CN1579034A - 用于再利用膜电化学发电机的集流体/分配器的方法 - Google Patents
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Abstract
在膜电化学发电机中(1、20)采用一种用于再利用集流体/分配器的方法，膜电化学发电机中(1、20)包括按滤压机结构组装的多个基本元件(2、21)和导电板(3)的和集流体/分配器(7、22)的阵列。本发明的方法提供：一旦检测出受损基本元件(2、21)的存在就拆卸所述电化学发电机(1)。随后，本发明的方法提供：为了之后重新组装电化学发电机(1、20)、再利用原来的集流体/分配器(7、21)，修理/更换所述受损的基本元件。为此，在重新组装电化学发电机(1、20)的同时，用于调节厚度的机械装置(8、12、13、14、15)***各导电板(3)和各集流体/分配器(7、21)之间。这种机械装置可以是金属网板、金属织物、交织纤维、穿孔板或压延板、薄密封垫、在其表面设置有密封圈的密封垫、由具有低弹性模量的弹性材料制成的密封垫。
Description
技术领域
本发明涉及用于再利用膜电化学发电机的集流体/分配器的方法。
背景技术
本领域技术人员熟知基于膜电化学发电机把化学能转化为电能的方法。
图1中示意性地表示了膜电化学发电机的一个例子。电化学发电机(1)由多个反应元件(2)构成，反应元件(2)具有相当薄的厚度以使体积减至最小，这些反应元件(2)以串联方式相互连接并根据压滤机结构组装在一起。
各反应元件(2)在没有使第一气态反应物(燃料)与第二气态反应物(氧化剂)反应的自由能降低的条件下将该自由能完全转化为热能，因此没有受到卡诺循环的限制。把燃料提供给反应元件(2)的阳极室，该燃料例如是氢或轻醇如甲醇或乙醇的混合物中；同时，把氧化物提供给同一反应元件的阴极室，该氧化物例如为空气或氧气。在阳极室中燃料氧化并同时释放出H+离子，而在阴极室中氧化剂还原、消耗H+离子。把阳极室与阴极室分开的离子交换膜使得H+离子的连续流从阳极室达到阴极室并同时防止电子通过。这样，在反应元件(2)的两极上形成的电压最大。
具体而言，各反应元件(2)由一对导电双极板(3)限制，在这对双极板(3)中从内部到外部包括：离子交换膜(4)；一对多孔电极(5)；在膜(4)和各多孔电极(5)之间的界面处设置的一对催化剂层(6)；将导电双极板(3)电连接到多孔电极(5)并同时分配气态反应物的一对集流体/分配器(7)；用于密封反应元件(2)***的一对密封垫(8)。
在导电双极板(3)中和/或在各反应元件(2)的密封垫中有孔(图1中未示出)，所述孔借助分配通道(图1中也未示出)与阳极室和阴极室连接。
这些孔的连续匹配致使两个上部纵向管路(9)和两个下部纵向管路(10)形成。两个上部纵向管路(9)(图1中仅示出了其中之一)用于输送气态反应物(燃料和氧化物)，两个下部纵向管路(10)(图1中仅示出了其中之一)用于回收反应产物(水)，所述反应产物(水)选择性地与废物(气态的惰性组分和未转化的反应物)混合。作为选择，下部纵向管路(10)可用作输送管，上部纵向管路(9)用作排放管路。也可以通过上部管路(9)之一输送两种气态反应物之一，采用相应的下部管路(10)用于排放，同时通过第二下部管路(10)输送第二气态反应物，采用相应的上部管路(9)用于排放。
然后，通过分配通道将气态反应物分配到各反应元件(2)。从各反应元件(2)产生的反应产物和可能的剩余反应物也通过分配通道回收。
在反应元件组件(2)的外部存在两个导电端板(11)，由此构成电化学发电机(1)。两个导电端板(11)之一设置有管口(图1未示出)，用于水力连接上、下纵向管路(9)和(10)。
此外，两个导电端板(11)设置有适当的孔(图1中也未示出)以便容纳连接杆，通过连接杆使电化学发电机(1)夹紧。
