用于运行电化学电池堆组件的方法与流程

1.本发明涉及一种用于运行电化学电池堆组件、特别是电解槽的方法，其中电化学电池组设置在聚合物电解质膜结构的两个端板之间，还涉及一种用于实施该方法的电化学电池堆组件。


背景技术：

2.在现有技术中将电化学电池堆叠起来，即形成所谓的堆，其夹在所谓的端板之间并例如以燃料电池的形式用于氢气的催化氧化以产生电流，或者在逆反应中以电解电池的形式在采用电流的情况下从水中产生氢气和氧气。在此通常将氢气作为能量载体进行存储。为了尽可能有效地进行产生和存储，人们试图构建堆以使其能够以尽可能高的运行压力运行，因为这样就可以省去对产生的气体的后压缩或者以较小的能耗来进行。电化学电池中的压力越高，作用在堆中的力就越大。这些力通常被设置在大多为长方体形的堆的外侧和角部的拉杆所吸收，拉杆将电化学电池支承在两个端板之间。在此堆结构为，在实际的电化学电池旁形成垂直通道，反应介质通过这些通道引入或引出。在此电解堆通常由水流过，其中一方面将用于电解的初始材料、即水引到膜片上，另一方面对电池堆进行冷却，从而尤其是使聚合物电解质膜不会过热和损坏。
3.这种电池堆的结构属于现有技术的一部分，例如在de 10 2015 205 944和wo 2019/228616 a1中对此有所描述，在此引用作为参考。
4.作为现有技术在jp 2003160891 a中公开了一种这样的电解堆形式的电化学电池堆组件，其中设有活塞/缸组件形式的液压装置，通过该装置可以向电池堆施加力。为此在一个端板中形成圆柱形的凹口，活塞可以驶入该凹口，活塞平坦地贴靠电池堆。通过引入液压流体向活塞/缸组件施加压力可以调节作用在电池堆上的力以及由此在各电池之间有效的密封力。当电池堆内的压力上升到超过预定水平时，为避免破坏密封件的密封作用，这是尤其重要的。此外电池之间的机械压力对于保证串联的电池之间的电连接也是必要的。
5.这种在运行期间液压式的加压的缺点在于，通过根据堆内的内部压力跟踪液压压力会液压地产生高压力，从长远看这会导致密封区域的表面压力过高，从而导致密封流动，由此会对长期密封性能产生负面影响。这种情况与以下布置中的情况类似，其中，端板通过中间连接的蝶形弹簧组预加载从而可以在密封件蠕变时相应地跟踪端板。但这可能导致电池堆过早损坏。


技术实现要素：

6.基于该现有技术，本发明的目的在于，对用于运行电化学电池堆组件、特别是电解堆的方法进行改进，特别是要防止由于不允许的高表面压力而改变密封的预期的结构。
7.此外要实现一种电化学电池堆组件，利用这种电化学电池堆组件可以实现本发明的方法并且避免先前提到的问题。
8.本发明的方法通过具有权利要求1的特征的方法来实现，用于实现该方法的电化
学电池堆组件具有权利要求7给出的特征。本发明的有利实施方式在从属权利要求、以下的描述以及附图中给出。
9.根据本发明的用于运行电化学电池堆组件、特别是运行电解电池堆的方法，具有设置在聚合物电解质膜结构的两个端板之间的电化学电池的堆，设有用于在电池堆中产生压力的至少一个可施加液压的装置，例如活塞/缸组件。根据本发明，在电池堆组件投入运行之前和/或在运行之中，对液压装置施加液压以产生压力。根据本发明，至少一个到装置的加压液压管线然后被关闭并且电池堆组件投入预期的运行。在本发明的意义下，加压管线被理解为用来对液压装置施加压力的管线，在活塞/缸组件中，即典型的对缸进行供给且在施加压力时使活塞驶出的管线。
10.在本发明意义下，端板不必一定理解为板状结构，而是可以理解为任何合适的形状，以在一侧支承电池堆并吸收电池堆中出现的沿堆轴线方向的力，或在该方向上施加相反的力。
