固态压缩器和在固态压缩器电池叠堆上提供反压力的方法与流程

本发明涉及用于电化学地压缩流体的固态压缩器。本发明还涉及用于固态压缩器的壳体和用于固态压缩器中的压力调整机构。此外，本发明涉及用于操作根据发明的固态压缩器的方法。

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。

周知固态压缩器为电化学氢气压缩器，其中氢气进给至压缩器电池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(例如氨水)的压缩也为可能的。

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。

在压缩工作流体的过程中，压缩器电池的不同侧上存在极高压力差。为维持压力差并且获得压缩器电池的充分密封，足够大反向压力需施加于压缩器电池上。为此，压缩器电池通常夹持于两个法兰(flange)之间，这两个法兰与螺栓阵列保持在一起，该螺栓在其周边边缘附近接合法兰。

这种夹持结构的缺点在于，由于压缩器电池中的高压，压缩器电池将在法兰上施加均匀分布的气体压力。因此，法兰将倾向于在其中心弯曲远离将法兰保持在一起的螺栓阵列的接合点。这继而导致压缩器电池的中间部分的不良电接触或甚至电池内部的破裂。

上述夹持结构的另一问题通过压缩器电池由于热和压力效应(在工作流体的电化学压缩期间所出现)的收缩和膨胀来引起，从而改变压缩器电池和相应法兰之间的密封和接触压力。由于压力的这种变化和压缩器电池在膨胀和收缩期间的连续运动，栓接接头将随着时间逐渐地松动。这将引起渗漏，并且需要栓接接头的定期检查和重新紧固。

技术实现要素：

本发明的目标是提供用于解决上述缺点中的至少一者的解决方案。

本发明随之提出了一种用于电化学地压缩流体的固态压缩器，该固态压缩器包括：压缩器电池叠堆，该压缩器电池叠堆包括具有膜电极组件的至少一个压缩器电池，该膜电极组件夹置于两个电池板之间；壳体，该壳体在其相对侧处夹持压缩器电池叠堆；和至少一个接触体，该至少一个接触体插置于压缩器电池叠堆和壳体之间并且接触压缩器电池叠堆的外表面；其中空间围封于壳体和接触体之间，该空间配置成容纳处于压力下的液压流体。

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，例如氨水。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，该膜电极组件为压缩器电池的一部分。压缩器电池据此可为包括多个压缩器电池的压缩器电池叠堆的一部分。因此，压缩器电池的每一者包括膜电极组件，该膜电极组件夹持于两个电池板之间，其中电池板作用于分开并支持不同膜电极组件，以及将工作流体供应至膜电极组件和将工作流体引导远离该膜电极组件。

然而，本发明非明确地涉及电解器或用于将h2o变换成h2和o的任何类似设备。根据本发明的设备为用于以低压接收h2和以高压输出h2的设备。

压缩器电池叠堆包括外表面，该外表面背离其中所包括的至少一个膜电极组件。为在固态压缩器的操作期间补偿压缩器电池叠堆的内部压力，夹持电池叠堆的壳体配置成将反向压力施加于电池叠堆上，该反向压力至少等于并通常超出压缩器电池叠堆中的本内部压力。反向压力据此经由接触体形式的对接实体施加于压缩器电池叠堆的外表面上。接触体接触并且特别地完全接触压缩器电池叠堆的外表面，该外表面在常见情况下由电池叠堆的最外电池板来形式。这允许接触体将由压缩器叠堆所施加的力有效地传递至壳体上，反之亦然。

由于空间围封于壳体和接触体之间，然而，由壳体所提供的反向压力未直接地施加于接触体上。相反，加压液压流体包括于上述空间内，并且由此插置于壳体和接触体之间。因此，由壳体施加于压缩器电池叠堆上的力传递穿过接触体和液压流体。

这种构造的主要优点在于，始终实现压力在接触体和由此在压缩器电池叠堆(其外表面)上的均匀接触和分布。即使壳体自身可普遍存在于压缩器电池叠堆中的大压力条件下由于包括加压液压流体的空间而弯曲或变形，根据本发明的压缩器能够保持均匀地分布于接触体和压缩器电池叠堆上的反向压力。这种构造由此解决了压缩器电池叠堆的中间部分的不良电接触和电池内部的可能破裂的问题。

