隔板、双极板、电解器和对应工具的制作方法

本公开涉及一种用于电化学系统、尤其是电解器的隔板，涉及包括这种隔板的双极板，涉及包括这种隔板的电解器，以及涉及生产这种隔板的工具。

背景技术：

1、例如，电解器通过施加电势从水中产生氢气和氧气，并可以在同时压缩所产生气体中的至少一种气体。

2、传统的电解器由单个电池堆构成，每个独立元件包括一系列的层，该一系列的层包含隔板、两个介质扩散结构、尤其是(一个或多个)多孔传输层(ptl)和/或气体扩散层(gdl)、以及膜电极组件(mea)。

3、由于以相对于外部压力的超压将介质引导于电池内，因此该电化学电池堆必须与外部密封。为此，对于彼此堆叠形成电解器的每个独立电化学电池，电解器通常都具有围绕电化学电池的外边缘延伸的电池框架。堆叠中的单个电池例如借助于螺钉压紧在两个端板之间。电化学电池堆的各单个电池框架之间或电池框架与布置在电池框架之间的隔板或膜电极组件之间具有密封元件，密封元件沿外周延伸，但位于外周向内的一定距离处。

4、放在一起以形成堆叠的单个电池各自由隔板分开，隔板一方面用于分开介质，另一方面用于将电流或电压从单个电池传输到单个电池，具体地由于流体引导通道之间的网状结构(大概率间接地)接触到mea。隔板具有带有支承结构型式的流动区域，这些支承结构布置成用于供应和排放流体的通道结构。

5、众所周知，通道结构一体成型在隔板中。通常，将流动区域与周围区域分开的边界壁也是一体成型的。例如，边界壁设计成珠状的形式，具体地是完整珠状或半珠状的形式。

6、通道结构的任务是确保介质的均匀分配。

7、相对高的结构可以达到合适的通道深度，在这方面可能是有利的。然而，在压印过程期间出现的材料减薄限制了支承结构的可实现高度。

8、在一体成型的情况下，需要模具和对应的压印器。模具通常通过铣削加工制成。在这种情况下，模具的尺寸必须保证支承结构的阴面(negative)足够稳定，以承受成型过程期间产生的力。因此，支承结构必须设计为确保能够生产出相关的模具。适用的典型成型过程包括压印、尤其是压凹，比如竖直压印或滚筒压印、深拉伸或液压成型。

9、此外，支承结构的作用是稳定隔板，防止或至少减少隔板的弯曲。

10、已知的支承结构通常为椭圆形或圆形，在金属隔板的情况下，通常是通过成型制造的，或在少量情况下通过铣削制造，或在石墨隔板的情况下通过压缩成型制造，或在复合隔板的情况下通过隔板上的母模制造。椭圆形或圆形支承结构的缺点是，在某些区域，单个支承结构之间的距离过大，以至于支承结构上的柔性层、具体地膜会下陷。结果，膜可能会受损或通道截面可能会变窄。

技术实现思路

1、因此，从现有技术出发，本发明所要解决的问题是提出一种具有改进支承结构的隔板，它考虑到了上述要求，并且优选地能克服或至少改进现有技术中的至少一个缺点。

2、根据权利要求1的隔板和/或根据另外的独立权利要求之一的双极板和/或根据另外的独立权利要求之一的电解器和/或根据另外的独立权利要求之一的工具解决了这一问题。根据本发明的隔板、根据本发明的双极板、根据本发明的电解器和/或根据本发明的工具的优点在各从属权利要求中均有具体说明。

3、本发明的隔板特别适用于电化学系统，例如电解器或燃料电池。隔板包括用于沿隔板的第一平坦侧引导介质的流动区域，流动区域具有大量一体成型的、尤其是压印成型的支承结构，从而形成流动通道。

