用于固态压缩器的电池板组件、固态压缩器和用于操作固态压缩器的方法与流程

本发明涉及用于邻接固态压缩器的膜电极组件的阳极侧的电池板组件。本发明还涉及用于根据本发明的电池板组件中的第一电池板和第二电池板。本发明还涉及用于电化学地压缩流体的固态压缩器，该固态压缩器包括根据本发明的电池板组件。最后，本发明涉及用于操作此类固态压缩器的方法。

背景技术：

在常规机械压缩器利用机械器具(例如活塞或转子)来压缩流体的情况下，固态压缩器依赖于所述流体利用离子输送机制穿过膜的电化学输送。为以电化学方式压缩工作流体，固态压缩器通常包括压缩器电池，该压缩器电池由一个或多个所堆叠膜电极组件(还已知为mea)构成。mea的电极连接至功率源以用于维持横穿电极的电势差。这种电势差为必需的，以使电离工作流体抵着压力梯度(跨膜存在)电化学地移动通过质子交换膜(通常称为pem)。电流的方向据此确定了离子输送的方向，其中低压工作流体在带正电阳极处进行电离并且在mea的高压阴极侧处与所分离电子进行重新组合。

相比于机械压缩器，固态压缩器具有多个显著优点。即，固态压缩器不具有移动部分并且通常具有紧凑设计。此外，固态压缩器允许以超出机械压缩器的效率的操作效率将流体压缩至非常大压力(达到和高于1000巴)。作为额外优点，电化学压缩还导致工作流体的净化，因为膜仅允许输送电离工作流体。

周知固态压缩器为电化学氢气压缩器，其中氢气进给至膜电极组件并且氧化成质子和电子。然后，将质子驱动通过膜，并且电子通过外部电路来转移，此后质子和电子还原成分子氢气。在本过程中，氢气抵着压力梯度从低压区域移动至高压区域，从而导致横穿膜的压力上升。然而，其它工作流体(例如水或氨)的压缩也为可能的。

关于工作流体至膜电极组件的低压(阳极)侧的供应，工作流体通常输送通过多个通道，该多个通道平行于膜电极组件运行(run)。这些通道可以逐流配置进行布置，其中通道在一侧连接至进给管线以用于将工作流体进给至多个通道，并且在相对侧连接至排出管线以用于排放未输送通过该膜的小部分的工作流体。这种逐流配置的可能缺点为，再循环过程可为必需的，以用于使通过排出管所聚集的过量工作流体再循环。

作为替代方式，通道可以闭塞端部配置进行布置，其中通道在一侧连接至进给管线，但其中所述通道的相对侧设计为闭塞端部。这种流场设计迫使工作流体仅穿过膜，而非允许小部分的工作流体绕过该膜。这种通道配置的优点在于，对于如上文所述及的再循环过程的需求得以避免。然而，这种通道配置具有涉及以下事实的其自身缺点：质子交换膜具有净化功能，从而仅允许电离工作流体的输送。

工作流体的进给料流将为非完全纯净的。工作流体中所存在的任何杂质(例如氮气和液体水)将在通道的闭塞端部附近积聚，因为杂质不可移动通过膜。因此，积聚杂质将至少部分地阻塞工作流体在闭塞端部方向上的净流动，从而减少工作流体穿过膜的质量输送。工作流体的这种非最佳质量输送直接地影响固态压缩器的效率和生产率。

技术实现要素：

因此，本发明的目标是改善工作流体至膜电极组件的低压(阳极)侧的供应，或至少提供上述解决方案的替代形式。

本发明随之提出了一种用于邻接固态压缩器的膜电极组件的阳极侧的电池板组件，该电池板组件包括：第一电池板，该第一电池板具有并入其中的第一通道结构，该第一通道结构包括多个通道，该多个通道在电池板的至少一部分上延伸并且平行于电池板的第一表面运行；第二电池板，该第二电池板包括接合(interface)第一电池板的第一表面的第一表面，并且具有并入其中的第二通道结构，该第二通道结构包括多个通道，该多个通道在电池板的至少一部分上延伸并且平行于电池板的第一表面运行；其中相应通道结构的通道在第一电池板和第二电池板的接合表面处互连，并且其中第二电池板包括多个通路，该多个通路使并入其中的第二通道结构连接第二电池板的第二表面，该第二表面与第二电池板的第一表面相对，其中并入第二电池板中的通道与并入第一电池板中的通道围成角度。

