含金屬絲的雙極板的制作方法

專利名稱：含金屬絲的雙極板的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種雙極板，尤其是使用于電化學過程的雙極板。本發明還涉及這種雙極板的制造方法。
背景技術：
已知雙極板使用于電化學過程，例如燃料電池。電化學過程的反應器可以包括一個陽極室和一個陰極室，它們彼此借助一種液體或氣體密封阻擋層隔離。同時，一個導電的電極設置在該陽極室和陰極室內。雙極板可以作為一個液體和氣體阻擋層設置在陽極和陰極之間。
在某些情況下，位于陽極側和陰極側的電極彼此處于電接觸。專利申請EP 229473 B1描述這樣一種雙極板，該雙極板包括一個聚合物壁以及一個第一電極和一個第二電極，每個電極在聚合物壁的一側上。電極設置為使用一個波紋的、可能是帶孔的金屬板或一個紡織結構形式的一個波紋的絲網。電極部分地埋置在聚合物壁內，以及使它們在聚合物壁內彼此電接觸。
帶孔的金屬板的剛性以及要在聚合物壁內固定的大量金屬使得在聚合物壁內埋置電極相當困難，引起在聚合物壁內有關兩個電極必須接觸方面的不確定性。存在如此大量的金屬板材導致必須用于在電極內分布的氣體的抽空的顯著的壓力降。它還會導致板材具有一個相當大的重量。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種雙極板，該雙極板是現有技術已知的雙極板的一個代替。本發明的另一目的是便于在聚合物壁內電極的埋置。本發明的另一目的是提供一種雙極板，該雙極板具有在聚合物壁內電極改進的固定。本發明的另一目的是提供一種雙極板，該雙極板具有在聚合物壁內兩個電極的更穩定的接觸。本發明的另一目的是提供一種雙極板，該雙極板改進作為電化學反應結果得到的氣體的抽空。本發明的另一目的是便于氣體的分布，這些氣體是越過電極的整個表面的電化學反應產生的。本發明的另一目的是獲得一種雙極板，該雙極板帶有電化學反應用的液體的改進的分布。本發明還有另一個目的是提供一種雙極板，該雙極板的制造費用較低。
作為本發明的一個主題的一種雙極板包括一個聚合物壁以及一個第一和一個第二電極。第一電極定位在聚合物壁的一個第一側面上，而第二電極定位在聚合物壁的一個第二側面上。兩個電極部分地埋置在聚合物壁內，使它們在聚合物壁內彼此電接觸。作為本發明的一個主題的雙極板的特征在于，至少一個第一電極或第二電極包括金屬絲編織的織物，該織物部分地埋置在聚合物壁內。可能兩個電極都包括金屬絲編織的織物，該織物部分地埋置在聚合物壁內。電極甚至可以由金屬絲編織的織物組成。有可能每個電極包括多于一層的金屬絲編織的織物，全部層是一層疊加在另一層的頂上。最接近聚合物壁的那一層部分地埋置在聚合物壁內。
還發現，使用金屬絲編織的織物，織物的埋置方便，以及能夠以更精確的方式進行。還發現，使用金屬絲編織的織物，它部分地埋置在聚合物壁內，提供電極在聚合物壁內一個改進的固定。如果兩個電極都部分地埋置在聚合物壁內，以及使它們在聚合物壁內電接觸，這種改進的固定導致在兩電極之間長時間更穩定的電接觸。還發現，當作為本發明的主題的雙極板包括的電極每個有可能由多于一層金屬絲編織的織物組成時，它們使用于電化學過程，由于化學反應得到的氣體可以更容易地和以較小的壓力降從電極抽空。還發現，在氣體作為反應劑的情況下，這些氣體在整個電極體積內更容易和更均勻地分布，要求較小的分布壓力。還發現，在電化學反應時使用的液體在整個電極體積內更容易和更均勻地分布。因為與波紋板或類似板比較，該電極需要的金屬體積較小，所以雙極板重量較輕。含有較小金屬體積的事實可以降低雙極板的生產價格。
用于提供作為本發明的主題的雙極板用的金屬絲編織的織物，不像現有技術雙極板那樣需要制成波紋的。因此，在雙極板的生產中制波紋的一個步驟可以省略，這進一步降低了生產成本。
具有直徑在0.05mm至0.5mm范圍的金屬絲可以使用于制造金屬絲編織的織物。優選地，金屬絲具有直徑在0.05mm至0.3mm的范圍內，比如在0.05mm至0.25mm的范圍內，或在0.05mm至0.1mm的范圍內可以使用。作為金屬絲可以使用鎳和鎳合金的金屬絲。代替地可以使用鈦、鈦合金、或不銹鋼，比如使用AISI 300系列或AISI 400系列的不銹鋼，例如AISI 302、AISI 304、AISI 310、AISI 316、AISI316L、AISI 347、AISI 430、AISI 434或AISI 444。
