專利名稱：電化學(xué)電池堆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有用于維持所述電池堆中組件上的恒定機(jī)械負(fù) 栽的裝置的電化學(xué)電池堆。
背景技術(shù)：
使用聚合物薄膜作為電解質(zhì)的電化學(xué)電池，例如質(zhì)子交換薄膜(PEM)，在PEM燃料電池以及質(zhì)子構(gòu)成離子電荷載體的PEM水 電解劑電池的領(lǐng)域中日益引起注意。每個(gè)電池包括薄膜和每側(cè)上的兩個(gè)催化劑層的裝配，也就是薄膜 電極裝配(MEA)，其中催化劑層構(gòu)成電極并且與薄膜親密接觸。 MEA此外由每側(cè)上的電極背襯，典型地具有良好電導(dǎo)性和高度電化 學(xué)/化學(xué)穩(wěn)定性的多孔板、網(wǎng)孔或多孔薄片支撐。電極背襯(electrode backing)具有匹配電極層和操作體制的 一定完整性。 PEM電池中的水電解過程在圖1中顯示。PEM電池和類似電池在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中以所謂雙極設(shè)計(jì)布 置，也就是電池在電池堆中串聯(lián)，其中電流從一個(gè)電池流到另一個(gè)電 池。每個(gè)電池裝入所謂雙極板或端面板內(nèi)，其將各個(gè)PEM電池彼此 隔離并且電流從一個(gè)電池流到另一個(gè)電池。在雙極板與電極背襯之 間，必須存在供流體流入和流出電池的一些空白空間，同時(shí)在雙極板(或端面板)與電極背襯之間必須存在電接觸(如圖2a和2b中顯示 的)。串聯(lián)相當(dāng)多數(shù)量的電池的大堆單元在所有層之間提供許多接口 ， 其中每個(gè)接口擁有對(duì)于電流通過的接口接觸電阻。不同材料擁有不同 的接口接觸電阻。因此，確保電池裝備內(nèi)所有不同接口之間的高電接 觸，以使得電接觸電阻達(dá)到最小非常重要。電接觸電阻表示由下面給出的直接能量損耗其中P是以瓦特為單位的能量損耗，I是以安培為單位的電流并且R 是以歐姆為單位的接觸電阻。能量損耗轉(zhuǎn)換成熱量，并且在電池中使 用金屬組件的情況下，局部加熱進(jìn)一步加速金屬接口的腐蝕和鈍化， 這進(jìn)一步增加歐姆電阻和能量損耗。接觸電阻是將電池壓緊在一起的機(jī)械負(fù)栽，也就是壓緊力或夾緊 力的函數(shù)。根據(jù)經(jīng)典理論，作為壓緊力(F)的函數(shù)的接觸電阻由下 面給出其中k是常數(shù)，F(xiàn)是壓緊力，并且x是依賴于接觸點(diǎn)處的形變類型的 常數(shù)并且對(duì)于大多數(shù)接觸接近0.5。從該等式中清楚地，R基本上減 小直到一定負(fù)載F，在此R對(duì)于更高的F僅無窮小地減小。在PEM電池，也就是電解劑或燃料電池的操作期間，產(chǎn)生熱 量。在給定溫度下，薄膜的水含量與周圍環(huán)境均衡。增加的水含量引 起薄膜的膨脹，然而降低的水含量引起薄膜的收縮。其他電池部件的 尺寸也將隨著溫度變化。在操作期間，每個(gè)電池因此根據(jù)由操作期間 產(chǎn)生的熱量引起的溫度而膨脹和收縮。在電池的重復(fù)膨脹和收縮下， 支撐電極的電池部件，例如燃料電池中的氣體擴(kuò)散層，電流/水/氣體 分布層和電極支撐將主要經(jīng)歷彈性形變。但是，在膨脹和收縮的過程 中，電池堆的一些構(gòu)成部分將在一定程度上塑性形變。為了確保電池的氣密性，當(dāng)在壓力下操作電池/電池堆時(shí)，將電 池體插入加壓外殼(壓力容器)中經(jīng)常是有利的，其中電化學(xué)電池與 外殼的內(nèi)部開放連通，或者至少部分地開放連通。再次，電池體的端 面板上的壓緊力是必要的。陽極側(cè)或陰極側(cè)必須與電池堆周圍的容器環(huán)境開放連通，并且陽 極和陰極側(cè)之間的壓力差然后必須外部控制。依賴于具體的電池設(shè) 計(jì)，MEA可以承受幾巴的壓力差。對(duì)于電化學(xué)電池堆，電池堆上的夾緊壓力對(duì)于維持層疊組件之間的電接觸是重要的。因?yàn)椴僮髌陂g電池堆的膨脹和收縮，由此夾緊力 的松弛，維持電池堆上幾乎恒定的機(jī)械負(fù)載的裝置是必要的。