RU2842269C2 - Мембранно-электродный блок с рамочным уплотнением - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, а именно к мембранно-электродному блоку с рамочным уплотнением, и может быть использовано в сборках топливных элементов. Повышение срока службы мембранно-электродного блока за счет формирования надежного и долговечного уплотнения является техническим результатом, который достигается тем, что блок, включающий в себя систему (1) из двух газодиффузионных электродов (2, 3), между которыми по типу сэндвича расположена мембрана (4), уплотнен посредством первого уплотнения (5) по наружному периметру рамы (6), которая имеет две противоположные друг другу торцевые стороны (7, 8), а также снабжена канальными проемами (9), которые распространяются от первой (7) ко второй торцевой стороне (8) рамы (6), причем эти проемы (9) с торцевой стороны по обе стороны рамы (6) охвачены вторыми уплотнениями (10.1, 10.2, 10.3…) и во время применения блока по назначению уплотнены друг относительно друга. Проемы в раме при применении блока в топливном элементе выполнены конгруэнтно с отверстиями примыкающих с торцевой стороны по обе стороны биполярных пластин, причем эти отверстия в биполярных пластинах образованы впусками и выпусками для охлаждающего средства, а также впусками и выпусками для газа. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение касается блока, включающего в себя систему из двух газодиффузионных электродов, между которыми по типу сэндвича расположена мембрана, причем эта система посредством первого уплотнения уплотненно соединена с охватывающей систему по наружному периметру рамой, и при этом рама имеет две противоположные друг другу торцевые стороны.

Такой блок известен из DE 102013014083 A1. Этот блок представляет собой мембранно-электродный блок. Система охватывается рамой по наружному периметру на расстоянии, причем в образованном этим расстоянием зазоре расположено уплотнение, которое уплотненно соединяет систему и раму. Этот мембранно-электродный блок предусмотрен для топливного элемента.

Рама, как и система, имеет конструкцию по типу сэндвича и включает в себя две наружные части рамы, между которыми расположена внутренняя часть рамы.

Соединение системы с рамой осуществляется с применением процесса запрессовки при повышенной температуре. Уплотнительный материал уплотнения перед проведением процесса запрессовки располагают в направлении запрессовки между наружными частями рамы и ограничивают ими расстояние до системы. Во время процесса запрессовки наружные части рамы движутся друг к другу до тех пор, пока каждая из них не соприкоснется, прилегая, с внутренней частью рамы. При этом жидкотекучий уплотнительный материал запрессовывается в образующий расстояние зазор до тех пор, пока зазор не будет уплотнен и уплотнительный материал не проникнет в ограничение примыкающей системы. Таким образом возникает мембранно-электродный блок как комплекс из системы и рамы посредством уплотнения.

Мембранно-электродный блок удерживается уплотнением внутри рамы.

В основе изобретения лежит задача, усовершенствовать блок вышеназванного рода таким образом, чтобы эксплуатируемая с ним электрохимическая ячейка, в частности топливный элемент, имел более упрощенную конструкцию и был еще проще и еще экономичнее в изготовлении.

Эта задача в соответствии с изобретением решается признаками п.1 формулы изобретения. На предпочтительные варианты осуществления ссылаются пункты формулы изобретения, непосредственно или опосредованно зависящие от п.1 формулы изобретения.

Для решения задачи предусмотрен блок, включающий в себя систему из двух газодиффузионных электродов, между которыми по типу сэндвича расположена мембрана, причем эта система посредством первого уплотнения уплотненно соединена с охватывающей систему по наружному периметру рамой, и при этом рама имеет две противоположные друг другу торцевые стороны, при этом рама имеет канальные проемы, которые распространяются от первой торцевой стороны ко второй торцевой стороне рамы, и причем эти проемы с торцевой стороны по обе стороны рамы охвачены вторыми уплотнениями и во время применения блока по назначению уплотнены друг относительно друга.

При этом предпочтительно, что блок выполнен многофункциональным и благодаря этому имеет другие функции, благодаря которым становится возможной имеющая небольшое количество деталей экономичная конструкция электрохимической ячейки, например, топливного элемента.

Блок выполнен в виде мембранно-электродного блока.

Обычно мембранно-электродный блок, который известен из уровня техники и уже описан, должен уплотняться внутри электрохимической ячейки, например, топливного элемента, с помощью дополнительных и отдельно создаваемых уплотнений. В связи с изготовлением и монтажом уплотнений изготовление ячейки является трудоемким и дорогим. Кроме того, на функцию ячейки могут негативно влиять ошибки монтажа этих других уплотнений.

У предлагаемого изобретением блока эти недостатки предотвращаются. Для этого рама включает в себя канальные проемы, которые распространяются от первой ко второй торцевой стороне рамы, причем эти проемы с торцевой стороны по обе стороны рамы охвачены вторыми уплотнениями.

Система и вторые уплотнения образуют предварительно смонтированный блок.

