具有保護(hù)襯墊布置的電化學(xué)電池的制作方法
【專利摘要】提供了一種電化學(xué)電池。電化學(xué)電池包括第一框架，該框架具有布置在一側(cè)上的至少一個第一固著楔結(jié)構(gòu)，至少一個第一固著楔結(jié)構(gòu)具有第一高度。提供了第二框架，第二框架具有布置在一側(cè)上的至少一個第二固著楔結(jié)構(gòu)，至少一個第二固著楔結(jié)構(gòu)具有第二高度。在第一框架與第二框架之間設(shè)置有膜電極組合件(MEA)，MEA具有設(shè)置在膜的第一側(cè)上的第一電極和與第一電極相反地設(shè)置在第二側(cè)上的第二電極。在膜與第一框架之間設(shè)置有第一襯墊，第一襯墊嚙合至少一個第一固著楔結(jié)構(gòu)。在膜與第二框架之間設(shè)置有第二襯墊，第二襯墊嚙合至少一個第二固著楔結(jié)構(gòu)。
【專利說明】
具有保護(hù)襯墊布置的電化學(xué)電池
【背景技術(shù)】
[0001]本文中所公開的主題涉及電化學(xué)電池，并且具體地涉及具有布置成保護(hù)膜并且對電池進(jìn)行密封以防止流體泄漏的襯墊的電化學(xué)電池。
[0002]電化學(xué)電池是能量轉(zhuǎn)換裝置，通常分類為電解池或燃料電池，包括但不限于，具有氫-水供給的電解池。質(zhì)子交換膜電解池通過電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣而作為氫氣發(fā)生器。參照圖1，在典型的單陽極供給水電解池101中，工藝水102在氧電極(陽極)103處反應(yīng)以形成氧氣104、電子、和氫離子(質(zhì)子)105。反應(yīng)通過將電源106的正極端子電連接至陽極103，并且電源106的負(fù)極端子連接至氫電極(陰極)107來進(jìn)行。氧氣104和部分工藝水102’離開電池101，同時質(zhì)子105和水102”穿過質(zhì)子交換膜108迀移到陰極107，在陰極107處形成氫氣109。
[0003]典型的電化學(xué)電池包括以堆疊體的方式布置的多個單電池，其中在高壓(例如，從電池入口到出口約30psi的壓力差)下迫使流體(通常為水)通過上述電池。堆疊體中的電池被順序地布置成包括陰極、質(zhì)子交換膜和陽極。陰極/膜/陽極組合件(下文中稱為“膜和電極組合件”)在兩側(cè)由篩網(wǎng)(screen)或網(wǎng)狀金屬(expanded metal)的組(pack)支承，其轉(zhuǎn)而由電池框架和隔板包圍以形成反應(yīng)室，并且將流體密封于其內(nèi)。篩網(wǎng)組創(chuàng)造反應(yīng)室內(nèi)的流場以有助于流體移動和膜的水化，并且提供膜的機(jī)械支承和使電子往返于電極傳輸?shù)耐緩健?br>[0004]如上所述，篩網(wǎng)組支承膜和電極組合件。該膜通常在水化時厚度僅為約0.002英寸至0.012英寸，并且電極是壓至或結(jié)合至膜的兩側(cè)并且電連接至電源的高表面積貴金屬的薄的結(jié)構(gòu)(小于約0.002英寸)。在適當(dāng)?shù)乇恢С械那闆r下，該膜用作氫氣與氧氣之間的堅固的阻擋層。緊靠電極位于膜的兩側(cè)上的篩網(wǎng)組賦予膜和電極組件結(jié)構(gòu)完整性。
[0005]應(yīng)當(dāng)理解的是，期望提供密封結(jié)構(gòu)以防止流體從電池泄露，尤其是在操作期間達(dá)到的高的壓力水平下。電化學(xué)電池反應(yīng)室的外周由框架構(gòu)件限定。在框架構(gòu)件與相鄰部件如雙極或隔板之間的界面通常包括襯墊構(gòu)件，襯墊構(gòu)件嚙合框架構(gòu)件上的棱(rib)以提供期望的密封。在MEA與框架構(gòu)件之間的界面處，膜本身可以用于形成密封。在一些應(yīng)用中，期望使用較薄的膜，以實現(xiàn)更高的效率以及降低成本。伴隨這些較薄的膜而出現(xiàn)的一個問題是，框架構(gòu)件的棱過深地穿透進(jìn)入膜中，可能引起膜在壓力下的結(jié)構(gòu)問題，如膜可能蠕變及伸展。雖然在某些情況下可以減小棱的尺寸，但制造上的局限可能限制該方案。在一些情況下，襯墊被嵌在這樣一個尺寸的膜上，使得來自僅一個框架的棱與膜嚙合。
