[发明专利]电化学电池的密封结构

说明书

一种电化学电池，包括一对双极板和位于该双极板之间的膜电极组件。所述膜电极组件包括阳极室、阴极室和置于它们之间的质子交换膜。所述电池还包括形成于所述一对双极板其中之一内的密封表面和位于所述密封表面和所述质子交换膜之间的垫片。所述垫片被配置为塑性变形，以形成关于阴极室或阳极室其中之一的密封件。所述密封表面可包括一个或多个突起。

技术领域

本申请主张于2013年7月29日提交的美国临时专利申请号61/859,457的权益，该专利申请在此全部引用作为参考。

本发明涉及一种电化学电池，更具体地，涉及一种具有级联密封结构并被配置为用于氢回收的电化学电池。

背景技术

电化学电池，通常归类为燃料电池或电解池，为用于从化学反应中产生电流，或利用电流引发化学反应的装置。燃料电池将燃料（如氢、天然气、甲醇、汽油，等）中的化学能和氧化剂（空气或氧气）中的化学能转化为电以及热量和水的废弃物。基本的燃料电池包括带负电荷的阳极，带正电荷的阴极和被称为电解质的离子导电材料。

不同的燃料电池技术采用不同的电解质材料。质子交换膜（PEM）燃料电池，例如，采用聚合物离子导电膜作为电解质。在氢PEM燃料电池中，氢原子能够电化学分裂成在阳极的电子和质子（氢离子）。电子通过电路流向阴极并产生电，而质子通过电解质膜向阴极扩散。在阴极，氢质子能够同电子和氧气（提供至阴极）发生反应以产生水和热量。

电解池代表反向运转的燃料电池。基本的电解池能够作为氢气发生器，当施加外部电势时，将水分解为氢气和氧气。氢燃料电池或电解池的基本技术能够应用于电化学氢处理，如，电化学氢压缩、纯化或膨胀。

电化学氢压缩机（EHC），例如，能用于选择性地将氢从电池的一侧转移到另一侧。EHC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。含氢气体能够与第一电极接触，并且电势差可被施加于第一和第二电极之间。在第一电极，氢分子能够被氧化，并且该反应能产生两个电子和两个质子。两个质子被电化学驱动穿过膜至电池的第二电极，在第二电极，它们通过两个改变路线的电子重新加入并还原以形成氢分子。发生在第一电极和第二电极的化学反应能够以化学方程式表示，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

总体电化学反应：H₂→ H₂

以这种方式运作的EHCs有时被称为氢泵。当第二电极中积累的氢被限制在一个密闭的空间时，电化学电池压缩氢或增大压力。基于电池设计，单个电池能产生的最大压力或流量可被限定。

为了实现更大的压缩或更高的压力，多个电池能够串联连接以形成多级EHC。在多级EHC中，气体流动路径，例如，能够被配置，从而第一个电池压缩输出的气体能够作为第二个电池的输入气体。可替代地，单级电池能够并联连接以增加EHC的生产量（throughputcapacity）（即，总气体流速）。在单级和多级EHC中，电池均能够被堆叠，且每个电池包括阴极，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”，其通常由双极板支撑在两侧。除了提供机械支撑外，当它们电联接时，双极板物理性地分开堆栈中的单个电池。双极板还可作为集电器/导体，并为燃料提供通道。通常，双极板由金属（例如，不锈钢、钛，等）和非金属导电体（例如，石墨）制成。

电化学氢处理已成为用于氢管理的传统机械系统的可行的替代。氢作为能量载体的成功商业化和“氢经济”的长期可持续性很大程度上取决于燃料电池、电解池和其他氢处理/管理系统（例如：EHCs）的效率和成本效益。气态氢是一种方便和常见的能源储存形式，通常被加压密封。有利的是，储存氢在高压下产生高能量密度。