聚合物壁優選地是一種聚合物板材。聚合物壁的厚度優選地大于0.5mm，但小于5mm。厚度的選擇可以影響聚合物壁的氣體和液體滲透性，以及影響通過聚合物壁的氣體分子的擴散系數。
關于聚合物壁，制造聚合物壁使用的聚合物優選地由下列的組選擇，該組包括氟聚合物，比如聚四氟乙烯；聚烯烴，比如聚丙烯；聚乙烯；高密度聚乙烯；聚縮醛或聚砜。優選地，聚合物壁是一種借助擠壓過程獲得的聚合物板材。擠壓的聚合物板材保證一個較大的氣體和液體密封性程度。
兩個電極，至少其中一個包括金屬絲編織的織物，所述的電極部分地埋置在聚合物壁內，優選地，金屬絲編織的織物與聚合物壁層壓到一起，該聚合物壁優選地是一種聚合物板材。電極的一個金屬絲編織的織物的埋置深度以這樣一種方式選擇，使得在聚合物壁內的兩個電極彼此接觸，從而提供兩個電極之間的電接觸。
為了在聚合物壁的兩個側面保留金屬絲編織的織物的一部分未被埋入，金屬絲編織的織物的厚度應大于聚合物壁厚度的一半。
優選地，金屬絲編織的織物具有一個小于5mm的厚度。
金屬絲編織的織物的密度最好小于10％。
電極可以包括附加的元件在部分埋置的金屬絲編織的織物的旁邊，例如，隔離元件或催化劑攜帶元件。作為用于提供電極足夠的體積，或者用于提供電極的其它元件的實例，對于每個電極可以使用多于一層金屬絲編織的織物，一層疊置在另一層的頂上。
在一個或兩個電極上可以帶有一種電化學反應用的催化劑，例如，可以使用由下列一組選擇的一種催化劑，該組包括Rh、Ru、Pt、Pd、Ir、Ag、Ni、Cu、WC、Au或它們的組合。在第一電極上的催化劑可以與在第二電極上的催化劑是相同的或不同的。
催化劑可以僅存在于電極上的某一區域內。作為一個實例，催化劑可以僅存在于遠離聚合物壁的電極的側面上。
作為一個實例，一個電極可以包括一個第一金屬絲編織的織物，部分地埋置在聚合物壁內，作為本發明的一個主題。一個第二金屬絲編織的織物，其功能是作為在第一金屬絲編織的織物和催化劑載體之間的隔離層，存在于第一金屬絲編織的織物的頂部上，一個涂覆催化劑的第三金屬絲編織的織物，其功能是作為催化劑載體設置在第二金屬絲編織的織物的頂部。
作為本發明的主題的雙極板可以使用于全部種類的電化學反應器，比如燃料電池，電解槽或生產H2的裝置。
在電極包括多于一層金屬絲編織的織物的情況下，僅有某些層可以涂覆催化劑。優選地，在聚合物壁內部分地埋置的金屬絲編織的織物是不涂覆催化劑的。
本發明的另一目的是提供一種制造雙極板的方法，該方法包括下列步驟—提供一個聚合物壁；—提供一個第一電極，該電極包括一種金屬絲編織的織物；—提供一個第二電極，該電極包括一種金屬絲編織的織物；—設置第一電極在聚合物壁的一個第一側面上；—設置第二電極在上述的聚合物壁的一個第二側面上；—層壓上述的第一和第二電極和聚合物壁。
這種方法以一種更經濟的方式制造雙極板，并且該方法易于控制，因為某些處理參數，例如層壓時的壓力是較不重要的。后者是由于金屬絲編織的織物在垂直于其表面的方向上具有彈性。
作為本發明的一個主題的一種雙極板的制造方法有可能還包括一個用一種催化劑涂覆一個或兩個金屬絲編織的織物的步驟。
一種雙極板的制造方法有可能還包括在層壓之前或之后添加不同層的金屬絲編織的織物一層在另一層的頂部，以獲得包括多于一層金屬絲編織的織物的電極的步驟。


下面將參照附圖更詳細地說明本發明，附圖中圖1示出作為本發明的一個主題的雙極板的一個側視圖；圖2示出按照圖1的作為本發明的一個主題的雙極板沿平面AA’的一個橫剖面圖；圖3和圖4示出作為本發明的一個主題的代替的雙極板的一個橫剖面圖。
具體實施例方式
作為本發明的一個主題的一個雙極板110的側視圖示于圖1內。一個聚合物壁120具有兩個外表面，以及至少在一個表面121上，作為一個電極的一部分的一種金屬絲編織的織物130是部分地埋置在聚合物壁120內。在聚合物壁120的另一個側面122上有可能另一個金屬絲編織的織物140(為了清晰起見在圖1內未示出)，作為位于另一個側面122上的電極的一部分部分地埋置在聚合物壁120內。
圖2示出雙極板110的一個橫剖面圖，該雙極板110具有兩個電極，電極包括金屬絲編織的織物(130和140)，各在聚合物壁120的一個側面上。
