用于電解池的復(fù)合流板的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]在一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種在電解池中用作陽極電流收集器的流板。在另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種電解池。在又一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種在堆疊池電解槽中用作雙極電流收集器的雙極分離器板，在又一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種堆疊池電解槽。更具體地，該流板、雙極分離器板、電解池和堆疊池電解槽用于通過電解從水中產(chǎn)生氫。
【背景技術(shù)】
[0002]在由可持續(xù)和環(huán)境可適的替代手段取代基于烴和碳的電力生產(chǎn)中，例如在氫動(dòng)力燃料電池中，氫是重要的元素。為了這個(gè)目的，可以通過使用諸如大氣或光伏電源的可變能源產(chǎn)生氫，以產(chǎn)生和存儲(chǔ)用于在需要時(shí)轉(zhuǎn)為電力的氫。這消除了對(duì)安裝替代的可再生電源的一個(gè)主要的異議，即電力常在不適當(dāng)?shù)臅r(shí)候產(chǎn)生且不能符合每日的電力需求變化。因此，一直在大力發(fā)展利于基于氫的能量產(chǎn)生和存儲(chǔ)的技術(shù)。
[0003]在基于氫的能量概念中，一個(gè)重要的元素是電化學(xué)裝置，其能將存儲(chǔ)在氫中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能(氫燃料電池)及反之地，通過由電解(水電解槽)從水中產(chǎn)生氫將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能以存儲(chǔ)。
[0004]就提供商業(yè)可行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方法而言，這些年基于固態(tài)電解質(zhì)的燃料電池已經(jīng)相當(dāng)成熟。發(fā)展的一個(gè)方面是朝向設(shè)計(jì)具有改進(jìn)的雙極分離器板的燃料電池堆，其中雙極分離器板用作為陽極/陰極電流收集器和作為用于處理陰極側(cè)及陽極側(cè)流體流動(dòng)的流板。這種雙極流板以商業(yè)可行的成本制作，例如由基于碳/石墨的可模壓的混合物制作。例如，歐洲專利EP1726061B1公開了一種用在基于固態(tài)聚合物電解質(zhì)的燃料電池堆中的雙功能雙極分離器板。該雙極分離器板在前面上具有陽極流場(chǎng)，在后面上具有陰極流場(chǎng)。該雙極分離器板能利于反應(yīng)物和熱在反應(yīng)表面的往復(fù)輸送以維持電解轉(zhuǎn)換過程以及排出反應(yīng)產(chǎn)物。如該文獻(xiàn)中所進(jìn)一步地討論地，在固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)的背景中，用于燃料電池的分離元件典型地由碳復(fù)合材料制作。
[0005]然而如上面提到的，基于氫的能量產(chǎn)生和存儲(chǔ)的概念還要求用于通過產(chǎn)生氫來存儲(chǔ)以將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的合適的電解槽。氫以高壓存儲(chǔ)在氣體存儲(chǔ)器中，例如用于日后作為氫燃料電池中的燃料而使用。因此電解槽系統(tǒng)包含用于壓縮由電解槽產(chǎn)生的氫的裝置。在最優(yōu)選的配置中，修改所謂的高壓電解槽以直接產(chǎn)生高壓氫，因此允許將電解槽排出的氫直接傳輸?shù)酱鎯?chǔ)容器中而不需要外部的壓縮裝置。由此能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的整體效率提高了。
[0006]雖然通過成熟的技術(shù)成功地降低了燃料電池堆的生產(chǎn)成本，但是相同的技術(shù)不能以直接的方式用到具有固態(tài)聚合物電解質(zhì)的電解裝置。相反，對(duì)用于通過電解從水中產(chǎn)生氫的電解裝置的重新關(guān)注顯示了對(duì)用于這種電解裝置中的材料的無數(shù)挑戰(zhàn)。例如，在水電解槽中陽極側(cè)環(huán)境在水中包含氧的混合物，其在具有施加的電壓的電池的工作環(huán)境下對(duì)大多數(shù)材料是強(qiáng)腐蝕的。特別地，通常用于PEM燃料電池中的上面提到的基于碳/石墨的流板根本不適合這種強(qiáng)腐蝕的陽極流體環(huán)境。因此不能僅僅以相反的模式操作現(xiàn)有的燃料堆來實(shí)現(xiàn)水電解。一種解決方法中，由耐腐蝕材料，諸如鈦，取代基于碳/石墨的材料。然而，這種解決方法非常昂貴，除非特別專門的利基應(yīng)用，其在大規(guī)模應(yīng)用上不是商業(yè)可行的。而且，將鈦成型為非常復(fù)雜的三維圖案的流板是昂貴且費(fèi)時(shí)的工作。這增加了成本且直接抵觸于生產(chǎn)商業(yè)可行的裝置要求的降低成本。
