[发明专利]具有级联密封配置和用于氢气再生的电化学电池

说明书

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。

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。

技术领域

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。

背景技术

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。