一個雙極板110包括一個聚合物壁120，其厚度221為，例如2mm。在聚合物壁的兩側面121和122上，一種金屬絲編織的織物130和140是部分地埋置越過一個深度稍大于聚合物壁120的厚度221的一半，優選地，聚合物壁為一種擠壓的高密度聚丙烯(HDPP)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚砜或聚縮醛板材。應該理解，金屬絲編織的織物的厚度233，234基本上大于聚合物壁120的厚度221的一半，以便給電極提供一個充分的體積，該體積不埋置在聚合物壁內，和給電極提供空隙體積，用于供給的反應氣體或反應液體的抽空。
有可能，金屬絲編織的織物130可以涂覆一種Pt和Ru基的催化劑。金屬絲編織的織物140可以涂覆一種Pt和Ir基的催化劑。
金屬絲編織的織物130和140可以是使用一個5號機器量具(針床每英寸5針)的、雙床編織的結構(或者緯線編織的卷)。可以使用一種直徑250μm的鎳絲。
金屬絲編織的織物優選地借助使金屬絲編織的織物層壓在聚合物板材內，而埋置在聚合物壁內，聚合物壁優選地是一種聚合物板材。
圖3示出作為本發明的一個目的的一個代替的雙極板的橫剖面圖。雙極板310包括一個聚合物壁320，該聚合物壁320是一種擠壓的聚合物板材，材料為高密度聚丙烯(HDPP)、聚砜、聚縮醛、或高密度聚乙烯(HDPE)。聚合物板材的厚度321為約1mm。在聚合物壁311的一個側面放置一個第一電極330，該第一電極330包括兩層金屬絲編織的織物331和332，最接近聚合物壁320的一層金屬絲編織的織物331部分地埋置在聚合物壁320內。電極333的厚度是金屬絲編織的織物層331和332的厚度，并且約為7mm，其中每一層織物層331和332各具有厚度約3.5mm。
織物層331埋置入聚合物壁內越過一個深度稍大于0.5mm。
在聚合物壁的另一側面312放置一個第二電極340，該第二電極包括兩層金屬絲編織的織物341和342，最接近聚合物壁320的一層金屬絲編織的織物341部分地埋置在聚合物壁320內。電極343的厚度是金屬絲編織的織物層341和342的厚度，并且約為7mm，其中每一層織物層341和342各具有厚度約3.5mm。織物層341埋置入聚合物壁內越過一個稍大于0.5mm的深度。
由于兩個金屬絲編織的織物331和341是使用稍大于聚合物壁的厚度321的一半的深度埋置的，從而保證在兩個金屬絲編織的織物331和341之間，以及因此在兩個電極330和340之間的電接觸。
作為一個實例，金屬絲編織的織物331，332、341、342可以是使用一個5號機器量具(針床每英寸5針)的、單平針編織的結構。可以使用一種直徑250μm的鎳絲，提供一種金屬絲編織的織物，具有一個厚度為約3.5mm，具有一個重量為47.5g/m2和密度為1.7％。
織物層332可以涂覆一種Pt和In基的催化劑。織物層342可以涂覆一種Pt和Ir基的催化劑。
圖4示出作為本發明的一個主題的一個代替的雙極板的橫剖面圖。雙極板410包括一個聚合物壁420，該聚合物壁420是一種擠壓的聚合物板材，材料為高密度聚丙烯(HDPP)、聚砜、聚縮醛、或高密度聚乙烯(HDPE)。聚合物板材的厚度為約1mm。在聚合物壁420的一個側面，放置一個第一電極430，該第一電極包括三層金屬絲編織的織物層431，432和433，最接近聚合物壁420的一層金屬絲編織的織物層431部分地埋置在聚合物壁420內。電極的厚度434是金屬絲編織的織物層431，432和433的厚度總和，并且約為10.5mm，其中每一層織物層431，432和433各具有厚度約3.5mm。織物層431埋置入聚合物壁內越過一個稍大于0.5mm的深度。
在聚合物壁的另一個側面放置一個第二電極440，該第二電極440包括三層金屬絲編織的織物層441，442和443，最接近聚合物壁420的一層金屬絲編織的織物層441部分地埋置入聚合物壁420內。電極444的厚度是金屬絲編織的織物層441，442和443的厚度總和，并且約為10.5mm，其中每一層織物層441，442和443具有一個厚度為約3.5mm。織物層441埋置入聚合物壁內越過一個稍大于0.5mm的深度。
