用于电解槽的单层双极板的制作方法

本公开涉及用于电解槽的单层双极板。该单层双极板包括基本上成形为等边n边多边形的流场，该流场由压花通道结构预限定，该压花通道结构限定了用于反应介质的多个通道。这里，n优选为偶数自然数。该单层双极板包括至少四个介质孔，其中在该流场的四个不同边的每一边上，在每种情况下，至少一个介质孔被布置在该流场与该双极板的相应外边缘之间。

背景技术：

1、电化学系统，诸如电解槽或燃料电池或氧化还原液流电池组，通常包括多个双极板，该双极板彼此上下(one above the other)层叠并且通过外壳体与密封单元、框架单元和膜单元联合保持在一起，以便因此实现最大可能的化学活性膜表面积。当如预期地使用时，双极板的一侧(阳极侧)面向电化学系统中的阳极，并且双极板的另一侧(阴极侧)面向电化学系统的阴极。

2、对于这样的电化学系统，us 8 349 151 b2描述了例如在水电解槽中用作阳极框架和阴极框架的通用电池框架。通用电池框架可以包括具有中心开口的整体环形构件。在环形构件中提供了四个三合一(trios)横向开口，每个三合一横向开口间隔开约90度。多个内部径向通道使中心开口和两个直径上相对的三合一开口的每个横向开口流体互连，而另外两个三合一开口不具有这种径向通道。密封肋设置在环形构件的上表面和下表面上。在此类水电解槽中，然后设置至少两个这种类型的电池框架，一个用作阳极框架，而另一个用作阴极框架，阴极框架和阳极框架相对于彼此旋转90度。

3、de 20 2015 106 107 u1公开了一种用于电化学系统的分离器板，该分离器板包括两个单独的板和布置在这些单独的板之间用于冷却介质通过的腔体，其中这些单独的板中的至少一个具有活性区以及珠粒，该活性区具有用于在该分离器板的外侧引导反应介质的结构，该珠粒被设计成密封该活性区或密封该分离器板中的开口。该开口被设计成用于将冷却介质供给到该腔体中或用于将冷却介质从该腔体排出，并且该珠粒具有至少一个降低区域，在该降低区域中该珠粒顶部的高度小于沿着该珠粒的路线确定的珠粒顶部的平均高度。降低区域中的珠粒顶部的最小高度小于或等于活性区的结构的最大高度。

4、文件de 102 50 991b4和de 10 2007 048 184 b3各自公开了一种用于燃料电池的双层双极板，其中该双层双极板包括彼此连接的两个单独的板。位于单独的板之间的是用于冷却剂通过的腔体。

技术实现思路

1、从已知现有技术出发，所解决的问题因此是提供一种用于电化学系统的改进的分离器板或双极板，该分离器板或双极板在被用于电化学系统时导致一种机械上更稳定、就流动而言优化并且就结构而言简化的系统。

2、该问题由独立权利要求的主题解决。有利的实施例将从从属权利要求、说明书和附图中显现。

3、一个方面涉及用于电化学系统，诸如电解槽和/或燃料电池和/或氧化还原液流电池组的单层双极板。该单层双极板包括基本上成形为等边n边多边形的流场，所述流场由(优选地压花的)通道结构预限定。通道结构因此位于等边n边多边形内；特别地，通道结构的边缘(其例如可由包络线预限定)可对应于流场的边缘，并因此对应于流场的形状。“基本上等边n边多边形”可被理解为表示等边n边多边形或与等边n边多边形仅稍微偏离的形状，从而在这里说明的技术教导的上下文中，该形状在功能上等同于等边n边多边形。基本上等边n边多边形的一个示例是具有圆角的等边n边多边形。

4、这里，n是自然数，优选为偶数；可替代地，n可以是无限的，即流场可以是圆形形状，即可以是圆形流场，如下面进一步描述的。特别地，n可以等于4或8，即，流场可以是基本上四边或八边的流场，其边具有相等的长度。方形或八角形形状在此是特别适合的，因为在特别低的设计复杂性下，可以流体有利的方式实现穿过其的均匀流动，即由于几乎没有湍流，高效地并且以节省材料的方式利用可用的安装空间，并且可以特别容易地、尤其是以容易安装的方式来实现相邻的双极板相对于彼此的旋转，如下文所述。