用于維持恒定負(fù)載的裝置在PEM技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知，并且對(duì) 于獲得電化學(xué)電池的長(zhǎng)操作壽命絕對(duì)必要。不同的概念已經(jīng)在不同的 設(shè)計(jì)中使用以提供一些有利的特征。低成本組件最重要，但是也可以 提供具有額外功能性或優(yōu)點(diǎn)的更有利組件。常規(guī)裝置通過幾根螺栓將電池堆夾在兩個(gè)端面板之間，并且使用 彈簧帶來負(fù)栽，如圖3中所示。對(duì)于電池堆插入加壓外殼中的高壓系統(tǒng)，常規(guī)彈簧系統(tǒng)不適用， 因?yàn)閺椈赏ǔＳ蓪?dǎo)致外殼內(nèi)環(huán)境的毒害的材料制成。GB 497956描述一種非常簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，其中彈簧插入在壓力板與 第一電池體端面板之間。尖端桿將笫二電池體端面板與壓力板壓在一 起。EP 1231298-Al描述另一種簡(jiǎn)單且非常常見的方法。尖端桿或螺 栓使用位于螺栓螺母與一個(gè)電池體端面板之間的彈簧將電池體端面板 壓在一起。類似的設(shè)計(jì)也在WO 0209208-A2中顯示。JP 2003-160891-A描述一種更先進(jìn)的系統(tǒng)，其使用位于壓力板與 一個(gè)電池體端面板之間的液壓汽缸維持電池體上的恒定加壓，當(dāng)電池 在變化的壓力下操作時(shí)。美國專利3507704描述一種所謂再生堿性燃料電池系統(tǒng)，也就是 可以作為電解劑和燃料電池操作的電化學(xué)設(shè)備，其中電池體插入箱 中。電池體由尖端桿和位于螺栓螺母與 一個(gè)電池體端面板之間的彈簧 壓緊。尖端桿和彈簧與容器內(nèi)部和電池堆內(nèi)的化學(xué)環(huán)境的材料兼容性 非常重要。JP 2003-160891-A描述一種使用氧氣壓力通過朝向相對(duì)電端面板 加壓可移動(dòng)電端面板來壓緊電池堆的系統(tǒng)。幾個(gè)專利例如US 5547777和US 20040115511 Al描述一種位于 電池體端面板，或者位于每個(gè)電池的隔間內(nèi)，用于使得電池內(nèi)的壓力 差局部平坦的薄膜壓縮層。這些可能例如由不同導(dǎo)電電池部件的不均勻厚度或者由壓緊期間電池端面板的彎曲引起。這些薄膜壓縮層的主 要目的是確保高層間接觸面積，也就是導(dǎo)電層的面積。而且，薄膜壓 縮層位于一個(gè)或多個(gè)電池隔間內(nèi)，并且僅在給定電池內(nèi)補(bǔ)償。EP 1304757-A2描述一種壓緊在兩個(gè)板之間的電化學(xué)電池體。因 為板在電池堆的壓緊下變得彎曲，經(jīng)歷暫時(shí)塑性形變的兩個(gè)導(dǎo)電元件 插入在壓緊板的每個(gè)與兩個(gè)電池體板的每個(gè)之間。當(dāng)壓緊電池堆時(shí)， 兩個(gè)元件的塑性形變確保彎曲的壓緊板與電池體端面板之間的高接觸 表面。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的在于實(shí)現(xiàn)一種電化學(xué)電池堆，其設(shè)計(jì)成維持所述電池堆上幾乎恒定的負(fù)栽以便確保所述電池堆的長(zhǎng)期可操作性。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于實(shí)現(xiàn)一種電化學(xué)電池堆，其設(shè)計(jì)成補(bǔ)償 操作期間所述電池堆的組件的熱膨脹或收縮。本發(fā)明的再一個(gè)目的在于實(shí)現(xiàn)一種電化學(xué)電池堆，其設(shè)計(jì)成確保 電螺栓周圍的適當(dāng)密封以及電端面板與它的環(huán)境的絕緣。本發(fā)明的又一個(gè)目的在于實(shí)現(xiàn)一種電化學(xué)電池堆，其設(shè)計(jì)成避免 它的環(huán)境的毒害。環(huán)境是電池堆插入其中的外殼內(nèi)的空白空間。