具有級聯(lián)密封配置和用于氫氣再生的電化學(xué)電池的制作方法
【專利說明】具有級聯(lián)密封配置和用于氫氣再生的電化學(xué)電池
[0001]本申請要求于2013年2月28日提交的美國臨時申請?zhí)?1/770，538的優(yōu)先權(quán)，其以引用的方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本公開涉及一種電化學(xué)電池，更具體地涉及一種具有級聯(lián)密封配置并且被配置成用于氫氣再生的電化學(xué)電池。
【背景技術(shù)】
[0003]電化學(xué)電池通常分類為燃料電池或電解電池，是用于從化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生電流或使用電流誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備。燃料電池將燃料(例如，氫、天然氣、甲醇、汽油等)和氧化劑(空氣或氧氣)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能和廢產(chǎn)物(熱量和水)?；救剂想姵匕◣ж?fù)電的陽極、帶正電的陰極、和稱為電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)材料。
[0004]不同的燃料電池技術(shù)利用不同的電解質(zhì)材料。例如，質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池利用聚合物離子傳導(dǎo)膜作為電解質(zhì)。在氫PEM燃料電池中，在陽極處，氫原子可以電化學(xué)分解成電子和質(zhì)子(氫離子)。電子通過電路流到陰極并且產(chǎn)生電力。同時，質(zhì)子通過電解質(zhì)膜擴(kuò)散到陰極。在陰極處，氫質(zhì)子可以與電子和氧(供應(yīng)到陰極)反應(yīng)生成水和熱量。
[0005]電解電池表示逆向操作的燃料電池。當(dāng)施加外部電勢時，通過將水分解為氫氣和氧氣，基本電解電池可以用作氫氣發(fā)生器。氫氣燃料電池或電解電池的基本技術(shù)可以應(yīng)用于電化學(xué)氫氣處理，諸如電化學(xué)氫氣壓縮、純化、或膨脹。
[0006]例如，電化學(xué)氫氣壓縮機(jī)(EHC)可以用于選擇性地將氫從電池的一側(cè)轉(zhuǎn)移到另一偵U。EHC可以包括夾在第一電極(S卩，陽極)和第二電極(S卩，陰極)之間的質(zhì)子交換膜。含氫氣體可以接觸第一電極并且在第一電極和第二電極之間施加電勢差。在第一電極處，氫分子可以被氧化，并且反應(yīng)可以生成兩個電子和兩個質(zhì)子。兩個質(zhì)子通過膜被電化學(xué)驅(qū)動到電池的第二電極，其中它們被兩個重新路由的電子重新結(jié)合并且被還原以形成氫分子。發(fā)生在第一電極和第二電極處的反應(yīng)可以被表示為化學(xué)方程，如下所示。
[0007]第一電極氧化反應(yīng):H2 — 2H++2e_
第二電極還原反應(yīng):2H++2e—>- H2
整個電化學(xué)反應(yīng):H2 — H2
以這種方式操作的EHC有時是指氫氣栗。當(dāng)聚集在第二電極處的氫氣被限制到狹小的空間時，電化學(xué)電池壓縮氫氣或升高壓力。單獨的電池能夠產(chǎn)生的最大壓力或流速可以基于電池設(shè)計進(jìn)行限制。