根据本发明的通道应理解为凹陷部，该凹陷部具有小于第一电池板距第一表面的厚度的深度。

换句话讲，因此，根据本发明的装置包括第一电池板，该第一电池板具有长度和深度，包括并入其中的第一通道结构(该第一通道结构包括多个通道，该多个通道在电池板的至少一部分(至少具有大于第一电池板的一半长度的长度)上延伸并且平行于电池板的第一表面运行，其中该多个通道以小于第一电池板距第一表面的深度的深度进行凹陷)，并且平行于电池板的第一表面运行；并且还包括第二电池板，该第二电池板具有长度和深度，包括接合第一电池板的第一表面的第一表面，并且具有并入其中的第二通道结构，该第二通道结构包括多个通道，该多个通道以小于第二电池板的深度的深度进行凹陷并且从而形成从电池板的第一表面穿过该板的部分凹陷通道，该部分凹陷通道在电池板的至少一部分上延伸并且沿着接合表面平行于电池板的第一表面运行。

这种配置优化了工作流体分布，使得该工作流体在穿过多个通路之前以最佳方式分布至第二电池板的第二表面。优选地，通道优选地至少具有大于第一电池板的一半长度的长度。

固态压缩器的核心为膜电极组件，该膜电极组件包括夹置于两个电极之间的质子交换膜，这两个电极分别构成了阳极和阴极。上述电池板组件位于阳极侧处，该阳极侧构成了膜电极组件的低压侧。电池板组件作用为流场板组件，低压工作流体借助于该流场板组件通过第一电池板和第二电池板的通道供应至所述阳极侧。电池板组件的第二电池板的第二表面据此面向膜电极组件，并且以可能配置直接地接触所述膜电极组件。

工作流体首先穿过第一电池板的通道结构的多个通道。这些通道通常彼此平行运行，使得独立通道未彼此交叉。由于通道平行于电池板的第一表面在该电池板的至少一部分上延伸，该第一表面平行于膜表面运行，工作流体在沿着膜表面的方向上输送通过所述通道。第二电池板对接(接触)第一电池板，第一表面接合其第一表面。第一电池板和第二电池板的通道结构在本接合表面处互连，从而使工作流体能够流动至第二电池板通道结构的通道中。由于后者通道结构的通道平行于电池板的第一表面在该电池板的至少一部分上延伸，该第一表面也平行于膜表面运行，工作流体在沿着膜表面的方向上输送通过所述通道。第二电池板的通道结构的多个通道还通常彼此平行运行，使得独立通道未彼此交叉。

假设并入第二电池板中的通道与并入第一电池板中的通道围成角度，工作流体的流动方向在所述通道之间将为不同的。所围成角度据此必须理解为0度之外的任何角度，从而引起第一和第二电池板通道接头的通道交叉。在交叉点处，第二电池板的通道连接第一电池板的通道，从而互连第一电池板的通道结构的不同平行通道。因此，第一电池板的独立通道的工作流体将通过第二电池板的通道进行侧向地重新分布，从而增强膜表面上的治疗输送的均匀性。此外，由于工作流体的重新分布，工作流体中所存在的杂质也将更均匀地分布于第二电池板的通道上。因此，积聚杂质将在较小程度上影响工作流体在膜表面上的分布。因为积聚杂质对于工作流体在膜表面上的分布和因此压缩器性能具有较小影响，所以通道结构的清洁可以延长间隔来执行。

通道结构的清洁通过吹扫(purge)来执行，该吹扫需要允许工作流体在反向方向上流动通过通道。这可通过以下方式来实现：逆转电流的方向，改变电极的极性，和从而逆转工作流体穿过膜的电化学输送。由于第一电池板通道结构的独立通道借助于第二电池板通道结构的通道的互连，吹扫效率得以改善。即，互连将消除所互连通道结构的通道中的任何闭塞端部，该闭塞端部将以其它方式捕集工作流体中所存在的杂质。由于不存在闭塞端部，工作流体和其中的任何杂质的回流现能够在单个方向上流动，从而清理通道。