允许壳体将所需反向压力经由接触体和加压液压流体施加于压缩器电池叠堆上的额外优点在于，在电池叠堆上的反向压力超出压缩器电池叠堆中的内部压力的情况下，壳体的不同部分(将壳体推压在一起，从而允许壳体压缩电池叠堆)之间的连接的逐渐松动对于电池叠堆的完整性不具有即时效应。在电池叠堆和壳体之间的直接连接的情况下，连接的松动和壳体的不同部分的连续相对位移将引起壳体和压缩器电池叠堆之间的接触损失，从而引起电池叠堆的渗漏。然而，在壳体的不同部分之间的连接松动达到出现壳体部分的一些位移的程度的情况下，加压液压流体将保持与接触体的均匀接触(唯一代价是液压压力的一定程度减小)，从而在小程度上增加空间的体积。

在根据本发明的固态压缩器的有利实施例中，固态压缩器包括压力调整机构，该压力调整机构配置用于调整空间所容纳的液压流体的压力。然而，还可能的是，壳体和接触体之间的空间为固定体积的，并且固定量的压力条件下液压流体包括于空间内。在这种情况下，液压流体加压至固定压力。然而，本压力需旨在补偿压缩器电池叠堆的最高可能内部压力。因此，包括电池叠堆和壳体的压缩器需不断地承受等于或大于对于压缩器电池叠堆设计的最高可能内部压力的压力。

通过能够调整壳体和接触体之间的空间所容纳的液压流体中占主导地位(prevail)的压力，反向压力可选择成超出电池叠堆内侧的当前操作压力并且因此提供所需密封。然而，这些反向压力现可选择成低于压缩器电池叠堆的最高可能内部压力，因为液压流体压力和由此反向压力可随着增加电池叠堆的操作压力而增加。

压力调整机构还可配置成基于至少一个膜电极组件的阴极侧上占主导地位的压力而调整液压流体压力。膜电极组件的阴极侧为工作流体在其进行压缩的侧部。在大多数情况下，占主导地位的阴极侧上的电池叠堆内部压力的增加将需要较高液压流体压力，以提供所需反向压力和由此提供压缩器电池叠堆的适当密封。在液压流体压力基于至少一个膜电极组件的阴极侧上占主导地位的压力进行控制的情况下，可断定，由加压液压流体所提供的反向压力自动地等于或超出内部电池叠堆压力。

为进一步确保压缩器电池叠堆的适当密封和完整性，压力调整机构可配置用于保持至少一个膜电极组件的阴极侧上占主导地位的压力和液压流体压力之间的固定比率。据此优选的是，液压流体压力大于至少一个膜电极组件的阴极侧上占主导地位的压力，优选地为1.5倍和2.5倍之间，和更优选地为2倍。由此获得了对于壳体和接触体之间所围封的空间内侧的静水压力的动态控制。

在根据本发明的固态压缩器的另一实施例中，围封于壳体和接触体之间的空间液压地连接液压流体贮存器。贮存器有效地扩大了液压流体的总体积，该总体积作用于提供施加于接触体并且同时施加于压缩器电池叠堆的外表面上的反向压力。在液压流体的渗漏情况下(其中一部分的液压流体渗漏)，液压流体的增加体积将确保压力的减少下降。因此，不大可能的是，液压流体渗漏立即引起压力下降至低于电池叠堆内部压力的水平。此外，液压流体贮存器的存在提供了远离压缩器电池叠堆自身至该贮存器和围封于壳体和接触体之间的空间所容纳的液压流体的途径。

作为调整空间中的液压流体压力的可能方式，接触体和压缩器电池叠堆的组合可移动地连接至壳体，使得该组合相对于壳体为可位移的。这样，围封于壳体和接触体之间的空间可改变体积，从而调整液压流体中占主导地位的压力。在该空间液压地连接液压流体贮存器的情况下，液压流体贮存器可另选地或额外地具有可变体积以改变封闭系统的总体积，该封闭系统包括液压连接空间和液压流体贮存器，从而调整液压流体的压缩程度和由此调整施加于压缩器电池叠堆上的反向压力的量。压力调整机构可据此配置用于调整上述液压流体贮存器的体积。

作为调整液压流体贮存器的体积的方式，压力调整机构可包括置换活塞，该置换活塞包括第一活塞头表面，该第一活塞头表面接触液压流体贮存器以用于在活塞头的位移时改变液压流体贮存器的体积。置换活塞通常包括于外壳内，其中该外壳以流体紧密方式围封活塞头。外壳据此连接至或合并至液压流体贮存器的壁中，使得第一活塞头对接液压流体。当置换活塞向内移动朝向液压流体贮存器时，液压流体贮存器的体积有效地减少，其中将包括于其中的液压流体进一步压缩。当置换活塞向外移动远离液压流体贮存器时，液压流体贮存器的体积有效地增加，其中将包括于其中的液压流体压缩至较小程度。