[0008]為了實現(xiàn)更大的壓縮或更高的壓力，可以將多個電池串聯(lián)以形成多級EHC。在多級EHC中，例如，氣體流路可以被配置成以使第一電池的壓縮后的輸出氣體可以是第二電池的輸入氣體?？蛇x地，單級電池可以并聯(lián)以增加EHC的吞吐量容量(S卩，總氣體流速)。在單級和多級EHC中，電池可以堆疊并且每個電池可以包括陰極、電解質(zhì)膜和陽極。每個陰極/膜/陽極組件構(gòu)成“膜電極組件”、或“MEA”，其通常通過雙極板支撐在兩側(cè)上。除了提供機(jī)械支撐，該雙極板物理地分離堆中的單獨的電池，同時將它們電性連接。該雙極板還充當(dāng)集電器/導(dǎo)體，并且提供燃料通道。通常，雙極板由金屬制成，例如，不銹鋼、鈦等，并且還由非金屬導(dǎo)體制成，例如，石墨。
[0009]電化學(xué)氫氣處理已經(jīng)成為一種傳統(tǒng)上用于氫氣管理的機(jī)械系統(tǒng)的可行的替代方案。氫氣作為能量載體的成功商業(yè)化和“氫氣經(jīng)濟(jì)”的長期可持續(xù)性主要取決于燃料電池、電解電池、和其它氫氣處理/管理系統(tǒng)(即，EHC)的效率和成本效益。氣態(tài)氫是一種方便并且常見的通常通過加壓容納儲存能量的形式。有利的是，在高壓下儲存氫產(chǎn)生高能量密度。
[0010]機(jī)械壓縮是一種實現(xiàn)壓縮的的傳統(tǒng)器件。然而，機(jī)械壓縮還是有缺點。例如，相當(dāng)大的能量消耗、對移動部件的磨損和撕裂，過度噪音、笨重的設(shè)備、和氫脆。通過熱循環(huán)加壓是一種機(jī)械壓縮的替代方案，但是，如同機(jī)械壓縮一樣，能量消耗也是相當(dāng)大的。相反，電化學(xué)壓縮安靜、可擴(kuò)展、模塊化，并且可以實現(xiàn)高能量效率。
[0011]電化學(xué)氫氣壓縮的一個挑戰(zhàn)是關(guān)于加壓氫氣的安全問題。氫氣極易燃燒并且高壓氫氣提出了安全問題。主要問題可以包括高壓氣體從電化學(xué)壓縮機(jī)中泄漏或無意釋放。災(zāi)難性釋放會造成安全隱患。
[0012]而且，不會上升到重大安全問題水平的甚至很少的泄漏仍然降低了電化學(xué)壓縮機(jī)的效率。因此，需要防止或減少氫氣泄漏。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]考慮到上述情況，本公開涉及一種具有級聯(lián)密封配置并且被構(gòu)造成限制氫從電池中無意釋放的電化學(xué)電池。此外，級聯(lián)密封配置可以使能夠收集和再循環(huán)從電池中泄漏的氫。
[0014]本公開的一個方面涉及一種電化學(xué)電池，包括:一對雙極板和位于該對雙極板之間的膜電極組件，其中，膜電極組件包括陽極、陰極、和置于其間的質(zhì)子交換膜；限定高壓區(qū)的第一密封，其中，第一密封位于雙極板之間并且被配置成容納高壓區(qū)內(nèi)的第一流體；限定中壓區(qū)的第二密封，其中，第二密封位于雙極板之間并且被配置成容納中壓區(qū)內(nèi)的第二流體；并且其中，第一密封被配置成當(dāng)?shù)谝幻芊庖莆粫r，將第一流體泄漏到中壓區(qū)中。
[0015]在另一實施例中，電化學(xué)電池還可以包括限定低壓區(qū)的第三密封，該第三密封被配置成容納低壓區(qū)內(nèi)的第三流體，其中，第二密封被配置成當(dāng)?shù)诙芊庖莆粫r，將第二流體泄漏到低壓區(qū)中。在另一實施例中，第一密封可以容納在第二密封內(nèi)并且第二密封容納有第三密封。在另一實施例中，第一流體的壓力比第二流體高并且第二流體的壓力比第三流體高。在另一實施例中，第一密封、第二密封和第三密封可以具有大致矩形的橫截面。