由于兩個金屬絲編織的織物層431和441是使用稍大于聚合物壁的厚度421的一半的深度埋置的，從而保證在兩個金屬絲編織的織物層431和441之間以及因此在兩個電極430和440之間的電接觸。
金屬絲編織的織物層441，442，443，432和433可以是與圖3內實施例使用的相同的。
金屬絲編織的織物層432和442的功能是作為第一金屬絲編織的織物層431和441與第三金屬絲編織的織物層433和443之間的隔離層，其中金屬絲編織的織物層433可以涂覆一種Pt和In基的催化劑，以及金屬絲編織的織物層443可以涂覆一種Pt和Ir基的催化劑。
權利要求
1.一種雙極板，包括一個聚合物壁，該聚合物壁具有一個第一側面和一個第二側面，上述的雙極板還包括一個第一和一個第二電極，上述的第一電極定位在上述的聚合物壁的上述的第一側面，上述的第二電極定位在上述的聚合物壁的上述的第二側面，上述的第一電極和第二電極部分地埋置在上述的聚合物壁內，上述的第一電極和上述的第二電極在上述的聚合物壁內成為彼此電接觸，其特征在于，至少上述的第一電極或第二電極中的一個包括一種金屬絲編織的織物，部分地埋置在上述的聚合物壁內。
2.按照權利要求1的雙極板，其特征在于，上述的第一電極和上述的第二電極都包括一種金屬絲編織的織物，部分地埋置在上述的聚合物壁內。
3.按照權利要求1或2任何一項的雙極板，其特征在于，上述的電極是由金屬絲編織的織物組成的。
4.按照權利要求1至3中任何一項的雙極板，其特征在于，上述的第一和上述的第二電極包括多于一層金屬絲編織的織物層，僅有上述的各電極的僅僅一層的上述的金屬絲編織的織物層是部分地埋置在上述的聚合物壁內。
5.按照權利要求1至4中任何一項的雙極板，其特征在于，上述的金屬絲編織的織物層具有一個小于10％的密度。
6.按照權利要求1至5中任何一項的雙極板，其特征在于，上述的聚合物壁是一種聚合物板材。
7.按照權利要求6的雙極板，其特征在于，上述的聚合物板材是一種擠壓的聚合物板材。
8.按照權利要求1至7中任何一項的雙極板，其特征在于，上述的金屬絲編織的織物使用鎳或鎳合金的金屬絲。
9.按照權利要求1至8中任何一項的雙極板，其特征在于，上述的金屬絲編織的織物包括具有一個直徑小于0.5mm的金屬絲。
10.按照權利要求1至9中任何一項的雙極板，其特征在于，上述的聚合物壁使用的聚合物材料從包括氟聚合物、聚烯烴、聚縮醛或聚砜的一組中選出。
11.按照權利要求1至10中任何一項的雙極板，其特征在于，上述的聚合物壁具有一個大于0.5mm和小于5mm的厚度。
12.按照權利要求1至11中任何一項的雙極板，其特征在于，上述的第一電極和上述的第二電極每一個具有一個厚度大于上述的聚合物壁厚度的一半。
13.按照權利要求1至12中任何一項的雙極板，其特征在于，上述的第一電極和/或上述的第二電極包括一種催化劑。
14.按照權利要求1至13中任何一項的雙極板，其特征在于，上述的第二電極包括一種催化劑，所述的催化劑選自下列組，該組包括Rh、Ru、Pt、Pd、Ir、Ag、Ni、Cu、WC、Au或它們的組合。
15.一種雙極板的制造方法，包括下列步驟—提供一個聚合物壁；—提供一個第一電極，該電極包括金屬絲編織的織物；—提供一個第二電極，該電極包括金屬絲編織的織物；—設置上述的第一電極在上述的聚合物壁的一個第一側面上；—設置上述的第二電極在上述的聚合物壁的一個第二側面上；—層壓上述的第一和上述的第二電極和聚合物壁。
16.按照權利要求1至14的一種雙極板在電化學反應器內的使用。
17.按照權利要求1至14中的一種雙極板在H2的生產中的使用。
全文摘要
作為本發明的一個主題的一種雙極板，包括一個聚合物壁(420)以及一個第一電極(430)和一個第二電極(440)。第一電極定位在聚合物壁的一個第一側面上，以及第二電極定位在聚合物壁的一個第二側面上。第一電極和第二電極部分地埋置在聚合物壁內，使它們在聚合物壁內成為彼此電接觸。至少兩個電極之一包括一部分地埋置在聚合物壁內的金屬絲編織的織物。
文檔編號H01M8/02GK1771354SQ03826389
公開日2006年5月10日 申請日期2003年4月29日 優先權日2003年4月29日
發明者L·阿納弗 申請人:貝克特股份有限公司