根據(jù)本發(fā)明，這些目的由一種具有布置在連接到電螺栓的第一端 面板與連接到另一個(gè)電螺栓的第二端面板之間的至少一個(gè)電化學(xué)電池 的電池堆實(shí)現(xiàn)，所述電池堆具有外殼，用于提供所述電池堆到所述外 殼的固定支撐的裝置以及用于維持所述電池堆上恒定機(jī)械負(fù)載的裝 置。用于維持恒定負(fù)載的所述裝置包括插入到所述電池堆與所述外殼 壁之間的空間中的至少一個(gè)彈性襯墊。優(yōu)選地，所述襯墊插入到所述端面板的一個(gè)與所述外殼的相鄰端 面板之間的空間中。電池堆也可以具有位于每個(gè)端面中的彈性襯墊。然后襯墊插入到中。彈性襯墊意思是村墊具有在形變力(熱膨脹或收縮)已經(jīng)去除之 后部分地或完全地恢復(fù)它的原始形狀的能力。優(yōu)選地，所述襯塾由硅或另一種彈性聚合材料制成。它的形狀可以是球形或者它可以是側(cè)面具有缺口 (indentation)的襯墊，也就是 像波紋管一樣。作為選擇，彈性襯墊可以是兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立襯墊的形式。襯墊位于電池堆的端面板的至少一個(gè)上。當(dāng)在操作中時(shí)，電池堆膨脹或收縮。該運(yùn)動(dòng)由襯墊的壓緊和膨脹 抵消，從而在任何時(shí)候提供電池堆上的必要壓力。因此，作用在電池堆的幾個(gè)部件上的壓力將基本上恒定，并且總 是如此高以至于確保完美的剛性。這將確保所述電池堆的長(zhǎng)期可操作 性。選擇襯墊的厚度使得它的彈性性質(zhì)等價(jià)于電池堆的彈性性質(zhì)。由 此將補(bǔ)償操作下電池堆的任何熱伸長(zhǎng)或收縮。彈性襯墊確保遍及整個(gè) 電池操作的高接觸表面。此外，彈性壓縮襯墊由粘彈性的材料制成， 并且將隨著時(shí)間經(jīng)歷塑性形變。因此，襯墊的厚度必須比期望的塑性 形變大得多，以便維持電池堆上的最小負(fù)栽。彈性襯墊的使用具有將壓縮襯墊帶入外殼內(nèi)而不損害材料兼容性 的優(yōu)點(diǎn)。此外，所述襯墊是電絕緣的并且用于隔離螺栓進(jìn)行電連接的 目的。此外，彈性襯墊的密封性質(zhì)提供引入具有高電導(dǎo)率，但是具有 對(duì)外殼的毒害作用的電流螺栓的選擇。襯墊用作彈簧和密封。因此，常規(guī)使用的彈簧、螺母和螺栓由所 述襯墊代替。在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，外殼可以是壓力容器。


現(xiàn)在將參考附隨附圖描述本發(fā)明，其中 圖l顯示薄膜電極裝配(MEA)，圖2a和2b顯示雙極板的可能概念以及電池中流場(chǎng)的集成， 圖3顯示夾在兩個(gè)端面板之間、使用常規(guī)盤狀彈簧維持恒定負(fù)栽 的電池堆，圖4顯示根據(jù)本發(fā)明位于外殼內(nèi)的電池堆。
具體實(shí)施方式
圖1說明PEM電池中的水電解過程，其中水供給到陽極側(cè)1， 并且在外加電勢(shì)場(chǎng)下，變得分裂成氧氣、質(zhì)子和電子。質(zhì)子遷移到陰 極側(cè)3，在此它與電子重新結(jié)合以形成氫氣。圖2a和2b顯示兩種典型的概念，其中a)流型集成到雙極板中 或者b)多孔層插入在雙極板與電極背襯之間。然后該多孔層必須提 供雙極板與電極背襯之間的電接觸，并且它必須提供流體出入電池隔 間的流動(dòng)。墊圏布置在薄膜與雙極板之間的電極背襯區(qū)域周圍(圖2 中沒有顯示)。流體出入電池的流動(dòng)典型地通過墊團(tuán)和雙極板內(nèi)的通 道排列。圖3顯示以雙極排列連接的10個(gè)電池的電池堆4,其中電池夾 在第一端面板1與第二端面板8之間。電池的數(shù)目可以從一至幾百。 端面板由一定數(shù)目的螺栓2，通常多于四個(gè)螺栓壓緊在一起。彈簧5 插入在位于第二端面板8與螺母7之間的螺栓上，以維持幾乎恒定的 夾緊壓力。圖4顯示包括壁5和第一端面板2和第二端面板8的外殼。電化 學(xué)電池堆壓緊在端面板2和8之間。端面板2也用作電端面板并且連 接到電端面螺栓1。電化學(xué)電池堆3布置在所述電端面板2與第二電 端面板6之間。