[0006]因此，雖然現(xiàn)有的電化學(xué)電池系統(tǒng)適用于它們的預(yù)期目的，但是仍然存在對改進(jìn)的需求，特別是在允許所使用的膜在厚度上的靈活性、降低成本和改善可制造性的方面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種電化學(xué)電池。該電化學(xué)電池包括第一框架，所述框架具有布置在一側(cè)上的至少一個第一固著楔結(jié)構(gòu)，所述至少一個第一固著楔結(jié)構(gòu)具有第一高度。提供了第二框架，第二框架具有布置在一側(cè)上的至少一個第二固著楔結(jié)構(gòu)，所述至少一個第二固著楔結(jié)構(gòu)具有第二高度。在第一框架與第二框架之間設(shè)置有膜電極組合件(MEA)，MEA具有設(shè)置在膜的第一側(cè)上的第一電極，MEA還具有設(shè)置在與第一電極相反的第二側(cè)上的第二電極。在膜與第一框架之間設(shè)置有第一襯墊，第一襯墊嚙合所述至少一個第一固著楔結(jié)構(gòu)。在膜與第二框架之間設(shè)置有第二襯墊，第二襯墊嚙合所述至少一個第二固著楔結(jié)構(gòu)。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種電化學(xué)電池。該電化學(xué)電池包括設(shè)置在第一框架與第二框架之間的膜電極組合件(MEA)，MEA具有設(shè)置在膜的第一側(cè)上的第一電極，MEA還具有設(shè)置在與第一電極相反的第二側(cè)上的第二電極。第一襯墊被布置成與第一側(cè)接觸。第二襯墊被布置成與第二側(cè)接觸。提供了成對的相同的框架構(gòu)件，其各自布置在MEA的相反側(cè)上，其中該成對的相同的框架構(gòu)件包括與第一襯墊接觸的第一框架構(gòu)件，以及與第二襯墊接觸的第二框架構(gòu)件，其中膜、第一襯墊和第二襯墊協(xié)作以限定橫跨成對的相同的框架構(gòu)件的寬度的密封。
[0009]結(jié)合附圖，這些和其他優(yōu)點(diǎn)和特征將從以下描述中變得更加顯見。
【附圖說明】
[0010]在說明書的總結(jié)的權(quán)利要求中特別指出并且清楚地要求保護(hù)了被視為本發(fā)明的主題。結(jié)合附圖，本發(fā)明的前述和其他特征和優(yōu)點(diǎn)從以下詳細(xì)描述中將會顯見，在附圖中:
[0011]圖1是示出電化學(xué)反應(yīng)的部分現(xiàn)有技術(shù)的電化學(xué)電池的示意圖；
[0012]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的示例性電化學(xué)電池的分解組合件的透視圖；
[0013]圖3示出了單個電池組合件的分解側(cè)視圖；
[0014]圖4示出了圖3的單個電池組合件的側(cè)截面圖；
[0015]圖5示出了圖5的單個電池組合件的一部分的放大側(cè)截面圖；
[0016]圖6示出了用于圖3的單個電池組件的框架構(gòu)件的端視圖；
[0017]圖7示出了圖7的框架構(gòu)件的一部分的放大透視圖；以及
[0018]圖8示出了用于圖3的單個電池組合件的襯墊的側(cè)視圖。
[0019]參照附圖，詳細(xì)描述通過示例的方式對本發(fā)明的實施方案，以及優(yōu)點(diǎn)和特征一起進(jìn)行了說明。
【具體實施方式】
[0020]本發(fā)明的實施方案提供如下優(yōu)點(diǎn):允許電化學(xué)電池膜的厚度改變而不影響電化學(xué)電池的陽極側(cè)或陰極側(cè)的反應(yīng)體積。本發(fā)明的另一些實施方案使得能夠利用框架構(gòu)件對MEA的界面進(jìn)行密封而不損害膜的完整性。又一些實施方案提供了如下優(yōu)點(diǎn):允許在電化學(xué)電池的陽極側(cè)和陰極側(cè)兩側(cè)上使用相同的框架構(gòu)件。