可能的是，第二通道结构的通道大体垂直于第一通道结构的通道运行，从而意味着第二通道结构的通道和第一通道结构的通道围成约90度的角度。允许第一和第二电池板通道结构的通道以大约90°角度交叉将导致工作流体在第二板通道结构的通道上的甚至更均匀侧向重新分布。此外，通道的垂直布置形成了通道之间的最小重叠量，该最小重叠量继而将导致较强构造，该较强构造能够更佳地应对存在于通道的内侧和外侧之间的极大压力差。即，电池板所经受的压力通常等于或超出膜电极组件的阴极侧处的加压工作流体的压力，同时电池板组件的通道内侧的压力等于低压工作流体的压力。

在根据本发明的电池板组件的优选实施例中，第一通道结构的通道具有超出第二通道结构的通道直径的直径。从质量输送视角，第一通道结构的较粗通道为优选的，换句话讲，因为这些通道的较大直径允许工作流体的较大流速并且使通道由于积聚杂质的堵塞最小化。另一方面，第二电池板的较细通道结构允许工作流体在第二电池板表面上的更均匀分布，同时仍保持对于处理压力差所需的负荷承载能力。

第二通道结构的后续通道之间的间距通常选择成小于第一通道结构的后续通道之间的间距。第二电池板通道结构的通道在通道的侧部(面向第二电池板的第二表面)处具有沿着其长度的孔，从而产生连接通道与第二电池板第二表面的通路。这些孔的均匀散布和其间的小间距将改善工作流体在膜表面的阳极侧上的分布。因此，两个相邻通道的孔之间的间距优选地保持尽可能小，这通过相邻第二电池板通道之间的小间距来实现。然而，仅在这些第二电池板通道的直径保持小于第一电池板通道的进一步隔开但较大直径以避免由于开放间距过大而影响电池板完整性的情况下，本较小间距为可能的。

如上文所述及，第二电池板通道结构的通道沿着其长度提供有小孔，以允许工作流体扩散至第二电池板的第二表面。如果这些孔为足够小的(通常在100微米或更小的范围内)，那么第二电池板能够直接地支撑膜电极组件。由于低压工作流体和压缩工作流体之间的压力差通常为非常高的，膜电极组件的不同侧部上存在等同高的压力差。因此，膜(通常由薄聚合物层组成)需充分地支撑。在第二电池板通道中的孔太大的情况下，在大压力差的影响条件下，将膜推动穿过这些孔，这可导致膜的破裂。

第一电池板通道结构通常连接至进给管线以用于将工作流体进给至所述通道结构的通道。本进给管线经由所述进给管线的一个或多个分部可连接至通道结构的独立通道。通常，进给管线相比于第一电池板通道结构的通道具有较大直径，以具有将工作流体供应至所述第一电池板通道的每一者的足够能力。

作为增加供应能力的另一方式，第一电池板通道结构可连接到至少两个独立进给管线，每个进给管线连接至通道结构的不同和优选相对端部。在第一电池板通道结构的多个端部处向其进料的另一优点在于，可实现工作流体在通道结构的通道上的更佳质量输送分布。

在电池板组件的可能实施例中，第一板通道结构包括两个独立通道系统，每个通道系统连接至独立进给管线的不同一者，其中独立通道系统的通道为端部闭塞的。利用通道系统的这种闭塞配置，第一电池板的通道中的工作流体将在单个方向上从单个进给管线流动朝向第二电池板通道结构的通道，这有益于工作流体的通过量。通过利用多个通道系统，所供应工作流体可分布于多个进给管线上，同时每个通道系统保持仅连接至单个供给管线。

只要第二电池板的通道结构未重新分布工作流体中所存在的任何杂质，所述杂质将至少部分地积聚于通道的闭塞端部附近，以至于杂质朝向进给管线的扩散速率至少部分地抵消了工作流体朝向闭塞端部的流动。这导致了工作流体在朝向闭塞端部的通道长度上的浓度下降。为重新分布杂质积聚的问题，独立通道系统的通道可彼此围封，从而形成交错通道结构，其中后续通道为不同通道系统的一部分。由于通道系统的这种交错闭塞端部配置，工作流体在膜上的更均匀分布因此可实现，尽管存在积聚杂质。