5、通道结构限定用于介质(诸如电解质或水)的多个通道，例如，通道的相应通道壁由双极板形成。其他边界可例如由包括多孔传输层元件的膜单元或烧结金属单元形成。由通道结构预限定的通道中的大部分或全部可以是直线通道。一方面，这导致在由双极板形成的通道中的特别有利的流动条件，并且另一方面，当双极板在电化学系统中堆叠时，堆叠方向上的力传输和力配合可以特别均匀地分布，并且因此是有利的。在下一章节中描述的介质孔的对称布置使得能够以空前的效率和有效性来使用直线通道。

6、双极板总共具有至少四个介质孔或介质通孔，其中在流场的四个不同边的每一边上，在每种情况下，在流场和双极板的相应外边缘之间布置至少一个介质孔。在每种情况下，至少一个介质孔被布置在第一边上以及与该第一边相邻的第二边上。特别地，被至多一个其他边分隔开的两边在此被认为是相邻的。在等边四边形的优选情况下，即，n＝4，(四个边中的)第二边被布置为紧邻(四个边中的)第一边，即第一边和第二边经由拐角彼此邻接。在每种情况下，至少两个介质孔被布置在第三边上以及与第三边相邻的第四边上。在n＝4的情况下，(四个边中的)第四边紧邻(四个边中的)第三边。优选地，第一边和第三边是相对边、特别是直径上相对的边，并且第二边和第四边是相对边、特别是直径上相对的边。在n＝8的情况下，(八条边中的)第一、第二、第三和第四边各自被四条边中的又一边分隔开，这四条边可被称为中间边。

7、这些介质孔是相对于对称轴对称地布置的，该对称轴从位于流场的边缘处的第一锚定点延伸到位于流场的边缘处的第二锚定点，第一锚定点位于第一边与第二边之间并且与第一边和第二边等距，第二锚定点位于第三边与第四边之间并且与第三边和第四边等距。对称轴因此对角地延伸穿过流场，优选地穿过流场的中心点。对于n＝4的优选情况，第一锚定点可以是流场在第一边与第二边之间的拐角，并且第二锚定点可以是流场在第三边与第四边之间的拐角，或者可以位于所述相应拐角处。在n＝8的情况下，第一锚定点可位于第一中间边的中间，第一中间边位于第一和第二边之间，并且第二锚定点可位于第三中间边的中间，第三中间边位于第三和第四边之间。

8、在圆流场的情况下，第一、第二、第三和第四边可以被指定为与例如90度或45度的相应角度范围相对应的边。锚定点则可位于边或角度范围之间的流场的边缘上(且因此位于半径上)，特别是在限定边的所述角度范围的相应中心方向之间的中间。

9、具有前述分布的对称布置使得有可能将优化的流动截面与堆叠的双极板之间的直接力配合与简化的结构相结合，其中所有双极板在结构上是相同的。因此，通过所描述的几何结构，可以通过不同的取向(即，通过下相邻的双极板)容易地构建具有优化的流动截面的机械弹性电化学系统，该下相邻的双极板在每种情况下围绕对称轴旋转180度或围绕与双极板的主延伸平面垂直地延伸的旋转轴旋转360/n度。

10、在另一实施例中，规定相等数量的介质孔，特别是至少或恰好三个介质孔被布置在这四个不同边的每一边上。这具有增加对称度的优点，并且结果是，双极板不仅可被用于两个不同旋转中的一个，而且取决于连接情况适用于两个不同旋转。已经证明对这三个介质孔的选择在此是特别有利的，因为该介质和该电解质的不同入口/出口量因此可以被特别好地平衡。

