具有级联密封配置和用于氢气再生的电化学电池制造技术

一种电化学电池包括一对双极板和该双极板之间的膜电极组件。该电化学电池还包括限定高压区的第一密封，其中，该第一密封位于双极板之间并且被配置成容纳高压区内的第一流体。进一步的，电化学电池包括限定中压区的第二密封，其中，第二密封位于双极板之间并且被配置成容纳中压区内的第二流体。当第一密封移位时，第一密封被配置成将第一流体泄漏到中压区。

Electrochemical batteries with cascade sealing configuration and hydrogen regeneration

An electrochemical battery comprises a pair of bipolar plates and a membrane electrode assembly between the bipolar plates. The electrochemical battery also includes a first seal defining a high-pressure area, in which the first seal is located between the bipolar plates and is configured to accommodate the first fluid in the high-pressure area. Further, the electrochemical battery includes a second seal defining a medium pressure region, in which the second seal is located between the bipolar plates and is configured to accommodate a second fluid in the medium pressure region. When the first seal is shifted, the first seal is configured to leak the first fluid to the medium pressure region.

【技术实现步骤摘要】
具有级联密封配置和用于氢气再生的电化学电池本申请要求于2013年2月28日提交的美国临时申请号61/770,538的优先权，其以引用的方式并入本文。
本公开涉及一种电化学电池，更具体地涉及一种具有级联密封配置并且被配置成用于氢气再生的电化学电池。
技术介绍
电化学电池通常分类为燃料电池或电解电池，是用于从化学反应中产生电流或使用电流诱发化学反应的设备。燃料电池将燃料（例如，氢、天然气、甲醇、汽油等）和氧化剂（空气或氧气）的化学能转化为电能和废产物（热量和水）。基本燃料电池包括带负电的阳极、带正电的阴极、和称为电解质的离子传导材料。不同的燃料电池技术利用不同的电解质材料。例如，质子交换膜（PEM）燃料电池利用聚合物离子传导膜作为电解质。在氢PEM燃料电池中，在阳极处，氢原子可以电化学分解成电子和质子（氢离子）。电子通过电路流到阴极并且产生电力。同时，质子通过电解质膜扩散到阴极。在阴极处，氢质子可以与电子和氧（供应到阴极）反应生成水和热量。电解电池表示逆向操作的燃料电池。当施加外部电势时，通过将水分解为氢气和氧气，基本电解电池可以用作氢气发生器。氢气燃料电池或电解电池的基本技术可以应用于电化学氢气处理，诸如电化学氢气压缩、纯化、或膨胀。例如，电化学氢气压缩机（EHC）可以用于选择性地将氢从电池的一侧转移到另一侧。EHC可以包括夹在第一电极（即，阳极）和第二电极（即，阴极）之间的质子交换膜。含氢气体可以接触第一电极并且在第一电极和第二电极之间施加电势差。在第一电极处，氢分子可以被氧化，并且反应可以生成两个电子和两个质子。两个质子通过膜被电化学驱动到电池的第二电极，其中它们被两个重新路由的电子重新结合并且被还原以形成氢分子。发生在第一电极和第二电极处的反应可以被表示为化学方程，如下所示。第一电极氧化反应：H2→2H++2e-第二电极还原反应：2H++2e-→H2整个电化学反应：H2→H2以这种方式操作的EHC有时是指氢气泵。当聚集在第二电极处的氢气被限制到狭小的空间时，电化学电池压缩氢气或升高压力。单独的电池能够产生的最大压力或流速可以基于电池设计进行限制。为了实现更大的压缩或更高的压力，可以将多个电池串联以形成多级EHC。在多级EHC中，例如，气体流路可以被配置成以使第一电池的压缩后的输出气体可以是第二电池的输入气体。可选地，单级电池可以并联以增加EHC的吞吐量容量（即，总气体流速）。在单级和多级EHC中，电池可以堆叠并且每个电池可以包括阴极、电解质膜和阳极。每个阴极/膜/阳极组件构成“膜电极组件”、或“MEA”，其通常通过双极板支撑在两侧上。除了提供机械支撑，该双极板物理地分离堆中的单独的电池，同时将它们电性连接。该双极板还充当集电器/导体，并且提供燃料通道。通常，双极板由金属制成，例如，不锈钢、钛等，并且还由非金属导体制成，例如，石墨。电化学氢气处理已经成为一种传统上用于氢气管理的机械系统的可行的替代方案。氢气作为能量载体的成功商业化和“氢气经济”的长期可持续性主要取决于燃料电池、电解电池、和其它氢气处理/管理系统（即，EHC）的效率和成本效益。气态氢是一种方便并且常见的通常通过加压容纳储存能量的形式。有利的是，在高压下储存氢产生高能量密度。机械压缩是一种实现压缩的的传统器件。然而，机械压缩还是有缺点。例如，相当大的能量消耗、对移动部件的磨损和撕裂，过度噪音、笨重的设备、和氢脆。通过热循环加压是一种机械压缩的替代方案，但是，如同机械压缩一样，能量消耗也是相当大的。相反，电化学压缩安静、可扩展、模块化，并且可以实现高能量效率。电化学氢气压缩的一个挑战是关于加压氢气的安全问题。氢气极易燃烧并且高压氢气提出了安全问题。主要问题可以包括高压气体从电化学压缩机中泄漏或无意释放。灾难性释放会造成安全隐患。而且，不会上升到重大安全问题水平的甚至很少的泄漏仍然降低了电化学压缩机的效率。因此，需要防止或减少氢气泄漏。
技术实现思路
考虑到上述情况，本公开涉及一种具有级联密封配置并且被构造成限制氢从电池中无意释放的电化学电池。此外，级联密封配置可以使能够收集和再循环从电池中泄漏的氢。本公开的一个方面涉及一种电化学电池，包括：一对双极板和位于该对双极板之间的膜电极组件，其中，膜电极组件包括阳极、阴极、和置于其间的质子交换膜；限定高压区的第一密封，其中，第一密封位于双极板之间并且被配置成容纳高压区内的第一流体；限定中压区的第二密封，其中，第二密封位于双极板之间并且被配置成容纳中压区内的第二流体；并且其中，第一密封被配置成当第一密封移位时，将第一流体泄漏到中压区中。在另一实施例中，电化学电池还可以包括限定低压区的第三密封，该第三密封被配置成容纳低压区内的第三流体，其中，第二密封被配置成当第二密封移位时，将第二流体泄漏到低压区中。在另一实施例中，第一密封可以容纳在第二密封内并且第二密封容纳有第三密封。在另一实施例中，第一流体的压力比第二流体高并且第二流体的压力比第三流体高。在另一实施例中，第一密封、第二密封和第三密封可以具有大致矩形的横截面。在另一实施例中，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。在另一实施例中，第一密封、第二密封、和第三密封可以具有大致圆形的横截面。在另一实施例中，第一流体可以是高压氢，第二流体可以是更低压力的氢，并且第三流体可以是冷却剂流体。在另一实施例中，第三流体可以是氮并且低压区包括围绕电化学电池的氮气层，该氮气层被配置成检测从电化学电池内泄漏的第一流体和第二流体中的至少一种。在另一实施例中，可以监测第三流体的压力，并且压力的升高指示至少第二密封的移位。在另一实施例中，电化学电池可以被配置成在第三流体达到第三密封移位的压力之前，关闭。在另一实施例中，当施加到该对双极板的闭合力大于该对双极板内的打开力时，该对双极板内的第一密封、第二密封和第三密封可以被配置成保持不动，从而防止第一流体、第二流体、和第三流体泄漏。在另一实施例中，第一密封可以被配置成当施加到该对双极板的闭合力接近该对双极板内的打开力时，在第二流体或第三流体导致第一流体通过第一密封泄露到中压区中之前，移位，这导致该对双极板的第一分离。在另一实施例中，第二密封可以被配置成当闭合力进一步接近打开力，从而导致该对双极板的第二分离时，移位，从而使第二流体通过第二密封泄漏到低压区中。在另一实施例中，泄漏到中压区中的第一流体与第二流体组合并且可以被循环。在另一实施例中，泄漏到低压区中的第二流体与第三流体组合并且流出电化学电池而且可以被再生。在另一实施例中，电化学电池可以被配置成接收施加到该对双极板的闭合力，其中，闭合力可基于低压区、中压区、和高压区的压力在电化学电池的运行期间调整。在另一实施例中，电化学电池还可以包括位于第一密封外部和第二密封内部的一对辅助密封，其中，该对辅助密封限定与高压区流体连通的两个辅助高压区。在另一实施例中，双极板中的至少一个可以包括多个部件，并且利用多个部件之间的级联密封配置。本公开的另一方面涉及一种电化学电池，包括：一对双极板和位于该对双极板之间的膜电极组件；位于双极板之间的高压区，该高压区容纳第一流体；位于该对双极板之间的中压区，该中压区容纳第二流体；和低压区，该低压区容纳第三流体；其中，电化学电池本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学电池，包括：一对双极板膜电极组件，其中，膜电极组件包括阳极、阴极、和布置于其间的质子交换膜；位于双极板之间并被配置成部分地限定高压区的第一密封；和具有气体扩散层的一对流动结构，其中该流动结构被定位在双极板之间，置于膜电极组件的每侧上；其中，双极板中的至少一个包括第一部件和第二部件，该第一部件和第二部件界定容置流动结构和膜电极组件的空隙。