通过相互串联连接反应元件(2)形成的电化学反应器(1)具有以下缺点：一旦一个反应元件(2)有了缺陷，电化学反应器(1)就不能工作。有缺陷的反应元件(2)是指，在该元件(2)中甚至就有一个多孔电极(5)不能正常工作，例如由于催化层(6)失去活性，或者在该元件(2)中甚至就有一个集流体/分配器(7)不能工作，例如它由于不恰当的组成或机械特性而表现出过高的电阻，或者在该元件(2)中膜(4)穿孔。最后一种情况是最为严重的，因为它会导致不相容的气态反应物相互混合。
在欧洲专利EP629015中公开了解决这一问题的一种方案，该专利提供了有缺陷反应元件(2)的外部短路。
由于这一现有技术让电流绕过有缺陷反应元件(2)，因此在几个方面是有利的，但该技术仅解决了部分问题，而对于在膜(4)穿孔的情况下与气态反应物的混合有关的麻烦却未能消除。实际上，由于在有缺陷反应元件(2)和上、下纵向管路(9)和(10)之间的连接，因此气态反应物无论如何也会存在于有缺陷的反应元件(2)中。
由此可知，穿孔膜不仅防碍了电化学发电机(1)的工作，而且引起了相关的安全问题。在打孔膜(4)的情况下，现有技术建议将外部短路的有缺陷反应元件(2)连接到该元件(2)的水力旁路，正如在US5876583中所公开的那样。
然而，有缺陷的反应元件(2)的外部短路存在着与以下事实相关的另一缺陷：为了进行这种操作，需要使导电双极板(3)设置有外部突起。
这种外部突起的存在必定会增加电化学发电机(1)的重量和体积，这在许多应用中，尤其是移动设备的应用中，显然是很不利的。
为了克服这种进一步的不利情况，另一现有技术提出了这样一种对有缺陷的反应元件(2)的短路方式：在对***在两个导电双极板(3)之间的所有元件进行打孔的时候，将导电材料插在元件自身内部的凹槽中。
然而，当反应元件(2)出现缺陷时优选的解决方案是在拆卸了该电化学发电机(1)之后替换或修理该反应元件，以便恢复发电机的整个电功率。
但除了需要过分延长工作时间之外，这种工序还必须以相当高的成本替换所有的集流体/分配器(7)。实际上，在紧固电化学发电机(1)时一旦压紧，在再一次夹紧电化学反应器(1)时集流体/分配器(7)就不再提供与导电双极板(3)和膜电极组件(4、5)的可靠电接触。
一个原因在于，在组装成电化学发电机(1)之后，优选的现有技术的集流体/分配器(7)不能恢复它们原来的尺寸和特性。
具体而言，如图2所示，根据施加于反应元件(2)的压力，集流体/分配器(7)表现出具有低弹性模量的可逆弹性变形的第一阶段，一直保持该阶段直至达到它们最初厚度10％的变形。此后，集流体/分配器(7)经受相当宽的塑性变形阶段(它们最初厚度的10-60％)，在此阶段中，施加到反应元件(2)的压力在变形范围内基本上保持不变。一旦集流体/分配器(7)的三维结构变平，它们最终就会表现出具有极高弹性模量的第二弹性变形阶段。
根据试验发现，当超过了集流体/分配器(7)的最初厚度的50％的变形时，机械地破坏了它们的结构。因此，一旦组装完成，集流体/分配器(7)达到含有它们最初厚度的30％-40％之间的塑性变形是优选的。以此方式，在膜电极组件(4，5)上安全地建立了接近于最佳工作条件的均匀接触压力。
此外，利用在此塑性变形范围内的集流体/分配器(7)是有利的，这是因为在此条件下，在两个膜电极组件(4、5)中和在同一集流体分配器(7)中可能存在的厚度不规则性变得一致了。
另一个优点在于采用减小了厚度的导电双极板(3)的可能性。实际上在这种条件下，导电双极板(3)可能存在的平坦性缺陷不会导致在膜电极组件(4、5)的不同部分上出现不同的接触压力，而是仅导致集流体/分配器(7)的不同变形：由此保证了对于膜电极组件(4、5)的最佳工作条件。上述考虑意味着，假使拆卸了电化学发电机(1)，集流体/分配器(7)也会保持着塑性变形。
如图3所示，一旦电化学发电机(1)重新紧固，集流体/分配器(7)又开始变形，就好像它们没有经过前述的变形循环那样。理论上讲，这种现象表示，在向集流体/分配器(7)施加相同的变形时，获得相同的接触压力，从而能够再利用。但事实上以此方式进行工作会在反应元件(2)的不同部件之间获得很差的电接触，造成电阻恶化的局部增加。由于在这些局部电阻恶化的区域中产生一致量的热量，该区域迅速恶化，甚至导致薄膜(4)的破裂。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于再利用膜电化学发电机的集流体/分配器的方法，使该膜电化学发电机不会出现所述麻烦。