[0021]首先參照圖2，以分解組合件等距視圖對可以適于操作為陽極供給電解池、陰極供給電解池、燃料電池、或再生燃料電池的示例性電化學(xué)電池200進(jìn)行了描繪。因此，雖然下文的討論可以針對陽極供給電解池，但是也可以設(shè)想陰極供給電解池、燃料電池、以及再生燃料電池。電池200通常是布置成電池堆作為電化學(xué)電池系統(tǒng)的一部分的多個電池中的一個。當(dāng)電池200被用作電解池時，電源輸入通常在約1.48伏至約3.0伏之間，電流密度在約50A/ft2(安培每平方英尺)至約4000A/ft2之間。當(dāng)用作燃料電池時，電源輸出在約0.4伏至約I伏之間，并且電流密度在約0.lA/ft2至約ΙΟΟΟΟΑ/ft2之間。堆疊體內(nèi)的電池的數(shù)目以及單個電池的尺寸可調(diào)節(jié)以適應(yīng)所需的電池電源輸出和/或氣體輸出要求。因此，電化學(xué)電池200的應(yīng)用可以涉及根據(jù)應(yīng)用以電串聯(lián)或者電并聯(lián)布置的多個單電池200。例如，電池200可以在各種壓力下進(jìn)行操作，所述壓力例如高達(dá)或超過50psi(鎊每平方英寸)，高達(dá)或超過約10psi，高達(dá)或超過約500psi，高達(dá)或超過約2500psi，或甚至高達(dá)或超過約lOOOOpsi。
[0022]在一個實施方案中，電池200包括在第一電池隔板215與第二電池隔板220之間與多個流場構(gòu)件210交替布置的多個膜電極組合件(MEA)205。在示例性實施方案中，第一隔板215和第二隔板220是相同的。同時圖2示出了流場構(gòu)件210作為單個部件，如以下更詳細(xì)地討論的，流場構(gòu)件210可以由多個單獨(dú)部件形成，并且還可以與隔板220協(xié)作以限定流體流動路徑。襯墊225可以通常用于增強(qiáng)第一電池隔板215和第二電池隔板220與相關(guān)聯(lián)的雙極板210之間的密封，以及MEA 205與相鄰的隔板210之間的密封。
[0023]MEA 205具有第一電極(例如，陽極或氧電極)230和設(shè)置在質(zhì)子交換膜(膜)240的相反側(cè)的第二電極(例如，陰極或氫電極)235，參照圖3清楚可見。與相鄰的MEA 205的電極230和235流體連通的流場構(gòu)件210，其具有待在以下更詳細(xì)地討論的限定相鄰于電極230和235的流場和它們的密封的結(jié)構(gòu)。電池部件，特別是電池隔板215、220、流場210、以及襯墊225可以與適合用于流體流動的歧管或其他導(dǎo)管一起形成。在多個電池200被布置成電化學(xué)電池堆的實施方案中，隔板215、220中的一個可以是該組合件的端板。
[0024]在實施方案中，膜240包括電解質(zhì)，該電解質(zhì)在電化學(xué)電池的操作條件下優(yōu)選為固體或凝膠。有用的材料包括質(zhì)子傳導(dǎo)性離聚物和離子交換樹脂。有用的質(zhì)子傳導(dǎo)性離聚物包括包含堿金屬鹽、堿土金屬鹽、質(zhì)子酸或質(zhì)子酸鹽的配合物。有用的配合物形成試劑包括堿金屬鹽、堿土金屬鹽、以及質(zhì)子酸和質(zhì)子酸鹽。可用于上述鹽中的平衡離子包括鹵離子、高氯酸根離子、硫氰酸根離子、三氟甲磺酸根離子、氟硼酸根離子等。這類鹽的代表性示例包括，但不限于，氟化鋰、碘化鈉、碘化鋰、高氯酸鋰、硫氰酸鈉、三氟甲磺酸鋰、氟硼酸鋰、六氟磷酸鋰、磷酸、硫酸、三氟甲磺酸等。堿金屬鹽、堿土金屬鹽、質(zhì)子酸、或質(zhì)子酸鹽與一種或多種極性聚合物如聚醚、聚酯、或聚酰亞胺，或者與含有上述極性聚合物作為一個段的網(wǎng)絡(luò)或交聯(lián)的聚合物絡(luò)合。有用的聚醚包括聚氧化烯，如聚乙二醇、聚乙二醇單醚和聚乙二醇二醚;這些聚醚中的至少一種的共聚物，如聚(氧乙烯-共-氧丙烯)二醇、聚(氧乙烯-共-氧丙烯)二醇單醚、和聚(氧乙烯-共-氧丙烯)二醇二醚；乙二胺與上述聚氧化烯的縮合產(chǎn)物；以及酯，例如磷酸酯、脂族羧酸酯、或上述聚氧化烯芳族羧酸酯。以下物質(zhì)的共聚物在本領(lǐng)域中已知可表現(xiàn)出足夠可用的離子傳導(dǎo)性:例如，馬來酸酐、二烷基硅氧烷與聚乙二醇、或者聚乙二醇單乙醚與甲基丙烯酸。