[0016]在另一實施例中，第三密封的厚度可以大于第二密封并且第二密封的厚度大于第一密封。在另一實施例中，第一密封、第二密封、和第三密封可以具有大致圓形的橫截面。在另一實施例中，第一流體可以是高壓氫，第二流體可以是更低壓力的氫，并且第三流體可以是冷卻劑流體。在另一實施例中，第三流體可以是氮并且低壓區(qū)包括圍繞電化學(xué)電池的氮氣層，該氮氣層被配置成檢測從電化學(xué)電池內(nèi)泄漏的第一流體和第二流體中的至少一種。在另一實施例中，可以監(jiān)測第三流體的壓力，并且壓力的升高指示至少第二密封的移位。
[0017]在另一實施例中，電化學(xué)電池可以被配置成在第三流體達(dá)到第三密封移位的壓力之前，關(guān)閉。在另一實施例中，當(dāng)施加到該對雙極板的閉合力大于該對雙極板內(nèi)的打開力時，該對雙極板內(nèi)的第一密封、第二密封和第三密封可以被配置成保持不動，從而防止第一流體、第二流體、和第三流體泄漏。在另一實施例中，第一密封可以被配置成當(dāng)施加到該對雙極板的閉合力接近該對雙極板內(nèi)的打開力時，在第二流體或第三流體導(dǎo)致第一流體通過第一密封泄露到中壓區(qū)中之前，移位，這導(dǎo)致該對雙極板的第一分離。在另一實施例中，第二密封可以被配置成當(dāng)閉合力進(jìn)一步接近打開力，從而導(dǎo)致該對雙極板的第二分離時，移位，從而使第二流體通過第二密封泄漏到低壓區(qū)中。
[0018]在另一實施例中，泄漏到中壓區(qū)中的第一流體與第二流體組合并且可以被循環(huán)。在另一實施例中，泄漏到低壓區(qū)中的第二流體與第三流體組合并且流出電化學(xué)電池而且可以被再生。在另一實施例中，電化學(xué)電池可以被配置成接收施加到該對雙極板的閉合力，其中，閉合力可基于低壓區(qū)、中壓區(qū)、和高壓區(qū)的壓力在電化學(xué)電池的運行期間調(diào)整。在另一實施例中，電化學(xué)電池還可以包括位于第一密封外部和第二密封內(nèi)部的一對輔助密封，其中，該對輔助密封限定與高壓區(qū)流體連通的兩個輔助高壓區(qū)。在另一實施例中，雙極板中的至少一個可以包括多個部件，并且利用多個部件之間的級聯(lián)密封配置。
[0019]本公開的另一方面涉及一種電化學(xué)電池，包括:一對雙極板和位于該對雙極板之間的膜電極組件；位于雙極板之間的高壓區(qū)，該高壓區(qū)容納第一流體；位于該對雙極板之間的中壓區(qū)，該中壓區(qū)容納第二流體；和低壓區(qū)，該低壓區(qū)容納第三流體；其中，電化學(xué)電池被配置成基于施加到雙極板的閉合力和由第一流體、第二流體、和第三流體中的至少一個的壓力所產(chǎn)生的打開力中的至少一個在第一配置、第二配置、和第三配置之間轉(zhuǎn)換。
[0020]在另一實施例中，第一配置可以在高壓區(qū)、中壓區(qū)、和低壓區(qū)之間提供大體上無泄漏；第二配置可以提供第一流體從高壓區(qū)到中壓區(qū)的一部分的泄漏；并且第三配置可以提供第一流體從高壓區(qū)到中壓區(qū)一部分的泄漏和第二流體從中壓區(qū)到低壓區(qū)的一部分的泄漏。在另一實施例中，電化學(xué)電池還可以包括與電化學(xué)電池的低壓區(qū)流體連通的氫氣再生裝置，其中，氫氣再生裝置被配置成再生泄漏到低壓區(qū)中的第二流體的一部分并且將所再生的第二流體再引入到電化學(xué)電池的中壓區(qū)中。
[0021]在另一實施例中，可以監(jiān)測低壓區(qū)中的第三流體的壓力，并且第三流體的壓力的升高使氫氣再生裝置工作。在另一實施例中，高壓區(qū)可以容納在中壓區(qū)內(nèi)并且中壓區(qū)可以容納在低壓區(qū)內(nèi)。在另一實施例中，電化學(xué)電池還可以包括被配置成容納高壓區(qū)內(nèi)的第一流體的第一密封、被配置成容納中壓區(qū)內(nèi)的第二流體的第二密封、和被配置成容納低壓區(qū)內(nèi)的第三流體的第三密封。在另一實施例中，第二配置可以包括雙極板之間的第一間隔，并且第三配置包括大于雙極板之間的第一間隔的第二間隔。