[0007]美國專利US4214969公開了一種用于堆疊電池水電解槽的雙極分離器板。該雙極分離器板由基于碳/石墨的混合物制作，且在分離器板的兩側(cè)具有用于分布和收集流體/氣體的開口通道。雙極分離器板的陽極側(cè)表面由金屬保護(hù)箔密封。粘貼該箔或以其他方式應(yīng)用該箔以適應(yīng)于包括突出部分、通道側(cè)壁和通道底部的表面形貌。通過電解池的足夠的水流量會(huì)要求流體通道有一定的橫截面積。通過擴(kuò)大通道能夠?qū)崿F(xiàn)這一要求。然而，寬的這種通道可能不能提供對(duì)MEA的足夠的機(jī)械支持，特別當(dāng)出現(xiàn)比陽極側(cè)的壓力高的陰極側(cè)的壓力時(shí)。而且，將厚度約為25 μπι的薄的金屬箔適用在具有深且窄的通道形貌的流場(chǎng)圖案上而不弄破該箔會(huì)是繁重并由此高花費(fèi)的工作。而且，該公開的流場(chǎng)沒有在ΜΕΑ的表面上提供令人滿意的水的分布，這引起熱點(diǎn)和/或干斑，影響電解池的效率和壽命。
[0008]因此需要改進(jìn)用于通過電解從水中產(chǎn)生氫的電解裝置，其優(yōu)選地被改為在高壓下工作，其能可靠地長(zhǎng)時(shí)間地工作，且其能以商業(yè)可行的成本生產(chǎn)。
[0009]本發(fā)明的一個(gè)目的是克服上面提到的已知的流板的缺點(diǎn)，或至少提供替代。
[0010]通過如獨(dú)立權(quán)利要求1的流板實(shí)現(xiàn)該目的，其中優(yōu)選的實(shí)施例由以下討論的從屬權(quán)利要求界定。
[0011]貫穿本申請(qǐng)，術(shù)語“橫向”指平行于平面元件的主平面的方向，在此該平面元件為流板，術(shù)語“豎直”指垂直于平面元件的主平面的方向，在此該平面元件為流板。術(shù)語“流體”指氣體和液體或它們的混合物?？s寫ΡΕΜ代表高分子電解膜，縮寫ΜΕΑ代表平面膜電極組件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，流板在用于從水中產(chǎn)生氫的電解池中用作陽極電流收集器。該流板包含通道板，其中通道板的正面具有由與抬高部分交替的凹陷部分界定的開口通道的流場(chǎng)圖案，和由在水電解的陽極環(huán)境中耐腐蝕的材料制作的蓋板，其中蓋板被平行地布置在通道板之上且和通道板的正面電接觸，其中蓋板具有與閉合部分交替的貫穿孔的圖案，其中貫穿孔的圖案與凹陷部分對(duì)齊，且其中閉合部分至少覆蓋通道板的抬高部分。
[0013]通過提供如包含兩部分，即用于輸送流體流量的通道板和用于應(yīng)付陽極處的化學(xué)侵蝕環(huán)境的蓋板的復(fù)合組件，獲得了流板的便宜且可行的工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)，同時(shí)對(duì)流板提供了足夠的腐蝕保護(hù)。
[0014]通道板是由不昂貴的材料制作的整個(gè)部分，其中以控制良好且不昂貴的工藝將通道形成為三維的表面。通道板的抬高部分在一個(gè)共同平面上并界定了通道板的上平面。凹陷部分形成通道底面和向上延伸至鄰近的抬高部分的側(cè)壁。通道在上平面處開口。由此，界定了開口通道。通道形成的流場(chǎng)圖案經(jīng)過各個(gè)歧管連接到輸入和排出口。使蓋板適應(yīng)于防止通道板材料遭受腐蝕環(huán)境。因此通道板的材料的選擇限制較少，能夠使用較便宜的材料，其比用于蓋板的材料更易于成型以提供開口通道的流場(chǎng)圖案。這樣的通道板材料的示例為可塑形的碳/石墨混合物，其能在工業(yè)規(guī)模較低成本地以高精度成型，例如通過模壓。如美國專利US7615308中所公開的，這樣的材料常規(guī)地用于在PEM燃料電池中保護(hù)雙極分離器板，但已知當(dāng)其直接暴露在基于PEM的水電解槽中的陽極環(huán)境時(shí)，其沒有足夠的抗腐蝕性。作為另一個(gè)示例，能夠由導(dǎo)電碳復(fù)合材料和復(fù)合物制作通道板，這些材料和復(fù)合物是市售的，可以從Bulk Molding Compounds公司(伊利諾斯州西芝加哥Powis街1600號(hào)，60185)獲得，例如數(shù)據(jù)表BMC 940-13905或BMC 940-14868中的模壓等級(jí)為專業(yè)級(jí)的乙烯基酯雙極板材料。這樣的材料適于通過常規(guī)壓制成型工藝生產(chǎn)通道板。
[0015]在電解池的橫向周界內(nèi)，蓋板的閉合部分靠在抬高部分之上且至少覆蓋第一通道板的抬高部分。相應(yīng)地，蓋板的貫穿孔橫向地與其下通道板的正面上的通道對(duì)齊。在電解池中將復(fù)合流板用作電流收集器意味著通道板和蓋板由導(dǎo)電材料制作且兩者間電接觸良好。
[0016]蓋板可以是相對(duì)薄的片狀材料，其適應(yīng)于抵抗水電解槽的陽極側(cè)處的強(qiáng)腐蝕環(huán)境。這種材料的示例為不銹鋼AISI 316、二級(jí)鈦、七級(jí)及等級(jí)7H的鈦合金，或類似的抗腐蝕金屬。片的厚度可以小于1mm，例如約為0.7mm，或甚至約為0.5mm。片的厚度由兩方面確定，一方面為對(duì)通過盡可能減小厚度來降低材料成本、重量和體積的考慮，另一方面機(jī)械穩(wěn)定性的需求會(huì)決定該厚度的下限?？梢栽诠I(yè)規(guī)模較低成本地在薄片材料中提供高精度的管穿孔，例如通過激光切割或水射流切割。既然蓋板只是具有貫穿孔的薄片材料，與在塊件的這種材料中通道的深度敏感的三維成型相比，材料成本和圖案形成步驟的制作成本都顯著降低。
[0017]當(dāng)復(fù)合流