[0025]用作質(zhì)子傳導(dǎo)材料的離子交換樹脂包括烴類樹脂和氟碳型樹脂。烴類離子交換樹脂包括酚醛樹脂，縮合樹脂如苯酚-甲醛，聚苯乙烯，苯乙烯-二乙烯基苯共聚物，苯乙烯-丁二烯共聚物，苯乙稀-二乙稀基苯-氯乙稀三元共聚物等，上述樹脂通過磺化而被賦予(imbued) 了陽離子交換能力，或者通過氯甲基化隨后轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的季胺而被賦予了陰離子交換能力。
[0026]氟碳型離子交換樹脂可以包括四氟乙烯-全氟磺酰乙氧基乙烯基醚的水合物或四氟乙烯-羥基化(全氟乙烯基醚)共聚物。當(dāng)需要氧化和/或酸耐受性時，例如，在燃料電池的陰極，具有磺酸、羧酸和/或磷酸官能性的氟碳型樹脂是優(yōu)選的。氟碳型樹脂通常表現(xiàn)出對由鹵素、強(qiáng)酸和堿氧化的優(yōu)異耐受性。具有磺酸基官能性的氟碳型樹脂中的一類是NAF1N?樹脂(購自E.1.du Pont de Nemours and Company，Wilmington，DE)。
[0027]電極230和235可以包含適用于進(jìn)行所需的電化學(xué)反應(yīng)(S卩，電解水和產(chǎn)生氫)的催化劑。合適的催化劑包括，但不限于，包含鉑、鈀、銠、碳、金、鉭、鎢、釕、銥、鋨、前述催化劑中的至少一種的合金等的材料。電極230和235可以形成在膜240上，或者可以以層的方式相鄰于膜240，但與膜240接觸。
[0028]現(xiàn)在參考圖3至圖5，示出了單個電化學(xué)電池200的實施方案。應(yīng)當(dāng)理解的是，電化學(xué)電池系統(tǒng)可以具有電串聯(lián)或電并聯(lián)地布置的多個這樣的電池200。在一個實施方案中，電池200中的每一個均流體耦合。在電池200的兩端布置有隔板215、220。在一些實施方案中，隔板215、220可以被稱為雙極板。隔板215、220可以結(jié)合入限定流場的一個或多個結(jié)構(gòu)。在陽極供給電解池中，流場允許流體進(jìn)入(水)和排出(水和氧氣)陽極側(cè)電池200的反應(yīng)室201。在該電池的陰極側(cè)上，流場允許氣態(tài)反應(yīng)物(氫)從反應(yīng)室203流動，并且離開電池。流場210可以由多個部件構(gòu)成，如多孔板302、篩網(wǎng)組或一層或更多層的碳紙或碳布。流場210使得水能夠流動到氧電極230。在電池的陰極側(cè)，流場211可以包括具有溝道的碳插入部308、碳布314、碳紙312的一層或更多層，以有助于從氫電極235流動。
[0029]反應(yīng)室201、203的周緣由成對的框架構(gòu)件320限定。在示例性實施方案中，在電池200的陽極側(cè)上的框架構(gòu)件320與在電池的陰極側(cè)上的框架構(gòu)件320相同。如以下更詳細(xì)地討論的，在MEA 205的相反側(cè)上的框架構(gòu)件320的取向被取向為使得來自一個框架的通道能夠被流體耦合到相鄰的框架構(gòu)件320的端口。在一個實施方案中，當(dāng)多個電池200串聯(lián)布置時，框架構(gòu)件沿電池系統(tǒng)的長度交替取向以使得相鄰的通道和端口能夠直接流體耦合。