電端面板6連接到電螺栓10，并且插入到外殼中并 與外殼電絕緣。該絕緣由位于螺栓10與端面板8之間的絕緣環(huán)9以 及電絕緣彈性襯墊7實(shí)現(xiàn)。彈性襯墊7布置在電端面板6與端面板8 之間。電化學(xué)電池堆層疊在端面板6的頂上，端面板6位于襯墊7和端 面板8上。在層疊之后，壁5位于板8上并且固定到板8。端面板2然后位于電池堆的頂上。通過垂直于端面板2施加力，電池堆壓緊直 到在端面板2和壁5和端面板8之間獲得密封。端面板2和端面板8 固定到壁5。所述彈性村墊具有下面的獨(dú)特功能-將電端面板(6)與外殼絕緣。-確保電螺栓(9)周圍的密封。-在電池堆的端面板上施加恰當(dāng)?shù)膲壕o力。-補(bǔ)償電池堆在操作下的熱膨脹或收縮，同時(shí)維持幾乎恒定的 壓緊力。已經(jīng)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案之后，可以使用包括這些概念 的其他實(shí)施方案對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯然的。上面說明的實(shí)施方 案僅打算作為實(shí)例，并且本發(fā)明的實(shí)際范圍將從下面的權(quán)利要求中確 定。
權(quán)利要求
1.一種具有布置在連接到電螺栓的第一端面板與連接到另一個(gè)電螺栓的第二端面板之間的至少一個(gè)電化學(xué)電池的電池堆，其中所述電池堆具有外殼，用于提供所述電池堆到所述外殼的固定支撐的裝置，以及用于維持所述電池堆上恒定機(jī)械負(fù)載的裝置，其特征在于用于維持恒定負(fù)載的所述裝置包括插入到所述電池堆與所述外殼壁之間的空間中的至少一個(gè)彈性襯墊。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的電池堆， 其特征在于所述襯墊插入到所述端面板的一個(gè)與所述外殼的相鄰端面板之間 的空間中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的電池堆， 其特征在于所述襯墊插入到所述端面板的每個(gè)與所述外殼的它的相鄰端面板 的每個(gè)之間的空間中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的電池堆， 其特征在于用于維持恒定負(fù)載的所述裝置包括兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立襯墊。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的電池堆， 其特征在于所述彈性襯墊是硅襯墊。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的電池堆， 其特征在于 所述襯塾是球形的。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的電池堆， 其特征在于 所述襯墊具有缺口。8.根據(jù)權(quán)利要求l的電池堆, 其特征在于所述外殼是壓力容器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有布置在連接到電螺栓的第一端面板與連接到另一個(gè)電螺栓的第二端面板之間的至少一個(gè)電化學(xué)電池的電池堆，所述電池堆具有外殼，用于提供所述電池堆到所述外殼的固定支撐的裝置，以及用于維持所述電池堆上恒定負(fù)載的裝置。用于維持恒定負(fù)載的所述裝置包括插入到所述電池堆與所述外殼壁之間的空間中的彈性襯墊。該電池堆可適用于PEM燃料電池和PEM水電解劑電池的領(lǐng)域中。
文檔編號(hào)H01M8/10GK101253648SQ200680030006
公開日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2006年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月29日
發(fā)明者埃吉爾·拉斯騰, 奧德蒙·維勒維克 申請(qǐng)人:氫技術(shù)股份公司