[发明专利]电解设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括阴离子或者质子交换膜的电解设备(比如高温电解器)。

本发明更具体地涉及包括基本组件堆叠的高温电解器，该堆叠由也称为互连器的双极板分离的阴极、电解质和阳极组成，这些双极板具体保证在各种基本组件之间的电连接。

本发明还可以涉及燃料电池，高温电解器的技术发展直接适用于这些燃料电池。

背景技术

例如固体氧化物电解器电池(SOEC)类型或者燃料电池的高温电解器的当前技术基于使用两个电传导和有孔电极，这些电极由电绝缘和离子(阴离子或者质子)传导的电解质膜分离，从而形成称为基本组件的结构。

为了提高这样的组件的效率，已知堆叠若干基本组件并且电串联连接它们，不同基本组件借助其功能为传导电的双极板来分离。

每个双极板具有与基本组件的阳极表面接触的一个表面和与基本组件的阴极表面接触的一个表面。电解设备由基本组件堆叠组成，每个基本组件夹在两个双极板之间，其中第一双极板必须具有与基本组件的阴极表面的良好电接触，并且第二双极板必须具有与相同基本组件的阳极表面的良好电接触。

除了它们的保证在电解设备以内的各种基本组件之间电连接的功能之外，双极板还必须执行附加功能，比如保证连续供应反应物并且连续提取有孔电极(阳极和阴极)上的产物。

也应当注意双极板也可以包括用于抵消堆叠中的任何过热出现的冷却元件。

电解器的双极板和燃料电池在最近几年已经经历显著发展，这已经产生诸多不同配置。

为了保证电解设备在令人满意的条件下起作用并且具体保证它的内阻尽可能低，在双极板与基本组件之间的电接触必须尽可能良好。

然而，在制造双极板时涉及到的几何容差、用于分布反应物并且传送走产物的通道的深度离散、平坦度缺陷并且更一般为这些板的几何缺陷给定时，难以确保在双极板与基本组件之间的恒定接触压力，并且具体确保在双极板与基本组件之间在整个接触表面上的均匀压力。

为了改进在双极板与组件之间的电接触，文献FR2899386提出一种在插入于两个双极板之间的燃料电池的基本组件，该组件包括位于双极板与基本组件之间的弹性电传导元件(具体为波纹金属带)以便保证电接触而又同时补偿双极板的几何或者尺度不规则并且由此保证接触压力均匀分布于基本组件的整个反应表面上。

然而该提出的类型的电解设备在面临热膨胀效应带来的几何波动时不能保证最优电接触。

另外，设置于每个双极板与基本组件之间的波纹金属带充当一类弹簧，该弹簧在电解设备未操作时，即使在基本组件冷却时，仍然对基本组件施加恒定压力和大量应力，因此缩短它的使用寿命。

发明内容

在这一背景中，本发明的目的是解决前文概括的问题并且改进在这样的设备在高温操作时在双极板与基本组件之间的电接触，而且同时在设备未操作时减少对基本组件施加的应力。

为此，本发明提出一种电解设备，该设备包括：

-基本组件，包括在任一侧由电极为边界的膜元件，

-刚性导体板，以及

-至少一个电导体，插入于基本组件与刚性导体板之间，电导体由能够经受变形并且保证在基本组件与刚性导体板之间电接触的波纹板组成；

电解质设备的特征在于它包括至少部分包围电导体的外围元件，该外围元件由具有比电导体材料的热膨胀系数更低的热膨胀系数的材料组成。

术语波纹板理解为意味着由片金属组成的板，该板的一段以周期振荡方式(也就是波动)成形，例如正弦形、三角形、截顶三角形乃至锯齿状倾斜形状。

电导体的周期形状因此实现在设备的厚度方向上提供弹性功能，以便尽管存在组成电解设备的元件的几何或者尺度不规则仍然保证在双极板与基本组件之间的电接触。

由于本发明，有可能保证在高温(也就是说，在500℃以上)在双极板与基本组件之间的电接触，并且限制电导体具体沿着与波动方向平行的轴的热膨胀(沿着与能够引起电接触损失的电导体的波动的方向平行的轴的明显热膨胀)引起的变形。

为此，外围元件至少部分包围电导体并且具有比电导体的热膨胀系数更低的热膨胀系数使得有可能容纳电导体在与双极板和基本组件的平面表面平行的平面中由于热膨胀所致的变形。

另外，外围元件具体定位于电导体周围实现电导体由于热膨胀所致的变形根据电导体的厚度被指引，其方式为使得它补偿设备部件由于热膨胀和/或堆叠的缺陷以及其他几何不规则所致的任何变形，并且保证在双极板与基本组件之间的电接触。