根据本发明，提供一种用于再利用包括按滤压机结构组装的多个基本元件的膜电化学发电机的集流体/分配器的方法，所述多个基本元件包括导电板的和集流体/分配器的阵列，所述方法包括步骤：检测受损基本元件的存在；拆卸所述电化学发电机；修理/更换所述受损的基本元件；重新安装再利用相同集流体/分配器的所述电化学发电机。
附图说明
为了更好地理解本发明，下面参考附图描述它的某些实施例，这些实施例仅作为非限制的举例，其中：
图1表示根据现有技术的膜电化学发电机的分解侧视图；
图2表示涉及在图1的电化学发电机中存在的集流体/分配器的机械参数变化；
图3表示涉及在图1的电化学发电机中存在的集流体/分配器的机械参数变化；
图4表示根据本发明的膜电化学发电机的第一实施例的分解侧视图；
图5表示图1的膜电化学发电机的第二实施例的分解侧视图；
图6a-6b表示图1的电化学发电机的第三实施例的部件；
图7表示图1的膜电化学发电机的第四实施例的分解侧视图。
具体实施方式
参考图1，在电化学发电机(1)中采用用于再利用集流体/分配器的方法。
这种方法提供：在检测有缺陷反应元件(2)的存在之后，拆卸电化学发电机(1)。随后，本发明提供：去除有缺陷的元件(2)；并对再利用了前面采用的相同集流体/分配器(7)的电化学发电机(1)进行重新组装。
作为优选，在重新组装电化学发电机(1)之前，在各反应元件(2)中***用于调节元件厚度的附加装置例如金属间隔件、扁平垫片或垫圈。
现在利用几个实施例描述本发明的方法，但本发明不限于这几种方法。
实施例1
如图4所示，当重新组装电化学发电机(1)时，将适当厚度的金属元件(12)作为用于调节在各反应元件(2)上的阴极侧和阳极侧的元件厚度的装置***在导电双极板(3)和各自的再利用的集流体/分配器(7)之间。以此方式，在随后夹紧电化学发电机(1)的情况下，再利用的集流体/分配器(7)被迫经受进一步的塑性变形，此进一步的塑性变形添加到在电化学发电机(1)第一次夹紧的过程中已经施加在同一集流体/分配器的一个塑性变形上。在此条件下，集流体/分配器(7)的机械特性(参见图3)使其表现为就好像它是以保证膜电极组件(4、5)的最佳工作压力的第一次利用那样。
特别是，金属元件(2)可以为金属网，或作为选择，还可以为金属布或织物、交织纤维、穿孔板或压延板。
特别是，必须计算出金属元件(12)的厚度从而例如把低于50％的总变形(即，相对于同一集流体/分配器的原始厚度进行计算)施加到再利用的集流体/分配器(7)，在此范围之外集流体/分配器(7)的结构将被破坏，正如上面所述那样。
试验观察表明，对于电化学发电机(1)的各种组装，为了获得在导电双极板(3)、金属元件(12)、再利用集流体/分配器(7)和膜电极组件(4、5)之间的良好电接触，再利用集流体/分配器(7)的变形增加至其最初厚度的至少3％就足够了。以此方式，得到金属元件(12)的适当厚度，可以拆卸、然后重新组装电化学发电机(1)以便几次利用相同集流体/分配器(7)维持调节。
例如，利用最初厚度为3mm的集流体/分配器(7)和最初厚度为0.2mm的金属网，电化学发电机(1)的每次重新组装该厚度增加0.2mm，利用相同的集流体/分配器(7)，重新组装电化学发电机(1)的可能性不低于连续四次。
具体而言：
-集流体/分配器(7)的厚度，未变形：3mm；
·组装
-集流体/分配器(7)的厚度：2.4mm，对应于它们的最初厚度的20％的变形
·第一次重新组装(利用0.2mm厚的金属网板)
-集流体/分配器(7)的厚度：2.2mm，对应于它们的最初厚度的27％的变形，
·第二次重新组装(利用0.4mm厚的金属网板)
-集流体/分配器(7)的厚度：2mm，对应于它们的最初厚度的33％的变形，