11、在另一实施例中，规定介质孔相对于彼此点对称地布置，尤其是相对于流场的中心点点对称。这种对称性的增加还增强了最后一段中提到的灵活性，并且此外改进了由在此描述的双极板形成的电化学系统在与该双极板的主延伸平面垂直地延伸的流动方向上进入入口和出口的流动特性，相应的介质通过该入口和出口朝向或远离流场的通道结构被路由。

12、在另一有利的实施例中，规定指派给这些介质孔的密封轮廓在每种情况下具有相同的形状、特别是基本上矩形形状，这些密封轮廓将这些介质孔和任选地邻接这些介质孔的隔室相对于周围环境进行密封。可替代地或另外，分配给这些介质孔的包络线在每种情况下可以具有相同的形状，特别是基本上矩形的形状。因此可以特别高效地实现在电化学系统中彼此上下布置的双极板之间的力配合。优选地，这些介质孔在每种情况下也具有相同的形状或孔表面积，这改进了在与该双极板的主延伸平面垂直的流动方向上的流动特性。

13、任选地，该双极板在流场与这些介质孔中的至少一个、多个介质孔或每个介质孔之间的流动方向上是基本上平坦的。为了简单起见，以下将参照一个介质孔，但是这可以意味着这些介质孔中的至少一个、这些介质孔中的多个或这些介质孔中的每一个。举例而言，该双极板在邻接该介质孔并且围绕该介质孔延伸的第一区域中和/或在邻接该流场并且围绕该流场延伸的第二区域中是基本上平坦的。特别地，在所述区域中，双极板不具有密封元件，诸如密封珠、弹性体密封件和/或用于接收弹性体密封件的凹部。这些介质孔和/或流场的密封以及在对应的介质孔与流场之间的流体的引导可以通过以下描述的分离的密封单元中的至少一个来进行，而该双极板被设计成用于电接触并且用于分离和分配该介质。双极板的介质孔的配置优选地由单独的密封单元确定，参见下文的解释。由于该双极板本身不具有围绕这些介质孔和流场的弹性体密封件，在维修的情况下，该双极板可以相对容易地移除、维修、任选地清洁、任选地重新涂覆、并且再使用。另外，如以上已经解释的，在堆叠中可以使用结构相同的双极板，这些双极板甚至可以具有彼此相同的取向，即可以不旋转。

14、另一方面涉及电解槽，包括多个根据描述的实施例之一的双极板，其在堆叠方向上彼此上下布置。堆叠方向与双极板的主延伸平面垂直地延伸，并因此与由通道结构预限定的通道中的流动方向垂直地延伸。已经针对双极板概述的优点相应地针对电化学系统实现。

15、在另一实施例中，提供了在堆叠方向上紧邻的双极板以围绕对称轴旋转180度的方式布置和/或以围绕旋转轴旋转±360/n度(即在顺时针或逆时针方向上旋转)的方式布置，该旋转轴与双极板的主延伸平面垂直地延伸。在n>4的情况下，这些紧邻的双极板还可以围绕旋转轴旋转360/n度的倍数的方式来布置。例如，在具有四边形流场的双极板的情况下，可以以旋转±90°的方式布置紧邻的双极板；在具有8边流场的双极板的情况下，可以以旋转±45°的方式布置紧邻的双极板，但也可以以旋转±90°的方式或以旋转±135°的方式布置紧邻的双极板。在圆形流场的情况下，这些可能性是特别灵活的，在这种情况下，任何旋转仅必须满足这些介质孔必须再次适当地彼此上下布置的条件。

16、因此，电化学系统的大部分或全部双极板在结构上相同或至少具有关于在此描述的特征的相同特征。

17、在另一实施例中，提供了在两个紧邻的双极板之间布置的是阴极隔室密封单元，该阴极隔室密封单元在相应的双极板的阴极侧，在两个相邻边，特别是两个紧邻边上相对于阴极隔室密封一个或多个介质孔、优选地所有介质孔，这些通道在相应的双极板的阴极侧延伸通过该阴极隔室，并且在每种情况下在两个其余的相邻边上，特别是两个其余的紧邻边上相对于该阴极室隔密封至少一个介质孔，并且在每种情况下在这两个其余的相邻边，特别是两个其余的紧邻边上将至少一个介质孔流体地耦合到该阴极隔室，即被设计成在如预期地使用时允许流体耦合。所描述的阴极隔室密封单元确保产品介质的安全排出并且同时使得能够使用结构相同的双极板，因为密封单元限定介质孔的配置。