Проемы в раме при применении блока в топливном элементе выполнены конгруэнтно с отверстиями в примыкающих с торцевой стороны по обе стороны биполярных пластинах, причем эти отверстия в биполярных пластинах образованы впусками и выпусками для охлаждающего средства, а также впусками и выпусками для газа.

Благодаря тому, что проемы и уплотняющие эти проемы вторые уплотнения образуют неотъемлемую (интегральную) составную часть блока, изготовление и монтаж электрохимической ячейки экономичны и упрощены.

Альтернативно может находить применение блок, включающий в себя систему из двух газодиффузионных слоев, между которыми по типу сэндвича расположена покрытая катализатором мембрана, причем эта система посредством первого уплотнения уплотненно соединена с охватывающей систему по наружному периметру рамой, при этом рама имеет две противоположные друг другу торцевые стороны, при этом рама имеет канальные проемы, которые распространяются от первой торцевой стороны ко второй торцевой стороне рамы, и причем эти проемы с торцевой стороны по обе стороны рамы охвачены вторыми уплотнениями и во время применения блока по назначению уплотнены друг относительно друга.

По одному из предпочтительных вариантов осуществления может быть предусмотрено, чтобы вторые уплотнения состояли из эластомерного уплотнительного материала. Эластомерные уплотнительные материалы являются доступными во многих спецификациях часто при низкой стоимости.

По меньшей мере два, предпочтительно все вторые уплотнения могут быть выполнены, цельно (за одно целое) переходя друг в друга, и из единого материала. При этом предпочтительно, что указанные по меньшей мере два, также предпочтительно все уплотнения могут изготавливаться за только один технологический этап, и что благодаря цельности предотвращаются переходы между соседними друг с другом вторыми уплотнениями и связанная с этим опасность неплотностей между вторыми уплотнениями.

Вторые уплотнения могут быть профилированными.

Рама выполнена предпочтительно по типу сэндвича и включает в себя две наружные части рамы, между которыми расположена внутренняя часть рамы. Такая конструкция рамы имеет, как уже описано, то преимущество, что первое уплотнение вследствие запрессовки между наружными частями рамы создает уплотненное соединение между системой и рамой блока.

Конструкция рамы может состоять, например, из термопластичного пленочного материала, такого как полиэстер.

Внутренняя часть рамы по наружному периметру выступает за наружные части рамы и образует таким образом выступающую часть на раме. В этой вступающей части расположены проемы.

Вторые уплотнения уплотненно соединены с внутренней частью рамы и уплотненно охватывают проемы во время применения по назначению электрохимической ячейки, в которой находит применение блок.

Для достижения долговечного и плотного соединения между вторыми уплотнениями и внутренней частью рамы вторые уплотнения предпочтительно соединены с внутренней частью рамы с замыканием материалом и/или с геометрическим замыканием. Для этого может быть предусмотрено, чтобы вторые уплотнения были прилиты под давлением к внутренней части рамы. Таким образом получается соединение с замыканием материалом.

Геометрическое замыкание между вторыми уплотнениями и внутренней рамой может достигаться за счет того, что внутренняя часть рамы имеет крепежные проемы, которые технологически обусловленным образом пронизаны уплотнительным материалом вторых уплотнений. Благодаря этому могут просто изготавливаться вторые уплотнения, которые расположены с торцевой стороны по обе стороны внутренней части рамы.

Описанная ранее концепция целесообразно применима как в топливных элементах, так и в электролизерах или проточных редокс-батареях.

В топливный элемент подаются водород и кислород, так что возникают вода и энергия.

В электролизер, в отличие от этого, подаются вода и энергия, так что возникают водород и кислород.

Проточная редокс-батарея перерабатывает электролитические жидкости в химической реакции (редокс-реакция; окислительно-восстановительная реакция), которая предоставляет полезную электрическую энергию.

Пример осуществления предлагаемого изобретением блока описывается подробнее ниже на схематично изображенных фиг.1 и 2.

На них показано:

фиг.1: схематичное сечение мембранно-электродного блока в соответствии с фиг.2 по линии A-B;

фиг.2: блок с фиг.1 на виде в плане.

На фиг.1 и 2 показан пример осуществления предлагаемого изобретением блока.

На фиг.1 показано сечение A-B с фиг.2.

Блок включает в себя систему 1, которая образована из двух газодиффузионных электродов 2, 3 и мембраны 4, при этом мембрана 4 расположена между газодиффузионными электродами 2, 3 по типу сэндвича. Система 1 охвачена по наружному периметру рамой 6, при этом система 1 уплотненно удерживается в раме 6 посредством первого уплотнения 5.

Рама 6 выполнена составной и включает в себя две наружные части 11, 12 рамы, которые образуют торцевые стороны 7, 8. Между наружными частями 11, 12 рамы по типу сэндвича расположена внутренняя часть 13 рамы.