另选地，通道结构可包括单个连续通道系统，该通道系统的通道在其相对端部处连接至独立进给管线。这种通道配置不存在上述闭塞端部配置所固有的闭塞端部，因此杂质将未局部地积聚于第一电池板通道内侧。因此，杂质将未在与以上述闭塞端部配置的任一者将存在的情况相同的程度上影响工作流体在膜上的分布。还可能的是，进给管线的一者作用为排出管，使得通道以逐流配置来有效地布置。

第一电池板和第二电池板的通道结构可通过细长凹陷部来形成，该细长凹陷部设置于第一电池板和第二电池板的第一表面中。这些细长凹陷部例如通过铣削工艺容易地形成于电池板中，而不影响电池板材料的固有强度和负荷承载能力。通过将第一电池板和第二电池板的相应第一表面的凹陷部分直接地放置于彼此上，形成了闭合通道，该闭合通道在相应电池板的凹陷部相交的位置彼此接触。

本发明还涉及用于根据本发明的电池板组件中的第一电池板。本发明还涉及用于根据本发明的电池板组件中的第二电池板。利用邻接固态压缩器的膜电极组件的阳极侧的此类第一电池板和第二电池板的优点，以及这些电池板的可能表征特征已在上文关于电池板组件进行讨论。

此外，本发明涉及用于电化学地压缩流体的固态压缩器，该固态压缩器包括膜电极组件，该膜电极组件围封于根据本发明的电池板组件和流体收集板之间，其中膜电极组件的阳极侧面向电池板组件的第二电池板的第二表面并且膜电极组件的阴极侧面向流体收集板。流体收集板据此作用于收集所压缩流体并将其输送远离压缩器电池。固态压缩器可取向成使得阳极侧构成了膜电极组件的底部侧，使得电池板组件同样位于膜电极组件的底部侧。然而，还可能的是，固态压缩器取向成使得阳极侧构成了膜电极组件的顶部侧。固态压缩器可为电化学氢气压缩器，而且可配置用于压缩其它工作流体，例如水或氨。这些固态压缩器的工作原理相同之处在于，其通过允许工作流体穿过膜电极组件而压缩该工作流体。

最后，本发明涉及用于操作根据发明的固态压缩器的方法，该方法包括以下步骤：a)经由进给管线将流体进给至第一电池板通道结构的通道，b)使流体从第一电池板通道结构的通道穿行至第二电池板通道结构的通道，c)经由通路将流体从第二电池板通道结构的通道分布于膜电极组件的阳极侧上，d)使流体在膜电极组件的阳极侧处电离，e)使所电离流体穿过膜电极组件的质子交换膜，从而压缩该流体，和f)在膜电极组件的阴极侧处收集压缩流体。用于操作固态压缩器和用于将工作流体供应至膜电极组件的阳极侧的这种方法的优点已相对于根据本发明的电池板组件的不同可能实施例进行特别详细地解释。

该方法可包括连续吹扫步骤，其中步骤a至f以反向次序执行，从而从膜电极组件的阳极侧上的通道结构清除杂质。如关于电池板组件的各种实施例的讨论已述及，第一电池板通道结构的独立通道与第二电池板通道结构的通道的互连改善了吹扫效率。即，互连将有效地清除所互连通道结构的通道中的任何闭塞端部，该闭塞端部将以其它方式捕集工作流体中所存在的杂质。由于不存在闭塞端部，工作流体的回流(通过吹扫来实现)能够在单个方向上流动朝向进料入口(其在吹扫期间充当排出口)，从而带走膜电极组件的阳极侧处的通道中所积聚的任何杂质。

附图说明

为进一步阐明本发明，示例性非限制性实施例将参考附图进行描述。在附图中：

图1示出了根据本发明的电池板组件的第一电池板的第一表面上的透视图，

图2示出了根据本发明的电池板组件的第二电池板的第一表面上的透视图，

图3示出了根据本发明的电池板组件的剖视图，该剖视图垂直于电池板第一表面和第二表面，和

图4a至图4c示出了如根据本发明的电池板组件的电池板所提供的不同可能通道结构配置的示意图。

附图表示本发明的具体示例性实施例，并且不应视为以任何方式或形式限制本发明。在整个描述和附图中，对应附图标号用于对应元件。

具体实施方式

根据本发明的固态压缩器包括膜电极组件，该膜电极组件围封于流体收集板和根据本发明的电池板组件之间以形成压缩器电池。电池板组件包括第一电池板和第二电池板，其中第二电池板邻接膜电极组件的阳极侧。压缩器电池由两个集电板来界定，该集电板分别接合第一电池板和流体收集板。集电板充当贯穿部，以用于将电极电气地连接至电源。压缩器电池在相对侧处夹持于壳体之间，该壳体将压力保持于电池叠堆上。壳体包括两个凸缘，这两个凸缘通过栓接接头阵列在其周边边缘附近进行互连，栓接接头由螺栓和螺母形成。