·第三次重新组装(利用0.6mm厚的金属网板)
-集流体/分配器(7)的厚度：1.8mm，对应于它们的最初厚度的40％的变形，
·第四次重新组装(利用0.8mm厚的金属网板)
-集流体/分配器(7)的厚度：1.6mm，对应于它们的最初厚度的47％的变形。
作为选择，金属元件(12)的构成材料可与集流体/分配器(7)的相同，或者与导电双极板(3)的相同，或是第三种材料。尤其是，为了保持在金属元件(12)、导电双极板(3)和集流体/分配器(7)之间的良好电接触，并根据金属元件自身的耐腐蚀性，必须每次都计算所要采用的材料的类型。通常采用的材料是钢、铝及其合金、钛、镍及其合金。在某些情况下，可以对这些材料进行表面处理以便降低在不同元件之间的接触电阻或增加金属元件(12)的耐腐蚀性。
实施例2
如图5所示，当组装电化学发电机(1)时，用薄密封垫(13)代替密封垫(8)，该薄密封垫(13)的厚度低于密封垫(8)的厚度，在重新组装电化学发电机(1)的过程中该厚度的薄密封垫(13)正好足以将足够的塑性变形施加于集流体/分配器(7)，从而确保与膜电极组件(4、5)和导电双极板(3)的良好电接触。尤其是，集流体/分配器(7)的变形增加至其最初厚度的至少3％就足够了。例如，当采用2.1mm厚的密封垫(8)时，这是一个相当典型的值，薄密封垫(13)应具有至少低0.1÷0.2mm的厚度。
实施例3
如果电化学发电机(1)设置有由热塑材料制成的密封垫(14)并设置在能够经受塑性变形的密封环(15)的表面(14a)上，当重新组装相同的电化学发电机时，通过轻微增加夹紧压力，可以使集流体/分配器(7)变形，正好足以(例如高达不低于最初厚度3％的值)获得与膜电极组件(4、5)和与导电板(3)的良好电接触。实际上，当夹紧电化学发电机(1)时，仅密封环与导电双极板(3)接触。在变形时，该密封环(15)能够确保气态反应物的密封。
如图6a中详细描述的那样，在电化学发电机(1)第一次夹紧的过程中，密封环(15)不完全变形，这样在导电双极板(3)和膜电极组件(4、5)之间的距离高于电化学发电机(1)第二次夹紧(图6b)时的距离，其中迫使密封环(15)和集流体/分配器(7)经受更高的变形。
密封环(15)可以与密封垫(14)共同压印，或者可由不同的叠置材料制成，更适合于避免气态反应物的泄漏，比垫体(如硅、橡胶)更易变形。
实施例4
当重新组装电化学反应器(1)时，可以重新利用具有机械刚性结构的集流体/分配器(7)，只要密封垫(8)由具有低弹性模量的弹性材料制成。事实上，只有在这种情况下，全部施加的压力绝大部分施加在集流体/分配器(7)上，很小程度地施加在密封垫(8)上，出现了改变膜电极组件(4、5)的压缩的可能性，从而对于各反应元件(2)获得了最佳的操作值。刚性集流体/分配器(7)是发泡金属、烧结材料、金属网板和压延板；适于制造密封垫(8)的构成材料主要是橡胶，例如EPDM、腈(NBR)橡胶、氟化产品、Santoprene热塑橡胶、后者是Advanced Elastomer Systems，USA的商标。当集流体/分配器(7)为刚性时，由于集流体/分配器(7)不进行任何塑性变形，因此在进行随后的电化学发电机(1)的组装时不出现问题。
最后证明，在不脱离本发明的主导思想的条件下，可对所公开的方法进行几种修改和变化。
例如，虽然描述了本发明的方法用在仅包括反应元件(2)的电化学反应器(1)中的情况，但这种方法同样也可以应用于含有设置在任意对反应元件(2)之间的冷却元件(21)的电化学发电机(20)，如图7所示，其中电化学发电机(20)的不同部件用图1所采用相同参考标记表示。冷却元件(21)除了不包括由离子交换膜(4)、多孔电极(5)和电解质层(6)的电化学装备之外，它相当于反应元件(2)。
在这种情况下，利用本发明的方法，在电化学发电机(20)随后重新组装中同样可以再利用冷却元件(21)的集流体分配器(22)。