11.与现有技术不同，根据本发明的方法通常提供对液压装置施加压力，必要时或者可选地还可以在电池堆组件投入运行期间、即电池堆组件启动时进行。最晚至电池堆组件转换到预期的运行中时，但通常是在此之前，关闭至少一个至装置的加压液压管线。在此关闭不必一定在加压管线的区域内进行，而是还可以在缸一侧或在其他合适的位置进行。在此重要的是，缸和活塞之间的容积是封闭的并且不能进一步改变，即活塞液压地固定在其位置上。由此确保作用在电池堆上的压力不再继续增长且与电池堆组件内部的压力无关。特别是通过根据本发明的方法能够防止在堆内压力继续上升的情况下对端板的跟踪(nachf
ü
hren)，从而可靠地防止了不允许的高表面压力，特别是在密封区域中。
12.本发明方法的基本思想在于，电池堆上对于预期的运行所需的压力直到电池堆组件即将投入运行之前才通过产生相应的压力液压地施加在电池堆上并然后关闭至少一个为液压装置进行供给且产生压力的加压液压管线，从而使液压装置在其沿打开方向的运动中被封闭的压力侧容积所阻止，但在按压方向上不再进一步施加力。由此产生的液压装置的容积恒定确保了有效地防止装置的跟踪，即独立于电池堆中主导的压力关系，尤其是使电池堆的密封件不会由于液压装置的压力而承受更高的负荷。通常在电池堆组件投入运行之前产生压力并由此向液压装置施加压力。但在此的边界是活动的，根据实施的情况加压也可以在电池堆组件投入运行期间分阶段地或连续地进行。还可以考虑在投入运行之前进行第一次加压，而在投入运行期间进行进一步加压。这样最晚当电池堆内的电化学过程达到稳定的条件时至装置的加压液压管线被关闭。由此确保了装置内的容积保持恒定并由此没有通过装置的跟踪，由此在电池堆内也不会出现不允许的高表面压力。
13.根据本发明方法的有利扩展，在预期的运行结束之后，对液压装置再次卸载压力或至少进行减压。这种电解堆例如不是连续运行，而是通常在电力便宜或过剩时运行。由此导致持续时间为数小时或数天的使用间隔。这样当电化学过程中断或结束时，有利的是，对液压装置全部或部分地释放压力，以减轻对电池堆施加的力，由此使得特别是密封件能够再次松弛并可能恢复其原始容积，以便能够在长时间内发挥尽可能高的密封效果。
14.原则上如活塞/缸组件或缸/膜片组件等液压装置被视为完全密封的，因此关闭加压液压管线通常足以确保装置的容积恒定。但根据本发明的有利扩展还可以通过在电池堆组件的预期运行期间的适当措施来确保液压装置中处于压力下的容积保持恒定。这例如可
以通过液压流体的热膨胀来对容积变化进行补偿或者通过液压泄漏进行补偿来调节。
15.为了确保由可施加液压的装置产生的压力一方面不会过高，另一方面又足够高，有利的是利用传感器来确定和/或计算为产生压力而在液压装置中施加的压力。例如可以通过将力传感器结合到堆中或在堆和端板之间来实现传感器确定。可以确定对装置施加的液压并相应于预先确定的值对其进行控制或调节。替代地，也可以提高该压力，直至达到堆2的预先给定的压缩路径。
16.在此用于该方法的液压装置必须是将流体的几乎不可压缩的容积作为支座(widerlager)的液压装置。特别有利的是，液压装置具有至少一个活塞-缸组件，通过该组件实现这一点。
17.根据本发明方法的有利扩展，采用多个并排设置且并联连接的液压单元(例如活塞/缸组件)作为液压装置，它们的液压管线在为获得运行所需的压力而施加压力后单独或成组地被关闭。通过这样的布置尤其可以避免电池堆由于在电池堆的部分区域中部分升高的压力而较其他区域经历更大的膨胀，如其在仅采用一个活塞-缸组件的情况下由于活塞倾斜而造成的。
18.在此活塞/缸组件的并联连接有助于确保所有活塞都行驶相同的长度，其中，通过单独关闭液压管线或成组关闭可以确保没有活塞缩回无论各自的负载如何。
19.根据本发明的电化学电池堆组件，用于实施根据本发明的方法，具有至少一个液压装置，通常是电池堆内的活塞-缸组件，对其可以相应于本发明的方法进行控制。尤其有利的是，电化学电池堆组件、特别是电解堆具有多个聚合物电解质膜类型的、设置在两个端板之间的电化学电池，尤其是电解电池，以及设有液压装置，用于产生电池上的压力，并具有至少两个并排设置的液压单元，它们的液压管线可以彼此独立地关闭。在此必须是可以彼此独立地关闭的加压液压管线。这些液压单元可以并联连接，这样它们可以为了产生电池堆上的压力而一起驶出并被施加相同的液压压力。但对于过后在预期运行中设置的容积常量来说要求这些液压单元的加压管线能够彼此独立地关闭，由此确保当在这些单元受到不同的力时不会产生运动，即对于电池堆形成不可改变的支座。
