn de fire sub-sammenstillingene vist i figur 5 og i en elektrokjemisk celle omfattende en slik stakk, vil det bli frembragt egnede endeplater (ikke vist) på hver side av stakken/stabelen.

Claims (12)

1. Matrise med elektrokjemiske celler innbefattende en stabel med subsammenstillinger, hver subsammenstilling innbefatter en strømningsramme, en bipolar elektrode og en ioneselektiv membran montert på strømningsrammen, hvor subsammensetningene er stablet for å skape matrisen med elektrokjemiske celler, hver celle innbefatter dermed to elektrodeoverflater med en ioneselektiv membran posisjonert mellom dem som definerer et kammer inneholdende anolytt og et kammer inneholdende katolytt innenfor hver celle, hvor strømningsrammen er formet fra et elektrisk isolerende materiale og innbefatter (i) en kammerdefinerende del (1) for å understøtte en elektrode og en membran innenfor et avgrenset rom, (ii) i det minste fire manifolddefinerende deler som, ved stabling av subsammensetningene, definerer fire manifolder (2, 3, 4, 5) gjennom hvilke anolytten og katolytten blir forsynt og fjernet fra de analyttinneholdende og katolyttinneholdene kamrene, (iii) i det minste to kammerinnføringsåpninger (6, 7, 8, 9) som tillater anolytten og katolytten å strømme fra manifoldene inn i de anolyttinneholdende og katolyttinneholdende kamrene, og (iv) i det minste to kammerutgangsåpninger (6, 7, 8, 9) som tillater anolytten og katolytten å strømme fra de anolyttinneholdende og katolyttinneholdende kamrene inn i manifoldene,karakterisert vedat en eller flere av de manifolddefinerende delene (1,2, 3,4, 5) også definerer en bane for fremføring av anolytt/katolytten mellom manifolden og kammerinngangs-/utgangsåpningen.

2. Matrise i henhold til krav 1,karakterisert vedat banen innbefatter en fuge (16) skåret inn i en overflate av en manifolddefinerende del i strømningsrammen slik at ved stempling av strømningsrammene vil fugen bli forseglet av den flate overflaten (12) til den manifolddefinerende delen til den tilstøtende rammen (15) som danner en forseglet bane (14).

3. Matrise i henhold til krav 1 eller krav 2,karakterisertv e d at banen definerer en labyrintbane mellom manifolden og kammerets inngangs-Aitgangsåpning.

4. Matrise i henhold til ett av de foregående krav,karakterisertv e d at banen er vesentlig spiralformet.

5. Matrise i henhold til ett av de foregående krav,karakterisertv e d at banen er definert av en del (10, 11) som er løsbar ført inn innenfor de manifolddefinerende delene.

6. Matrise i henhold til ett av de foregående krav,karakterisertved at en eller flere av kammerinngangs-Aitgangsåpningene innbefatter valgfrie løsbare innføringer formet for å styre strømmen av anolytt/katolytten jevnt over overflatene av elektrodene og å bibeholde overflatetopografien til den kammerdefinerende delen av strømningsrammen.

7. Matrise i henhold til ett av de foregående krav, viderekarakterisert vedå innbefatte en strømningsdistribusjonsinnretning (19,19') plas-sert tilstøtende til kammerets inngangs-/utgangsåpninger som forårsaker elektrolytt å bli spredd jevnt over overflaten til elektrodene.

8. Matrise i henhold til ett av de foregående krav, viderekarakterisert vedå innbefatte forseglingsinnretning (17, 18) som strekker seg rundt omkretsen av strømningsrammen.

9. Matrise i henhold til ett av de foregående krav, viderekarakterisert vedå innbefatte innretning (23) for å understøtte en elektrode innenfor rommet definert av den kammerdefinerende delen.

10. Matrise i henhold til ett av de foregående krav,karakterisertved videre å innbefatte innretning (24) for å forme en mekanisk klemme mellom de kammerdefinerende delene til tilstøtende strømningsrammer.

11. Matrise i henhold til ett av de foregående krav,karakterisertv e d at strømningsrarnmen er formet fra et polymermaterial.

12. Matrise i henhold til ett av de foregående krav,karakterisertv e d at den er laget av en eller flere av polymerene valgt ut fra polyetylen, polypropylen og kopolymerblandinger av etylen og propylen, acetal, nylon, polystyren, Polyetylentereftalat, polyvinyllidenfluorid, polyvinylklorid, polytetraetrafluoretylen, fluorinert etylenpropylen, kopolymer, polyfluoramid eller klorinert polyoksymetylen.