【技术特征摘要】
2013.02.28 US 61/770,5381.一种电化学电池，包括：一对双极板膜电极组件，其中，膜电极组件包括阳极、阴极、和布置于其间的质子交换膜；位于双极板之间并被配置成部分地限定高压区的第一密封；和具有气体扩散层的一对流动结构，其中该流动结构被定位在双极板之间，置于膜电极组件的每侧上；其中，双极板中的至少一个包括第一部件和第二部件，该第一部件和第二部件界定容置流动结构和膜电极组件的空隙。2.权利要求1所述的电化学电池，还包括位于双极板之间并被配置成部分地限定中压区的第二密封。3.权利要求2所述的电化学电池，还包括位于双极板之间并被配置成部分地限定低压区的第三密封。4.权利要求3所述的电化学电池，其中，第一密封容纳在第二密封内并且第二密封容纳在第三密封内。5.权利要求3所述的电化学电池，其中，第三密封的厚度大于第二密封并且第二密封的厚度大于第一密封。6.权利要求3所述的电化学电池，其中，高压区被配置成容纳氢，中压区被配置成容纳更低压力的氢，并且低压区被配置成容纳冷却剂流体。7.权利要求2所述的电化学电池，其中，监测低压区中的流体的压力，并且压力的升高指示至少第二密封的移位，并且其中，电化学电池被配置成在第三流体达到第三密封移位的压力之前，电化学...

【专利技术属性】
技术研发人员：爱德华·多米特，斯科特·布兰切特，罗杰·范·博艾恩，凯文·贝弗里基，
申请(专利权)人：努威拉燃料电池有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US