20.在一有利的实施方式中，电池在俯视图中具有大约矩形的形状，其中，至少在角部区域设有典型的拉杆(zuganker)，它们通过与电池堆结合而固定端板。对于这样的布置尤其有利的是，设置四个液压单元，它们分别作用于电池堆的一个象限。有利的是，这些液压单元，例如活塞/缸组件，能够就其加压管线单独关闭，但是也可以成组关闭，即例如两对液压单元可以分别一起关闭。矩形形状是尤其有利的，因为这使得通常能够最经济地利用用于构建电池的扁平材料。但是还公知有在俯视图中圆形或多边形的电池，它们被构建为端板之间的电池堆，这样在周侧通常设有另外的拉杆。这样，在必要时可以在平面上分布四个或更多或更少的液压单元，它们的加压管线可以单独地或成组地关闭。
21.根据本发明的有利的替代实施方式，对于矩形的电池形状设有五个液压单元，其中的四个分别作用于电池堆的一个象限，而中央液压单元在中间作用于电池堆。在此有利的是，中央液压单元具有比相应的其他液压单元大二至五倍的压力有效面积，从而主要的力由该这样液压单元施加，但采用活塞/缸组件作为中央液压单元时活塞的倾斜被有效地通过环绕的较小的液压单元而避免。
22.特别有利的是，由液压活塞/缸组件构成液压单元，其中，一个或多个缸可以有利地通过一个或必要时两个端板本身形成，而活塞可以可移动地设置在其中。在此流体输送管线可以从相应的端板的背侧连接，截止阀有利地直接设置在端板上，由此提高了系统的液压刚度。由此根据本发明的液压装置可以有利地由活塞/缸组件形式的液压结构单元构成，它们有利地形成在端板内伙子设置在端板和电池堆之间。
23.代替活塞/缸组件还可以采用可施加液压的膜片作为液压单元。这样的膜片通常是金属膜片，一般足以实施施加力所需的小行程。
24.特别有利的是，在根据本发明的扩展的电化学电池堆装置中，液压单元成对地设置，并且它们的液压管线能够相应于它们的设置成对地关闭。在此有利的是，在必要时存在中央液压单元的情况下使中央液压单元的液压管线可以单独关闭。
25.有利的是，使液压单元并联连接并并行地被施加以液压。这样的布置已被证明是可行的，在采用较大的中央液压单元时，与小的液压单元相比，在相同的压力下较大的中央液压单元产生明显更大的力。
附图说明
26.以下根据附图详细描述的实施例进一步描述本发明。图中示出：
27.图1以非常简化的示意性截面图示出了pem型电解堆的纵向截面，
28.图2以高度示意的俯视图示出了穿过图1的电池堆组件、在端板的圆柱形区域中的截面，
29.图3示出了根据图2的、具有四个活塞/缸组件的实施方式的截面，以及
30.图4示出了根据图2的、具有五个活塞/缸组件的实施方式的截面。
具体实施方式
31.图1非常示意地示出了pem型的、具有多个上下堆叠设置的且串联电连接的电解电池1的电解槽。图中示出7个电解电池1，它们代表大量电解电池，如在实践中例如将100至250个电解电池1堆叠成一个堆。电池的构造属于现有技术，因此这里不再赘述，可以参考wo 2019/228616 a1和本技术人的pct申请号为pct/ep2019/082449的pct专利申请。
32.在由电解电池1构成是电池堆2内存在的用于供应水和排出及收集反应气体氧和氢的通道未示出。pem型的电解电池1的堆2夹紧在两个端板3和4之间。两个端板3和4横向伸出长方体形堆2，在突出的区域中设有夹紧螺栓5，夹紧螺栓5穿过端板中的凹口6并在端部设有螺母7，端板3,4通过螺母7彼此夹而紧封闭堆2。
33.图1中上端板4具有圆柱形的、朝向堆2开放的凹口8，活塞9可以在凹口8中在堆轴线10的方向上移动。活塞9具有周向延伸的凹槽11，活塞环12集成在该凹槽11中，活塞环12将活塞9相对于凹口8的缸壁密封。