[0030]應(yīng)當(dāng)理解的是，期望使電池200相對于外部環(huán)境密封。通過密封反應(yīng)室201、203，在操作期間形成的內(nèi)部壓力不會導(dǎo)致反應(yīng)物或產(chǎn)物從系統(tǒng)中流出，而是會以受控和期望的方式被傳輸和接收。為了有助于電池200的密封，襯墊321被布置在隔板215、220與相鄰的框架構(gòu)件320之間。襯墊321可以包括通道和端口，以使得反應(yīng)物(水)和產(chǎn)物(氫氣)能夠通過在隔板215、220和框架320中的類似開口被轉(zhuǎn)移進(jìn)或轉(zhuǎn)移出電池200。
[0031]類似地，在框架構(gòu)件320與膜240之間的界面還包括分別在電池200的陽極側(cè)和陰極側(cè)的襯墊324、326。如參照圖5清楚可見，框架構(gòu)件320中的每一個均包括嚙合相鄰的襯墊321、324、326的一個或多個固著楔(cleat)構(gòu)件327。在示例性實施方案中，固著楔327的高度“H”標(biāo)稱等于或小于襯墊326、326的厚度“T”。在一個實施方案中，在電池200被預(yù)加載的情況下，固著楔327穿透膜240 ο固著楔327有助于防止襯墊326、324在操作壓力下向外移動(蠕變)。應(yīng)當(dāng)理解，這種布置提供了另外的優(yōu)點(diǎn):固著楔327不穿透，或至少基本上不穿透膜240。這使得能夠使用比現(xiàn)有技術(shù)器件中的膜更薄的膜。另外，由于固著楔327不穿透，或至少基本上不穿透膜240，所以固著楔327可以軸向?qū)?zhǔn)，并且在電池200被預(yù)加載的情況下相互不干擾。另外的優(yōu)點(diǎn)可以通過使得固著楔327軸向?qū)?zhǔn)來獲得:在電池200的陽極側(cè)和陰極側(cè)兩側(cè)上可以使用相同的框架構(gòu)件320。
[0032]還應(yīng)當(dāng)理解的是，襯墊324、326在膜240的兩側(cè)上的布置提供了如下優(yōu)點(diǎn):在不改變反應(yīng)室201、203的體積的情況下可以改變膜240的厚度。因此在無需修改電池200部件(例如框架構(gòu)件、襯墊、流場)的剩余部分的情況下，可以改變膜240。
[0033]現(xiàn)在參照圖6至圖7，示出了用于圖3至圖5的電池200的框架構(gòu)件320的示例性實施方案。在示例性實施方案中，框架構(gòu)件320是大致正方形的。然而，例如，在其他實施方案中，框架構(gòu)件320可以具有其他幾何形狀，例如但不限于圓形或矩形?？蚣軜?gòu)件320包括周部354。多個圓形開口 356圍繞該周部354設(shè)置。開口 356被制成接收如本領(lǐng)域中已知的連接桿構(gòu)件(未示出)的尺寸，以提供在電池200上的夾持壓力至所需的預(yù)加載的水平。周部354的內(nèi)邊緣355限定了中心開口357。在示例性實施方案中，中心開口357限定了各個陽極或陰極反應(yīng)室的顯著部分。在框架構(gòu)件320的一個角中，開口 356A形成為具有稍小的直徑，以及較小的容差。另一開口 356B形成為細(xì)長槽。開口 356、356A、356B的布置使得能夠精確組裝，而不會因容差疊加而具有過度約束的情況。在一個實施方案中，框架構(gòu)件320可以與在與本申請同時提交的共同擁有的題為“電化學(xué)電池(Electrochemical Cell)”的共同未決的美國專利申請(代理案卷號PES0349US)中所述的框架構(gòu)件是相同的。
[0034]在開口 356與邊緣355之間布置有一組通道開口 558和一組端口開口 560。在一組通道開口 558中的每一個與開口 357之間延伸有多個流動溝道362。流動溝道362朝向框架構(gòu)件320的中心區(qū)域取向以限定流體流入和流出電池200的流動路徑。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)框架構(gòu)件320被布置在電池200的陽極側(cè)上時，流動溝道362A使得反應(yīng)物(例如水)從由通道開口 558限定的導(dǎo)管流動并且進(jìn)入由隔板220的突起300(圖3)限定的流場。反應(yīng)物跨電池200的寬度流動，其中反應(yīng)物的一部分被電極230電解。所產(chǎn)生的陽極產(chǎn)物(水加氧氣)被傳輸?shù)搅鲃訙系?62B并且進(jìn)入混合物離開電池200的連接開口 558。