置换活塞还可包括与第一活塞头表面相对的第二活塞头表面，该第二活塞头表面接触加压流体贮存器以用于在活塞头的位移时改变加压流体贮存器的体积。如同第一活塞头，第二活塞头可包括于外壳内，其中该外壳以流体紧密方式围封活塞头并且连接至或合并至(在这种情况下)加压流体贮存器的壁。当置换活塞向内移动朝向加压流体贮存器时，加压流体贮存器的体积有效地减少，其中将包括于其中的加压流体进一步压缩。当置换活塞向外移动远离加压流体贮存器时，加压流体贮存器的体积有效地增加，其中将包括于其中的加压流体压缩至较小程度。由于第一活塞头和第二活塞头为相同活塞的部分，第一活塞头的向内移动将引起第二活塞头的向外移动，反之亦然。利用活塞头的这种同时移动，贮存器的体积彼此依赖地调整，从而平衡普遍存在于液压流体贮存器和加压流体贮存器中的压力。

特别有利的是，至少一个膜电极组件的阴极侧连接加压流体贮存器，从而引起该加压流体贮存器中的流体处于与膜电极组件的阴极侧上的加压工作流体相同的压力条件下。在可能实施例中，膜电极组件的阴极侧和加压流体贮存器之间的连接为流体连接，其中加压流体贮存器所包括的流体实际上与由固态压缩器所加压的工作流体相同。膜电极组件的阴极侧和加压流体贮存器之间的此类流体连接的益处在于，液压流体压力和因此压缩器电池叠堆上的反向压力基于电池叠堆内部压力而自动地调整。

利用流体连接，膜电极组件的阴极侧处的压力变化引起加压流体贮存器中的流体的类似压力变化。由于置换活塞的两个相对但依赖性地可位移活塞头分别接触液压流体贮存器和加压流体贮存器，加压流体贮存器中的压力变化将引起置换活塞位移，从而同时改变液压流体贮存器中的压力。假设围封于壳体和接触体之间的空间液压地连接液压流体贮存器，该空间所容纳的液压流体的压力也将改变，从而影响经由接触体施加于压缩器电池叠堆上的反向压力的量。

为实现普遍存在于液压流体贮存器和加压流体贮存器中的压力之间的固定压力比率，第一活塞头表面和第二活塞头表面的面积可互相不同。特别地，第一活塞头表面和第二活塞头表面(分别对接液压流体和加压流体)的面积之间的比率确定了普遍存在于液压流体贮存器和加压流体贮存器中的压力的压力比率。即，施加于活塞头上的力(垂直于对接加压流体的活塞头表面)等于乘以其表面积的压力。通过根据普遍存在于液压流体贮存器和加压流体贮存器中的优选压力差而选择第一活塞头表面和第二活塞头表面的面积，施加于压缩器电池叠堆上的相关反向压力因此可自动地和动态地控制。

在根据本发明的固态压缩器的又一实施例中，固态压缩器包括两个接触体，每个接触体插置于压缩器电池叠堆的两个相对侧的不同一者和壳体之间，其中空间围封于壳体和相应接触体之间，该空间配置成容纳压力条件下的液压流体。本实施例的优点在于，两个空间中所包括的液压流体实现了压力在接触体上的均匀接触和分布。这些空间的任一者所包括的液压流体的压力可通过根据如先前所描述实施例的任一者的压力调整机构进行调整。

为产生自平衡系统，接触体可移动地嵌入壳体内，使得壳体和相应接触体之间的空间的体积在接触体相对于壳体的移动时改变。由于接触体接触压缩器电池叠堆的相对侧，该电池叠堆将与接触体同时移动。接触体和电池叠堆的组合在壳体内的这种移动允许平衡空间的每一者所分别包括的液压流体的压力。在空间的一者中的液压流体压力改变(例如通过如先前讨论实施例的一者中所描述的压力调整机构)的情况下，接触体和电池叠堆将在壳体内偏移，从而改变空间的体积并均衡普遍存在于空间每一者中的压力。

作为产生自平衡系统的另一种方式，壳体和接触体之间的空间可彼此液压地连接。这样，空间每一者中的压力也将保持为等同的。

在特定实施例中，壳体可包括两个相对且互连法兰，该法兰分别抓持于接触体的每一者周围，从而完全地围封接触体的表面，该表面与接触压缩器电池叠堆的外表面的表面相对。完全地围封接触体的本表面的益处在于，壳体(法兰)和接触体的表面(压缩力施加至该表面上)之间未直接接触。相反，表面与液压流体完全接触，从而确保其上的均匀压力分布。在常见情况下，法兰充分地抓持于接触体的每一者周围以允许接触体相对于法兰移动，同时保持法兰和接触体之间的流体紧密密封。