34.活塞9用于向堆2施加力并形成液压装置。缸凹口8通过端板4端壁中的管线孔13经由阀14与加压管线15、即液压源连接。阀14是电控的。
35.在电解装置投入运行前，加压管线15通过阀14和管线13与端板4中的缸室8连接，由此使活塞9驶出并在堆2上施加压力。对液压源的压力进行控制，使压力相当于事先确定的压力。必要时可以在活塞9和堆2之间或堆2和端板3之间或者在电池1和堆2之间设置力传
感器或路径测量装置，通过它们可以控制或调节施加在活塞9上的液压压力。一旦对于电解槽的预期用途达到施加到电解电池1的堆2上的力，阀14就被置于图1中示出的截止位置，在该位置管线13被关闭，即与液压源的加压管线15分开。因此封闭在活塞9和缸凹口8之间的容积是固定的，即由于被视为不可压缩的缸凹口8内的液压流体以及管线13，活塞9形成对于堆2的支座(widerlager)。通过活塞9实现的对于堆2的挤压，即对电池1的密封件的压缩保持恒定，而与堆2内的压力条件无关。
36.图1示出与描述的装置具有中央活塞/缸组件8,9，其在图2中示意性地示出，其中截止阀用附图标记14表示，液压源通过液压泵16符号化地表示。如图所示，图2中仅示出端板4，端板具有矩形形状。通过端板夹紧的电解电池1的堆2同样具有矩形形状，但在端板区域中环绕有多个凹口6，相应的夹紧螺栓5分别被引导通过凹口6并借助螺母7固定。
37.在上述类型的电解槽中，以高压运行多个电解电池1，需要对堆进行强冷却。这通过水来实现，水从侧17被泵入堆2并在堆的侧18再次排出，在此，水的一小部分在电化学过程中转化为氧气和水。由于水在输入侧17是以提高的压力被压入堆2的，因此在运行中在堆2的侧17施加在活塞9上的力高于在另一侧18上的力。这对于具有较大直径的活塞9会造成活塞9的倾斜，即使只有很小的倾斜，由此会使堆2内部的力关系改变，而这是不希望的，因为密封件应以恒定的压力被压在堆2的整个环周上。
38.为了避免此问题，在借助图3示出的实施方式中设有四个活塞/缸组件8a,9a形式的液压单元。在此当阀14a打开时四个活塞/缸组件8a,9a被并行地施以压力，从而该活塞/缸组件8a,9a的活塞9a分别产生相同的压力。然后借助两个阀14a将它们成对地关闭，从而不管堆2内部的力分布如何，在堆2的四个象限的每一个中都有一个活塞9a作为支座工作。在此成对设置和与截止阀14a的连接实施为，与堆2的侧17相邻的缸室8a由阀14a关闭，而与堆2的另一侧18相邻的缸室8a由另一阀14a关闭。在侧17，以高压输入水，而在侧18则以较低的压力排出水。因此在堆2内由侧17向轴线10方向发出的力大于靠近侧18的力。由于活塞8a成对设置并分别借助一个阀14a关闭，因此在两侧形成与堆2内的力作用无关的支座。
39.在图4示出的实施方式中，除了具有缸凹口8的这样活塞/缸组件8，9还有四个设置在堆2的角部区域中的活塞/缸组件8b,9b。在此活塞/缸组件8b,9b如在图3所示的实施方式中那样分别成对地由一个阀14b关闭并且中央活塞/缸组件8，9同样可通过单独的阀14关闭。在此设置在堆2角部区域中的具有较小直径的活塞/缸组件8b/9b用于形成所需的支座，以便在堆2在侧17或侧18附近受到不同的负荷时防止活塞9倾斜。
40.附图标记列表
41.1pem型电解电池
42.2电解电池堆，堆
43.3图1中的下端板
44.4图1中的上端板
45.5夹紧螺栓
46.6端板中的凹口
47.7螺母
48.8圆柱形凹口
49.8a图3中的圆柱形凹口
50.8b图4中的圆柱形凹口
51.9大活塞
52.9a图3中的小活塞
53.9b图4中的小活塞
54.10堆的中心纵轴线
55.11活塞9的槽
56.12活塞环
57.13端板4中的管线孔
58.14截止阀
59.14a图3中的截止阀
60.14b图4中小活塞的截止阀
61.15加压线
62.16液压供给
63.17电解电池堆2的供水侧
64.18电解电池堆2的排水侧。