Во внутренней части 13 рамы расположены канальные проемы 9, которые выполнены конгруэнтно с не изображенными здесь впусками и выпусками биполярных пластин электрохимической ячейки, здесь пакета топливных элементов. Вокруг проемов 9 расположены вторые уплотнения 10.1, 10.2, 10.3, …, причем они выполнены, за одно целое переходя друг в друга, и из единого материала. Вторые уплотнения 10.1, 10.2, 10.3, … расположены с торцевой стороны по обе стороны рамы 6 и уплотняют проемы 9 во время применения блока по назначению, то есть в его встроенном состоянии, друг относительно друга.

Внутренняя часть 13 рамы снабжена крепежными проемами 14, которые пронизаны уплотнительным материалом вторых уплотнений 10.1, 10.2, 10.3, …. Благодаря этому, с одной стороны, вторые уплотнения 10.1, 10.2, 10.3, … могут просто устанавливаться с торцевой стороны по обе стороны рамы 6. С другой стороны, благодаря этому получается долговечное и плотное соединение вторых уплотнений 10.1, 10.2, 10.3, … на внутренней части 13 рамы во время долгого срока службы.

На фиг.2 показан вид в плане блока с фиг.1. Наружные части 11, 12 рамы охватывают систему 1 по наружному периметру, при этом внутренняя часть 13 рамы, которая расположена в плоскости чертежа между наружными частями 11, 12 рамы, выступает по периметру за наружные части 11, 12 рамы. В этой выступающей части внутренней части 13 рамы расположены проемы 9, которые охвачены выполненными за одно целое друг с другом вторыми уплотнениями 10.1, 10.2, 10.3, … с торцевой стороны по обе стороны внутренней части рамы, как изображено на фиг.1.

Claims (11)

1. Мембранно-электродный блок с рамочным уплотнением, включающий в себя систему (1) из двух газодиффузионных электродов (2, 3), между которыми по типу сэндвича расположена мембрана (4), причем эта система (1) посредством первого уплотнения (5) уплотненно соединена с охватывающей систему (1) по наружному периметру рамой (6) и при этом рама (6) имеет две противоположные друг другу торцевые стороны (7, 8), причем рама (6) имеет канальные проемы (9), которые распространяются от первой торцевой стороны (7) ко второй торцевой стороне (8) рамы (6), отличающийся тем, что упомянутые проемы (9) с торцевой стороны по обе стороны рамы (6) охвачены вторыми уплотнениями (10.1, 10.2, 10.3…) и во время применения блока по назначению уплотнены друг относительно друга, причем система (1) уплотненно удерживается в раме (6) посредством первого уплотнения (5).

2. Мембранно-электродный блок с рамочным уплотнением, включающий в себя систему (1) из двух газодиффузионных слоев (2, 3), между которыми по типу сэндвича расположена покрытая катализатором мембрана (4), причем эта система (1) посредством первого уплотнения (5) уплотненно соединена с охватывающей систему (1) по наружному периметру рамой (6) и при этом рама (6) имеет две противоположные друг другу торцевые стороны (7, 8), при этом рама (6) имеет канальные проемы (9), которые распространяются от первой торцевой стороны (7) ко второй торцевой стороне (8) рамы (6), отличающийся тем, что упомянутые проемы (9) с торцевой стороны по обе стороны рамы (6) охвачены вторыми уплотнениями (10.1, 10.2, 10.3, …) и во время применения блока по назначению уплотнены друг относительно друга, причем система (1) уплотненно удерживается в раме (6) посредством первого уплотнения (5).

3. Блок по п.1 или 2, отличающийся тем, что вторые уплотнения (10.1, 10.2, 10.3, …) состоят из эластомерного уплотнительного материала.

4. Блок по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что по меньшей мере два (10.1, 10.2) из вторых уплотнений (10.1, 10.2, 10.3, …) выполнены за одно целое, переходя друг в друга, и из единого материала.

5. Блок по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что все вторые уплотнения (10.1, 10.2, 10.3, …) выполнены за одно целое, переходя друг в друга, и из единого материала.

6. Блок по п.1 или 2, отличающийся тем, что рама (6) выполнена по типу сэндвича.

7. Блок по п.6, отличающийся тем, что рама (6) имеет две наружные части (11, 12) рамы, между которыми расположена внутренняя часть (13) рамы.

8. Блок по одному из пп.1-7, отличающийся тем, что проемы (9) расположены только во внутренней части (13) рамы.

9. Блок по одному из пп.1-8, отличающийся тем, что вторые уплотнения (10.1, 10.2, 10.3, …) уплотненно соединены с внутренней частью (13) рамы и уплотненно охватывают проемы (9).

10. Блок по п.9, отличающийся тем, что вторые уплотнения (10.1, 10.2, 10.3, …) и внутренняя часть (13) рамы соединены с замыканием материалом и/или с геометрическим замыканием.

11. Блок по одному из пп.7-10, отличающийся тем, что внутренняя часть (13) рамы имеет крепежные проемы (14), которые пронизаны уплотнительным материалом вторых уплотнений (10.1, 10.2, 10.3, …).