4、在各种情况下，支承结构的外轮廓包括：

5、-第一圆弧形部分和第二圆弧形部分，其中，第一圆弧形部分的圆弧中心点和第二圆弧形部分的圆弧中心点在相应支承结构的纵向轴线上布置为彼此相距一定距离，以及

6、-将第一圆弧形部分和第二圆弧形部分连接在一起的连接部分，其中，连接部分的宽度小于第一和/或第二圆弧形部分的直径。

7、在隔板的一个示例性实施例中，至少一个、优选地不止一个支承结构的外轮廓可以包括：

8、-第三圆弧形部分，其圆弧中心点在相应支承结构的纵向轴线上布置为与第一圆弧中心点和第二圆弧中心点相距一定距离，以及

9、-将第二圆弧形部分与第三圆弧形部分连接起来的第二连接部分，其中，第二连接部分的宽度小于第一和/或第二和/或第三圆弧形部分的直径。

10、具体地，根据本发明的支承结构可以改进介质在整个表面上的分配。此外，可以最大程度地减小相应支承结构之间的最大距离。在流动区域中，尤其可以最大程度地减小未设置支承结构的最大表面区域，从而减少布置在其上的膜或后续层、尤其是介质扩散结构的下陷。

11、在隔板的一个实施例中，第一圆弧形部分的直径可以与第二圆弧形部分的直径基本上相等，可选地也与第三圆弧形部分的直径基本上相等。因此可以实现支承结构的对称形状。这不仅能改进支承结构的分配特性，还能提高支承结构的支承效果。至少在一些区域中，支承结构可以对称和/或基本上均匀地分配在流动区域中。在本文的上下文中，圆弧形部分的直径基本上相等应理解为直径至多相差15％、优选地至多相差10％、有利地至多相差5％、具体地至多相差2％。

12、在隔板的一个实施例中，支承结构可以设计为使得，在第一圆弧形部分与第二圆弧形部分之间的第一连接部分中，相应支承结构的外轮廓对称地、尤其是平滑地渐缩，和/或在第二圆弧形部分与第三圆弧形部分之间的第二连接部分中，相应支承结构的外轮廓对称地、尤其是平滑地渐缩。

13、支承结构的对称和/或平滑外轮廓可以改进流动区域的流动特性，例如可减少湍流和/或堵塞区域。

14、在隔板的一个实施例中，部分或全部支承结构可以设计为使得，第一连接部分和/或第二连接部分的最小宽度等于或大于第一和/或第二和/或第三圆弧形部分的半径。附加地或替代地，部分或全部支承结构可以设计为使得，第一连接部分和/或第二连接部分的最小宽度小于第一和/或第二和/或第三圆弧形部分直径的80％、优选地小于其70％、更优选地小于其60％。第一和/或第二和/或第三连接部分的最小宽度可以在各支承结构的下端处测量，即在抵靠隔板底表面的一端处测量。第一和/或第二和/或第三圆弧形部分的直径和/或半径可以在各支承结构的下端处测量。

15、这样的实施例可以改进流动区域中支承结构的基本均匀布置。

16、在隔板的一个实施例中，部分或全部支承结构可以设计成使得，第一圆弧形部分的圆弧中心点与第二圆弧形部分的圆弧中心点之间的最小距离和/或第二圆弧形部分的圆弧中心点与第三圆弧形部分的圆弧中心点之间的最小距离大于第一和/或第二和/或第三圆弧形部分直径的130％、优选地大于其150％、特别优选地大于其155％。

17、在隔板的一个实施例中，部分或全部支承结构可以设计为使得，第一圆弧形部分的圆弧中心点与第二圆弧形部分的圆弧中心点之间的最小距离和/或第二圆弧形部分的圆弧中心点与第三圆弧形部分的圆弧中心点之间的最小距离小于第一和/或第二和/或第三圆弧形部分直径的180％、优选地小于其170％、特别优选地小于其160％。

18、这样的实施例可以改进流动区域中支承结构的基本均匀布置，和/或改进流动区域中介质的均匀分配。

19、在隔板的一个实施例中，部分或全部支承结构可以设计为使得，支承结构在其最渐缩点的壁厚至少为起始板件厚度的30％、优选地至少为50％、特别优选地至少为60％、具体地至少为2/3，这可以在成品隔板的未变形区域测量。