[0035]類似地，當(dāng)框架構(gòu)件320被用在電池200的陰極側(cè)上時，陰極產(chǎn)物(氫氣)形成在陰極電極235(圖3)處。氫氣流經(jīng)碳紙和纖維312、324并且進(jìn)入形成在碳插入物中的溝道(未示出)至流動溝道362，使得氫氣能夠離開電池200 ο在示例性實施方案中，各個矩形開口 358流體耦合到八個(8)流動溝道362，其中流動溝道362中的每一個具有0.020英寸(0.508毫米)的寬度和0.020英寸(0.508毫米)的深度。
[0036]在一個實施方案中，框架構(gòu)件320包括從與膜240相鄰的框架構(gòu)件的內(nèi)邊緣延伸的唇緣318。唇緣318圍繞框架構(gòu)件的整個周緣延伸至中心開口中。
[0037]如上所討論的，相同的框架部件320可以在電池200的陽極側(cè)和陰極側(cè)兩側(cè)上使用。應(yīng)當(dāng)理解的是，期望的是保持陰極產(chǎn)物(例如氫氣)分離于反應(yīng)物(例如水)和陽極產(chǎn)物(例如水和氧氣)。因此，陰極框架構(gòu)件320相對于陽極框架構(gòu)件320旋轉(zhuǎn)90度。以這種方式，陽極通道開口 558與陰極端口開口 560沿軸向?qū)?zhǔn)。在具有一組電池200的實施方案中，框架構(gòu)件357的取向的這種交替產(chǎn)生了用于陰極產(chǎn)物(例如氫)與反應(yīng)物(例如水)和陽極產(chǎn)物(例如水和氧氣)的一組單獨(dú)的通道，同時在電池200的兩側(cè)上使用相同的框架構(gòu)件320。
[0038]應(yīng)當(dāng)理解，期望不僅使電池200相對于外部環(huán)境密封，而且期望使通道開口 558、端口開口 560、中心開口 357和連接桿開口 356彼此密封。在示例性實施方案中，框架構(gòu)件320包括被布置成圍繞每個開口 356、358、360的多個不同的密封固著楔372、374、376。在該實施方案中，固著楔374圍繞開口 558和中心開口 357的周緣延伸。密封固著楔372、374、376中的每一個可以包括圍繞開口 356、358、360的周緣延伸的多個脊?fàn)钗?。例如，這些脊?fàn)钗飮Ш弦r墊構(gòu)件，如密封件32、324、326。如上所討論的，密封固著楔372、374、376還有助于在操作壓力下將襯墊/密封件和膜保持在原位。
[0039]現(xiàn)在參照圖8，示出了示例性襯墊324。應(yīng)當(dāng)理解，雖然本文中討論了襯墊324，但是襯墊324的結(jié)構(gòu)同樣適用于襯墊326和襯墊321。在一個實施方案中，襯墊324和襯墊326是相同的。襯墊324通常是具有周部400的平面構(gòu)件。周部400的內(nèi)邊緣404限定了中心開口406。在示例性實施方案中，內(nèi)邊緣404延伸穿過(向內(nèi)的)框架唇緣318的內(nèi)周。圍繞周部布置有多個開口 402。開口 402被布置成與框架構(gòu)件320的開口 356的軸向?qū)?zhǔn)。類似于框架構(gòu)件320，襯墊324還具有槽402A和緊密容差(tightly tolerance)開口402B，使得電池200能夠被組裝而不會由于容差疊加而具有過度約束的情況。第一對相反的通道開口 408被布置在中心開口 406的相反側(cè)。第二對相反端口開口 410也被布置在中心開口的相反側(cè)。開口 408、410被布置成與框架構(gòu)件320中的相應(yīng)的端口開口和通道開口軸向?qū)?zhǔn)，其他襯墊321、326和隔板215、220使得反應(yīng)物、陽極產(chǎn)物和陰極產(chǎn)物能夠被轉(zhuǎn)移到電池200和離開電池200。