可能的是，相对法兰通过预负载张力的连接部来互相连接，该预负载(preload)将相对法兰朝向彼此推压，使得空间所容纳的液压流体得以压缩。通过液压流体的压缩，连接同时将压缩预负载引入所夹持压缩器电池叠堆中。预负载通常选择成等于超出最高可能压力，压缩器电池叠堆设计成在该最高可能压力条件下操作。

相对法兰可与一个或多个栓接接头进行互连。为抵消栓接接头的蠕变和松动(从而失去栓接接头的原始预负载)的效应，一个或多个贝式垫圈可位于法兰的至少一者和栓接接头的螺栓头或螺母之间。

本发明还涉及用于根据本发明的固态压缩器的壳体和至少一个接触体的组件。本发明还涉及用于调整液压流体的压力的压力调整机构，该液压流体包括于空间内，该空间围封于根据本发明的固态压缩器的壳体和接触体之间。组件和压力调整机构的具体细节以及益处已关于根据本发明的固态压缩器的各种可能实施例进行详细地描述。

最后，本发明涉及用于操作根据本发明的固态压缩器的方法，该方法包括将压力条件下的液压流体引入壳体和接触体之间的空间中。该方法还包括调整液压流体的压力。液压流体的压力据此可基于至少一个膜电极组件的阴极侧上占主导地位的压力进行调整。作为一种可能性，可保持至少一个膜电极组件的阴极侧上占主导地位的压力和液压流体的压力之间的固定比率。在何种情况下，液压流体的压力可保持大于至少一个膜电极组件的阴极侧上占主导地位的压力，优选地为1.1倍和2.5倍之间，和更优选地为2倍。用于操作固态压缩器的这些方法的任一者的具体细节以及益处已关于根据本发明的固态压缩器的各种可能实施例进行详细地描述。

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。图中：

图1示出了根据本发明的固态压缩器的透视图，

图2示出了图1的固态压缩器的分解图，和

图3示出了根据本发明的固态压缩器的示意性剖视图。

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

图1和图2分别示出了根据本发明的固态压缩器1的透视图和分解图。固态压缩器1包括压缩器电池叠堆2，压缩器电池叠堆2包括夹置于电池板4之间的多个膜电极组件3。每个电池叠堆2的最外板5通常由集电板形成以充当贯穿部，以用于将电极电气地连接至电源。压缩器电池叠堆2在相对侧处夹持于壳体6之间，壳体6将压力保持于电池叠堆2上。所示壳体6包括两个法兰7，法兰7通过由螺栓8和螺母9形成的栓接接头阵列在其周边边缘附近进行互连。接触外表面10的两个接触体11插置于电池叠堆2的相对外表面10和壳体6之间。如在下文所讨论的图3中可见，空间围封于法兰7的每一者和接触体11之间，该空间包括加压液压流体。为将液压流体供应至本空间或从本空间收回液压流体，接触体11在其侧部上提供有液压流体供应开口12。

图3示出了根据本发明的固态压缩器20的示意性剖视图。同样，示出了压缩器电池叠堆21，其中两个相对外表面22夹持于两个接触体23之间。电池叠堆21和接触体23的组合由壳体24围封，壳体24包括通过栓接接头26所互连的两个相对法兰25。法兰25据此抓持于接触体23的每一者周围，从而完全地围封接触体的表面，该表面与接触电池叠堆21的外表面22的表面相对。包括加压液压流体28的空间27围封于法兰25和接触体23之间。密封件29设置于法兰25的侧部和接触体23之间，以获得能够包括加压液压流体28的封闭体积。空间27的上部一者通过液压流体管线31液压地连接至液压流体贮存器30。在固态压缩器的该所示实施例中，空间27的下部一者未液压地连接至液压流体贮存器，也未液压地连接至上部空间。因此，在固态压缩器20的下侧上获得了无源压力补偿系统。然而，最后述及变体在本发明的范围内。

液压流体贮存器30的体积通过包括置换活塞33的压力调整机构32为可变的。置换活塞33在活塞外壳34内为可移动的，并且包括第一活塞头表面35，第一活塞头表面35直接接触液压流体贮存器30所包括的液压流体28。置换活塞还包括与第一活塞头表面35相对的第二活塞头表面36，第二活塞头表面36直接接触加压流体贮存器38内所包括的加压流体37。假设第一活塞头表面35和第二活塞头表面36为相同活塞的一部分，它们将执行同时移动，从而平衡了加压流体贮存器30和液压流体贮存器38中的压力。两个贮存器中的压力之间的比率据此取决于活塞头表面35、36的表面积。加压流体贮存器38经由加压流体管线39连接至电池叠堆21所包括的膜电极组件的阴极侧。因此，加压流体贮存器38所包括的加压流体37与压缩器20的工作流体相同。