[0022]本公開的另一方面涉及一種調(diào)諧具有級聯(lián)密封配置的電化學(xué)電池的閉合力的方法，該方法包括:提供電化學(xué)電池，該電化學(xué)電池在級聯(lián)密封配置中具有多個密封；基于所期望的操作壓力將初始閉合力施加到電化學(xué)電池；操作電化學(xué)電池；監(jiān)測電化學(xué)電池的壓力；和基于所監(jiān)測的壓力調(diào)整施加到電化學(xué)電池的閉合力，其中，調(diào)整閉合力改變多個密封中的至少一個移位的壓力。
[0023]本公開的另一個方面涉及一種用于電化學(xué)電池的雙極板，包括至少兩個部件；限定高壓區(qū)的第一密封，其中，該第一密封位于部件之間并且被配置成容納高壓區(qū)內(nèi)的第一流體；限定中壓區(qū)的第二密封，該第二密封包括中壓體(intermediate pressure volume)和中壓口，其中，第二密封位于部件之間并且被配置成容納中壓區(qū)內(nèi)的第二流體，其中，第一密封被配置成當(dāng)?shù)谝幻芊馐Р⑶业谝涣黧w可以收集在中壓體中并且從中壓口中排出時，將第一流體泄漏到中壓區(qū)中。
[0024]本公開的另一方面涉及一種電化學(xué)電池，包括一對雙極板和位于該對雙極板之間的膜電極組件和該對雙極板之間的第一級聯(lián)密封配置，其中，每個雙極板包括至少兩個部件和該至少兩個部件之間的第二級聯(lián)密封配置。
[0025]應(yīng)當(dāng)理解，以上一般描述和以下詳細(xì)描述是示例性和說明性的，并不能對所要求保護(hù)的本公開構(gòu)成限制。
【附圖說明】
[0026]并入說明書中并且構(gòu)成本說明書的一部分的【附圖說明】了本公開的實施例，并與說明書一起用來解釋本公開的原理。
[0027]圖1是電化學(xué)電池的一部分的側(cè)視圖，示出了電化學(xué)電池的各種部件。
[0028]圖2A是根據(jù)示例性實施例的示出了電池各種密封和壓力區(qū)的電化學(xué)電池的一部分的正視圖。
[0029]圖2B是根據(jù)示例性實施例的示出了電池的各種密封和壓力區(qū)的電化學(xué)電池的一部分的正視圖。
[0030]圖3A是根據(jù)示例性實施例的電化學(xué)電池的一部分的剖視圖。
[0031]圖3B是根據(jù)示例性實施例的示出了各種力的電化學(xué)電池的一部分的剖視圖。
[0032]圖4A是根據(jù)示例性實施例的示出了第一配置的電化學(xué)電池的一部分的剖視圖。
[0033]圖4B是根據(jù)示例性實施例的示出了第二配置的電化學(xué)電池的一部分的剖視圖。
[0034]圖4C是根據(jù)示例性實施例的示出了第三配置的電化學(xué)電池的一部分的剖視圖。
[0035]圖5是根據(jù)示例性實施例的示出了電化學(xué)氫氣再生系統(tǒng)的示意圖。
[0036]圖6是根據(jù)示例性實施例的圖示控制電化學(xué)電池內(nèi)壓力的方法的流程圖。
[0037]圖7是根據(jù)示例性實施例的示出了電池的各種密封和壓力區(qū)的電化學(xué)電池的一部分的正視圖。
[0038]圖8是根據(jù)示例性實施例的兩件式雙極板的等軸視圖。
【具體實施方式】
[0039]現(xiàn)在將詳細(xì)參照本公開的示例性實施例，其示例在附圖中圖示。只要有可能，相同的附圖標(biāo)記在所有附圖中就用于指示相同或相似的部分。盡管是關(guān)于采用氫氣的電化學(xué)電池描述的，但是，應(yīng)當(dāng)理解，本公開的設(shè)備和方法可以與各種類型的