[0040]雖然已經(jīng)結(jié)合僅有限個實施方案對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)地描述，但是應(yīng)當(dāng)容易理解的是，本發(fā)明不限于這些公開的實施方案。相反，本發(fā)明可以修改以并入此前未描述的任何數(shù)量的變化、替代、替換或等效布置，但與本發(fā)明的精神和范圍相稱。此外，雖然對本發(fā)明的各個實施方案進(jìn)行了描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的方面可以包括僅一些所述的實施方案。因此，本發(fā)明不應(yīng)被視為由前述描述限定，而是僅由所附權(quán)利要求書的范圍限定。
【主權(quán)項】
1.一種電化學(xué)電池，包括: 第一框架，所述第一框架具有布置在一側(cè)上的至少一個第一固著楔結(jié)構(gòu)，所述至少一個第一固著楔結(jié)構(gòu)具有第一高度； 第二框架，所述第二框架具有布置在一側(cè)上的至少一個第二固著楔結(jié)構(gòu)，所述至少一個第二固著楔結(jié)構(gòu)具有第二高度； 設(shè)置在所述第一框架與所述第二框架之間的膜電極組合件(MEA)，所述MEA具有設(shè)置在膜的第一側(cè)上的第一電極，所述MEA還具有與所述第一電極相反地設(shè)置在第二側(cè)上的第二電極； 設(shè)置在所述膜與所述第一框架之間的第一襯墊，所述第一襯墊嚙合所述至少一個第一固著楔結(jié)構(gòu)；以及 設(shè)置在所述膜與所述第二框架之間的第二襯墊，所述第二襯墊嚙合所述至少一個第二固著楔結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)電池，其中: 所述第一襯墊的厚度等于或大于所述第一高度的25% ;并且 所述第二襯墊的厚度等于或大于所述第二高度的25%。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學(xué)電池，其中所述第一框架與所述第二框架相同。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)電池，其中所述第一框架包括沿著相鄰于所述第一襯墊的側(cè)的第一唇緣，所述唇緣延伸遠(yuǎn)離所述第一框架的外周，其中所述第一唇緣的內(nèi)周大于所述第一襯墊的內(nèi)邊緣。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電化學(xué)電池，其中所述第二框架包括沿著相鄰于所述第二襯墊的側(cè)的第二唇緣，所述第二唇緣延伸遠(yuǎn)離所述第二框架的外周，其中所述第二唇緣的內(nèi)周大于所述第二襯墊的內(nèi)邊緣。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電化學(xué)電池，其中所述第一框架和所述第二框架各自具有延伸穿過所述第一框架和所述第二框架的多個開口，所述第一框架具有圍繞所述第一框架中的所述多個開口中的每一個延伸的至少一個第三固著楔結(jié)構(gòu)，并且所述第二框架具有圍繞所述第二框架中的所述多個開口中的每一個延伸的至少一個第四固著楔結(jié)構(gòu)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)電池，其中所述膜、所述第一襯墊和所述第二襯墊協(xié)作以形成所述第一框架與所述第二框架之間的密封。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)電池，其中所述至少一個第一固著楔結(jié)構(gòu)穿透入所述第一襯墊，所述至少一個第二固著楔結(jié)構(gòu)穿透入所述第二襯墊。9.