20、隔板的典型板件厚度至少为0.15mm、至少为0.2mm、优选地至少为0.3mm、特别优选地至少为0.4mm，和/或至多为0.8mm、优选地至多为0.6mm、特别优选地至多为0.5mm。

21、具体地，这样的支承结构的实施例的优点是相对稳定，并且能更好地承受电化学系统中的压力。例如，可以通过铣削等方法制造出一体成型这种支承结构所需的合适模具。

22、在隔板的一个实施例中，支承结构可以布置和设计为使得，在流动区域中，没有布置支承结构的表面区域可以用包围在所述表面区域中的最大圆来描述，该最大圆的半径至少为0.75mm、优选地至少为0.8mm、优选地至少为0.9mm、特别优选地至少为1mm，和/或至多为1.3mm、优选地至多为1.2mm、特别优选地至多为1.1mm。半径具体地可以在支承结构的上端处测量。上端可以是与隔板底表面距离最远的一端。不过，也有可能，例如但不限于，如果支承结构在向上方向上轻微弯曲，则在最远伸出点的稍下方进行测量，尤其是在最靠近彼此的支承结构的最远伸出点下方0.02mm处进行测量。因此，在至少一个支承结构上布置的柔性层可以更好地得到支承结构的支承；具体地，可以防止或至少减少未支承区域的下陷。具体地，柔性层可以是膜。

23、在隔板的一个实施例中，部分或全部支承结构可以布置和设计为使得，其从下端到上端地渐缩。因此，相应支承结构的底表面在其下端(位于隔板的底表面上)处可能大于其上端(位于离隔板底表面距离最远处)处。

24、在隔板的一个实施例中，由支承结构形成的流动通道深度至少为0.2mm、优选地至少为0.3mm、特别是优选地至少为0.4mm，和/或深度至多为0.9mm、优选地至多为0.6mm、特别是优选地至多为0.5mm。具体地，深度可以沿着相应支承结构的下端(抵靠底表面)与上端(与底表面距离最远)之间的轴线测量，所述轴线垂直于隔板的底表面。

25、这种相对较深的深度可以改进介质的分配。支承结构的上述形状可以确保这样的所述深度在成型过程期间不会导致材料开裂。

26、在流动通道的底面处测量时、即在支承结构的最下区域测量时，由支承结构形成的流动通道的宽度至少为0.5mm、至少为0.6mm、至少为0.8mm，和/或至多为2.4mm、至多为2.3mm、至多为2.2mm。

27、在隔板的一个实施例中，由支承结构形成的流动通道深度至少为0.2mm、优选地至少为0.3mm、特别是优选地至少为0.4mm，和/或深度至多为0.9mm、优选地至多为0.6mm、特别是优选地至多为0.5mm。具体地，流动通道的宽度可以由直接相邻的两个相应支承结构之间的流动通道深度一半处的最小距离来限定。在此，直接相邻可以理解为支承结构成排地直接相邻布置，即它们具有相同的纵向轴线。布置在两个不同排、即它们的纵向轴线相互平行的两个支承结构，也可以直接相邻。具体地，两个直接相邻的支承结构可以理解为，在这两个直接相邻的支承结构之间没有其他支承结构。优选地，任何两个直接相邻的支承结构之间的最小距离在各种情况下都相同。

28、在隔板的一个实施例中，流动区域中的支承结构可以布置为使得，多个支承结构基本上在一共同的纵向轴线上彼此相距一定距离地成排布置。在本文的上下文中，如果流动区域中的支承结构的纵向轴线相对于彼此至多偏移其中一个圆弧直径、尤其是相应支承结构的相应圆弧中最大圆弧的直径的15％、优选地至多偏移10％、优选地至多偏移5％、特别地至多偏移2％，则可认为这些支承结构基本布置在共同的纵向轴线上。

