雙極性電極和其生產方法
【專利說明】雙極性電極和其生產方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求在2012年6月20日提交的歐洲申請號12172835.6的優先權，出于所有的目的將該申請的全部內容通過引用結合在此。
[0003]本發明涉及用于電解池的隔膜-電極組件(MEA)，并且尤其涉及用于這種組件中的雙極性電極領域。
[0004]現有技術中已有雙極性電極用于電解池。
[0005]在用于電解單元的雙極性電極的設計中，人們必須平衡使進行電解的可用有效面積最大化，以及避免捕集電解過程產生的氣體的相沖突的要求，所述捕集可能局部抑制進一步的反應，并且最終使電解過程停止。
[0006]至今,仍未描述用于上述的權衡的令人滿意的解決方案。
[0007]因此，本發明的目的是提供雙極性電極以及其生產方法，所述雙極性電極提供了在為電解過程提供充足的有效面積與避免捕集產生的氣體之間的足夠平衡。
[0008]根據權利要求1，通過用于電解單元的雙極性電極實現該目的。
[0009]用于本發明的雙極性電極的電解單元旨在(當使用時)具有一個流動的方向。鑒于該雙極性電極的預期的用途，該電極具有一個供給側和一個離開側，具體地通過存在一個供給開孔和一個離開開孔表示，如將在以下更詳細描述的。在提及一個流動的方向時，這意在表示其中當該電極在一個電解單元中使用時所生產的氣體將流動的大致方向。因此，該流動的方向將是從該供給側朝向該離開側的方向。
[0010]在根據本發明的電極的背景下，“對應圖案”是使一個電極的第一側和放置在其上的一個相同電極的第二側相會合的相應的凸出部的圖案，即，特別是相互成鏡像的圖案。
[0011]根據本發明的該雙極性電極的一個優點是能夠獲得高產率，同時產生的氫氣可保持足夠的流動性而不需要強制對流。所以，可避免對活動件(如產生強制對流的泵)的需要，并且可以獲得一個有效率的、低維護的電解單元。
[0012]使用具有一個相似變換頂面的多邊形凸出部的的一個優點是由加工引起的材料應力以均勻的方式分布，這避免了產生脆弱點。
[0013]凸起的多邊形形狀的使用的一個優點是這些凸起部不存在任何可以對反應中流體的合理流動構成障礙的“死角”。
[0014]根據本發明，多邊形形狀具有至少一個在基本上垂直于(理想地，垂直)期望的流動方向的方向上定向的邊，并且該至少一個邊的總長度不超過該多邊形形狀周長的35%。
[0015]如果一個方向在嚴格垂直方向附近的一個小的角度邊界內，可以認為是“基本上垂直的”。該小的角度邊界優選地為在嚴格垂直方向的每一側不大于10°，更優選地為在每一側不大于5° ,并且最優選地為在每一側不大于I°。
[0016]另外或者可替代地，多邊形形狀可以這樣的一種方式定向，使得一個連接多邊形形狀的面心與該多邊形形狀的具有最小內角度的角的矢量具有基本上平行(理想地，平行)于流動方向的方向。
[0017]如果一個方向在嚴格平行的方向附近的一個小的角度邊界內，可以認為是“基本上平行的”。該小的角度邊界優選地為在嚴格平行方向的每一側不大于10°，更優選地為在每一側不大于5° ,并且最優選地為在每一側不大于I°。
[0018]這些具體的形狀和取向的組合使凸出部的隆起的出現最小化，所述隆起基本上橫跨流動方向，其使得易于聚集氣泡并且阻礙它們的自然流動。
[0019]在根據本發明該雙極性電極的一個實施例中，凸出部的平坦頂面的面積與它們相應的幾何形狀基底的比率超過1/4。
[0020]該比率已經在實驗中給出了好的結果。降低該比率到一個更低值，則由于參與電解的總的有效面積變得太小，可以預期降低電極的效率。
[0021]在根據本發明該雙極性電極的一個實施例中，凸出部的圖案在凸出部的頂面上以更小的比例重復。例如，如果這些凸出部是菱形形狀的，它們的頂面可以進一步配備有一個多重更小的菱形形狀的凸出部的圖案。
[0022]該實施例改進了在一個反應器中不同電極之間水的分布，確保存在足夠的反應物進行電解反應。
[0023]根據本發明該雙極性電極的一個實施例中，凸出部的圖案為這樣:形成兩組直通道，其中在每個相應的組中的這些通道具有在一個共同方向上的一個軸，該共同方向在期望的流動方向上具有其主分量。換句話說，如果代表這些通道的軸的方向的向量被分解為一個平行于期望的流動方向的分量和一個與其垂直的分量，前者分量大于后者。