作为选择，仅在冷却元件(21)中，可以采用具有弹性的集流体/分配器(22)。在这种情况中下，当在经受非永久变形的冷却元件(21)中存在的集流体/分配器(22)可以按照这种方法重新利用时，本发明的方法仅应用于在反应元件(2)中存在的集流体/分配器(7)。
Claims (30)
1.一种用于再利用包括按滤压机结构组装的多个基本元件的膜电化学发电机的集流体/分配器的方法，所述多个基本元件包括导电板的和集流体/分配器的阵列，
所述方法包括步骤：
检测受损基本元件的存在；
拆卸所述电化学发电机；
修理/更换所述受损的基本元件；
重新安装再利用相同集流体/分配器的所述电化学发电机。
2.根据权利要求1的方法，其中重新安装所述电化学发电机的所述步骤包括在各导电片和各集流体/分配器之间***至少一个用于调节元件厚度的机械装置的步骤。
3.根据权利要求2的方法，其中所述至少一个用于调节元件厚度的机械装置包括具有一定厚度的机械元件，该厚度能够将包括在所述集流体/分配器的最初厚度的3％和50％之间的塑性变形施予所述各集流体/分配器。
4.根据权利要求3的方法，其中所述机械元件是金属网板。
5.根据权利要求4的方法，其中所述金属网板由导电、耐腐蚀的材料制成，该材料选自钢、铝及其合金、钛、镍及其合金。
6.根据权利要求5的方法，其中对所述导电、耐腐蚀材料进行表面处理。
7.根据权利要求3的方法，其中所述机械元件选自金属布或织物。
8.根据权利要求7的方法，其中所述布或织物由导电耐腐蚀材料制成，该材料选自钢、铝及其合金、钛、镍及其合金。
9.根据权利要求8的方法，其中对所述导电耐腐蚀材料进行表面处理。
10.根据权利要求3的方法，其中所述机械元件由交织纤维构成。
11.根据权利要求10的方法，其中所述交织纤维由导电、耐腐蚀的材料制成，该材料选自钢、铝及其合金、钛、镍及其合金。
12.根据权利要求11的方法，其中对所述导电耐腐蚀材料进行表面处理。
13.根据权利要求3的方法，其中所述机械元件是穿孔板。
14.根据权利要求13的方法，其中所述穿孔板由导电、耐腐蚀的材料制成，该材料选自钢、铝及其合金、钛、镍及其合金。
15.根据权利要求14的方法，其中对所述导电耐腐蚀材料进行表面处理。
16.根据权利要求3的方法，其中所述机械元件是压延板。
17.根据权利要求16的方法，其中所述压延板由导电、耐腐蚀的材料制成，该材料选自钢、铝及其合金、钛、镍及其合金。
18.根据权利要求17的方法，其中对所述导电耐腐蚀材料进行表面处理。
19.根据权利要求2的方法，其中所述至少一个用于调节元件厚度的机械装置包括具有一定厚度的薄密封垫，例如以便将所述各集流体/分配器的最初厚度的至少3％的塑性变形施予所述集流体/分配器。
20.根据权利要求19的方法，其中所述薄密封垫的所述厚度在0.1-0.2mm之间。
21.根据权利要求2的方法，其中所述用于调节元件厚度的所述机械装置包括具有一定厚度的在其表面设置有密封圈的密封垫，例如以便将所述各集流体/分配器的最初厚度的至少3％的塑性变形施予所述各集流体/分配器。
22.根据权利要求21的方法，其中所述密封圈叠置在所述密封垫的所述表面上。
23.根据权利要求21的方法，其中所述密封圈共同压印在所述密封垫的所述表面上。
24.根据权利要求21至23任意一项的方法，其中所述密封圈由含硅或橡胶的材料制成。
25.根据权利要求2的方法，其中所述集流体/分配器具有机械刚性结构，所述至少一个用于调节元件厚度的机械装置包括由具有低弹性模量的弹性材料制成的密封垫。
26.根据权利要求25的方法，其中具有低弹性模量的所述弹性材料选自橡胶如EPDM、NBR或氟化产品。
27.根据权利要求25或26的方法，其中所述集流体/分配器由发泡金属、烧结材料、金属网板或压延板制成。
28.根据前述任意一项权利要求的方法，其中所述基本元件包括反应元件。
29.根据前述任意一项权利要求的方法，其中所述基本元件包括冷却元件。
30.一种用于再利用膜电化学发电机的集流体/分配器的方法，基本上参照附图所描述的那样。
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