18、在另一实施例中，规定布置在两个紧邻的双极板之间的是阳极隔室密封单元，该阳极隔室密封单元在相应的双极板的阳极侧，在每种情况下在两个不同边(特别是相对边)上相对于阳极隔室密封至少一个介质孔，优选地所有介质孔，这些通道在相应的双极板的阳极侧延伸通过该阳极隔室，在不同于这两个不同边的另一边上将一个或多个介质孔、优选地所有介质孔流体地耦合至该阳极隔室，并且在每种情况下在其余边、特别是与该阳极隔室的另一边相对定位的一边上将至少一个介质孔流体地耦合至该阳极隔室；并且在每种情况下，在该其余边上，特别是与另一边相对定位的那边上相对于该阳极隔室密封至少一个介质孔。相对边可以是直径相对的边。所描述的阳极隔室密封单元确保介质的安全馈送和排出，并且同时使得能够使用结构相同的双极板，因为代替双极板，密封单元限定了介质孔的配置。这种阳极隔室密封单元，尤其是与上述阴极隔室密封单元组合，因此在电化学系统中带来了特别有利的流动条件，这可以使用结构上相同或具有相同特征的双极板来实现。

19、在下文中，参考密封单元，其可以表示阳极隔室密封单元和/或阴极隔室密封单元。密封单元可以包括具有切口的框架状层，其中该层以框架的方式围绕电化学活性区，特别是双极板的流场，其中切口延伸跨过该区域。该层的材料可以例如由塑料或金属制成。如果提供金属层，该层可以涂覆有电绝缘层，如绝缘清漆。该层还可以具有至少四个用于介质通过的通孔，其中该密封单元的通孔的数量对应于该双极板的介质孔的数量。然后使层的四个通孔与双极板的介质孔一致。举例来讲，该密封单元包括用于密封这些通孔的第一密封元件。密封单元还可包括用于密封电化学活性区和切口的第二密封元件。所述密封元件可以被设计成弹性体密封元件，例如弹性体珠粒或密封珠粒。这些密封元件中的一些密封元件以围绕这些通孔环圆周地延伸的方式来布置并且因此完全密封这些通孔，这样使得所讨论的介质不能从该通孔或位于其下方或其上方的双极板的介质孔口横向逸出。密封元件中的一些密封元件进而允许介质从通孔朝向双极板的电化学活性区或流场的横向流动。为此，可以结合所讨论的密封元件提供导流结构，该导流结构在通孔与电化学活性区之间延伸并且将两者流体连接在一起。

20、在电解槽中将密封单元和双极板压制在一起，其方式为使得密封单元的密封元件密封双极板的介质孔和双极板的流场。

21、上述密封单元因此执行密封功能并且确保双极板的介质孔和双极板的流场被密封。这些密封单元可以另外在该通孔该流场之间执行导流功能。

22、以上在说明书中(包括在引言部分中)提及的特征和特征组合、以及以下在附图的说明中提及的和/或仅在附图中示出的特征和特征组合不仅能够在每种情况下指定的组合中使用，而且能够在其他组合中使用，而不脱离本发明的范围。在附图中未明确示出和解释的本发明的实施例，但是这些实施例是显而易见的并且能够通过与所给出的解释的特征的分离组合来产生，因此也将被视为被涵盖和公开。因此不包含最初制定的独立权利要求的所有特征的实施例和特征组合也被视为被公开。超出权利要求的从属权利要求中阐述的特征的组合或不同于权利要求的从属权利要求中阐述的特征的组合的实施例和特征的组合也被认为是公开的，特别是通过上面已经陈述的内容。