用于电化学系统、包括两个不同的独立的板的隔板的制作方法

本发明涉及一种用于电化学系统的隔板，所述隔板包括彼此连接的两个独立的板。电化学系统可以特别是电解槽。

背景技术：

1、例如，电解槽通过施加电势从水产生氢气和氧气，并且可以同时压缩所产生的气体中的至少一种。

2、常规的电解槽由成堆叠的独立的电池单体组成，这些电池单体各自包括一系列层，这些层包括隔板、两个介质扩散结构，特别是多孔传输层(ptl)和/或气体扩散层(gdl)，以及膜电极组件(mea)。该成堆叠的电化学电池单体必须相对于外部密封，因为介质在这些电池单体内以相对于外部压力的过压而被引导。为此，电解槽通常具有围绕电化学电池单体的外边缘延伸的电池单体框架，每个电化学电池单体都是一个堆叠在另一个之上以形成电解槽。堆叠中的单独的电池单体在两个端板之间例如借助于螺钉压缩在一起。在单独的电池单体框架之间，以及在电池单体框架与布置于电池单体框架之间的隔板或膜电极组件之间，电化学电池单体的堆叠具有沿外周缘周向延伸但是与外周缘有一定距离的密封元件。

3、组合以形成堆叠的单独的电池单体各自通过隔板隔开，隔板一方面用于隔开介质，另一方面用于将电流或电压从单独的电池单体传输到单独的电池单体，特别是借助与mea接触(可能是间接接触)的在流体引导通道之间的腹板。隔板在它们的表面上具有带有通道结构的流场，通道结构布置成用于供应和排放流体。通道结构的任务是确保介质分配在整个表面。

4、在电解槽中，周围环境与电化学电池单体的内部之间的压力差可能超过20bar。例如，例如h2侧的生成侧的压力可以是至多40bar，而例如h2o侧的反应物侧的压力仅为至多2bar。因此，重要的是使流场相对于周围环境密封并且也是在电化学系统内部密封。为此，通常设有围绕流场布置的密封元件。

5、流场的通道结构通常整体形成在隔板中，例如借助于浮凸压、液压成型或深拉。为了能够使隔板有优良的成型性，以防止在成型过程期间在隔板材料上的过大的应力和避免材料中的裂缝，通道结构应当不是过高的，并且流场的区域中的材料应当不是过厚的。此外，流场中的材料应当是耐腐蚀性的，从而能够承受电化学系统中的腐蚀性处理工况。

6、在流动区域之外，对耐腐蚀性方面的需求没有那么高。另一方面，系统应当具有高度的机械稳定性和在外部区域中的高度的密闭性。

7、隔板的材料和特性因此选择成要在成型性、耐腐蚀性、机械稳定性和密封效果之间折中。这通常导致隔板在某些区域中是设计不理想的。

8、另一种可能性是在隔板的流场周围使用单独的电池单体框架，该电池单体框架用于密封系统，而具有通道结构的隔板负责沿着隔板的平坦侧引导介质。在这种情况下，隔板通常作为插入部件插入到电池单体框架中。这些布置的一个缺点在于，附加的电池单体框架的使用是相对复杂和费力的。例如，必须确保电池单体框架和隔板也以流体密闭的方式彼此连接，这通常需要附加的密封件。在电解槽中特别是这样，在电解槽中在高压侧和低压侧之间有显著的压力差。

技术实现思路

1、本发明已设计为对上述问题寻找最简单可能的实用解决方案。

2、本发明由根据独立权利要求的隔板、组件和电化学系统来限定。进一步的发展将在从属权利要求和下文说明中描述。

3、根据第一方面，提出了一种用于电化学系统、特别是电解槽的隔板。该隔板包括：

4、-第一金属板，该第一金属板具有带有通道结构的流场，通道结构整体地形成在第一板中，用于沿第一板引导反应介质或生成介质，以及

5、-第二金属板，第二金属板具有用于使隔板的至少一个区域密封的至少一个密封元件。

6、第一板和第二板在至少一种材料特性和/或在它们的材料厚度方面彼此不同。此外，第一板和第二板以材料粘合的方式彼此连接。

7、换句话说，第一板设计为流动板，并且其主要功能是沿隔板引导介质。第二板设计为密封板，并且其主要功能是使隔板的一区域相对于周围环境密封。采用所提出的隔板，密封和介质引导因此就会通过具有不同材料特性和/或材料厚度的两块不同的板来生效。结果，可以针对介质引导来优化第一板，并且可以针对密封来优化第二板。

8、所述材料特性可以包括弹性模量、强度、导电性、耐腐蚀性、断裂伸长率和/或化学成分。

9、不同的材料特性可能是由于使用了不同的材料所致。替代地，如果材料相同，则不同的材料特性可能是由于材料的不同加工所致。如果材料的主要成分相同，则合金的成分可以通过添加至少一种其它材料来改变，从而获得不同的材料特性。例如，纯钛通常是相对软的，但是通过对合金中添加另外的金属，可以实现更硬的特性。例如，材料的主要成分是指至少50％或至少70％的材料由单个成分组成。

10、举例来说，本发明的一个实施例可以使用作为流场的第一板和作为具有密封元件的板的第二板，第一板由钛制成，具有35％的高断裂伸长率和300mpa的低强度，并且，第二板同样由钛制成，具有15％的低断裂伸长率和650mpa的高强度。

11、可以设成第一板的材料厚度在0.1至0.6mm之间。第二板的厚度可以在0.1至1.2mm之间。特别地，可以的情况是第二板的材料厚度大于第一板，例如至少大两倍或至少大三倍。