29、在隔板的一个实施例中，流动区域中的支承结构可以布置为使得，多个支承结构在基本上平行的纵向轴线上彼此相距一定距离地成排布置。在本文的上下文中，如果流动区域中的支承结构的纵向轴线以最小角度相对于彼此延伸，所述角度至多为±15°、优选地至多为±10°、有利地至多±5°、具体地至多为±2°，则可认为这些支承结构布置在基本上平行的纵向轴线上。

30、在隔板的一个实施例中，流动区域中的支承结构可以布置为使得，布置在第一纵向轴线上并形成第一排的第一支承结构与布置在第二纵向轴线上并形成第二排的第二支承结构相偏置，所述第二纵向轴线平行于第一纵向轴线延伸。

31、因此，能够以尽可能恒定的最佳距离布置支承结构。这样做的另一个好处是，隔板就弯曲而言相对较硬。

32、因此具体地，支承结构可以布置为彼此相邻布置的多排。在这种情况下，具体地，相邻布置的各排的支承结构的纵向轴线可以相互平行。具体地，一排的支承结构可以具有相同的纵向轴线。具体地，一排中的相邻支承结构之间的最小距离可以是恒定的。具体地，同一排的相邻支承结构之间的最小距离是沿着支承结构的纵向轴线测量的。各支承结构的相邻排之间的距离优选地在整个流动区域中保持恒定，两排之间的距离限定为第一排支承结构的纵向轴线与第二排支承结构的纵向轴线之间的最小距离。支承结构可以设计和布置为使得，第一排的第一支承结构和与第一排相邻的第二排的第二支承结构之间的最小距离对于流动区域中的所有支承结构都是相同的。

33、流动区域的形状可以是圆形、正方形、长方形或卵圆形形状，也可以是上述形状的组合。长方形或正方形的形状可能更利于隔板或由其组成的双极板(如下文所述)和/或由隔板组成的相应电化学系统的堆叠和运输。

34、隔板上可以具有用于供应和排放介质的开口。

35、隔板通常由金属、石墨或碳复合材料组成。

36、本公开还涉及一种双极板，该双极板包括根据上述描述的隔板。具体地，双极板可以包括根据上述描述设计的另一个隔板，即总共两个这样的隔板。替代地，双极板可以包括一个根据上述描述设计的隔板和一个与之设计不同的隔板。另一块隔板可以具有支承结构，这些支承结构形成彼此平行延伸的直通道。具体地，支承结构可以形成彼此平行延伸的细长肋条。肋条的长度可以相同，也可以不同。双极板的隔板可以部分地抵靠彼此压平。在组装状态下，肋条结构的纵向轴线可以横向于上述隔板支承结构的纵向轴线延伸。

37、本公开还涉及一种电解器，该电解器包括至少一个根据上述描述的隔板和/或一个根据上述描述的双极板。

38、对于彼此堆叠形成电解器的单个电化学电池中的每一个，电解器通常具有围绕电化学电池外边缘的电池框架。堆叠中的单个电池通常例如通过螺钉被一起压在两个端板之间。电化学电池堆可以在单个电池框之间或电池框与电池框之间的隔板或膜电极组件之间设置密封元件，密封元件沿外周延伸，但位于外周向内一定距离处。在此，“之间”并不排除密封元件至少在堆叠方向上的部分高度被接纳于上述元件之一中的情况。因此，被聚集在一起形成堆叠的单个电池可以被相应隔板分开。

39、本公开还包括用于生产根据上述描述的隔板的工具，该工具包括模具和压印器。模具通常具有一区域，该区域对应于带有所述支承结构的上述隔板的第一平面的阴面。具体地，模具上的支承结构的阴面形式可以通过铣削加工而成。压印器可以具有一区域，该区域对应于带有所述支承结构的上述隔板的第二平面的阴面。通过使用模具和压印器，上述支承结构可以在隔板中一体成型。这种成型过程对于本领域的技术人员来说是众所周知的，因此在此不再详述。