图1示出了根据本发明的电池板组件的第一电池板20的第一表面21上的透视图，第一电池板20提供有多个突出部22，每个突出部22提供有凹陷部23，凹陷部23能够缠绕压缩器外壳的框架部分，从而将第一电池板20保持于固定位置，该固定位置由第二电池板(参见图3)和压缩器电池的其它部分所勾勒。第一电池板20还提供有用于工作流体进给管线的出口24。出口24各自连接至多个通道25，通道25充当进给管线的分部。这些分部25转入至多个平行通道26中，平行通道26一起构成了第一电池板20的通道结构27。通道26的每一者据此由细长凹陷部形成，该细长凹陷部设置于第一电池板20的第一表面21中。在所示配置中，通道结构27包括两个独立且交错通道系统28、29，该通道系统各自连接至不同工作流体进给管线出口24。然而，其它通道结构配置也为可能的，如图5a至图5c进一步详细地所示。

图2示出了根据本发明的电池板组件的第二电池板30的第一表面31上的透视图，如同第一电池板20，第二电池板30提供有多个突出部32，突出部32提供有凹陷部33，凹陷部33能够缠绕压缩器外壳的框架部分。第二电池板30还提供有用于进给管线的穿过的孔34。第二电池板30还包括多个平行通道35，平行通道35一起构成了第二电池板30的通道结构36。通道35的每一者据此由细长凹陷部形成，该细长凹陷部设置于第二电池板30的第一表面31中。第二电池板通道结构36的连续通道35之间的相互距离小于第一电池板通道结构27的连续通道26之间的相互距离。此外，第二电池板通道结构36的通道35的数量超出第一电池板通道结构27的通道26的数量。

图3示出了根据本发明的电池板组件40的剖视图，该剖视图垂直于电池板第一表面和第二表面。电池板组件40包括第二电池板41和第一电池板42，其中电池板41、42的每一者提供有其自身通道结构43、44。第二电池板通道结构43的通道45垂直于第一电池板通道结构44的通道46运行。通道结构43、44两者的通道45、46据此在其相应电池板41、42的平面中延伸。通道结构43、44两者的通道45、46在其相交点47处互连以产生连续流动路径来将工作流体供应至膜电极组件。第二电池板41还包括多个通路48，通路48连接通道结构43与第二电池板41的第二表面49，第二表面49邻接该膜。还示出了位于相邻膜电极组件的阴极侧处的流体收集板50。流体收集板50提供有孔51以用于将压缩工作流体输送远离压缩器电池。

图4a至图4c示出了如根据本发明的电池板组件的电池板所提供的不同可能通道结构配置的示意图。图5a示出了(等同于图2所示的电池板)第一电池板的通道结构60，通道结构60包括彼此围封的两个通道系统61、62，从而形成交错通道结构60，其中后续通道63为连接至独立流体供给部64的不同通道系统61、62的一部分。通道63的每一者据此为端部闭塞的。然而，由于第二电池板通道结构66的通道65另选地在第一电池板通道63的两个端部处互连第一电池板通道结构60的独立通道63，半逐流配置在吹扫期间得以获得。具有第一电池板通道结构68的端部闭塞通道67的另一配置示出于图5b中。此时，所有通道67形成了连接至单个流体供给部69的单个通道系统的一部分。然而，正如图5b所示的配置，第二电池板通道结构71的通道70互连第一电池板通道结构68的独立通道67。最后，图5c示出了通道配置，其中第一电池板通道结构72包括单个连续通道系统，该通道系统的通道73在其相对端部处连接至独立进给管线74。第一电池板通道结构72据此形成了逐流配置。同样，第一电池板通道结构72的通道73与第二电池板通道结构76的通道75互连。