12、在某些实施例中，第一板的板主体由不锈钢或钛制成。第二板的板主体可以同样由不锈钢或钛制成。上述材料和不同厚度的组合是可能的。第一板和/或第二板通常由金属片材形成。例如，第一板可以由具有优良成型性的钛制成，并且第二板可以由具有弹簧特性的不锈钢制成。第一板和/或第二板的金属板主体可以设有涂层，例如以改善导电性、耐腐蚀性或微密封效果。

13、密封元件通常包括整体地形成于第二板中的密封凸缘，或者粘接于第二板的板主体的弹性体凸缘或涂层。密封元件通常围绕隔板的将要密封的区域延伸。密封元件通常设计成使流场和/或介质入口或介质通路密封。如果密封元件设计成使该流场密封，则密封元件可以围绕该流场布置，例如以类似框架的方式。第二板还可以具有两个密封元件，它们布置在第二板的平坦表面平面的两侧上并且彼此背离地指向，并且可能具有不同的特性。

14、在一个实施例中，第一板和第二板在第一板的通道结构的区域中重叠。在这种情况下，第二板至少在与第一板重叠的区域中可以是连续的封闭板。可选地，第二板至少在重叠区域中设计成基本为平坦板。第二板可以具有边界区域，该边界区域围绕第一板的周向边缘延伸，其中密封元件布置在该边界区域中。边界区域可以特别是框架状的。

15、在某些实施例中，在流场的区域中的第一板和第二板之间限定腔体，其中，压力平衡开口设在通道结构中，从而将腔体流体连接到第一板的背离第二板的一侧。结果，压力差可以平衡。

16、在另外的实施例中，隔板包括第三金属板，该第三金属板具有带有通道结构的流场，通道结构用于沿第三板引导生成介质或反应介质，其中第二板布置在第一板和第三板之间。隔板可以因此设计成三层结构。

17、第三板和第二板在至少一种材料特性和/或在它们的材料厚度方面通常彼此不同。可选地，第三板和第二板以材料粘合的方式彼此连接。可以设置的是，第一板、第二板和第三板在至少一个位置处彼此结合地焊接。替代地，材料粘合连接，即第一板与第二板的材料粘合连接和第二板与第三板的材料粘合连接，也可以布置成彼此有一定距离。

18、第一板和第三板可以由相同的材料制成和/或具有相同的材料厚度。第一板和第三板可以设计成并且布置成相对于第二板的平坦表面平面对称。

19、根据另一种变型，可以设有的是第一板和第二板在第一板的通道结构的区域中不重叠。在这个情况下，第二板可以是框架状的，并且第一板可以在其周向边缘处在向外方向上终止。第一板可以插入到框架状的第二板中。如果存在的话，两块板的重叠区域因此形成，而第一板上没有任何通道结构。可选地，第一板和第二板可以以邻抵或重叠的方式，即在重叠区域中材料粘接，例如焊接或锡焊。

20、无论第一板和第二板是否在通道结构的区域中重叠，第二板都可以具有凹陷，其中，第一板在凹陷的区域中连接到第二板。

21、通常地，第一板和第二板借助于点焊接、摩擦焊接、辊焊接、超声波焊接、电极焊接或激光焊接等方式相互焊接。例如，焊缝可以视为板的材料粘接的连接部。可选地，第一板和第二板可以彼此密封地连接，较佳地借助于连续的，即不间断的焊缝来连接。结果，无需附加的诸如密封层的密封元件，这因此简化了系统。类似的焊接接头可以考虑用于连接第二板和第三板。

22、第一板的流场通常形成用于电化学电池单体的膜电极组件的支承表面。同样，第三板的流场可以形成用于电化学电池单体的膜电极组件的支承表面。膜电极组件可以直接布置在相应的流场上，并且承靠该流场，即它们之间没有任何元件。替代地，膜电极组件也可以间接布置在流场上，其中另外的诸如介质扩散结构的层布置在流动元件与膜电极组件之间。隔板还可以具有至少一个贯通开口，贯通开口设计成用于反应介质(反应物介质)或生成介质的穿过。贯通开口可以形成供应开口或排放开口。贯通开口可以流体连接到流场，使得介质可以从贯通开口朝向流场引导，或者离开流场引导到贯通开口。

23、隔板可以特别地设计成双极板。换句话说，在串联连接的电化学电池单体的堆叠中，隔板可以在一侧处形成第一电化学电池单体的阳极，并且在另一侧处形成与第一电化学电池单体相邻的第二电化学电池单体的阴极。

24、根据另一个方面，提出了一种用于电化学系统的组件，包括上述类型的隔板、布置在第一板的流场侧上的膜电极组件(mea)，和/或布置在mea与流场之间的多孔传输层(ptl)或气体扩散层(gdl)。

25、该组件还可包括电池单体框架，该电池单体框架围绕第一板布置，并且布置在第二板的密封元件上。

26、根据另一个方面，提出了一种电化学系统，包括多个堆叠的上述类型的隔板或者多个上述类型的组件。

27、例如，电化学系统可以是电解槽。然而，本说明书不局限于电解槽。电化学系统可以替代地是燃料电池单体系统或者氧化还原液流电池。在其中电化学系统是电解槽的示例性实施例中，水通常是反应介质，而氢气和氧气可能是生成介质。在燃料电池单体系统中，氢气和氧气通常是反应介质，而水是生成介质。