[发明专利]电化学电池堆

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有用于维持所述电池堆中组件上的恒定机械负载的装置的电化学电池堆。

背景技术

使用聚合物薄膜作为电解质的电化学电池，例如质子交换薄膜(PEM)，在PEM燃料电池以及质子构成离子电荷载体的PEM水电解剂电池的领域中日益引起注意。

每个电池包括薄膜和每侧上的两个催化剂层的装配，也就是薄膜电极装配(MEA)，其中催化剂层构成电极并且与薄膜亲密接触。MEA此外由每侧上的电极背衬，典型地具有良好电导性和高度电化学/化学稳定性的多孔板、网孔或多孔薄片支撑。电极背衬(electrode backing)具有匹配电极层和操作体制的一定完整性。PEM电池中的水电解过程在图1中显示。

PEM电池和类似电池在大多数实际应用中以所谓双极设计布置，也就是电池在电池堆中串联，其中电流从一个电池流到另一个电池。每个电池装入所谓双极板或端面板内，其将各个PEM电池彼此隔离并且电流从一个电池流到另一个电池。在双极板与电极背衬之间，必须存在供流体流入和流出电池的一些空白空间，同时在双极板(或端面板)与电极背衬之间必须存在电接触(如图2a和2b中显示的)。

串联相当多数量的电池的大堆单元在所有层之间提供许多接口，其中每个接口拥有对于电流通过的接口接触电阻。不同材料拥有不同的接口接触电阻。因此，确保电池装备内所有不同接口之间的高电接触，以使得电接触电阻达到最小非常重要。

电接触电阻表示由下面给出的直接能量损耗：

                       P＝I²·R

其中P是以瓦特为单位的能量损耗，I是以安培为单位的电流并且R是以欧姆为单位的接触电阻。能量损耗转换成热量，并且在电池中使用金属组件的情况下，局部加热进一步加速金属接口的腐蚀和钝化，这进一步增加欧姆电阻和能量损耗。

接触电阻是将电池压紧在一起的机械负载，也就是压紧力或夹紧力的函数。根据经典理论，作为压紧力(F)的函数的接触电阻由下面给出：

                   R＝k·F^-x

其中k是常数，F是压紧力，并且x是依赖于接触点处的形变类型的常数并且对于大多数接触接近0.5。从该等式中清楚地，R基本上减小直到一定负载F，在此R对于更高的F仅无穷小地减小。

在PEM电池，也就是电解剂或燃料电池的操作期间，产生热量。在给定温度下，薄膜的水含量与周围环境均衡。增加的水含量引起薄膜的膨胀，然而降低的水含量引起薄膜的收缩。其他电池部件的尺寸也将随着温度变化。在操作期间，每个电池因此根据由操作期间产生的热量引起的温度而膨胀和收缩。在电池的重复膨胀和收缩下，支撑电极的电池部件，例如燃料电池中的气体扩散层，电流/水/气体分布层和电极支撑将主要经历弹性形变。但是，在膨胀和收缩的过程中，电池堆的一些构成部分将在一定程度上塑性形变。

为了确保电池的气密性，当在压力下操作电池/电池堆时，将电池体插入加压外壳(压力容器)中经常是有利的，其中电化学电池与外壳的内部开放连通，或者至少部分地开放连通。再次，电池体的端面板上的压紧力是必要的。

阳极侧或阴极侧必须与电池堆周围的容器环境开放连通，并且阳极和阴极侧之间的压力差然后必须外部控制。依赖于具体的电池设计，MEA可以承受几巴的压力差。

对于电化学电池堆，电池堆上的夹紧压力对于维持层叠组件之间的电接触是重要的。因为操作期间电池堆的膨胀和收缩，由此夹紧力的松弛，维持电池堆上几乎恒定的机械负载的装置是必要的。

用于维持恒定负载的装置在PEM技术领域中众所周知，并且对于获得电化学电池的长操作寿命绝对必要。不同的概念已经在不同的设计中使用以提供一些有利的特征。低成本组件最重要，但是也可以提供具有额外功能性或优点的更有利组件。

常规装置通过几根螺栓将电池堆夹在两个端面板之间，并且使用弹簧带来负载，如图3中所示。

对于电池堆插入加压外壳中的高压系统，常规弹簧系统不适用，因为弹簧通常由将导致外壳内环境的毒害的材料制成。

GB 497956描述一种非常简单的系统，其中弹簧插入在压力板与第一电池体端面板之间。尖端杆将第二电池体端面板与压力板压在一起。

EP 1231298-A1描述另一种简单且非常常见的方法。尖端杆或螺栓使用位于螺栓螺母与一个电池体端面板之间的弹簧将电池体端面板压在一起。类似的设计也在WO 0209208-A2中显示。