[0024]該實施例的一個優點是產生的氣體的氣泡有一個方便排出反應器的途徑，不會在本應持續發生反應的區域(如凸出部的頂表面)產生“死區”。
[0025]在一個具體的實施例中，凸出部的圖案為這樣:每個相應的組的通道的平均寬度沿著該共同方向增加。換句話說，由這些凸出部限定的通道從該供給側最近的末端到該離開側最近的末端變寬。
[0026]該實施例的一個優點是增大尺寸的氣泡具有適當的出口路徑,顯著地由于較小氣泡的逐漸合并。
[0027]根據本發明該雙極性電極的一個實施例中,其平坦主體由金屬制成。
[0028]為了根據本發明該雙極性電極的目的，金屬為成型能力和形狀穩定性提供了一種良好的權衡。優選的金屬包括鋼和鈦。
[0029]根據本發明的一個方面提供了包括如上所述的多個雙極性電極和放置于兩個雙極性電極之間的關聯的離子交換膜的電解單元，這些電極串聯地電連接并且以疊層方式布置。
[0030]由于雙極性電極有效的流動特性，可以構成一種不需要強制對流手段的隔膜-電極組件。因此，該電極可以組合成一個非常密集的疊層以產生緊湊的和可靠的電解單元。
[0031]根據本發明的一個方面，提供了一種包括上述電解單元、燃料電池、電流接口和儲氫罐的儲能和供能單元；所述電解單元被連接至所述電流接口用于接收電流并且連接至所述儲氫罐用于儲存產生的氫氣；并且所述燃料電池連接至所述電流接口用于為其提供電流并且連接至所述儲氫罐用于接收儲存的氫氣。
[0032]根據本發明該雙極性電極的優點可以應用到電解單元和/或者燃料電池來產生有效率的、緊湊的和可靠的儲能和供能單元，在蓄能器應用中可以取代蓄電池。
[0033]根據本發明的一個方面，提供了上述電解單元產生氫氣的用途。
[0034]根據本發明的一個方面，提供了一種生產上述雙極性電極的方法，該方法包括:將第一個金屬片與第二個金屬片用對應的凸出部圖案來壓紋；并且將第一金屬片與第二金屬片連接在一起，使凸出部面向外從而產生平坦的主體。
[0035]該方法的一個優點是僅采用基本上均勻厚度的金屬片可產生有適當的凸出部圖案的平坦主體。
[0036]根據本發明方法的一個實施例中，從共同的基體中切割出第一金屬片和第二金屬片之前，壓紋第一金屬片和第二金屬片。
[0037]該實施例的一個優點是對平坦主體兩側的壓紋可在單一的步驟中發生。
[0038]在一個實施例中，根據本發明的方法進一步包括將一種表面涂層施用于第一金屬片和第二金屬片。
[0039]根據本發明該方法的一個實施例中，壓紋通過液壓成形進行。
[0040]該實施例的一個優點是凸出部、甚至是多級凸出部，可以非常高的精密度產生而不損壞材料表面。更進一步的優點是液壓成形是一個單階段的過程。
[0041]愛德華?本杰明(Edward 0.Benjamin)的美國專利1，328，981披露了一種用于在電解池中使用的電極，該電極包括一個導電材料的板，該板的表面被形成有或者設置有豎直取向的多個平頂的凸出部，以便在它們之間形成向上的通道。這種電極旨在用于單極性安排中，并且它的凸出部不具有根據本發明的電極的那些特征。
[0042]以Heraeus Elektroden名義的國際專利申請公布TO 91/00379 Al披露了一種用于電解過程的電解池(其中放出氣體)，該電解池包括至少一個具有平行的電極元件的電極。這些電極元件具有高達釋放的氣泡的平均直徑的三倍的厚度，并且在這些電極元件之間的毛細管間隙是使得這些氣泡基本上以在該陽極與該陰極的反應界面之間的電場的方向、或者相反的方向移動穿過這些電極。這種電極旨在用于單極性安排中，并且它的凸出部不具有根據本發明的電極的那些特征。
[0043]以Reinz Dichtung GmbH命義的國際專利申請公布WO 2009/043600 Al披露了一種電化學系統以及一種用于電化學系統中的雙極板。該電化學系統由一個若干電池的分層組成，在每種情況下這些電池彼此被雙極板分離，其中這些雙極板包括用于冷卻工作介質或者用于去除并且向這些電池供給工作介質的開口，并且可以在機械壓縮應力下設置該分層，其中至少一個電池包括一個電化學活性區域，該活性區域被該雙極板的邊界壁包圍，并且一個該雙極板的通道結構被提供在該電化學活動區域內部用于均勻