一種電化學(xué)電池，包括: 設(shè)置在第一框架與第二框架之間的膜電極組合件(MEA)，所述MEA具有設(shè)置在膜的第一側(cè)上的第一電極，所述MEA還具有與所述第一電極相反地設(shè)置在第二側(cè)上的第二電極； 接觸所述第一側(cè)的第一襯墊； 接觸所述第二側(cè)的第二襯墊；以及 成對的相同的框架構(gòu)件，每一個框架構(gòu)件布置在所述MEA的相反側(cè)上，其中所述成對的相同的框架構(gòu)件包括接觸所述第一襯墊的第一框架構(gòu)件，以及接觸所述第二襯墊的第二框架構(gòu)件，其中所述膜、所述第一襯墊和所述第二襯墊協(xié)作以限定跨所述成對的相同的框架構(gòu)件的寬度的密封。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電化學(xué)電池，其中所述成對的框架構(gòu)件中的每一個包括中心開口和從一側(cè)延伸的至少一個第一固著楔構(gòu)件，所述至少一個第一固著楔構(gòu)件被設(shè)置成圍繞所述中心開口的周緣，所述至少一個第一固著楔構(gòu)件中的每一個嚙合所述第一襯墊和所述第二襯墊中之一。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電化學(xué)電池，其中所述成對的框架構(gòu)件中的每一個還包括第一多個通道開口和相對的第二多個通道開口，所述第一多個通道開口和所述第二多個通道開口設(shè)置在所述至少一個第一固著楔構(gòu)件與所述中心開口之間，所述成對的框架構(gòu)件中的每一個還包括在所述第一多個通道開口與所述第二多個通道開口之間的多個溝道。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電化學(xué)電池，其中所述成對的框架構(gòu)件中的每一個包括第一多個端口和相對的第二多個端口，所述第一多個端口和所述第二多個端口設(shè)置在所述至少一個第一固著楔構(gòu)件與所述中心開口之間，所述第一多個端口和所述第二多個端口相對于所述第一多個通道開口和所述第二多個通道開口旋轉(zhuǎn)90度。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電化學(xué)電池，其中所述第一框架構(gòu)件的所述第一多個通道開口流體耦合到所述第二框架構(gòu)件中的所述第一多個端口，在所述第一框架構(gòu)件中的所述第二多個通道開口流體耦合到所述第二框架構(gòu)件中的所述第二多個端口。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電化學(xué)電池，其中所述成對的框架構(gòu)件中的每一個還包括設(shè)置成圍繞所述第一多個端口的周緣的至少一個第二固著楔構(gòu)件和設(shè)置成圍繞所述第二多個端口的周緣的至少一個第三固著楔構(gòu)件，所述至少一個第二固著楔構(gòu)件和所述至少一個第三固著楔構(gòu)件嚙合所述第一襯墊和所述第二襯墊中之一。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電化學(xué)電池，其中所述成對的框架構(gòu)件中的每一個包括設(shè)置成圍繞框架周緣的多個開口，所述多個開口被設(shè)置成距所述中心開口的距離大于距所述第一多個通道開口、所述第二多個通道開口、所述第一多個端口和所述第二多個端口的距離。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電化學(xué)電池，其中所述成對的框架構(gòu)件中的每一個包括設(shè)置成圍繞所述多個開口中的每一個的周緣的至少一個第四固著楔構(gòu)件。
【文檔編號】H01M8/0273GK106030882SQ201580009281
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年2月13日
【發(fā)明人】安德魯·勒默爾, 布蘭克·卡特, 盧克·多爾頓
【申請人】質(zhì)子能體系股份有限公司